現(xiàn)代有軌電車實(shí)現(xiàn)“綠波”交通應(yīng)用方法研究

劉克虎，宿亞軍，蘇浚

(廣州有軌電車有限責(zé)任公司，廣州510000)

現(xiàn)代有軌電車實(shí)現(xiàn)“綠波”交通應(yīng)用方法研究

劉克虎，宿亞軍，蘇浚

(廣州有軌電車有限責(zé)任公司，廣州510000)

現(xiàn)代有軌電車作為一種新型交通工具，與有獨(dú)立運(yùn)行空間的地鐵不同，其線路常與道路交通交叉，通行需求經(jīng)常發(fā)生沖突。通過(guò)建模計(jì)算，設(shè)定相應(yīng)路口信號(hào)周期、綠信比及相位差，鋪畫(huà)特定的有軌電車運(yùn)行圖，使得有軌電車控制與道路交通控制相協(xié)同、適應(yīng)。同時(shí)，結(jié)合有軌電車運(yùn)行過(guò)程中的信號(hào)及通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)道路交通車輛“綠波”并實(shí)現(xiàn)有軌電車“綠波”，確保有軌電車旅行速度，提高運(yùn)行效率和運(yùn)能，增加準(zhǔn)點(diǎn)率和兌現(xiàn)率。

現(xiàn)代有軌電車;綠波;運(yùn)行圖;信號(hào)配時(shí)

1 研究背景

現(xiàn)代有軌電車憑借其節(jié)能環(huán)保、舒適等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)各地迎來(lái)了發(fā)展的熱潮。目前廣州、珠海、蘇州、沈陽(yáng)、天津、長(zhǎng)春等城市的現(xiàn)代有軌電車部分線路均已建成并開(kāi)通運(yùn)營(yíng)［1］?，F(xiàn)代有軌電車的路權(quán)形式主要有全封閉路權(quán)、半封閉路權(quán)和共享路權(quán)3種［2］，基于效益和經(jīng)濟(jì)的綜合考慮，國(guó)內(nèi)普遍采用半封閉路權(quán)形式，而半封閉路權(quán)的平交道口部分為共享。對(duì)于平交道口共享的公共交通，在不采取相應(yīng)的措施下，調(diào)查南京市主要公交線路延誤數(shù)據(jù)，平交道口的延誤時(shí)間約占總時(shí)間的28%，并且2015年《廣州市城市軌道交通管理?xiàng)l例》修正案二審稿取消有軌電車優(yōu)先通行權(quán)相關(guān)條款，未來(lái)信號(hào)優(yōu)先形式暫不明確。在此形勢(shì)背景下，如何保證有軌電車準(zhǔn)點(diǎn)率及旅行速度?如何實(shí)現(xiàn)高密度行車組織?如何實(shí)現(xiàn)有軌電車與社會(huì)交通和諧共存?因此本文提出通過(guò)相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)“綠波”交通解決此類問(wèn)題的方法。

2 “綠波”通行概述及數(shù)學(xué)模型

2.1 “綠波”通行概述

所謂現(xiàn)代有軌電車“綠波”通行，就是對(duì)一系列交叉口上的交通信號(hào)周期、相關(guān)相位綠信比和相位差進(jìn)行設(shè)定［3］，同時(shí)基于此鋪畫(huà)出有軌電車特殊運(yùn)行圖，再利用現(xiàn)代有軌電車信號(hào)通信技術(shù)對(duì)行車速度、停站時(shí)間等進(jìn)行誘導(dǎo)，最終不僅使主干道上的社會(huì)車流依次到達(dá)前方各交叉口時(shí)均會(huì)遇上綠燈，同時(shí)使主干道上的有軌電車依次到達(dá)前方各交叉口時(shí)也會(huì)遇上綠燈。這種“綠波”交通減少了車輛在交叉口的停歇，提高了平均行車速度和通行能力。

2.2 建立“綠波”通行數(shù)學(xué)模型并檢驗(yàn)

以廣州有軌電車侖頭線為例，有信號(hào)控制的主要交叉口如圖1所示，分別為南洲路(北向東交叉口)、華南大橋下方南洲路與現(xiàn)狀道路交叉口、南洲路與小洲南路交叉口。

圖1 廣州有軌電車侖頭線示意Fig.1 Schematic diagram of Luntou Line for Guangzhou tram

根據(jù)現(xiàn)狀情況，圖中3處交叉口的交通量相對(duì)較多，按路口原交通組織方案設(shè)置，有軌電車與直行車流同相位。模擬3個(gè)路口的情形，給定S1、S2、S3、S4(表示各路口間距離)的值分別為2.6 km，1.89 km，1.36 km，4.2 km，給定C1，C2，C3(表示對(duì)應(yīng)路口當(dāng)前狀態(tài)為綠燈)的值全為0，如圖2所示。可得:

確定原則:通過(guò)改變K正i與K逆(n－i+1)的取值，使得T正i與T逆(n－i+1)的大小盡可能相等或者相差整數(shù)倍。若使得T正i與T逆(n－i+1)接近相等，則Ti=T正i，若使得T正i與T逆(n－i+1)相差整數(shù)倍，則Ti=kT正i(k為正整數(shù))。

按有軌電車旅行速度25 km/h計(jì)算，得出:T1≈120 s(實(shí)際分別為119.2 s、124.8 s)，T2≈120 s(實(shí)際分別為114.4 s、129.3 s)，T3≈120 s(實(shí)際分別為121 s、120.3 s)，根據(jù)模擬的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了綠波工程的可行性。

3 現(xiàn)代有軌電車與社會(huì)車輛“綠波”通行實(shí)現(xiàn)方法

3.1 納入“綠波”交通系統(tǒng)平交道口的方法

1)將各平交道口根據(jù)車流量進(jìn)行分類:主主相交路口、主次相交路口、主支相交路口。將主主相交路口和主次相交路口納入“綠波”系統(tǒng)中，主支相交路口采用絕對(duì)優(yōu)先，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮［4］。

2)相鄰兩交叉口間的距離很小時(shí)，可把相鄰兩交叉口看作一個(gè)交叉口，采用相同的配時(shí)方案，綠燈亮滅時(shí)刻相同。

3)各相鄰交叉口間距離雖然不等，但相差也不大時(shí)，調(diào)整停站時(shí)間，可將它們看作近似相等來(lái)處理，各交叉口采用相同的信號(hào)周期，且各路段采用相同的車速。

4)各相鄰交叉口間距離相差很大時(shí)，各交叉口可分別按上述公式求出本交叉口的信號(hào)周期(其中k為正整數(shù))，各交叉口信號(hào)配時(shí)方案遵循與有效綠燈時(shí)間相匹配的原則，各路段采用不同的車速。

3.2 實(shí)現(xiàn)流程

實(shí)現(xiàn)有軌電車“綠波”交通方法流程如圖3所示。

圖3 實(shí)現(xiàn)有軌電車綠波交通流程Fig.3 Flow chart to achieve tram green wave traffic

3.3 具體步驟

3.3.1 采集平交道口數(shù)據(jù)并確認(rèn)信號(hào)配時(shí)

根據(jù)各交叉口渠化方案圖，及各進(jìn)口道的流量比得出最佳周期時(shí)長(zhǎng)C0［5］、各相位實(shí)際顯示綠燈時(shí)間和紅燈時(shí)間，畫(huà)出最終的配時(shí)圖。

式中:Ls—車輛啟動(dòng)損失時(shí)間，一般為3 s;I—綠燈間隔時(shí)間，即黃燈時(shí)間加全紅燈清路口時(shí)間，A—黃燈時(shí)間，一般為3 s;i—所設(shè)相位數(shù);Y—組成周期全部相位的最大飽和度值之和，Ge—周期有效綠燈時(shí)間。

3.3.2 采集有軌電車行車數(shù)據(jù)及確認(rèn)列車運(yùn)行圖

1)在編制列車運(yùn)行圖前，必須收集以下編圖數(shù)據(jù):線路通過(guò)能力和車站折返能力;最小間隔時(shí)間;列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間;列車停站時(shí)間標(biāo)準(zhǔn);列車在折返站停留時(shí)間標(biāo)準(zhǔn);列車出入車場(chǎng)作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn);運(yùn)營(yíng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間;全日分時(shí)行車量;列車交路計(jì)劃;現(xiàn)有列車運(yùn)行圖完成情況分析［6］。

2)列車運(yùn)行圖的編制應(yīng)遵循以下原則:①將各平交道口根據(jù)車流量進(jìn)行分類，主主相交路口，主次相交路口及主支相交路口。將主主相交路口和主次相交路口按虛擬站設(shè)置在運(yùn)行圖中，主支相交路口采用絕對(duì)優(yōu)先運(yùn)行圖，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮;②充分考慮由于延誤錯(cuò)過(guò)當(dāng)前綠波帶后，進(jìn)入下一綠波帶，利用折返或中間站的冗余時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，使之進(jìn)入原來(lái)綠波帶;③發(fā)車間隔與有軌電車平交路口最大紅綠燈相位周期要成倍數(shù)關(guān)系;④應(yīng)滿足各項(xiàng)列車間隔時(shí)間，確保行車安全(列車運(yùn)行速度快是城市軌道交通系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì));⑤盡量方便乘客，城市軌道交通系統(tǒng)是城市公共交通的重要組成部分，編制運(yùn)行圖時(shí)主要考慮列車發(fā)車間隔，在滿足運(yùn)行技術(shù)的前提下，盡量選擇最小值，從而減少乘客的候車時(shí)間，安排低谷運(yùn)行線時(shí)，列車運(yùn)行間隔也不宜過(guò)大［7］;⑥充分利用線路的能力和車輛的能力，通常情況下，折返站的折返能力是限制全線能力的關(guān)鍵，因此必須對(duì)折返線的折返作業(yè)時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)算，盡可能安排平行作業(yè)，當(dāng)列車周轉(zhuǎn)達(dá)不到運(yùn)營(yíng)要求時(shí)，要合理安排列車解決高峰客流組織;⑦在保證運(yùn)量需求的條件下，運(yùn)營(yíng)列車組數(shù)達(dá)到最少，綜合考慮高峰時(shí)段列車運(yùn)行速度、折返時(shí)間、列車開(kāi)行方式等要素，使運(yùn)營(yíng)列車數(shù)量達(dá)到最少，從而降低系統(tǒng)的車輛保有量與運(yùn)營(yíng)成本。

3.3.3 實(shí)現(xiàn)有軌電車“綠波”通行的方法

1)與社會(huì)車輛共用“綠波”，如圖4所示。

圖4 與社會(huì)車輛共用“綠波”示意Fig.4 Schematic diagram of "green wave"shared with road traffic

①與有軌電車同向或共線路。根據(jù)社會(huì)車輛的“綠波”，初步確定路口信號(hào)相位周期及相位差，通過(guò)微調(diào)最終確定路口信號(hào)相位周期及相位差，并鋪畫(huà)基于“綠波”的有軌電車運(yùn)行圖。

②與有軌電車方向垂直的線路，以上述確定的信號(hào)相位周期及相位差為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)該線路的“綠波”交通(調(diào)整其他路口)。

2)以侖頭線為例介紹實(shí)現(xiàn)“綠波”應(yīng)用方法。

①驗(yàn)證現(xiàn)代有軌電車及社會(huì)車輛以特定的速度運(yùn)行時(shí)，“綠波”通行的可行性。公式如下:

經(jīng)計(jì)算得:有軌電車運(yùn)行時(shí)間T1≈120 s(119.2 s、124.8 s)，T2≈120 s(114.4 s、129.3 s)，T3≈120 s(121 s、120.3 s);社會(huì)車輛運(yùn)行時(shí)間T1≈120 s(111.75 s、117 s)，T2≈120 s(125.1 s、124.7 s)，T3≈120 s(126 s、131.6 s)。根據(jù)擬定按有軌電車旅行速度25 km/h，社會(huì)車輛平均速度40 km/h驗(yàn)證了“綠波”工程的可行性。

②初步確定交叉口配時(shí)方案。簡(jiǎn)化平交道口，僅將主主、主次路口作為“綠波”考慮關(guān)鍵點(diǎn)。采集有軌電車線路沿線交叉口數(shù)據(jù)及有軌電車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，根據(jù)各交叉口的交通量初步確定交叉口配時(shí)方案。

③擬合各交叉口配時(shí)圖與列車運(yùn)行圖。將選定的干線平交道口納入“綠波”交通系統(tǒng)中，將各平交道口按與站間實(shí)際距離加入有軌電車運(yùn)行圖中，并將初始計(jì)算的道口信號(hào)配時(shí)圖(有軌電車通行方向)按時(shí)間軸鋪畫(huà)其中。

④確定社會(huì)車輛“綠波”帶。圖解法畫(huà)出與有軌電車同向(或?qū)ο?社會(huì)車輛的“綠波”帶，并對(duì)路口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行調(diào)整。按與有軌電車線路相交道路的信號(hào)配時(shí)為基準(zhǔn)進(jìn)行“綠波”帶設(shè)置。圖解法畫(huà)出雙向“綠波”帶，按時(shí)間軸以平交道口公共周期為間隔進(jìn)行平移，得到社會(huì)車輛“綠波”帶，并初步確定各平交道口相位差。

⑤確定基于“綠波”的有軌電車運(yùn)行圖。結(jié)合有軌電車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和各路口配時(shí)方案，設(shè)置上行方向及發(fā)車時(shí)刻。先確定上行有軌電車通行相位的綠燈前1/3時(shí)刻及下行方向有軌電車的發(fā)車時(shí)刻，再確定下行有軌電車通行相位的綠燈前1/3時(shí)刻，見(jiàn)圖5基于“綠波”的有軌電車運(yùn)行圖。

圖5 基于“綠波”的有軌電車運(yùn)行圖Fig.5 Tram train diagram based on the green wave

⑥確定現(xiàn)代有軌電車最小間隔運(yùn)行圖網(wǎng)。結(jié)合有軌電車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、路口配時(shí)方案和列車運(yùn)行實(shí)際微調(diào)，形成最終基于“綠波”的有軌電車運(yùn)行圖網(wǎng)［8］。根據(jù)工作日、節(jié)假日及大型活動(dòng)客流，編制基于此運(yùn)行圖網(wǎng)下的運(yùn)行圖(時(shí)刻表)。

4 現(xiàn)代有軌電車“綠波”應(yīng)用方法優(yōu)化

4.1 劃分子區(qū)優(yōu)化

為了更好地實(shí)現(xiàn)基于社會(huì)車輛“綠波”的有軌電車“綠波”，將限制條件進(jìn)行分解分步實(shí)現(xiàn)，引入控制子區(qū)的概念，具體操作如下。

按實(shí)際情況以有軌電車?？空緸楣?jié)點(diǎn)，將被控干線細(xì)分為若干控制子區(qū)［9］(見(jiàn)圖6);在每個(gè)控制子區(qū)內(nèi)，通過(guò)子區(qū)內(nèi)信號(hào)參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化以及有軌電車速度誘導(dǎo)，形成多個(gè)道口的“綠波”控制;發(fā)揮有軌電車停站調(diào)節(jié)優(yōu)化功能，實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制子區(qū)間的綠波信號(hào)。

圖6 有軌電車控制分區(qū)Fig.6 Control divisions if tram train

4.2 基于“綠波”相對(duì)優(yōu)先

為了解決人工駕駛及地面環(huán)境的復(fù)雜性所帶來(lái)的列車實(shí)際運(yùn)行與設(shè)定運(yùn)行圖誤差較大的情況，在基于社會(huì)車輛“綠波”的有軌電車“綠波”基礎(chǔ)上，實(shí)行相對(duì)優(yōu)先，更好地實(shí)現(xiàn)有軌電車“綠波”通行［10］，具體操作如下。

1)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間策略:當(dāng)有軌電車在綠燈即將結(jié)束的時(shí)刻到達(dá)交叉口時(shí)，延長(zhǎng)本相位綠燈的時(shí)間，以保證有軌電車能夠順利通過(guò)交叉口;

2)縮短紅燈時(shí)間策略:當(dāng)有軌電車在紅燈時(shí)刻到達(dá)交叉口時(shí)，縮短目前相位紅燈的時(shí)間，使下一個(gè)綠燈相位提前實(shí)現(xiàn)有軌電車相對(duì)優(yōu)先;

3)插入有軌相位策略:當(dāng)有軌電車在紅燈時(shí)刻到達(dá)交叉口時(shí)，等待綠燈啟亮還有一段時(shí)間，可插入一個(gè)特殊的有軌電車相位，當(dāng)有軌電車通過(guò)后再恢復(fù)到原有相位。

4.3 實(shí)現(xiàn)綠波效益

1)改善有軌電車運(yùn)行環(huán)境，減少平交道口延誤，提升旅行速度，縮短運(yùn)行周期，提高運(yùn)能和準(zhǔn)點(diǎn)率。類比侖頭線，采用綠波通行和正常運(yùn)行情況，使有軌電車周期減少2 min 18 s(僅3個(gè)平交道口)。

2)實(shí)現(xiàn)平交道口不停車連續(xù)通過(guò)，減少因列車制動(dòng)停車到加速啟動(dòng)的能耗浪費(fèi)，提高了能耗效率。

3)避免因列車停車再啟動(dòng)通過(guò)平交道口，減少有軌電車通過(guò)平交道口的時(shí)間，降低了有軌電車對(duì)社會(huì)車輛延誤的影響。

4)實(shí)現(xiàn)社會(huì)交通“綠波”的基礎(chǔ)上采用有軌電車“綠波”交通，優(yōu)化了社會(huì)交通，減小了社會(huì)車輛延誤影響，提升了效率，并改善了環(huán)境［11］。

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(編輯:王艷菊)

Methods to Achieve"Green"Traffic for Modern Tram s

LIU Kehu，SU Yajun，SU Jun
(Guangzhou Tram Operations Management Co.，Ltd.，Guangzhou 510000)

Themodern streetcar，as a"new"vehicle，is different from themetro which has the separate operation space of its own.The linesof themodern streetcar are often associated w ith road traffic crossing，and the traffic demands often conflict.By modeling and calculations，the appropriate intersection signal cycle and the green ratio retardation is set，and the running schedule of trams is drawn，to achieve accommodation between the tram and the road traffic.Bymeans of signal communication technology in tram operation，the green wave for the road vehicle and the tram can be achieved to improve the travel speed，operational efficiency and transport capacity of the tram，and increase its punctuality rate and fulfillmen trates.

modern trams;green wave;running schedule;signal tim ing

U482.1

A

1672- 6073(2017)02- 0120- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.024

2016- 03 30

2017 02 14

劉克虎，男，本科，工程師，主要從事有軌電車方面的研究，liukehu@gzm tr.com

圖2納入綠波的路口簡(jiǎn)化圖

ig.2 Simplified graph for intersection with"Green"wave