交叉口有軌電車優(yōu)先控制的檢測(cè)器位置設(shè)計(jì)*

王寶杰 項(xiàng)昀 王煒 付旻 李燁

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064; 2.東南大學(xué) 城市智能交通江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

交叉口有軌電車優(yōu)先控制的檢測(cè)器位置設(shè)計(jì)*

王寶杰1,2項(xiàng)昀2王煒2付旻2李燁2

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064; 2.東南大學(xué) 城市智能交通江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

在城市道路交叉口應(yīng)用感應(yīng)式信號(hào)優(yōu)先控制，是確保城市現(xiàn)代有軌電車節(jié)能、環(huán)保、舒適與高效優(yōu)勢(shì)有效發(fā)揮的重要措施.針對(duì)交叉口車輛到達(dá)檢測(cè)器安裝位置問題，提出了一種配合現(xiàn)代有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制的交叉口檢測(cè)器位置設(shè)計(jì)方法.首先，根據(jù)交叉口現(xiàn)代有軌電車的優(yōu)先控制策略及其到達(dá)停車線的時(shí)刻分布，將現(xiàn)代有軌電車等候綠燈的情況劃分為7類，并分別提出了綠燈等候時(shí)間的計(jì)算方法；其次，以檢測(cè)器、站點(diǎn)與上游相鄰交叉口的位置關(guān)系分析為基礎(chǔ)，建立了檢測(cè)器位置的計(jì)算模型；最后，應(yīng)用南京河西新城有軌電車規(guī)劃資料與現(xiàn)狀交通實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)方法的有效性與可行性進(jìn)行了檢驗(yàn).結(jié)果表明, 該方法實(shí)用科學(xué)，具有很好的工程應(yīng)用前景.

城市現(xiàn)代有軌電車;檢測(cè)器;信號(hào)優(yōu)先控制

城市現(xiàn)代有軌電車是一種采用新型低地板技術(shù)，并配置多模塊鉸接鋼軌車輛、彈性車輪、電力牽引、專有路段車道和道路平交交叉口路權(quán)的特殊輕軌形式，具有運(yùn)行速度快、環(huán)保節(jié)能、安全性高和造價(jià)合理等突出優(yōu)勢(shì)[1].我國當(dāng)前在建或規(guī)劃的現(xiàn)代有軌電車線路高達(dá)50多條，規(guī)劃里程超過2 000多公里，規(guī)劃投資超3 000億元，已投資近490億[2].

城市現(xiàn)代有軌電車線路通常被配置平面交叉口以及混合空間路權(quán).社會(huì)車輛的沖突影響與交叉口信號(hào)管控是引發(fā)現(xiàn)代有軌電車交叉口停車的主要影響因素.根據(jù)南京市主要地面公交線路的延誤調(diào)查數(shù)據(jù)，站點(diǎn)延誤占公交車運(yùn)行延誤的36.05%，交叉口延誤占總延誤的63.95%.為確?，F(xiàn)代有軌電車享有較高的運(yùn)行效能，交叉口主動(dòng)式優(yōu)先控制被廣泛應(yīng)用于城市交通管控中[3]，研究成果主要集中在現(xiàn)代有軌電車交叉口信號(hào)優(yōu)先控制與干線協(xié)調(diào)控制方法，以及現(xiàn)代有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制與速度優(yōu)化等方面[3-6].其中，交叉口信號(hào)優(yōu)化控制主要采用插入現(xiàn)代有軌電車獨(dú)立相位，以及現(xiàn)代有軌電車共用相位的早啟與延長(zhǎng)等控制策略[7-9].為提高交叉口時(shí)空路權(quán)資源的利用率，科學(xué)與合理地布設(shè)車輛到達(dá)檢測(cè)器是在交叉口有效實(shí)施信號(hào)優(yōu)先控制的關(guān)鍵問題.當(dāng)檢測(cè)器距離交叉口停車線過近時(shí)，交叉口信號(hào)機(jī)的反應(yīng)時(shí)間不足，無法及時(shí)調(diào)整信號(hào)控制策略來保障現(xiàn)代有軌電車電車優(yōu)先通行；當(dāng)檢測(cè)器距離交叉口停車線過遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)機(jī)過早地切換和調(diào)整現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先信號(hào)控制策略，則會(huì)嚴(yán)重影響其他地面交通的通行.因此，現(xiàn)代有軌電車到達(dá)檢測(cè)器位置設(shè)置不當(dāng)，交叉口信號(hào)優(yōu)先控制不但未能有效提高現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行效率，而且會(huì)顯著增加非優(yōu)先相位的交通運(yùn)行延誤.部分學(xué)者針對(duì)常規(guī)公交檢測(cè)器位置布設(shè)已經(jīng)展開了研究，Koonce等[10]提出了由綠燈延長(zhǎng)時(shí)間、站點(diǎn)位置和上游交叉口距離決定的檢測(cè)器位置范圍確定方法；Liu等[11]定量分析了檢測(cè)器位置與信號(hào)優(yōu)先控制效益的關(guān)系；Zhou等[12]建立了基于公交車?yán)糜肄D(zhuǎn)車道插隊(duì)控制的檢測(cè)器位置布設(shè)模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；嚴(yán)飛等[13]研究了有信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)情況下的公交相位綠燈延長(zhǎng)和提前啟亮兩種感應(yīng)控制策略的檢測(cè)器最佳布設(shè)位置.但是，現(xiàn)有研究仍無法為工程實(shí)踐中定量確定車輛到達(dá)檢測(cè)器的位置提供指導(dǎo).針對(duì)現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先運(yùn)行控制技術(shù)的車輛到達(dá)檢測(cè)器位置的研究，具有迫切需求.

文中應(yīng)用最優(yōu)化理論建立基于車輛到達(dá)檢測(cè)器位置的現(xiàn)代有軌電車交叉口運(yùn)行效率的最優(yōu)模型，首先，以電車信號(hào)優(yōu)先控制策略為基礎(chǔ)，依據(jù)交叉口進(jìn)口道相位顯示，將有軌電車到達(dá)停車線的時(shí)刻劃分為7種情況；其次，引入電車加減速時(shí)間、站點(diǎn)?？繒r(shí)間和路段行駛時(shí)間模型，提出檢測(cè)器位置確定方法；最后，應(yīng)用南京市河西新城現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證.

1 有軌電車到達(dá)時(shí)刻分布

為降低對(duì)非優(yōu)先相位車輛的運(yùn)行影響，交叉口通常采用干線綠波控制與部分信號(hào)優(yōu)先控制來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車的優(yōu)先通行.部分信號(hào)優(yōu)先控制的主要控制策略是現(xiàn)代有軌電車相位早起和遲斷控制.根據(jù)現(xiàn)代有軌電車到達(dá)交叉口停車線時(shí)的信號(hào)顯示，現(xiàn)代有軌電車的到達(dá)時(shí)刻可以劃分為7個(gè)分布區(qū)間.模型參數(shù)定義如表1所示.

表1 模型參數(shù)的定義Table 1 Definition of model parameters

設(shè)交叉口周期的運(yùn)行起始時(shí)刻和現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行起始時(shí)刻相同，則現(xiàn)代有軌電車在交叉口停車等候綠燈的時(shí)間如下所示.

(1)

Tarr=MaxRbrk

(2)

T3=T(MinGn-1+y)-Tarr

(3)

時(shí)，現(xiàn)代有軌電車到達(dá)交叉口停車線時(shí)刻分布在非電車相位，且當(dāng)前相位的綠燈時(shí)間已不可壓縮.現(xiàn)代有軌電車在交叉口停車等候綠燈的時(shí)間為

T4=T(Gn-1+y)-MaxRbrk-Tarr

(4)

時(shí)，現(xiàn)代有軌電車到達(dá)交叉口停車線時(shí)刻分布在非電車相位，且當(dāng)前相位的綠燈時(shí)間已不可壓縮.現(xiàn)代有軌電車在交叉口停車等候綠燈的時(shí)間為

T5=0

(5)

T6=0

(6)

Tarr-MaxRbrk

(7)

圖1 有軌電車優(yōu)先控制情況下的綠燈等候時(shí)間分布Fig.1 Distribution of streetcars’ waiting time in the case of streetcar priority control at the intersection

2 檢測(cè)器布設(shè)位置設(shè)計(jì)

依據(jù)交叉口、現(xiàn)代有軌電車檢測(cè)器、現(xiàn)代有軌電車站點(diǎn)的位置關(guān)系，分5類情況構(gòu)建現(xiàn)代有軌電車檢測(cè)器布設(shè)位置的計(jì)算模型.

情況1 當(dāng)檢測(cè)器與交叉口停車線間不存在電車?？空军c(diǎn)且L

(8)

情況2 當(dāng)檢測(cè)器與交叉口停車線間不存在電車?？空军c(diǎn)且L≥D時(shí)，檢測(cè)器與交叉口停車線間的距離為L(zhǎng)=D，即將檢測(cè)器設(shè)置在上游相鄰交叉口出口道附近.

情況3 當(dāng)檢測(cè)器與交叉口停車線間存在電車?？空军c(diǎn)且S

(9)

檢測(cè)器與交叉口停車線間的距離為

(10)

情況4 當(dāng)檢測(cè)器與交叉口停車線間存在電車?？空军c(diǎn)且L

情況5 當(dāng)檢測(cè)器與交叉口停車線間存在電車?？空军c(diǎn)且S

3 案例分析

為驗(yàn)證現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先控制交叉口的檢測(cè)器位置計(jì)算方法的有效性和可行性，結(jié)合南京市河西新城有軌電車運(yùn)營(yíng)資料與實(shí)地調(diào)查資料進(jìn)行實(shí)例分析.樣本選取奧體東站至元通站段，電車沿江東中路行駛，區(qū)間長(zhǎng)1 200 m，涵蓋奧體大街-江東中路、富春江街-江東中路、楠溪江街-江東中路和河西大街-江東中路等4個(gè)交叉口，奧體東站、富春江站和元通站等3個(gè)電車站點(diǎn).各交叉口的信號(hào)配時(shí)和線路結(jié)構(gòu)如圖2和表2所示.

圖2 奧體東站與元通站間有軌電車線路結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of streetcar route between Olympic East Station and Yuantong Station

表2 各交叉口信號(hào)配時(shí)信息Table 2 Signal timing information of each intersection s

依據(jù)文中現(xiàn)代有軌電車檢測(cè)器布設(shè)位置設(shè)計(jì)模型，計(jì)算a、b、c、d 4個(gè)交叉口的現(xiàn)代有軌電車到達(dá)檢測(cè)器布設(shè)位置，結(jié)果如表3所示.

表3 各交叉口檢測(cè)器位置計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of streetcar detector position at a,b,c and d intersections

根據(jù)文中計(jì)算的現(xiàn)代有軌電車到達(dá)檢測(cè)器布設(shè)位置，以及SCATS建議的檢測(cè)器布設(shè)位置，分別應(yīng)用Vissim仿真軟件進(jìn)行運(yùn)行.Vissim交通建模和非電車相位的運(yùn)行延誤如圖3所示.

圖3 Vissim交通建模和非電車相位的運(yùn)行延誤Fig.3 Traffic modeling in Vissim and the operation delay of non-modern-streetcar phase

4 結(jié)語

檢測(cè)器是現(xiàn)代有軌電車交叉口優(yōu)先運(yùn)行控制的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其布設(shè)位置合理與否對(duì)交叉口時(shí)空路權(quán)資源的有效利用具有重要影響.

文中根據(jù)常見的現(xiàn)代有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制策略及現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行特征，應(yīng)用最優(yōu)化理論建立基于車輛到達(dá)檢測(cè)器位置的現(xiàn)代有軌電車交叉口運(yùn)行效率最優(yōu)模型.針對(duì)模型的有效性與實(shí)用性，應(yīng)用Vissim軟件對(duì)南京河西新城現(xiàn)代有軌電車線路的4個(gè)交叉口實(shí)施仿真檢驗(yàn).結(jié)果顯示，文中所提方法能夠有效計(jì)算出現(xiàn)代有軌電車到達(dá)檢測(cè)器的布設(shè)位置，且對(duì)非電車相位車輛運(yùn)行延誤的影響也小于傳統(tǒng)設(shè)置方法.

[1] SMATLAK J,AURELIUS J,BONINA S,et al.Modern streetcar vehicle guideline [M].Washington D C:Ameri-can Public Transportation Association,2013.

[2] 長(zhǎng)江證券.現(xiàn)代有軌電車:城市軌交發(fā)展入新“軌” [DB/OL].[2016-04-30].https:∥max.book118.com/html/2016/0102/32540466.shtm.

[3] CURRIE G,SHALABY A.Active transit signal priority for streetcars:experience in Melbourne,Australia,and Toronto,Canada [J].Transportation Research Board,2008,2042:41-49.

[4] LING K,SHALABY A.A reinforcement learning approach to streetcar bunching control [J].Journal of Intelligent Transportation Systems,2005,9(2):59-68.

[5] LüCKERATH D,ULLRICH O,SPECKENMEYER E.Mode-ling time table based tram traffic [J].Journal on Deve-lopments and Trends in Modelling and Simulation,2012,22(2):61-68.

[6] ULLRICH O,FRANZ S,SPECKENMEYER E,et al.Simulation and optimization of cologne’s tram schedule [J].Journal on Developments and Trends in Modelling and Simulation,2012,22(2):69-76.

[7] ALAN DANAHER P E,PTOE P T P.General design and engineering principles of streetcar transit [J].Institute of Transportation Engineers,2011,81(1):38.

[8] NAGATANI T.Dynamical model for retrieval of tram sche-dule [J].Physica A,2007,377:661-671.

[9] NASH A.Implementing zurich’s transit priority program [J].Journal of the Transportation Research Board,2013,1835:59-65.

[10] KOONCE P,RINGERT J,URBANIK T.Detection range setting methodology for sgnal priority [J].Journal of Public Transportation,2002,5(2):115-135.

[11] LIU H C,SKABARDONIS A,ZHANG W B,et al.Optimal detector location for bus signal priority [J].Transportation Research Board,2004,1867:144-150.

[12] ZHOU G W,GAN A,ZHU X X.Determination of optimal detector location for transit signal priority with queue jumper lanes [J].Transportation Research Board,2006,1978:123-129.

[13] 嚴(yán)飛,李克平,孫劍.考慮倒計(jì)時(shí)的交叉口公交優(yōu)先檢測(cè)器布設(shè)位置研究 [J].交通信息與安全,2009,27 (6):79-83.

YAN Fei,LI Ke-ping,SUN Jian.Detector location for transit signal priority at intersection with countdown signals [J].Journal of Transport Information and Safety,2009,27 (6):79-83.

Supported by the Major Program of National Natural Science Foundation of China(51338003)

DesignofDetectorLocationforPriorityControlofModernStreetcaratIntersection

WANGBao-jie1, 2XIANGYun2WANGWei2FUMin2LIYe2

(1. School of Highway,Chang’an University , Xi’an 710064, Shaanxi, China;2. Jiangsu Key Laboratory of Urban ITS, Southeast University,Nanjing 210096, Jiangsu, China)

The application of the actuated signal control at urban intersections is an important measure to ensure the advantages of modern streetcars in energy saving, environment protection, comfort and efficiency. Aiming at the problem of the installation site of vehicle arrival detectors at intersections, a design method of the detector position is proposed for the modern streetcars with priority control at intersections. First, according to the priority control strategy of the modern streetcars at intersections and their arrival time at stop lines, the situations of the modern streetcars waiting for green lights are divided into seven types, and the calculation methods for the waiting time of green lights are respectively put forward. Next, by analyzing the displacement relationships among detectors, stops and upstream adjacent intersections, a computing model for the detector position is constructed. Finally, the validity and feasibility of the proposed design method are testified by using the planning data and current traffic real-time data of Nanjing Hexi modern streetcars. The results show that the proposed design method is practical, and it has a good prospect for engineering applications.

urban modern streetcar; detector; signal priority control

2016-05-26

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51338003)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(310821171006)

王寶杰(1987-)，男，博士，講師，主要從事交通運(yùn)輸管理研究.E-mail:wangbj2@163.com

1000-565X(2017)08-0065-05

U 491.14

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.08.010