車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的公交自適應優(yōu)先方法

王永勝　譚國真　劉明劍　丁男

摘要：針對現(xiàn)有公交優(yōu)先系統(tǒng)中存在的反應滯后、不能夠充分挖掘道路通行能力的問題，在車聯(lián)網(wǎng)的背景下提出一個公交自適應優(yōu)先（ABP）模型。首先，借助車聯(lián)網(wǎng)強大的通信能力，利用時分復用的思想，設計了道路復用的控制規(guī)則，為普通公交虛擬出了一條專用道，實現(xiàn)了“空間優(yōu)先”；其次，使用實時獲取的車輛到達數(shù)據(jù)取代歷史數(shù)據(jù)作為交通需求，解決滯后的問題；最后，設計了公交優(yōu)先的信號控制方法，通過插入短相位的方法讓公交優(yōu)先通行，實現(xiàn)了公交優(yōu)先。使用VISSIM軟件設計仿真實驗對比ABP模型和傳統(tǒng)模型，結果表明，ABP模型在不對社會車輛造成很大影響的前提下，能夠提高公交的運行效率和路口的通過能力。

關鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；公交優(yōu)先；快速公交；車道時分復用；實時優(yōu)化

中圖分類號：TN915

文獻標志碼：A

0引言

進入21世紀，中國城鎮(zhèn)化、機動化進程不斷加快，2000—2009年的10年間，中國城鎮(zhèn)化率由36.2%提高至46.6%，全國民用汽車保有量從1609萬輛增至6281萬輛，凈增4672萬輛，年均增長16.3%[1]。隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，機動車保有量上升，交通需求膨脹，而交通基礎設施建設相對滯后，這些因素共同作用使得交通擁擠成為嚴重影響城市居民生活的問題之一[2]。

據(jù)中國社科院計算：僅北京一個城市，交通擁堵每年造成的損失高達146億元。擁堵的交通已經(jīng)影響到城市居民的正常生活、社會經(jīng)濟發(fā)展、資源消耗、環(huán)境保護等一個城市的和諧發(fā)展進程[3]。

公共交通作為現(xiàn)代城市客運交通的主導，不僅符合現(xiàn)代城市社會和經(jīng)濟發(fā)展趨勢，而且已經(jīng)成為發(fā)展城市客運交通系統(tǒng)的共識[4]。隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題日趨嚴重，公交優(yōu)先發(fā)展已經(jīng)成為解決城市交通供需矛盾、調(diào)整交通結構的主要手段[5]。

公交優(yōu)先的概念在技術上包括兩方面的含義，即對公共汽車在通行“空間”和“時間”上給予優(yōu)先。“空間優(yōu)先”通過設立公共專用道來實現(xiàn)，“時間優(yōu)先”則體現(xiàn)在路口為公共汽車提供優(yōu)先通行信號[6]。

國內(nèi)外提出的公交優(yōu)先策略可以分為被動優(yōu)先、主動優(yōu)先和自適應優(yōu)先，其中被動優(yōu)先和主動優(yōu)先研究較早，但都存在容易對社會車輛產(chǎn)生負面影響的問題，而自適應優(yōu)先策略是在考慮公交車優(yōu)先通行的同時避免對社會車輛造成影響，是目前公交優(yōu)先的主要研究方向[7]。如王正武等[8]提出了單交叉口自適應公交優(yōu)先控制策略；柳祖鵬等[9]提出了一種基于綠燈需求度的相位切換決策流程；王殿海等[10]提出了干線公交信號優(yōu)先的2層優(yōu)化方法；別一鳴等[11]提出了飽和度約束的單點有限公交優(yōu)先控制策略。在以上這些研究中，使用飽和度作為交通需求度量參數(shù)進行優(yōu)化，由于計算相位的飽和度只能使用歷史數(shù)據(jù)，當車輛通過交叉路口后，才能計算當前相位的飽和度。通常很難知道當前的實時交通需求，只能使用前面一小段時間的飽和度作為當前交通需求的一個估計，這樣的優(yōu)化，明顯滯后，實時性不高[12]。為了解決這個問題，就需要獲取交通需求的實時數(shù)據(jù)，與基礎設施相結合，通過傳感器或者通信設備獲取信息。

有了基礎設施的支持也提供了更多的實現(xiàn)公交優(yōu)先的方法，如文獻[13]首次提出了動態(tài)公交專用車道，通過基礎設施的協(xié)助，使得所有的車輛都可以在不影響公交高效運行的前提下使用公交專用道，提高了資源的利用率；文獻[14]指出排隊繞行車道方法，公交車輛借助基礎設施的協(xié)調(diào)可以繞過排隊車輛直接通過路口，降低了交叉口延誤；文獻[15]提出公交專用車道動態(tài)優(yōu)先的方法，與動態(tài)公交專用道類似，使得所有車輛可以使用公交專用道，同時不影響公交車輛的運行；董紅召等[16]提出了一個把公交專用道時分復用的模型，使得社會車輛在一定條件下可以進入公交專用道，提高了專用道的使用效率。然而這些研究都存在基礎設施不夠完善、信息獲取方式單一、系統(tǒng)集成度低、不能夠充分挖掘交通運輸潛力等問題。

車聯(lián)網(wǎng)與目前在道路運輸領域廣泛使用的智能交通系統(tǒng)相比，可以實現(xiàn)更全面的感知、各種各樣的互聯(lián)以及智能化的信息處理和應用集成，車聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是智能交通系統(tǒng)發(fā)展的必然結果，是提供道路極限出行能力的必然選擇[17]。

車輛網(wǎng)作為一種新興的技術，被認為有希望徹底解決目前存在的交通難題，如交通擁塞、交通事故等[18]。它是通過裝載在車輛上的電子設備之間的無線通信，實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡平臺上對所有車輛的靜動態(tài)信息的提取和有效利用，將車與車相連，車與路旁的基礎設施相連，實現(xiàn)實時信息交換，服務于人們的交通出行[19]，可以彌補傳統(tǒng)交通技術和智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System，ITS）的很多不足[20]。本文正是在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下來討論公交優(yōu)先的實現(xiàn)方法。

在車輛網(wǎng)的環(huán)境下，有了通信基礎設施的支持，路口控制單元可以獲取更加精確的數(shù)據(jù)，也可以更靈活地控制車輛的移動，公交優(yōu)先也有了更多的實現(xiàn)手段，可以進一步挖掘道路的通行能力。本文借助車聯(lián)網(wǎng)提供的先進的無線通信能力，使路口控制單元和車輛建立通信，以控制車輛的行為（比如：進入或者離開一個車道、等待、離開路口等）；把普通車道復用為時分復用車道，不僅是為公交車輛復用出來了一條專用車道，而且是在需要時能夠為每一個入口的每一個流向的公交車輛都復用出來一個專用車道；同時設計合理的調(diào)度策略和復用規(guī)則，以協(xié)調(diào)不同流向的車流互斥使用復用車道，實現(xiàn)車輛的“空間優(yōu)先”；在此基礎上，通過相位插入的方法，實現(xiàn)了公交的“時間優(yōu)先”，并且考慮對社會車輛的影響，同時使用實時交通需求取代滯后的數(shù)據(jù)作為輸入，實現(xiàn)了實時的自適應路口交通優(yōu)先控制。仿真實驗表明，本文提出的公交優(yōu)先模型和傳統(tǒng)模型相比，在不對社會車輛造成很大影響的前提下，提高了公交的運行效率和道路的通過能力。

1設計思想

1.1道路時分復用

很多城市都在建設快速公交，它通過使用獨占的車道獲得空間優(yōu)先權，普通公交因為沒有專用道，不能夠在路口高效地優(yōu)先通行。為了高效地利用有限的道路資源，提出了車道時分復用的方法：在車聯(lián)網(wǎng)的背景下，復用車道的使用權由路口控制單元統(tǒng)一分配，控制單元把時間劃分成段，在一個時間段內(nèi)，只允許轉(zhuǎn)向相同的公交車獲得復用車道的使用權，進入車道，通過路口，其他的公交車在旁邊的車道等待自己的時間段到來。這個時間段的劃分周期比信號燈周期短，這樣每個流向的公交車都獲得了一條虛擬的專用道，可以到達車道最前端，再設置相應的優(yōu)先信號調(diào)度策略，很短的時間就可以通過路口，從而同時實現(xiàn)了空間優(yōu)先和時間優(yōu)先。

時分復用的模型對于擁有三車道及以上的道路都是適用的，本文針對四車道場景進行討論（如圖1），把四車道當中最左側(cè)的快速公交專用道改為快速公交和普通公交時分復用，不設置分離帶，供左轉(zhuǎn)和直行；同時把最右側(cè)的專用右轉(zhuǎn)車道時分復用，作為快速公交、普通公交、社會車輛直行和右轉(zhuǎn)的車道；兩個中間車道供社會車輛使用，同時也供沒有獲得復用車道使用權的車輛臨時?？?。信號控制采用四相位，圖1（b）、（c）所示為南北方向直行和左轉(zhuǎn)相位，即1、2相位：直行時，兩個復用車道和普通直行車道均綠燈放行；左轉(zhuǎn)時，左側(cè)復用車道和普通左轉(zhuǎn)車道放行；右轉(zhuǎn)使用右側(cè)復用道路，右轉(zhuǎn)車輛須獲得車道使用權方可右轉(zhuǎn)。東西方向設置類似，直行和左轉(zhuǎn)分別為3、4相位。

如圖1，假設當前路口第3相位獲得綠燈，南北向道路最左側(cè)和最右側(cè)復用車道在當前時間段內(nèi)，劃分給南北方向的直行公交使用，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)車流在兩個中間車道等待下一個時間段，當前相位綠燈結束時，插入一個短的1相位，使得公交可以優(yōu)先通過（跳過了4相位），當前時間段即結束，之后復用車道的使用權就可以分配給左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)車流。復用路段的使用權的分配規(guī)則將在2.3節(jié)中討論，系統(tǒng)流程如圖2所示。

1.2公交優(yōu)先及實時優(yōu)化

張衛(wèi)華等[21]提出了一個公交優(yōu)先的信號配時優(yōu)化方法，根據(jù)當前路口各個方向的交通需求，在保證路口可以順利通行，不對社會車輛造成太大影響的前提下，以人總時延最小為優(yōu)化目標，能夠計算出最優(yōu)的周期時長以及各個相位的綠燈時長。本文中采用此方法計算周期時長C和各個相位的綠燈時長，但是對于各個相位綠燈時長進行優(yōu)化。

文獻[21]中假設車輛線性到達，這個假設可以模擬車輛到達的平均行為，但是一個具體的車輛到達事件，用泊松分布來模擬更加準確，單位時間內(nèi)有k輛車到達的概率為：

這個概率分布的期望=qi（i車道車輛到達率，可以通過一段時間的觀測得到），可見是車輛到達事件的一個期望或者說平均值，是多個不同的到達事件的一個平均，每一個具體的事件與這個平均值都會有偏離，這個偏離必然導致系統(tǒng)的效率降低。具體事件和期望值的偏離有時會很大，對于數(shù)量較少的公交車來說尤其如此，假如5輛公交在同一個相位經(jīng)過同一個路口，它們的發(fā)車間隔為5min，那么q=60pcu/h【每小時通過的車輛數(shù)，信號周期是1min，那么期望是一個周期內(nèi)有1輛公交會到達路口，但是一個周期內(nèi)沒有公交到達的概率P（k=0）=0.35，這個概率太大以至于不能夠忽略，如果保持相位綠燈時長不變，但是沒有車輛到達，那么將造成很大的時空浪費。所以，針對實時的交通需求進行優(yōu)化，比針對平均值優(yōu)化有更高的效率。

文獻[21]的另一個缺陷就是反應滯后，交通需求只能通過歷史數(shù)據(jù)來估計：觀測t時刻前一段時間的交通運行情況，然后用觀測得來的歷史數(shù)據(jù)去模擬t時刻后一段時間的交通需求，這是一個明顯的滯后。歷史數(shù)據(jù)有一定的參考價值，但是并不能夠反映當前的實時交通需求，更直接有效的方式是直接觀測當前的交通需求，然后進行優(yōu)化。

要得到當前實時的交通需求數(shù)據(jù)，車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境當中的通信技術能夠滿足這個需求，通過控制單元與車輛之間的信息交換，控制單元可以精確地感知到每一輛車的運行狀態(tài)（位置、速度、加速度、目的地等），在這個基礎上可以準確地預測甚至控制未來一小段時間內(nèi)車輛的到達情況，從而可以得到實時數(shù)據(jù)，并在此基礎之上進行實時優(yōu)化。

但是實時數(shù)據(jù)采集有著各方面的限制，比如說通信距離、車輛運行的不確定性以及相互影響的復雜性，使得采集的數(shù)據(jù)局限在一段有限的時間（小于一個周期）和有限的空間內(nèi)，對于不能夠得到觀測數(shù)據(jù)的那一部分“盲區(qū)”還是需要使用歷史數(shù)據(jù)來模擬，得到一個完整周期的交通需求才能夠進行優(yōu)化。當然可以通過增加基礎設施或者別的方式獲得更大范圍、更長時間實時數(shù)據(jù)，但是這樣的成本很高。

采用插入相位的方法實現(xiàn)路口的公交優(yōu)先，即在四個主要的自然相位之間插入短相位，使得公交車輛可以優(yōu)先通過路口。插入相位信號設置和自然相位相同，只是綠燈時間相對較短（設為排隊的所有公交車輛通過路口的時間），1相位對應的插入相位記作相位I1，以此類推，有相位I2、I3和I4。如圖3所示。

把相位整理成一個循環(huán)有序集合：{1，I3，2，I4，3，I1，4，I2}?？紤]到公交車輛到達的隨機性比較大，所以對于插入相位，不僅可以改變綠燈時長，也可以改變順序，當一個插入相位綠燈時間內(nèi)沒有公交車輛到達，那么這個相位綠燈時間就可以借給別的插入相位。相位綠燈時長的優(yōu)化，以及插入相位的選擇將在2.4節(jié)中討論。

2模型實施

2.1輸入數(shù)據(jù)處理

交叉口時延分析模型是確定信號配時優(yōu)化的基礎，優(yōu)化其實就是在不同的配時方案中選擇人總時延最小的一個。

考慮一個真實場景，如圖4所示：當前時刻為t0，代表決策時間，每一個自然相位結束前一段時間要作出決策，為下一個相位開始的整個周期選擇最優(yōu)化的信號配時。假設：路口控制單元可以得到足夠的實時數(shù)據(jù)，比較精確地預測一段時間內(nèi)路口的交通需求，并且轉(zhuǎn)化為i相位開始時刻到達路口車輛數(shù)Qi和相位綠燈時間內(nèi)車輛到達率qi。在此基礎上來討論時延的計算，信號配時優(yōu)化的目標就是要在周期不變的前提下，確定每個相位的綠燈時長，使得所有車輛的人總時延最小。人總時延選取一個周期來計算，如圖4所示，當前決策點t0，下一個相位是I2，取到再下一個I2的這一個周期來計算人總時延，計算的對象是這一個周期內(nèi)到達路口和周期開始時刻已經(jīng)到達路口的所有車輛。下面以南北方向的直行車流（對應相位1和I1）為例來討論時延的計算：

由于一個周期內(nèi)到達的車輛至少要一個周期，甚至更長的時間才能夠消散，先計算第一個周期，對于第一個周期1相位，開始時刻到達車輛為Q1，綠燈期間到達流率為q1，第一周期1相位通過路口的所有車輛的人總時延D11可以通過式（2）到（5）計算：

2.2車道復用規(guī)則

復用車道被兩種不同流向的車輛復用，最簡單有效的復用方式就是交替使用，控制單元把復用車道的使用權交替地分配給不同流向的車輛，并且控制車輛在合適的時刻在排隊和等待兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

當前相位綠燈時間結束時刻，把復用車道的使用權分配給下一個相位的車輛，控制車輛迅速進入復用車道排隊，經(jīng)過一個紅燈時間之后就可以通過，為了提供足夠的時間供車輛準備，使用權的切換可以稍微提前一點，但是不能夠影響到當前相位的通行。

考慮這樣的一種場景，如圖5：當前自然相位3綠燈放行，通過圖3知道，當前相位結束之后要插入一個插入相位（很大的可能就是I1，I1經(jīng)歷的紅燈時間最長，到達的車輛最多），左側(cè)復用車道，直行車輛（相位I1）在排隊，此時公交車輛V1從后方接近路口，那么對于V1的控制有兩種選擇：

兩種方案的效率因具體的環(huán)境而不同，所以把兩個方案加入候選方案集合S，然后從所有的候選方案計算人總時延，選出最優(yōu)的一個，這個將在2.3節(jié)中討論。

另外，這個決策必須在V1經(jīng)過旁邊車道的隊尾之前做出，一旦經(jīng)過隊尾，V1失去了換道的機會，只能到隊列排隊。如果V1不能夠在這個相位通過路口，滯留在復用車道，將堵塞另一個流向的車輛通過，可能因為V1的等待而導致其他車輛浪費很多的時間。

2.3相位時長優(yōu)化

考慮到幾個因素：

1）插入相位的順序可以調(diào)整（一個插入相位沒有公交車輛到達，那么把綠燈時間讓給其他的插入相位；相位插入后不能夠帶來效率的提高，則不插入）。

2）車道被分時復用，所以只能給在復用車道排隊的車流插入相應的相位， 插入相位的長度遵循2.2節(jié)結論。

3）自然相位綠燈時長加上相應的插入相位綠燈時長等于計算得到的周期時長，這樣可以保證周期時長最優(yōu)。

對于一個特定的信號配時方案，選定各個插入相位，各個相位的綠燈時長gi之后，計算一個信號周期內(nèi)到達路口的車輛的人總時延為：

所有的可行的信號配時方案構成候選集合S，比較每個方案的人總時延值D，并選擇D最小的一個方案即為最優(yōu)的信號配時方案。

3仿真與分析

為了驗證模型的正確性并且定量地評價模型的效率，采用VISSIM[22]交通仿真軟件進行仿真，使用VISSIM提供的COM[22]接口實現(xiàn)信息的交換（包括車輛之間、車輛與控制單元之間的信息交換）、信號控制、車輛控制，按照本文提出的公交優(yōu)先分時復用模型實現(xiàn)一個實驗模型。

實現(xiàn)一個傳統(tǒng)信號燈控制模型，用于比較，傳統(tǒng)模型使用固定配時的信號控制算法，快速公交獨占專用道，單個相位的長度與實驗模型相當。

同時實現(xiàn)一個公交優(yōu)先控制的對照模型，與實驗模型不同的是沒有對相位時長進行優(yōu)化，只是定期（5min）利用歷史數(shù)據(jù)調(diào)整周期時長和各個相位的綠燈時長，然后保持這個信號控制方案5min不變。

實驗參數(shù)設計如下：路網(wǎng)選擇單個十字路口；設置兩條快速公交，東西方向、南北方向各一條，發(fā)車間隔5min；普通公交20條，分配均勻，直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)比例為2∶1∶1，發(fā)車間隔也為5min，平均載客數(shù)為50人/車；社會車輛直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)比例也設置為2∶1∶1，平均載客數(shù)為3人/車；在不同的到達率下重復實驗，到達率設置為200*n（n取正整數(shù)0

對比實驗模型與傳統(tǒng)模型，如圖6，在交通需求相對較小的情況下，實驗模型所有車輛的時延都明顯低于傳統(tǒng)模型，說明實驗模型不僅降低了公交車輛的時延，也降低了社會車輛的平均時延。

當交通需求較高時，實驗模型社會車輛的平均時延有一定的增加，但不是很大，這說明模型在不對社會車輛造成太大干擾的情況下降低了公交車輛的時延，提高了公交的運行效率；而且在交通需求較高的情況下，社會車輛時延快速升高，但公交車輛時延仍然很低，說明實驗模型在較惡劣的交通環(huán)境下仍能保證公交車輛優(yōu)先通行，這對于改善城市在高峰期的出行難問題有很大的現(xiàn)實意義。

對比實驗模型和傳統(tǒng)模型的人均時延，如圖7，可以發(fā)現(xiàn)實驗模型降低了31%。在交通需求較高，接近飽和時，兩種模型的車均時延相差不大，因為路口接近于飽和運行，單位時間離開路口的數(shù)量是一定的，區(qū)別只在于車輛離開的順序不一樣，對于實驗模型，公交車輛獲得優(yōu)先權優(yōu)先離開路口，而公交車輛載客較多，所以人均時延較小，但是切換相位浪費了黃燈時間，所以車均時延略高。所以，實驗模型是犧牲了社會車輛的效率，提高了公交車輛的效率，很好地體現(xiàn)了公交優(yōu)先的原則。

對比實驗模型和對照模型，如圖8，可以看出實驗模型的平均時延總是要比對照模型小，人均時延降低了10.7%，這充分反映了實時優(yōu)化的效果，因為實驗模型是在對照模型的基礎上作了實時優(yōu)化，根據(jù)實時數(shù)據(jù)調(diào)整相位綠燈時長，使信號配時滿足當前的交通需求。

以上實驗使用了理想的通信模型，假設信息發(fā)送之后，零時延完全到達接收方，為了研究模型在真實車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的表現(xiàn)，本文采用交通仿真器VISSIM和網(wǎng)絡仿真器NS3（Network Simulator 3）雙向連接的方法[23]構造車輛網(wǎng)仿真環(huán)境，使用網(wǎng)絡仿真器NS3代替了理想化的通信模型，真實地模擬車聯(lián)網(wǎng)的通信環(huán)境；并且對通信協(xié)議進行優(yōu)化，盡量減少消息的發(fā)送，降低通信量。在此基礎上進行仿真實驗得到結果如圖9：在車輛較少的情況下，通信時延、丟包帶來的影響基本上可以忽略不計，曲線基本重合；隨著車輛的增多，通信環(huán)境變得惡劣，通信時延增加，丟包率增加，直接導致車輛通過路口的時延也開始出現(xiàn)略微的增加。

分析可知，即使是在車輛很多的情況下，必要的通信量仍然可以減少到很小的程度，所以對通信協(xié)議進行優(yōu)化可以降低通信時延、丟包對系統(tǒng)性能帶來的負面影響。

4結語

本文在車聯(lián)網(wǎng)的背景下，按照公交優(yōu)先的原則，提出了自適應的公交優(yōu)先控制模型。使用時分復用的方法虛擬出了一條公交專用道，使用插入相位的方法實現(xiàn)時間優(yōu)先，并且通過仿真驗證了模型的可行性和效率。本文的工作是公交優(yōu)先和車輛網(wǎng)結合的一個嘗試，沒有考慮車輛網(wǎng)底層物理環(huán)境的細節(jié)，需要在接下來的工作中進一步完善。

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