干線公交綠波通行控制中公交專用相位的設(shè)置方法

楊 震 王 煒 陳淑燕 丁浩洋

(東南大學(xué)城市智能交通江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

(現(xiàn)代城市交通技術(shù)江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210096)

對城市干線上一組交叉口交通信號(hào)燈實(shí)行聯(lián)動(dòng)控制，形成綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，往往比單點(diǎn)交叉口控制能夠取得更好的效果，它可使車輛能夠遇到連續(xù)的綠燈信號(hào)，從而暢通無阻地通過干線上各個(gè)交叉口.干線綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的服務(wù)對象一般是按一定車速行駛的小客車，若單獨(dú)為公交車設(shè)計(jì)綠波系統(tǒng)，就需要采用不同的方法，這是由于:①公交車的行駛靈活性以及運(yùn)行車速低于小客車，而且需要沿途停站上下客［1］;②交叉口需要物理公交優(yōu)先設(shè)施的支持，避免公交車到達(dá)交叉口時(shí)排在其他車輛之后，引起不必要的延誤，影響公交綠波系統(tǒng)的效能.

國內(nèi)外對公交綠波通行控制已進(jìn)行了一些研究.如文獻(xiàn)［2］在公交專用道的基礎(chǔ)上提出了公交綠波信號(hào)設(shè)置方法，并對其實(shí)施后的延誤情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果顯示公交綠波控制策略并不能改善沿線每個(gè)交叉口的人均延誤，但能夠達(dá)到整體最優(yōu)的效果.文獻(xiàn)［3］在交叉口飽和度分別為 0.5，0.8和0.95的條件下評估了相位延長、相位插入、相位早斷3種公交優(yōu)先策略所能達(dá)到的效果，結(jié)果表明這3種策略適用于飽和度中等的交叉口.文獻(xiàn)［4］建立了一種包含續(xù)進(jìn)控制層、單點(diǎn)控制層、公交優(yōu)先控制層的實(shí)時(shí)魯棒干線信號(hào)控制系統(tǒng)，實(shí)例研究顯示該系統(tǒng)優(yōu)于各種離線控制的模型，并能顯著降低公交車輛的延誤.文獻(xiàn)［5］運(yùn)用仿真手段分析了公交車在信號(hào)交叉口的延誤與其車頭時(shí)距的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對公交車車頭時(shí)距的優(yōu)化有助于減少公交車的延誤.

城市干線上的公交線路具有一定的分布模式，一些公交車可能通過某個(gè)交叉口從相交道路匯入干線，另一些則可能通過某個(gè)交叉口駛離干線進(jìn)入相交道路.基于此，在實(shí)行公交綠波通行控制時(shí)，需同時(shí)考慮到干線方向直行公交車、轉(zhuǎn)彎公交車的通行需求，保證其相對于社會(huì)車輛的優(yōu)先通行權(quán).因此，可通過在交叉口設(shè)置僅讓公交車通行的專用進(jìn)口道和專用相位，對干線方向直行公交車、轉(zhuǎn)彎公交車實(shí)行統(tǒng)一控制.本文將研究交叉口公交專用相位的設(shè)置方法，作為一種公交綠波通行輔助技術(shù)，來更好地解決干線公交綠波通行控制問題.

1 干線基本假定

為簡化問題，假定本文所研究的城市干線具有如下特征:

1)為城市交通性主干道.

2)干線兩側(cè)有若干條低級(jí)別道路(以下簡稱支路)與之相交，形成交叉口，交叉口均采用信號(hào)控制.

3)未設(shè)置公交專用相位時(shí)，干線上各交叉口默認(rèn)相位功能及順序?yàn)?①干線協(xié)調(diào)方向直行、右轉(zhuǎn);② 干線協(xié)調(diào)方向左轉(zhuǎn);③ 支路方向直行、右轉(zhuǎn);④ 支路方向左轉(zhuǎn).此外，本文不考慮支路上直行公交車的優(yōu)先通行權(quán).

2 交叉口公交專用相位設(shè)置方法

2.1 公交專用相位數(shù)量及位置的設(shè)置

首先在干線各交叉口協(xié)調(diào)方向的2個(gè)進(jìn)口道上分別設(shè)置一條公交專用進(jìn)口道，該專用進(jìn)口道位于社會(huì)車輛直行進(jìn)口道與右轉(zhuǎn)進(jìn)口道之間，然后考慮交叉口公交線路分布模式的各種情形(見圖1)，進(jìn)行公交專用相位的設(shè)置.

圖1 交叉口公交線路分布模式

情形1若交叉口協(xié)調(diào)方向上僅有直行(見圖1(a))或直行、右轉(zhuǎn)公交車(見圖1(b))，則該交叉口協(xié)調(diào)方向無需設(shè)置公交專用相位，只需將社會(huì)車輛的直行、右轉(zhuǎn)相位設(shè)為協(xié)調(diào)相位.

情形2若交叉口協(xié)調(diào)方向上其中一個(gè)進(jìn)口道包含左轉(zhuǎn)公交車和直行公交車(見圖1(c))，為了避免左轉(zhuǎn)公交車與對向直行公交車產(chǎn)生沖突，在該進(jìn)口道設(shè)置1個(gè)公交專用相位，并將該相位和社會(huì)車輛的直行、右轉(zhuǎn)相位都設(shè)為協(xié)調(diào)相位.

由公交線路布置的對稱性可知，在此情況下，支路方向上存在右轉(zhuǎn)匯入干線的公交車，因此將默認(rèn)相位③的功能調(diào)整為支路方向的直行，默認(rèn)相位④的功能調(diào)整為支路方向的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，同時(shí)將公交專用相位設(shè)置于默認(rèn)相位②和③之間，保持匯入干線公交車與相應(yīng)方向的協(xié)調(diào)相位相鄰.

情形3若交叉口協(xié)調(diào)方向上2個(gè)進(jìn)口道都包含左轉(zhuǎn)公交車和直行公交車(見圖1(d))，則基于和情形2同樣的理由，在該交叉口協(xié)調(diào)方向上設(shè)置2個(gè)公交專用相位，每個(gè)進(jìn)口道各占用1個(gè)，并將它們都設(shè)為協(xié)調(diào)相位.

同樣地，在此種情況下，支路方向上也存在右轉(zhuǎn)匯入干線的公交車，因此可采用與情形2相同的方法調(diào)整默認(rèn)相位功能，然后將2個(gè)公交專用相位都設(shè)置于默認(rèn)相位④和①之間，盡量保持匯入干線公交車與相應(yīng)方向的協(xié)調(diào)相位相鄰.

情形4若交叉口協(xié)調(diào)方向上無直行公交車，僅有轉(zhuǎn)彎公交車(見圖1(e))，則可以該交叉口為界，將原來的干線分成2部分單獨(dú)考慮.

2.2 公交專用相位相序的確定

當(dāng)干線上某些交叉口需要設(shè)置2個(gè)公交專用相位時(shí)(即2.1節(jié)中的情形3)，為了盡量增大協(xié)調(diào)方向上的綠波帶寬，還需要考慮公交專用相位的相序.

首先對各交叉口間距實(shí)行等效變換［6］，使得公交車在上行或下行方向的每個(gè)路段上具有相同的運(yùn)行速度，然后使用和綠波數(shù)解法［1］類似的尋找理想交叉口間距的方法來確定公交專用相位的相序.下面分4種情況討論.

情況1干線上關(guān)鍵交叉口［1］沒有公交專用相位，某些非關(guān)鍵交叉口含有2個(gè)公交專用相位.

根據(jù)2.1節(jié)，關(guān)鍵交叉口僅有一個(gè)協(xié)調(diào)相位時(shí)，可按圖2(a)和圖2(b)來求解關(guān)鍵交叉口與非關(guān)鍵交叉口的理想間距.當(dāng)非關(guān)鍵交叉口的公交專用相位相序如圖2(a)所示時(shí)，理想間距SIa(單位:m)滿足

式中，vb1，vb2為經(jīng)等效變換后公交車在道路2個(gè)方向的運(yùn)行車速，km/h;gb1，gb2為非關(guān)鍵交叉口2個(gè)公交專用相位綠燈時(shí)間，s;C為綠波系統(tǒng)公共周期時(shí)長，s［1］.

圖2 關(guān)鍵交叉口與非關(guān)鍵交叉口理想間距的確定

當(dāng)非關(guān)鍵交叉口的公交專用相位相序如圖2(b)所示時(shí)，理想間距SIb滿足

定義 Δa，Δb為理想間距 SIa，SIb與實(shí)際間距 SA的偏差值，則

由于理想間距隨n的變化可取多個(gè)值，因此偏差Δa，Δb也存在多個(gè)值，取Δa中各值的最小值以及Δb中各值的最小值，若≤，則非關(guān)鍵交叉口的公交專用相位相序取圖2(a)所示的方案，反之，取圖2(b)所示的方案.

情況2關(guān)鍵交叉口含有1個(gè)公交專用相位，某些非關(guān)鍵交叉口含有2個(gè)公交專用相位.

根據(jù)2.1節(jié)，關(guān)鍵交叉口有2個(gè)協(xié)調(diào)相位時(shí)，可按圖2(c)和圖2(d)來求解理想間距.當(dāng)非關(guān)鍵交叉口的公交專用相位相序如圖2(c)所示時(shí)，理想間距SIa滿足

式中，gc1，gc2為關(guān)鍵交叉口2個(gè)協(xié)調(diào)相位綠燈時(shí)間，s;g2為關(guān)鍵交叉口默認(rèn)相位②的綠燈時(shí)間，s;L為各相位損失時(shí)間，s.

當(dāng)非關(guān)鍵交叉口的公交專用相位相序如圖2(d)所示時(shí)，理想間距SIb滿足

按照與情況1相同的方法可確定非關(guān)鍵交叉口公交專用相位相序方案.

情況3關(guān)鍵交叉口含有2個(gè)公交專用相位，某些非關(guān)鍵交叉口也含有2個(gè)公交專用相位.

按照與情況2類似的方法確定非關(guān)鍵交叉口公交專用相位相序方案，得到其中一種干線相序方案，利用圖解法或Maxband法［7］試解該方案的綠波帶寬W1.然后交換關(guān)鍵交叉口2個(gè)公交專用相位的次序，按同樣的方法得到綠波帶寬W2，取W1和W2較大者對應(yīng)的相序方案即為干線最終的相序方案.

情況4關(guān)鍵交叉口含有2個(gè)公交專用相位，非關(guān)鍵交叉口的公交專用相位均不多于1個(gè).

可分別針對關(guān)鍵交叉口的2種相序方案，利用圖解法或Maxband法試解其綠波帶寬，然后取其較大者作為最終的干線相序方案.

3 實(shí)例研究

淮海路是安徽省淮北市主城區(qū)內(nèi)一條東西向主干道，自西向東有5個(gè)主要十字信號(hào)交叉口(鷹山路交叉口、洪山路交叉口、孟山路交叉口、相山路交叉口和長山路交叉口)［7-8］，共有13條公交線路通過該干線.干線各交叉口資料如表1所示，表中所有數(shù)據(jù)都已換算為當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)車數(shù)pcu，其中公交車的換算系數(shù)取 1.9［9］，其他大型車取 2.25，中型車換算系數(shù)取1.5.干線各路段公交車平均運(yùn)行速度如圖3所示.下面將本文公交綠波通行中的公交專用相位設(shè)置方法應(yīng)用于該條干線.

表1 淮海路干線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖3 淮海路干線各交叉口最終相序以及公交綠波控制方案

3.1 公交專用相位數(shù)量及相位結(jié)構(gòu)的設(shè)置

根據(jù)表1各交叉口公交車流向以及2.1節(jié)，在鷹山路交叉口東進(jìn)口、孟山路交叉口東進(jìn)口分別設(shè)置1個(gè)公交專用相位，在相山路交叉口設(shè)置2個(gè)公交專用相位，并調(diào)整默認(rèn)相位功能，插入公交專用相位，具體方案為:

1)鷹山路交叉口東西向采用默認(rèn)相位，南北向采取單獨(dú)放行策略，將默認(rèn)相位③改為北進(jìn)口左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)，將默認(rèn)相位④改為南進(jìn)口左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)，將東進(jìn)口公交專用相位設(shè)置于相位②和③之間.

2)洪山路交叉口東西向采用默認(rèn)相位，南北向?yàn)閺谋毕蚰蠁蜗蛲ㄐ?，因此取消默認(rèn)相位④，將默認(rèn)相位③改為北進(jìn)口左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn).

3)孟山路交叉口東西向采用默認(rèn)相位，南北向默認(rèn)相位③改為南北方向直行，默認(rèn)相位④改為南北方向左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，將東進(jìn)口公交專用相位設(shè)置于相位②和③之間.

4)相山路交叉口東西向采用默認(rèn)相位，南北向默認(rèn)相位③改為南北方向直行，默認(rèn)相位④改為南北方向左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，東西進(jìn)口的兩個(gè)公交專用相位設(shè)置于相位④和①之間.

5)長山路交叉口維持默認(rèn)相位結(jié)構(gòu)不變.

3.2 公交專用相位相序的確定

首先用干線綠波配時(shí)法［1］確定公共周期時(shí)長Cm(123 s)、關(guān)鍵交叉口(相山路交叉口)以及協(xié)調(diào)相位綠燈時(shí)間(見圖3)，計(jì)算過程中各類進(jìn)口車道飽和流量的計(jì)算方法參見文獻(xiàn)［10］.

由于關(guān)鍵交叉口包含2個(gè)公交專用相位，而非關(guān)鍵交叉口的公交專用相位數(shù)量均不多于1個(gè)，因此根據(jù)2.1節(jié)，需針對關(guān)鍵交叉口的2種相序方案，用Maxband法試解綠波帶寬，結(jié)果如表2所示.從表中可看出，相山路交叉口東進(jìn)口公交專用相位先于西進(jìn)口時(shí)，能產(chǎn)生較大的綠波帶寬.淮海路干線各交叉口最終的相序以及公交綠波控制方案如圖3所示.

表2 相山路不同相序方案時(shí)系統(tǒng)綠波帶寬試算結(jié)果 s

4 結(jié)語

本文分析了公交綠波通行控制中引入公交專用相位的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)交叉口公交線路的分布模式討論了公交專用相位數(shù)量及位置的設(shè)置方法，使用尋找理想交叉口間距的方法討論了公交專用相位相序的確定過程.實(shí)例表明，在引入公交專用相位后，公交綠波控制系統(tǒng)能夠充分考慮公交車的行駛特點(diǎn)，并同時(shí)為干線上直行、轉(zhuǎn)彎公交車提供綠波帶寬，達(dá)到了提高公交運(yùn)行效率的目的.然而在干線交叉口飽和度較高或者公交車流量較少的情況下，本文方法存在一定局限性，有待進(jìn)一步研究.

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