現(xiàn)代有軌電車不同等級(jí)交叉口優(yōu)先配時(shí)方案研究

崔梁+鄧君

摘 要：文章基于不同等級(jí)的交叉口實(shí)施不同的有軌電車優(yōu)先方案，主干路與主干路相交路口由于交通流量相當(dāng)且都比較大，所以在傳統(tǒng)信號(hào)配時(shí)模型基礎(chǔ)上對(duì)固定信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)有軌電車的優(yōu)先通行；主干路與次干路相交路口，主路交通量大次路交通量相對(duì)較少，計(jì)算綠燈延長策略和紅燈早斷策略下的優(yōu)先相位和非優(yōu)先相位的延誤，建立以車輛總延誤為目標(biāo)函數(shù)的主動(dòng)信號(hào)優(yōu)先感應(yīng)控制模型；主干路與支路相交路口，主路交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支路交通量，可采取絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先感應(yīng)控制模式，最后通過VISSIM仿真驗(yàn)證文中方法的有效性。

關(guān)鍵詞：有軌電車；交叉口分類；定時(shí)控制；主動(dòng)優(yōu)先；絕對(duì)優(yōu)先

中圖分類號(hào)：F570 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Different tramcar priority schemes were taken based on the different levels of the intersection in this paper. The intersection of the main road and the main road is relatively large， because of the relatively large traffic flow it is necessary to optimize the fixed signal timing in order to realize the priority of the tramcar. The main road and the road intersection， the main road traffic is large， the road traffic is relatively small， calculate the green light extension strategy and the delay of priority and non priority phases under the red light early fault strategy， established active signal priority control model based on total vehicle delay. The intersection of the main road and branch road， the main road traffic is much greater than the traffic volume， taken absolute signal priority control mode. Finally， the effectiveness of the proposed method is verified by VISSIM simulation.

Key words： tramcar； intersection classification； actued control； active priority； absolute priority

0 引 言

現(xiàn)代有軌電車是介于地鐵和公交之間的一種中低運(yùn)量的新型城市軌道交通工具，它具有安全、舒適、環(huán)保、快速的特性，它不僅能夠緩解城市道路日益擁堵的壓力、減少廢氣排放的問題，而且可以為公共交通的建設(shè)提供新的解決方案。現(xiàn)代有軌電車在歐洲乃至全世界范圍內(nèi)的迅速復(fù)興，足以證明它存在的合理性和未來在國內(nèi)的廣闊發(fā)展前景，所以我們要在引進(jìn)有軌電車技術(shù)的同時(shí)，提高對(duì)有軌電車的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)有軌電車在實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)存在的問題的研究。

現(xiàn)代有軌電車路權(quán)形式一般可劃分為3種[1]：完全獨(dú)立路權(quán)，即有軌電車在路段上獨(dú)享車道，在交叉路口路權(quán)立交化，以此來保證現(xiàn)代有軌電車在路段的高速、安全運(yùn)行；半獨(dú)立路權(quán)，即有軌電車沿線線路擁有與其他交通方式的物理隔離措施（如路緣石或柵欄等），而在交叉路口處采用與道路平交的方式；混行路權(quán)，即線路上除了現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行之外，其他交通方式也運(yùn)行于現(xiàn)代有軌電車的車道之上。其中半獨(dú)立路權(quán)形式在現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)中使用最為普遍。根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算，路段的延誤遠(yuǎn)小于交叉口延誤[2]。所以公交優(yōu)先技術(shù)研究的落腳點(diǎn)就是有軌電車在交叉口的延誤分析和處理。本文根據(jù)不同相交道路等級(jí)來確定不同的有軌電車優(yōu)先方案，不同等級(jí)的相交路口包括主路與主路相交路口、主路與次路相交路口、主路與支路相交路口。以上3類交叉口流量的組成特性不同，所以各自優(yōu)先方案也不盡相同，研究的內(nèi)容包括： 明確不同等級(jí)相交路口的信號(hào)配時(shí)方案原則與重點(diǎn)，確定不同等級(jí)相交路口的信號(hào)配時(shí)策略，建立適用于有軌電車運(yùn)行特性的配時(shí)方案參數(shù)計(jì)算公式，選取典型交叉口進(jìn)行配時(shí)方案的實(shí)例計(jì)算。

1 信號(hào)配時(shí)方案

有軌電車在路段擁有獨(dú)立路權(quán)不受社會(huì)車輛的影響，在交叉口處與社會(huì)車輛共同通行，根據(jù)路口交通信號(hào)的配時(shí)要求，與其他地面交通流分享路口的通行權(quán)利。所以，優(yōu)先方案不僅要保證有軌電車的優(yōu)先通行，還要保證路口其他交通流的正常秩序。兼顧以上因素，確定了各相交等級(jí)交叉口的優(yōu)化原則。

1.1 主路與主路相交路口方案

在主干路與主干路相交路口，該相交路口的道路等級(jí)高且交通流量與有軌電車正線的交通流量相差不大，均比較大。而感應(yīng)控制在交叉口交通量波動(dòng)性較大、規(guī)律性較差、飽和度在0.6以下、相交路段交通量相差較大等情況下效果比較好[3]。所以，制定配時(shí)方案應(yīng)著力突出現(xiàn)代有軌電車容易與地面交通親近的特征，選取定時(shí)控制模式，可對(duì)固定信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)有軌電車的優(yōu)先通行。

首先要算出傳統(tǒng)信號(hào)配時(shí)方案下的車均延誤。目前就我國實(shí)際情況，由于發(fā)車間隔相對(duì)較大每個(gè)周期內(nèi)只能通過一組有軌電車，所以考慮車輛延誤的意義不大，本文考慮社會(huì)車輛的車均延誤，采用的車均延誤計(jì)算公式如下[4]：

d■=■+■ （1）

式中：d■為第i相位第j流向的車均延誤；λ■為第i相位的綠信比；x■為第i相位第j流向的飽和度；q■為第i相位第j流向的進(jìn)口道交通量。建立基于社會(huì)車輛平均延誤的模型：

■ （2）

式中：g■為第i相位的有效綠燈時(shí)間；L為交叉口信號(hào)總損失時(shí)間；C■為交叉口最小周期時(shí)長；C■為交叉口最大周期時(shí)長；g■為第i相位的最小有效綠燈時(shí)間；x■為交叉口的最大飽和度。

再對(duì)基于有軌電車優(yōu)先的信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化。本文固定信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型主要考慮社會(huì)車輛的人均延誤、有軌電車的人均延誤兩部分。社會(huì)車輛的人總延誤計(jì)算公式如下：

D■=■■d■q■P■ （3）

一個(gè)周期內(nèi)有軌電車通行相位只能通過一組列車，因此Webster信號(hào)延誤計(jì)算公式并不適用。由于有軌電車車流屬于離散型交通流，所以從到達(dá)分布角度進(jìn)行考慮。本文假設(shè)有軌電車到達(dá)交叉口時(shí)刻的概率相等，根據(jù)列車到達(dá)和延誤分析可得出有軌電車的人總延誤計(jì)算公式如下：

D■=1-λ■■cq■P■ （4）

式中：λ■為有軌電車的綠信比；q■為有軌電車流量；p■為每輛有軌電車的平均載客數(shù)。要特別強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于同一相位共同放行的有軌電車、社會(huì)車輛，雖然其綠燈時(shí)間、黃燈時(shí)間、綠燈間隔時(shí)間均相同，但是由于二者起動(dòng)損失時(shí)間不同，所以有效綠燈時(shí)間也存在差距，因此其綠信比也不一樣，應(yīng)通過如下公式計(jì)算：

λ■=λ■-■ （5）

式中：λ■為社會(huì)車輛的綠信比；l■為有軌電車的起動(dòng)損失時(shí)間；l■為社會(huì)車輛的起動(dòng)損失時(shí)間。綜上，可計(jì)算交叉口的人均延誤，其計(jì)算公式如下：

■ （6）

1.2 主路與次路相交路口方案

在主干路與次干路相交路口，相交道路的等級(jí)次之，道路的交通流量小于電車正線的交通流量；根據(jù)上文感應(yīng)控制的描述，此情況下感應(yīng)控制效果較好。大容量有軌電車需要優(yōu)先通行，同時(shí)還要協(xié)調(diào)主干路和次干路地面交通的關(guān)系，盡量減少次干路的交通延誤，所以可選采取相對(duì)優(yōu)先的感應(yīng)控制策略。以車輛總延誤為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)交叉口車輛總延誤的變化來判斷是否需要給予有軌電車優(yōu)先通行權(quán)，具體實(shí)現(xiàn)手段是綠燈延長策略和紅燈早段策略。首先計(jì)算綠燈延長策略和紅燈早段策略下的車總延誤，公交優(yōu)先控制針對(duì)不同相位分別產(chǎn)生不同延誤影響。其延誤可分為：（1）優(yōu)先相位減少的總延誤；（2）非優(yōu)先相位增加的總延誤。

如果相位i不執(zhí)行綠燈時(shí)間延長Δt■，則該時(shí)間段內(nèi)到達(dá)進(jìn)口道的車輛需要等待下一次相位i的綠燈時(shí)間才能離開交叉口，因此有可能會(huì)產(chǎn)生相位i上的延誤。圖1中四邊形陰影部分面積表示相位i沒有延長綠燈時(shí)間Δt■的延誤，由于相位i綠燈延長Δt■時(shí)間，這就是相位i一個(gè)進(jìn)口道k上減少的延誤[5]。

Δd■■=■2r■+■-Δt■ （7）

其中：q■為相位i第k進(jìn)口道的車輛到達(dá)率，r■為相位i的紅燈時(shí)間，q■■為相位i第k進(jìn)口道的車輛離散率。

由于有軌電車和社會(huì)車輛的到達(dá)率、離開率均不同，假設(shè)有軌電車處于第一相位第一車道，所以可以得到整個(gè)交叉口綠燈延長策略下的優(yōu)先相位減少的延誤。

Δd■=q■r■Δt-■+■q■r■Δt-■ （8）

在優(yōu)先相位i執(zhí)行延長綠燈時(shí)間Δt■時(shí)，非優(yōu)先相位的車輛需要多等待Δt■時(shí)間才能通行，因此增加了非優(yōu)先相位的延誤。圖2中四邊形陰影部分面積表示非優(yōu)先相位i+1由于優(yōu)先相位i綠燈延長Δt■時(shí)間產(chǎn)生的延誤，但相位i+1綠燈時(shí)間向后移，相當(dāng)于相位i+1延長綠燈時(shí)間Δt■，減少了非優(yōu)先相位在該段內(nèi)的相位延誤（如圖2所示）。其非優(yōu)先相位i+1進(jìn)口道k上增加的人均延誤[5]。

Δd■■=■2r■+Δt■-■2r■+■-Δt■ （9）

由于有軌電車和社會(huì)車輛的到達(dá)率、離開率均不同，假設(shè)有軌電車處于第一相位第一車道，所以可以得到整個(gè)交叉口綠燈延長策略下的非優(yōu)先相位減少的延誤。

Δd■■=■■■2r■+Δt■-■2r■+■-Δt■ （10）

同理可計(jì)算出紅燈早斷策略下優(yōu)先相位有軌電車和同相位發(fā)的社會(huì)車輛減少的車總延誤：

Δd■=■2r■-Δt+■■2r■-Δt （11）

紅燈早斷策略下非優(yōu)先相位所有車輛增加的延誤：

Δd■■=■■■2r■+Δt■ （12）

所以，主路與次路相交路口有軌電車信號(hào)優(yōu)先的目標(biāo)函數(shù)就是優(yōu)先相位減少的車總延誤減去非優(yōu)先相位增加的車總延誤。

PI=Δd■-Δd■■ （13）

當(dāng)PI>0時(shí)，說明優(yōu)先相位減少的延誤大于非優(yōu)先相位增加的延誤，整體的延誤是降低的，此時(shí)可以給予有軌電車優(yōu)先通行權(quán)；當(dāng)PI<0時(shí)，說明優(yōu)先相位減少的延誤小于非優(yōu)先相位增加的延誤，整體的延誤是增加的，此時(shí)不可以給予有軌電車優(yōu)先通行權(quán)，其邏輯流程圖見圖3。

1.3 主路與支路相交路口方案

在主干路與支路相交路口，相交支路的道路等級(jí)低，交通流量與電車正線有明顯差異，所以制定半感應(yīng)信號(hào)控制方案，即針對(duì)主干路采取絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先的控制方式。絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先策略控制設(shè)計(jì)思想：在現(xiàn)代有軌電車線路上進(jìn)口處100～150米處鋪設(shè)感應(yīng)線圈檢測(cè)器，用來判斷是否有電車進(jìn)入交叉口。平常狀況交叉口以固定配時(shí)方案控制信號(hào)燈運(yùn)作。當(dāng)有軌電車進(jìn)入交叉口上游的檢測(cè)器后，信號(hào)控制系統(tǒng)即在控制計(jì)劃中插入有軌電車通行相位供列車通過，同時(shí)與有軌電車相互沖突的社會(huì)車輛被禁止通行；而與有軌電車不沖突的社會(huì)車輛相位被給予通過信號(hào)；有軌電車通過設(shè)置在下游30～50米處的檢測(cè)器后，即結(jié)束有軌電車相位回到原控制方案。該控制策略只要有軌電車觸發(fā)優(yōu)先信號(hào)，即為列車提供通行需求，使有軌電車完全不受延滯地通過交叉口。其控制邏輯見圖4。

2 案例仿真

對(duì)采取有軌電車固定信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型、主動(dòng)優(yōu)先感應(yīng)控制模型、絕對(duì)優(yōu)先感應(yīng)控制模型選擇相應(yīng)的相交路口，假設(shè)有軌電車線路呈東西走向，采用“路中直行”的敷設(shè)形式，東西向道路為雙向8車道，其中有軌電車的車道寬度為4米，位于道路最內(nèi)側(cè)2條車道，其他社會(huì)車道寬度均為3.75米；南北向道路為雙向6車道，車道寬度均為3.75米。設(shè)置計(jì)算好相應(yīng)參數(shù)，在軟件VISSIM中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到采取本文的優(yōu)先控制策略后結(jié)果，見表1。

本文有軌電車優(yōu)先策略不僅考慮了城市道路現(xiàn)狀、交通運(yùn)行特性，而且使有軌電車的運(yùn)輸能力得到了最大的利用，取得了較好的運(yùn)營效果。隨著我國交通運(yùn)輸水平、管理水平的提高以及有軌電車的良好發(fā)展，現(xiàn)代有軌電車與城市傳統(tǒng)交通領(lǐng)域協(xié)調(diào)同步將是一項(xiàng)重要而有意義的課題。

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