兩交叉口間主動式公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制配時(shí)優(yōu)化方法＊

汪 健 胡娟娟 李 鳳

（交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院1） 北京 100029） （北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院2） 北京 100022）（交通運(yùn)輸部管理干部學(xué)院3） 北京 101601）

0 引 言

主動式公交信號優(yōu)先單點(diǎn)控制在公交車流過大情況下，可能導(dǎo)致每周期都進(jìn)行公交優(yōu)先，造成其他相位交通狀態(tài)就會逐漸惡化，二次排隊(duì)嚴(yán)重，甚至交通擁堵［1］.被動式公交信號優(yōu)先單點(diǎn)控制在公交車流過大情況下，會導(dǎo)致在疊加相位內(nèi)，公交車與社會車流的沖突就會加重，存在極大的安全隱患［2］.王彬［3］在明確干線協(xié)調(diào)與公交優(yōu)先的優(yōu)先級關(guān)系上，采用雙層優(yōu)化方法，以主動式早啟、晚斷模式為核心模塊，綠波帶上下限作為約束條件調(diào)整公交信號優(yōu)先的具體方案.郭志勇等［4］人基于博弈理論，以減少公交干線沿途交叉口信號延誤為目標(biāo)，研究干線公交線路運(yùn)營調(diào)度、途徑交叉口信號控制主動式協(xié)調(diào)技術(shù)，形成公交車輛運(yùn)行的綠波控制.

國外學(xué)者研究則主要偏向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制下的公交優(yōu)先優(yōu)化方法研究，如Chintan Sheth［5］通過公交車輛運(yùn)行時(shí)間與乘客期望值之間的時(shí)間差來公交路線在路網(wǎng)中優(yōu)先級別；Daganzo等［6］在研究了公交車流在連續(xù)不斷下的公交優(yōu)先政策的評估和優(yōu)化.還有其他學(xué)者［7－8］通過研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)下的公交優(yōu)先權(quán)重以及考慮公交優(yōu)先的優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)公交車輛在協(xié)調(diào)控制下的優(yōu)先.本文提出的主動式公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方法針對公交車流進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)交叉口間的綠燈時(shí)間和相位差的優(yōu)化.

1 研究思想

1.1 優(yōu)化原則

要想同時(shí)實(shí)現(xiàn)公交信號優(yōu)先和社會車流干線協(xié)調(diào)，必須考慮社會車流和公交車流兩者的差異性.一是社會車流和公交車流的車速不同，即使在同一綠燈時(shí)間內(nèi)駛出的車輛，到達(dá)下游交叉口的時(shí)間會差異很大，所以2股車流勢必存在沖突.二是社會車流和公交車流所需的綠燈時(shí)間不同.社會車流可以認(rèn)為是連續(xù)性的，綠燈時(shí)間越長，通過的車輛越多，而公交車則不同，只要間斷性的公交車駛離交叉口，那么后續(xù)的綠燈時(shí)間對于公交車而言，已經(jīng)沒有意義.因此，基于上述2點(diǎn)考慮，均衡2股車流的思路應(yīng)該是先保證公交車流駛離交叉口的前提下，使干線協(xié)調(diào)的綠波帶最大化.本文通過尋求一種配時(shí)優(yōu)化方法，使兩股車流雖然都不是最優(yōu)，卻能實(shí)現(xiàn)社會車流協(xié)調(diào)和公交優(yōu)先.

1.2 優(yōu)化思路

首先建立基于綠燈時(shí)間、相位差、車流流量、路段行駛時(shí)間等參數(shù)的綠波帶優(yōu)化基本模型.根據(jù)基本模型，建立社會車流綠波帶和公交車流綠波帶寬度模型.在此基礎(chǔ)上，以社會車流綠波帶最大為優(yōu)化目標(biāo)，對多個交叉口的信號配時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定各交叉口的信號配時(shí)參數(shù).

1.3 參數(shù)定義

模型相關(guān)參數(shù)定義如下：本交叉口綠燈啟亮?xí)r刻假定為0；公交車流到達(dá)本交叉口檢測器時(shí)刻距綠燈啟亮?xí)r刻為，s；到達(dá)停車線時(shí)刻距綠燈啟亮?xí)r刻為，s；公交車流量為mb；公交車流頭車車頭到尾車車頭的時(shí)間差為hb；公交相位j綠燈時(shí)間為，s；周期為c，s；相位i基礎(chǔ)綠燈時(shí)間為，s；相位i的流量為，veh／s；公交車輛在上下游停車線間的路段行駛時(shí)間Tb，s；社會車輛路段行駛時(shí)間為Tv，s；下游交叉口相位i的流量為，veh／s；相位i基礎(chǔ)綠燈時(shí)間為，s；下游交叉口現(xiàn)有配時(shí)下的公交協(xié)調(diào)相位綠燈時(shí)間為s；相位差為oj，s.

2 基于綠波帶的優(yōu)化模型建立

2.1 公交車流綠波帶優(yōu)化模型

根據(jù)以上研究思路，建立社會車流綠波帶優(yōu)化模型（如圖1）.社會車流綠波帶表示的是，根據(jù)社會車流平均行駛速度，本交叉口車輛到達(dá)下游交叉口停車線時(shí)刻，剛好在綠燈內(nèi)的那部分綠燈時(shí)間，如圖1所示的w值或者w′值［9］.單向綠波帶寬度w由綠波帶上限和綠波帶下限之間的那部分綠燈時(shí)間構(gòu)成.只要求出綠波帶對應(yīng)的上限和下限，兩者相減就是綠波帶寬度.

以本交叉口到達(dá)下游交叉口的單向綠波帶為例，確定單向綠波帶的上限和下限.從圖1看出，單向綠波帶的上限應(yīng)為

式中：wz1為從本交叉口到下游交叉口的綠波帶上限時(shí)刻為最靠近本交叉口車流到達(dá)下游交叉口的周期數(shù)Tv，nic＋ooptj）為下游交叉口協(xié)調(diào)相位j的綠燈時(shí)間，s；ooptj為2交叉口間的相位差為本交叉口協(xié)調(diào)相位j的綠燈時(shí)間，s.

圖1 綠波帶寬度示意圖

單向綠波帶下限值

式中：wq1為從本交叉口到下游交叉口的綠波帶下限時(shí)刻，s.

根據(jù)wz1和wq1確定出本交叉口到下游交叉口的綠波帶寬度w為

同理，下游交叉口到本交叉口的反向綠波帶w′由反向綠波帶的上限和下限之間的綠燈時(shí)間確定.反向綠波帶的上限

式中：wz2為從下游交叉口到本交叉口的綠波帶上限時(shí)刻為最靠近下游車流到達(dá)本交叉口的（ ，）周期數(shù)Tv＋ooptjnic.

反向綠波帶的下限值

式中：wq2為從本交叉口到下游交叉口的綠波帶下限時(shí)刻，s.

根據(jù)wz2和wq2確定社會車流從下游交叉口到本交叉口的綠波帶寬度w′為

建立社會車流綠波帶優(yōu)化模型

式中：wv為社會車流綠波帶寬度，s.

以社會車流綠波帶寬度最大為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化得到下游交叉口的相位差ooptj和綠燈時(shí)間.根據(jù)這2個參數(shù)確定公交車流綠波帶.

2.2 公交車流綠波帶優(yōu)化模型

公交車流從本交叉口到下游交叉口的綠波帶寬度wb應(yīng)是公交車流綠波帶的上限與下限的時(shí)間差，見圖1.

公交車流綠波帶的上限值

式中：wz3為從下游交叉口到本交叉口的綠波帶上限時(shí)刻，s；nbj為最靠近公交車流到達(dá)下游的周期數(shù)；nbj＝為無阻礙通過本交叉口的公交車流頭車到尾車的時(shí)間差，s.公交車流綠波帶的下限值

式中：wq3為從本交叉口到下游交叉口公交車流的綠波帶下限時(shí)刻，s.

3 最佳決策優(yōu)選方法

根據(jù)wz3和wq3就可確定社會車流從下游交叉口到本交叉口的綠波帶寬度wb為

公交車流綠波帶wb與存在3種情況：（1）wb＝，公交車流綠波帶滿足公交優(yōu)先要求，不用調(diào)整以社會車流綠波帶最大為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化信號配時(shí)參數(shù)，得到了同時(shí)滿足社會車流協(xié)調(diào)和公交車流優(yōu)先的信號配時(shí)方案；（2）調(diào)整信號配時(shí)參數(shù)，wb＝0，說明信號配時(shí)參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間不能滿足公交優(yōu)先要求，不用調(diào)整以社會車流綠波帶最大為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化信號配時(shí)參數(shù)，得到了滿足社會車流協(xié)調(diào)的信號配時(shí)方案；（3）0≤wb＜，以公交車流綠波帶寬度最大為優(yōu)化目標(biāo)，重新優(yōu)化信號配時(shí)參數(shù)，即

若根據(jù)式（11），優(yōu)化得到的信號配時(shí)參數(shù)存在多個最優(yōu)解，可再以社會車流綠波帶寬度最大為優(yōu)選模型，即式（7），選擇多個最優(yōu)解中的最佳信號配時(shí)方案，得到同時(shí)滿足社會車流協(xié)調(diào)和公交優(yōu)先的配時(shí)方案；如果只有一個最優(yōu)解，那么重新優(yōu)化得到的信號配時(shí)方案，就是滿足公交車流優(yōu)先的配時(shí)方案.

4 控制算法驗(yàn)證

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

4.1.1 道路數(shù)據(jù) 假設(shè)2交叉口間距為600m，社會車輛飽和流量為1 800veh／h，公交車輛飽和流率為900veh／h，社會車流的飽和車頭時(shí)距hs＝2s／veh，公交車流飽和車頭時(shí)距hsb＝4s，阻塞密度Km＝140veh／km.公交正常行駛速度為10 m／s，社會車輛行駛速度為15m／s.

如圖2所示，交叉口1和交叉口2的道路渠化相同，從交叉口1檢測器到停車線間距離為100m，交叉口1停車線到交叉口2停車線間距離為600m.2交叉口都有公交專用道道，東西方向的左轉(zhuǎn)車道渠化段長度為40s.東西進(jìn)口道的人行橫道長為30m，南北進(jìn)口道的人行橫道長為15 m，行人步速為1.5m／s.

圖2 2交叉口道路渠化示意圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定公交車從交叉口1檢測器到停車線間的路段行駛時(shí)間Ta＝10s，公交車從交叉口1停車線到交叉口2停車線間的路段行駛時(shí)間Tb＝60s，社會車輛路段行駛時(shí)間為Tv＝40s.

4.1.2 原有信號配時(shí)數(shù)據(jù) 各進(jìn)口道流量如表1所列.兩交叉口均為三相位交叉口，原有信號配時(shí)方案如表2所列，相位損失時(shí)間為3s，公共周期為80s，2交叉口的原有相位差為40s.

表1 2交叉口交通流量數(shù)據(jù) veh／h

表2 兩交叉口信號配時(shí)數(shù)據(jù)表 s

4.1.3 公交檢測數(shù)據(jù) 假定檢測到公交車輛數(shù)mb＝4veh，公交車流頭車到達(dá)交叉口1檢測器時(shí)刻距離綠燈啟亮?xí)r刻為＝15s，到達(dá)停車線時(shí)刻＝25s，公交車流頭車到尾車間的時(shí)間差hb＝18s.

4.2 信號配時(shí)方案確定

2交叉口信號配時(shí)見表3.

表3 兩交叉口信號配時(shí)數(shù)據(jù)表

4.3 控制效果評價(jià)

將以上數(shù)據(jù)放入VISSIM軟件模擬10次［10］，每次模擬時(shí)間為7 200s，得到每次模擬環(huán)境下的2交叉口所有社會車輛的平均延誤、2交叉口所有進(jìn)口道的平均排隊(duì)長度，及所有公交車從交叉口1檢測器到交叉口2出口位置上（700 m）的路段行程時(shí)間，用于優(yōu)先前后的實(shí)際運(yùn)行控制效果評價(jià)，見表4.

由表4可見，主動式公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方案，縮短了公交車路段行程時(shí)間，減少了公交車輛延誤.該方案減少了非公交相位綠燈時(shí)間，導(dǎo)致交叉口車均延誤的上升，但交叉口平均排隊(duì)長度基本不變，而且優(yōu)先后的社會車流綠波帶寬度要大于原有干線協(xié)調(diào)控制下的寬度.說明主動式公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制算法可在保證干線協(xié)調(diào)控制效果下，減少公交車流延誤.

表4 協(xié)調(diào)前后控制效果對比表

5 結(jié) 論

1）根據(jù)上下游交叉口信號配時(shí)及車流不同時(shí)刻到達(dá)情況，確定了公交車流和社會車流的綠波帶寬度

2）提出了綜合考慮社會車流綠波帶和公交車流綠波帶的主動式公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制算法，有效地統(tǒng)一了公交車流協(xié)調(diào)和社會車流協(xié)調(diào)控制.

3）該算法考慮的是單股公交車流的優(yōu)先控制，在雙向公交車流都需要優(yōu)先下的控制邏輯應(yīng)是下一步研究方向.

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