有軌電車道口信號(hào)優(yōu)先設(shè)計(jì)

鐘吉林，王長(zhǎng)林

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031)

有軌電車道口信號(hào)優(yōu)先設(shè)計(jì)

鐘吉林，王長(zhǎng)林

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031)

本文以道口整體延誤損失為目標(biāo)函數(shù)，在利用遺傳算法優(yōu)化干線道口之間相位差的基礎(chǔ)上，結(jié)合道口信號(hào)優(yōu)先控制方法以及有軌電車滯站調(diào)度，提出了基于干線協(xié)調(diào)的有軌電車信號(hào)相對(duì)優(yōu)先控制方案，并設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真，證明該方案可以有效降低干線上的車輛延誤，并實(shí)現(xiàn)有軌電車的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。

有軌電車；信號(hào)優(yōu)先；干線控制；滯站調(diào)度

有軌電車具有投資少，建設(shè)周期短，運(yùn)營(yíng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，使其成為中小型城市發(fā)展公共交通的首選。有軌電車的選線通常位于城市主干道。對(duì)有軌電車沿線道口進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)控制可以提高道路的通行能力，降低該道路上車輛的延誤，然而有軌電車的信號(hào)優(yōu)先控制會(huì)破壞干線協(xié)調(diào)的交通流。因此，本文結(jié)合有軌電車的滯站調(diào)度，在為有軌電車提供一定條件優(yōu)先權(quán)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于干線協(xié)調(diào)的有軌電車信號(hào)相對(duì)優(yōu)先控制，并建立仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 有軌電車對(duì)沿線車流的影響

有軌電車的運(yùn)行速度介于地面常規(guī)公共交通和地鐵、輕軌之間，是一種大容量的快速公共交通工具。同時(shí)，有軌電車主要采用普通路面架設(shè)軌道的方式修建，其工程量和造價(jià)比地鐵輕軌低。

1.1 有軌電車路權(quán)

有軌電車的路權(quán)決定其與社會(huì)車輛的交織程度，根據(jù)對(duì)有軌電車路權(quán)的分配，有軌電車通?？煞譃?類：完全獨(dú)立路權(quán)有軌電車，半獨(dú)立路權(quán)有軌電車和混行路權(quán)有軌電車。

采用完全獨(dú)立路權(quán)的有軌電車受干擾少，速度快，準(zhǔn)點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)效率接近輕軌，然而采用獨(dú)立路權(quán)將會(huì)加大有軌電車的建造工程量和成本。如果采用混行路權(quán)的方式（即有軌電車所在車道也可供普通機(jī)動(dòng)車輛行駛），則一旦出現(xiàn)事故或擁堵，有軌電車和其它車輛可能陷入半癱瘓的狀態(tài)，也很難體現(xiàn)出有軌電車優(yōu)先的交通理念。因此，在運(yùn)營(yíng)效率和建造成本之間，許多城市選擇了折中的方式，即采用混合路權(quán)。

采用混合路權(quán)方式的有軌電車在道口，將會(huì)與其它道路車流、行人不可避免地產(chǎn)生交叉，其組織復(fù)雜度由于隨機(jī)干擾因素眾多而驟增。因此，應(yīng)從系統(tǒng)上分析有軌電車信號(hào)優(yōu)先對(duì)其它社會(huì)車輛的影響，并提出整治方案。

1.2 有軌電車信號(hào)優(yōu)先對(duì)道口的影響

道口是城市路網(wǎng)中最基本的組成單元，不同于路段的交通特性。車流主要有3種類型的交織：分流交織，合流交織和交叉交織。具體的交叉沖突，合流沖突和分流沖突如圖1所示，其中以交叉沖突對(duì)道口的交通安全及道路通行能力的影響最大。車輛在通過(guò)交叉沖突點(diǎn)時(shí)存在著擠、碰、撞的可能，必須通過(guò)必要的措施，分離相互沖突的交通流，常用的具體措施有：禁止左轉(zhuǎn)，道口讓行，信號(hào)控制等。信號(hào)控制通過(guò)輪流為相互沖突的車流賦予不同時(shí)刻的通行權(quán)，來(lái)減少交叉沖突點(diǎn)。

圖1 無(wú)信號(hào)控制平面道口沖突點(diǎn)分布圖

有軌電車的運(yùn)營(yíng)線路通常選擇在其它類型機(jī)動(dòng)車流量較大的城市主干道，且軌道鋪設(shè)在道路中央。當(dāng)有軌電車進(jìn)入道口時(shí)（運(yùn)行方向如圖1中虛線所示）會(huì)與行駛方向不同的社會(huì)車輛要產(chǎn)生交叉沖突，主要包括主干道上的左轉(zhuǎn)車輛、次干道的左轉(zhuǎn)和直行車輛。通過(guò)對(duì)有軌電車沿線的道口進(jìn)行干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)有軌電車的位置速度檢測(cè)，結(jié)合有軌電車的運(yùn)行圖，實(shí)行有軌電車在道口的信號(hào)優(yōu)先控制，以達(dá)到保證有軌電車安全、準(zhǔn)點(diǎn)高速運(yùn)行，并降低社會(huì)車輛延誤的目的。

2 有軌電車道口信號(hào)優(yōu)先模型設(shè)計(jì)

有軌電車信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)包括3個(gè)主要模塊：路口信號(hào)協(xié)調(diào)控制、主干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制、有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制。以實(shí)現(xiàn)干線協(xié)調(diào)下的有軌電車優(yōu)先控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該系統(tǒng)根據(jù)有軌電車沿線交通信息，如道口的車道數(shù)量、車道功能劃分以及主干道沿線道口間距，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各進(jìn)口道車流量，排隊(duì)長(zhǎng)度，停車次數(shù)，以及有軌電車的位置，速度，?？空緯r(shí)間，運(yùn)行時(shí)刻表等信息，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的干道協(xié)調(diào)下的有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制。

2.1 道口信號(hào)控制

路口信號(hào)協(xié)調(diào)控制通過(guò)實(shí)時(shí)獲得的各道口不同方向交通流量，按照單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)的配時(shí)方法，生成該道口的最佳信號(hào)周期，以及各個(gè)相位的綠信比。

路口信號(hào)控制根據(jù)道口不同方向的交通量以及車道通行能力，確定周期的內(nèi)部信號(hào)相位的各個(gè)最大流量比值y。最佳周期長(zhǎng)是信號(hào)控制道口能使通車效益達(dá)到最佳的交通信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)。近似最佳周期時(shí)長(zhǎng)Co為：

圖2 干線協(xié)調(diào)下的有軌電車優(yōu)先設(shè)計(jì)

式中：Y為組成周期內(nèi)部信號(hào)相位的各個(gè)最大流量比值yi之和：

式中：n為該周期內(nèi)的相位數(shù)；L為每個(gè)周期的總損失時(shí)間（s）。

根據(jù)式（1）確定的最佳周期時(shí)長(zhǎng)，可得每周期的有效綠燈時(shí)間ge為：

把ge在所有信號(hào)相位之間按各相位的最大流量比值進(jìn)行分配，得各相位的有效綠燈時(shí)間：

2.2 主干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制

城市主干道，有軌電車專用道設(shè)置在道路中央，站點(diǎn)設(shè)置在道口上游，如圖3中紅色區(qū)域所示。

圖3 城市主干道示意圖

主干道協(xié)調(diào)控制不同于單個(gè)路口的信號(hào)控制，需要對(duì)沿線的道口進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。無(wú)論絕對(duì)相位差偏小或偏大，都可能降低干線協(xié)調(diào)控制效率。因此確定干線信號(hào)協(xié)調(diào)周期之后，一定范圍內(nèi)調(diào)整個(gè)別道口的相位差，改變配時(shí)方案（進(jìn)行相位差優(yōu)化）改善綠波帶上下限外部時(shí)空范圍的協(xié)調(diào)關(guān)系，使車隊(duì)能盡可能的少遇紅燈，以減少系統(tǒng)內(nèi)的車輛延誤。

本文根據(jù)道口上、下行車輛延誤和相位差的關(guān)系，以線控系統(tǒng)上、下行車輛在所有道口的延誤之和 D最小為優(yōu)化目標(biāo)，道口之間的相位差為變量，采用遺傳優(yōu)化算法，計(jì)算出滿足D最小的相位差。沿線的6個(gè)主要道口之間的間距依次為：600 m、450 m、400 m、700 m、600 m，進(jìn)行5個(gè)周期的優(yōu)化后，相位差如表1所示。

表1 優(yōu)化前后相位差

優(yōu)化前后道口的延誤如圖4所示。

圖4 采用遺傳算法前后道口的延誤

圖4中，對(duì)比優(yōu)化前后的車輛延誤平均降低了38.75%，因此采用遺傳算法對(duì)沿線道口相位差進(jìn)行優(yōu)化，可以提高主干道交通通行能力，減少車輛延誤，比傳統(tǒng)的定時(shí)配時(shí)方法更能適應(yīng)交通流量的變化。

2.3 有軌電車道口信號(hào)優(yōu)先算法實(shí)現(xiàn)

有軌電車優(yōu)先控制在主干道協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)有軌電車的時(shí)刻表延誤，道口控制延誤，其它社會(huì)車輛，賦予有軌電車不同級(jí)別的優(yōu)先權(quán)。然后根據(jù)有軌電車獲得的優(yōu)先級(jí)，結(jié)合沿線社會(huì)車輛的交通量及延誤等因素，決定是否為有軌電車提供信號(hào)優(yōu)先，實(shí)現(xiàn)有軌電車的相對(duì)信號(hào)優(yōu)先。

有軌電車信號(hào)優(yōu)先流程圖如圖5所示。

圖5 有軌電車信號(hào)優(yōu)先流程圖

根據(jù)有軌電車的實(shí)際到站時(shí)間ti和有軌電車運(yùn)行時(shí)刻表中規(guī)定的下一個(gè)道口到站時(shí)間Ti+1比較，判定是否需要賦予有軌電車優(yōu)先權(quán)。Li為有軌電車站點(diǎn)距離下一個(gè)有軌電車車站的距離，V為有軌電車的運(yùn)行速度，Tmin為有軌電車的最小?？空緯r(shí)間。

結(jié)合下一個(gè)道口的信號(hào)狀態(tài)，通過(guò)合理地壓縮或延長(zhǎng)有軌電車的停靠站時(shí)間，降低有軌電車對(duì)主干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制的影響，減少機(jī)動(dòng)車輛的延誤。

即當(dāng)有軌電車產(chǎn)生重大延誤，即使采用最短?？空緯r(shí)間也不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)下個(gè)站時(shí)，為降低延誤，賦予有軌電車優(yōu)先通行權(quán)，觸發(fā)有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制模式。有軌電車采用最短的停站時(shí)間，出站采用絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先的方式通過(guò)下一個(gè)道口。

有軌電車信號(hào)優(yōu)先模塊接收到觸發(fā)優(yōu)先申請(qǐng)后，根據(jù)進(jìn)站時(shí)間和最短停站時(shí)間，預(yù)測(cè)有軌電車到達(dá)道口的時(shí)間，若現(xiàn)有的信號(hào)控制方案不能保證有軌電車順利通過(guò)道口時(shí)，則采用綠擴(kuò)展或綠召回策略保證有軌電車安全通過(guò)道口。

為證實(shí)該模型可以有效地調(diào)整有軌電車的運(yùn)行，本文模擬了在多種情形下，有軌電車的運(yùn)行情況如圖6所示。

圖6 有軌電車運(yùn)行圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于有軌電車滯站調(diào)度的信號(hào)相對(duì)優(yōu)先控制模型，可以減少有軌電車對(duì)沿線道口協(xié)調(diào)控制的影響，有效降低線控系統(tǒng)上、下行車輛在所有道口的延誤之和，同時(shí)保證有軌電車快速、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，提高在道口的通行效率，并為協(xié)調(diào)有軌電車和社會(huì)車輛的沖突提供了新的思路和方法。

[1] 高繼宇. 現(xiàn)代有軌電車行車組織設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題分析[J].科技信息，2011 （32）.

[2] 李 盛，楊曉光. 現(xiàn)代有軌電車與道路交通的協(xié)調(diào)控制方法[J].城市軌道交通研究，2005（4）.

[3] 王 寧. 基于信號(hào)優(yōu)先和滯站調(diào)度的 BRT組合控制策略[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011（6）.

[4]李曉紅.城市干線交通信號(hào)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制及仿真[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Priority design for crossing signal of tram car

ZHONG Jilin, WANG Changlin
( School of Information Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

This paper considered intersection delay as the objective function, and optimized the phase difference between crossings along the mainline by using Genetic Algorithm, combined priority control of crossing signal with lag station dispatching of tramcar, proposed relative priority control program for signal of tramcar based on truck coordinate, designed models for simulation which showed that the program could reduce vehicle delays to some extent, and implement the tramcar punctuality.

tramcar; signal priority; trunk control; lag station dispatching

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2014）09-0048-04

2014-01-08

鐘吉林，在讀碩士研究生；王長(zhǎng)林，教授。