公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制及仿真＊

陳炯迪 姜桂艷 劉 彬 黃正峰

（寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院1） 寧波 315211） （國(guó)家道路交通管理工程技術(shù)研究中心寧波大學(xué)分中心2） 寧波 315211）（現(xiàn)代城市交通技術(shù)江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心3） 南京 210096）

0 引 言

已有的公交信號(hào)控制研究成果主要集中于2個(gè)方面.一是設(shè)置公交優(yōu)先信號(hào)，如王殿海等建立了以干線協(xié)調(diào)控制為上層，以公交優(yōu)先控制為下層的雙層干線公交信號(hào)優(yōu)先模型，并將延長(zhǎng)或提前啟亮公交通行信號(hào)作為公交優(yōu)先的手段［1］.二是建立公交車流的干線綠波帶，如汪健等基于綠波帶優(yōu)化基本模型，建立了公交信號(hào)綠波帶寬度模型［2］.本文將干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制原理與公交專用道的排他性相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法，并以寧波市江南路的公交專用道部分路段為例進(jìn)行實(shí)證分析.

1 公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法設(shè)計(jì)

1.1 公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法基本思想

目前，關(guān)于公交專用道和社會(huì)車道的綠波信號(hào)控制研究基本上都是基于經(jīng)典的干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制原理［3］開展的.然而，公交車輛的行駛速度通常低于社會(huì)車輛的行駛速度.以圖1為例，若按公交車輛的行駛速度設(shè)計(jì)干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制，則社會(huì)車輛無法與同時(shí)通過交叉口1的公交車輛在交叉口2處同時(shí)獲得綠燈通行信號(hào).同理，在圖2中，若按社會(huì)車輛的行駛速度設(shè)計(jì)綠波協(xié)調(diào)控制，則公交車輛無法獲得本次綠燈通行信號(hào).圖中線段a，b為公交專用道的速度帶，線段c，d為社會(huì)車道的速度帶.

圖1 社會(huì)車道延誤示意圖

圖2 公交專用道延誤示意圖

因此，本文在社會(huì)車輛正常運(yùn)行的前提下，提出了一種可跨周期的公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法.其基本思想是先采用已有的成果對(duì)社會(huì)車道進(jìn)行綠波信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到社會(huì)車道的干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制方案；然后在確保公交車輛行駛安全的前提下，通過速度誘導(dǎo)［4］適當(dāng)改變公交車輛在公交專用道中的行駛速度，使公交車輛在下一交叉口的第m個(gè)周期內(nèi)獲得綠燈通行信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)公交專用道的綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制.

與社會(huì)車輛的行駛過程不同，公交車輛需在站點(diǎn)?？?因此，本文所提出的方法不再強(qiáng)調(diào)公交車輛以恒定的綠波速度連續(xù)通過若干個(gè)交叉口，而是針對(duì)單個(gè)路段上下游2個(gè)交叉口之間的綠波信號(hào)反向推算路段上的最佳行駛速度，從而減少公交車輛在交叉口的停車延誤.根據(jù)路段中是否有?？寇囌?，可將由相鄰交叉口分割而成的公交專用道路段分成無?？空韭范魏陀型？空韭范?

1.2 無停靠站路段的公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法

設(shè)公交車輛的最大安全行駛速度為Vmax，社會(huì)車輛的綠波速度為Vcar，根據(jù)二者之間的關(guān)系可將速度誘導(dǎo)模式分為2類：Vmax與Vcar相近；Vmax與Vcar相差較大.這2種情況下所對(duì)應(yīng)的限制條件也不完全相同.以圖3為例進(jìn)行分析.

圖3 公交車輛運(yùn)行速度限制條件說明圖

當(dāng)Vmax與Vcar相近時(shí)，公交車輛誘導(dǎo)后的速度Vbus需滿足兩個(gè)限制條件，才能實(shí)現(xiàn)綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制.一是由于公交專用道的綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制是基于社會(huì)車道的干線交叉口綠波協(xié)調(diào)進(jìn)行設(shè)計(jì)的.因此，Vbus應(yīng)不大于Vcar，否則公交車輛將在本次綠燈通行信號(hào)啟亮之前到達(dá)交叉口，進(jìn)行排隊(duì)等待.

二是在確保不超過Vmax的前提下，對(duì)其進(jìn)行速度誘導(dǎo)，使Vbus趨近于Vcar，從而使兩者在下一交叉口處同時(shí)獲得通行信號(hào)，即圖3中所示的線段a′，b′，線段c，d.以上兩個(gè)限制條件的公式為

當(dāng)Vmax與Vcar相差較大時(shí)，則Vbus無法趨近于Vcar.因此，兩者無法同時(shí)獲得通行信號(hào).公交車輛將通過速度誘導(dǎo)，使其在下一交叉口的第m個(gè)周期內(nèi)獲得綠燈通行信號(hào)，即跨周期如圖3中所示的線段a，b.跨周期的公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制除需滿足上述兩個(gè)限制條件外，還需滿足另外兩個(gè)限制條件.

首先，從圖3可知，要使公交車輛在交叉口2的第m個(gè)周期內(nèi)獲得綠燈通行信號(hào)，則其在交叉口1與交叉口2之間的行駛時(shí)間T應(yīng)大于交叉口2信號(hào)周期C的整數(shù)倍與初始交叉口絕對(duì)相位差Q之和.其中，C為社會(huì)車道干線綠波協(xié)調(diào)控制中的共用周期.

其次，公交車輛在交叉口1與交叉口2的行駛時(shí)間T須小于交叉口2的周期C的整數(shù)倍、綠燈時(shí)間G以及絕對(duì)相位差Q三者之和，否則，公交車輛到達(dá)交叉口時(shí)，交叉口顯示的為紅燈，需要排隊(duì)等待.以上四個(gè)限制條件可表達(dá)為

式中：Ln為第n個(gè)交叉口與第（n＋1）個(gè)交叉口的間距，m；Rn＋1為社會(huì)車道干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制中的第（n＋1）個(gè)交叉口的絕對(duì)相位差，s；Gn＋1為第（n＋1）個(gè)交叉口公交車直行相位的綠燈時(shí)間，s；T1，T2分別為公交車輛通過社會(huì)車道干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中第一個(gè)交叉口時(shí)顯示的最早和最遲綠燈時(shí)間，s.

1.3 有?？空韭范蔚墓粚Ｓ玫谰G波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法

公交車輛的站點(diǎn)?？恳约八枰臏p速和加速過程，都將使其在一定程度上損失在下一個(gè)路口的綠波通行時(shí)間［5］.因此，無?？空韭范蔚目刂品椒ǎ瑹o法完全滿足有?？空韭范喂粚Ｓ玫赖木G波需求.根據(jù)公交車輛在站點(diǎn)的實(shí)際停靠時(shí)間，在確保安全的情況下，對(duì)其?？亢蟮乃俣冗M(jìn)行適當(dāng)誘導(dǎo)，使其在下一個(gè)交叉口趕上本周期或第m個(gè)周期的綠燈信號(hào)，如圖4所示.

圖4 公交車輛速度誘導(dǎo)示意圖

當(dāng)Vmax與Vcar相近時(shí).公交車輛經(jīng)?？恐?，根據(jù)停靠時(shí)間的長(zhǎng)短，對(duì)?？亢蟮乃俣冗M(jìn)行誘導(dǎo)，可增加或減慢公交車輛的行駛速度，使其趕上本次周期或第m個(gè)周期，即圖中的線段a′，b′，線段a″，b″.同理，當(dāng)Vmax與Vcar相差較大時(shí)，也可增加或減少行駛速度，使其趕上本次周期或第m個(gè)周期.誘導(dǎo)后的加速或減速的計(jì)算如式（3）和（4）所示.

在式（3）和（4）中，V″bus、V″bus分別為?？空局暗乃俣群屯？空局蟮恼T導(dǎo)速度，km／h；L為有?？空镜墓粚Ｓ玫乐新范伍L(zhǎng)度，m；Lstop為?？空揪嗌嫌谓徊婵诘拈L(zhǎng)度，m；T0為?？繒r(shí)間，s.

2 仿真驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)路段選擇

本文選取寧波市江南路部分路段為研究對(duì)象.實(shí)驗(yàn)路段由連續(xù)3個(gè)交叉口組成，分別由楊木碶路、世紀(jì)大道、滄海路與江南路交叉形成，編號(hào)分別為1，2，3.各路段的長(zhǎng)度和?？空镜奈恢茫妶D5.其中?？空?的停靠時(shí)間為20s，?？空?為30s，?？空?為25s，?？空?為35s，以上?？空緯r(shí)間包括車輛的制動(dòng)和啟動(dòng)的損失時(shí)間.

圖5 江南路公交專用道設(shè)置情況

2.2 實(shí)驗(yàn)路段現(xiàn)有信號(hào)控制方案與效果評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)路段尚未實(shí)施綠波信號(hào)控制，采用的是多段定周期控制方案，3個(gè)交叉口都未設(shè)置右轉(zhuǎn)專用相位，早高峰期間的交通量及信號(hào)控制參數(shù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果見表1和表2.

目前，用于評(píng)價(jià)交叉口信號(hào)控制效果的指標(biāo)主要以延誤為主［6］.本文選取人總延誤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用VISSIM軟件對(duì)目標(biāo)路段的信號(hào)控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3.

由表3可知，實(shí)驗(yàn)路段在未實(shí)施綠波協(xié)調(diào)控制之前，社會(huì)車輛和公交車輛的人總延誤都較大，公交專用道的優(yōu)勢(shì)也未成體現(xiàn).

表1 實(shí)驗(yàn)路段交叉口早高峰各進(jìn)口道交通量 pcu·h－1

表2 實(shí)驗(yàn)路段交叉口早高峰信號(hào)控制參數(shù) s

2.3 實(shí)驗(yàn)路段聯(lián)合綠波方案生成與效果評(píng)價(jià)

本文基于經(jīng)典的干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制原理，得到了交叉口1，2，3的最佳信號(hào)控制周期，依次為158，160，87s，取160s為系統(tǒng)共用周期.然而，高峰期的信號(hào)周期以不超過120s為宜，因此取其周期的一半作為共用周期，并對(duì)各交叉口的信號(hào)配時(shí)進(jìn)行重新優(yōu)化，與圖解法結(jié)合，設(shè)計(jì)其綠波信號(hào)控制方案，結(jié)果見表4和圖6.其中，楊木碶路與江南路的所有關(guān)鍵相位的最大流量比之和Y大于0.9，對(duì)其相位進(jìn)行了調(diào)整，由目前的五相位調(diào)整為四相位，得到Y(jié)值為0.853 7.

表3 實(shí)驗(yàn)路段交叉口各進(jìn)口道現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果 s

從圖6可知，社會(huì)車輛的干線綠波行駛速度為54km／h.由于所得到的Vcar與Vmax相差較大.因此，運(yùn)用所提出的跨周期公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法和圖解法，得到了公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案.

如圖7所示，公交車輛經(jīng)過停靠站1后的誘導(dǎo)速度27km／h，?？空?和?？空?的后誘導(dǎo)速度為20km／h，停靠站2處不需要再次速度誘導(dǎo).以上速度均滿足速度誘導(dǎo)限制條件.對(duì)其進(jìn)行模擬驗(yàn)證，結(jié)果如表5所示.其中，干線綠波為社會(huì)車道的綠波協(xié)調(diào)控制，差值為現(xiàn)狀的人總延誤與聯(lián)合綠波下的人總延誤之差.

圖6 社會(huì)車道的干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制方案

圖7 公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案

表4 實(shí)驗(yàn)路段交叉口信號(hào)控制優(yōu)化方案s

表5 實(shí)驗(yàn)路段聯(lián)合綠波方案效果評(píng)價(jià)表 s

由表5可見，實(shí)驗(yàn)路段實(shí)施了社會(huì)車道的綠波協(xié)調(diào)控制之后，社會(huì)車道人總延誤得到了較為明顯的改善，而公交專用道的人總延誤并未得到改善.在實(shí)施了聯(lián)合綠波方案之后，公交專用道的人總延誤也得到了明顯的改善，而且社會(huì)車道的綠波信號(hào)控制效果并未受到影響.此外，由于本文優(yōu)化得到的共用周期小于優(yōu)化前的各交叉口周期，一定程度上減少了各進(jìn)口道的車輛綠燈通行時(shí)間，從而增加了個(gè)別進(jìn)口道的人總延誤.

3 結(jié)束語

本文將干線交叉口綠波協(xié)調(diào)控制原理與速度誘導(dǎo)相結(jié)合，根據(jù)公交車輛最大安全行駛速度的不同，提出了一種可跨周期的公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法，并以寧波市江南路公交專用道的部分路段為例進(jìn)行了模擬驗(yàn)證.結(jié)果表明，所提出的公交專用道綠波信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法能在不增加社會(huì)車道的延誤下，減少公交專用道在交叉口的停車延誤.但在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了沿直線行駛的公交車輛，未考慮其他相位.因此，對(duì)其他相位公交車輛信號(hào)綠波控制方法的研究將是今后工作的重點(diǎn).

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［6］姚裔虎，趙躍萍.信號(hào)交叉口延誤分析幾種常用方法的比較［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2009，33（4）：687－690.