智軌列車路口信號(hào)配時(shí)方法研究

譚俊樺 肖習(xí)雨 張恒 張楠

摘 要： 全球首列智軌列車湖南開跑，智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)屬于建設(shè)成本低、周期短、節(jié)能高效的新型中運(yùn)量交通系統(tǒng)。文章根據(jù)株洲ART試驗(yàn)線基本情況，提出了位于主干道路口的信號(hào)配時(shí)方案。闡述了智軌列車試驗(yàn)線運(yùn)行圖編制的特殊性，詳細(xì)分析了相關(guān)要素，并重點(diǎn)探討了路口對(duì)智軌列車運(yùn)行圖編制的影響，可為智軌列車運(yùn)行圖編制提供理論參考。為今后ART信號(hào)控制的相關(guān)研究提供參考，為智軌列車試運(yùn)行和后期項(xiàng)目提供保障。

關(guān)鍵詞： 智軌列車； 路口； 信號(hào)配時(shí)方案

中圖分類號(hào)：U284.1，TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）06-23-04

Research on the signal timing method of ART intersection

Tan Junhua， Xiao Xiyu， Zhang Heng， Zhang Nan

（Zhuzhou Crrc Times Electric.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan 412000， China）

Abstract： The world's first Autonomous rail Rapid Transit （ART） started its operation in Hunan Province. The ART belongs to a new type of medium-sized traffic system with low construction cost， short cycle and energy-saving. According to the basic situation of Zhuzhou ART test line， this paper proposes a signal timing scheme at the main road. This paper elaborates the particularity of the compilation of the operation diagram of the ART， analyzes the related elements in detail， and focuses on the influence of the intersection in drawing of the ART operation diagram. It can provide a theoretical reference for the preparation of the ART diagram. This paper provides reference for the related research of ART signal control in the future， and provides the guarantee for the test run and the later project of the ART.

Key words： Autonomous rail Rapid Transit； intersection； signal timing scheme

0 引言

由中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“ART”），示范線一期工程在湖南株洲啟動(dòng)線路匹配測(cè)試和試乘。目前ART試驗(yàn)線全長(zhǎng)約3公里，為城市主干道，采用混合路權(quán)的方式，設(shè)有4站，分別是神農(nóng)大劇院站、珠江北路站、黃河北路站、體育中心站。線路分別與珠江北路、黃河北路和株洲大道交匯。ART雙向軌道和站臺(tái)建設(shè)在原有道路中央[1]。

智能軌道快運(yùn)列車（以下簡(jiǎn)稱“智軌列車”）是ART的運(yùn)載工具，與現(xiàn)代有軌電車相比，該車采用膠輪承載，取代了傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌，因此不需要鋪設(shè)專有的物理軌道，通過(guò)自主研發(fā)全球獨(dú)有的軌跡跟隨控制技術(shù)，控制智軌列車在虛擬軌道上智能導(dǎo)向，同時(shí)依靠特定的信號(hào)控制技術(shù)對(duì)智軌列車在虛擬軌道的行進(jìn)進(jìn)行約束，提高安全性。智軌列車采用軌跡跟隨、低地板和高效電傳動(dòng)技術(shù)，集合了有軌電車無(wú)污染，速度快、大運(yùn)量的特點(diǎn)，又吸收了傳統(tǒng)公交客車的運(yùn)營(yíng)靈活，建設(shè)投入小等優(yōu)勢(shì)；具有綜合運(yùn)力強(qiáng)、建設(shè)周期短等優(yōu)越性。

1 智軌列車基本情況介紹

智軌列車具有傳統(tǒng)公交客車和有軌電車兩種交通方式的特點(diǎn)，路口交通信號(hào)的相位、周期與延誤、路口信號(hào)配時(shí)等設(shè)計(jì)指標(biāo)都直接影響其運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。株洲ART試驗(yàn)線工程是我國(guó)首個(gè)運(yùn)營(yíng)智軌列車的工程，需要在多種交通方式參與的交叉路口進(jìn)行科學(xué)的信號(hào)配時(shí)，這是一項(xiàng)具有開創(chuàng)性的研究。

項(xiàng)目中采用的智軌運(yùn)列車為三節(jié)編組，長(zhǎng)約32米，低地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙向行駛，最大載客數(shù)為三百余人，最高運(yùn)行速度為70公里/時(shí)，選用動(dòng)力電池供電，滿電量行駛距離超過(guò)40公里。

運(yùn)行圖是保證和衡量智軌列車運(yùn)輸效率的重要工具，需要考慮不同時(shí)段的發(fā)車間隔、運(yùn)行周期、折返方式等因素，且其動(dòng)力性能和尺寸和社會(huì)車輛顯著不同，因此要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)置一套符合ART特點(diǎn)的運(yùn)行圖，而本文所研究的路口信號(hào)配時(shí)方法能對(duì)運(yùn)行圖的優(yōu)化提供幫助。

2 智軌列車路口信號(hào)配時(shí)方案

配時(shí)方案研究的主要內(nèi)容包括：制定各相交等級(jí)交叉口道路交通信號(hào)配時(shí)原則及方案；根據(jù)ART行駛特性，確定配時(shí)方案的參數(shù)計(jì)算公式；選取典型交叉口，進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

結(jié)合一些城市混合路權(quán)有軌電車交通運(yùn)行圖的編制原則，智軌列車運(yùn)行圖應(yīng)滿足該時(shí)段特定的客流量的需求，保持適當(dāng)?shù)陌l(fā)車間隔，同時(shí)需要考慮經(jīng)過(guò)路口時(shí)的不確定性因素，所以編制時(shí)刻表時(shí)還需考慮相對(duì)靈活的時(shí)刻表調(diào)整算法，提高運(yùn)輸效率。使用常規(guī)信號(hào)控制的手段，計(jì)算ART最小綠燈時(shí)間、確定各相位綠燈時(shí)間、相鄰路口綠波方案等過(guò)程[2]。

2.1 信號(hào)配時(shí)方案

信號(hào)配時(shí)方案主要考慮區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間、通過(guò)路口時(shí)間、路口等待時(shí)間等。

區(qū)間運(yùn)行時(shí)分是指智軌列車在兩相鄰車站之間運(yùn)行的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。智軌列車中間站停站時(shí)間只取決于客流量、車門寬度、開關(guān)門時(shí)間和行車組織方式[3，4]。首末站的停站時(shí)間通常較大，由行車組織方式和折返方式?jīng)Q定[5]。

路口通過(guò)時(shí)間包括智軌列車在道路等待獲得授權(quán)信號(hào)，獲得放行信號(hào)后駛過(guò)路口，直至智軌列車尾部完全通過(guò)路口的時(shí)間。與試驗(yàn)線線路交叉的三個(gè)路口均為城市主干道，因此道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)采用保持原信號(hào)放行相位不變和綠波優(yōu)化的方式進(jìn)行建模求解，獲得最優(yōu)通信時(shí)間的同時(shí)減少對(duì)主干道上車輛通行的影響[6-7]。

2.2 最小綠燈時(shí)間

為確保在路口智軌列車順利通過(guò)，需要計(jì)算智軌列車通過(guò)的最小綠燈時(shí)間，在制定方案時(shí)，要確保相位綠燈時(shí)間比智軌列車通過(guò)最小綠燈時(shí)間大，試驗(yàn)線線路如圖1所示。

以上下行站臺(tái)起點(diǎn)為參考，試驗(yàn)線各關(guān)鍵點(diǎn)位置坐標(biāo)如表1。

根據(jù)表1的線路設(shè)計(jì)，各路口靠近站臺(tái)距離分別為SX23（即SX2與SX3之間的距離，雙下標(biāo)都表示為兩單下標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)之間的距離）、XX12、XX45，其距離均為16米。設(shè)計(jì)當(dāng)智軌列車放行時(shí)，優(yōu)化智軌列車的發(fā)車運(yùn)行起點(diǎn)，把站臺(tái)擴(kuò)展延長(zhǎng)至路口，SX2延長(zhǎng)至SX3，即當(dāng)智軌列車在站臺(tái)停車，當(dāng)信號(hào)燈放行時(shí)，智軌列車才由站臺(tái)駛出，而不是行駛至路口等待放行。其他兩個(gè)靠近路口的站臺(tái)均采用同樣的處理方法。

根據(jù)路口線路坐標(biāo)，定義線路長(zhǎng)度為S線；上行路口SX34、SX56、SX89間的距離均為42米，下行路口XX23、XX56、XX78的距離均為42米，智軌列車長(zhǎng)度st為32米，因此智軌列車通過(guò)路口行駛長(zhǎng)度米，假定智軌列車通過(guò)路口平均速度為米/秒（約30km/h），得到智軌列車通過(guò)路口所需時(shí)間。

因?yàn)榫€路所在三個(gè)交叉口均為主干道，信號(hào)燈配時(shí)為典型對(duì)稱流向放行相位設(shè)計(jì)形式。

2.3 ART運(yùn)行周期

接著計(jì)算智軌列車的單趟運(yùn)行周期。線路中兩站的默認(rèn)停站時(shí)間為t1、t2秒；首尾始發(fā)站停站時(shí)間（包含折返時(shí)間）為t3秒；線路設(shè)計(jì)智軌列車運(yùn)行速度為V旅；則得到單向運(yùn)行時(shí)間為線路長(zhǎng)度S線路除以設(shè)計(jì)速度V旅，即：t旅=S線路/V旅。

智軌列車運(yùn)行周期為：T線路=2*（t1+t2+t3+t旅）。

發(fā)車間隔與道路交通信號(hào)方案中信號(hào)周期的關(guān)系非常重要。如果智軌列車能夠以道路交通信號(hào)周期的整數(shù)倍為發(fā)車間隔，那么每輛智軌列車都能夠利用干線信號(hào)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)綠波通行。

假定試驗(yàn)線停站時(shí)間為25秒，首尾站停站時(shí)間（包含折返時(shí)間）為120秒，線路行駛速度為36km/h，通過(guò)路口的速度為30km/h。

2.4 相位綠信比

關(guān)于道路交通信號(hào)協(xié)調(diào)的研究，一般以最小化總延誤或最大化綠波帶寬為目標(biāo)?；诰G波帶的模型在干線交通量顯著大于轉(zhuǎn)向交通量和相交道路交通量時(shí)，效果較好，它使干線直行方向的帶寬最大化來(lái)實(shí)現(xiàn)干線車流的總延誤最小和停車次數(shù)最少。ART線路一般設(shè)置在客流量大的主干道上，被動(dòng)信號(hào)優(yōu)先效果與綠波帶的結(jié)果密切相關(guān)。綠波是一種被動(dòng)優(yōu)先的效果，如果智軌列車能夠在綠波帶寬內(nèi)行駛，就能保證其不停車通過(guò)所有路口，特別是對(duì)有專用道的公共交通車輛，由于不受其他車輛干擾，更容易實(shí)現(xiàn)綠波通行，大大提高運(yùn)行效率。因此，可以借鑒最大帶寬的方法實(shí)現(xiàn)ART干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制。

路口南北向直行綠燈放行時(shí)間為30秒，信號(hào)周期為130秒，當(dāng)前三個(gè)道路信號(hào)放行相位綠信比（λ綠信比，C周期時(shí)長(zhǎng)，Ge有效綠燈時(shí)長(zhǎng)），λ=0.23。路口相位綠燈時(shí)間大于智軌列車通過(guò)路口時(shí)間，冗余綠燈時(shí)間為相位綠燈時(shí)間減去智軌列車通行路口所需時(shí)間t口，即Ge-t口，故剩余的冗余時(shí)間比為，λ'=0.16。因此當(dāng)智軌列車通過(guò)路口時(shí)，只要滿足所處時(shí)間相位倍數(shù)的小數(shù)部分在相位倍數(shù)[0-0.16]這個(gè)區(qū)間時(shí)，智軌列車無(wú)需等待，均可在相位綠燈時(shí)間內(nèi)直接通過(guò)路口。假設(shè)當(dāng)智軌列車與當(dāng)前存在半個(gè)相位差時(shí)（即相位倍數(shù)+0.5），在變成所處時(shí)間相位倍數(shù)小數(shù)部分在相位倍數(shù)[0.5-0.66]區(qū)間時(shí)，智軌列車無(wú)需等待，可直接通過(guò)路口。

2.5 配時(shí)通行的效果

根據(jù)試驗(yàn)線數(shù)據(jù)，珠江北路和黃河北路間需建立綠波帶的形式，把該路口信號(hào)機(jī)相位錯(cuò)開半個(gè)周期。同理，把下行方向同時(shí)考慮綠波帶，得到理想通行時(shí)間見表2。

根據(jù)試驗(yàn)線數(shù)據(jù)，同時(shí)將上下行兩個(gè)方向考慮綠波帶，得到理想同行時(shí)間，如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，通過(guò)珠江北路路口時(shí)，上下行的相位倍數(shù)分別為1.15和6.01，其小數(shù)部分在[0-0.16]區(qū)間；通過(guò)黃河北路路口時(shí)，上下行的相位倍數(shù)分別為1.61和5.55，其小數(shù)部分在[0.5-0.66]區(qū)間；通過(guò)株洲大道路口時(shí)，上下行的相位倍數(shù)分別為1.15和6.01，其小數(shù)部分在[0.5-0.66]區(qū)間，智軌均可以無(wú)等待通過(guò)路口。

由此可得出三個(gè)路口道路交通信號(hào)配時(shí)方法：株洲大道和黃河北路的信號(hào)燈相位周期保持一致，珠江北路的信號(hào)燈相位與另外兩個(gè)路口錯(cuò)開，保持半個(gè)信號(hào)燈周期差。上行到達(dá)體育中心站時(shí)，停站時(shí)間延長(zhǎng)至250秒，下行行駛至黃河北路站時(shí)，停站時(shí)間延長(zhǎng)至33秒，下行至神農(nóng)大劇院站時(shí)，停站時(shí)間縮短至98秒。優(yōu)化后，智軌列車在上下行路口均無(wú)須停車，可直接通過(guò)，運(yùn)行周期完整包含8個(gè)信號(hào)燈相位。

3 結(jié)論

本文給出了一種ART線路道路交通信號(hào)配時(shí)方法，該試驗(yàn)線規(guī)模較小，路口較少，故路口的道路交通信號(hào)配時(shí)較簡(jiǎn)單。該方法優(yōu)化可行的配時(shí)，即使路口數(shù)增多，也可以對(duì)各路口的道路交通信號(hào)進(jìn)行配時(shí)。由此可以給與其運(yùn)行圖的制定提供幫助，使ART運(yùn)輸能力得到保障，同時(shí)保持原信號(hào)放行相位不變，減少與既有道路交通信號(hào)系統(tǒng)的沖突。該方案為城市ART信號(hào)優(yōu)先的實(shí)施提供借鑒。

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