現(xiàn)代有軌電車智能交通系統(tǒng)優(yōu)先控制策略方案研究

0 引言

目前，有軌電車作為城市公共交通的重要組成部分，結(jié)合我國現(xiàn)有公路交通的通行方式，綜合考慮現(xiàn)代有軌電車、汽車、行人等交通要素，研究一種相對科學(xué)合理的通行相序方案，合理制訂有軌電車優(yōu)先通過平交路口的控制策略方案極為重要。

1 現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外應(yīng)用情況

有軌電車通行方式一般包含同等條件下于路口處的通行準(zhǔn)許和通行順序。通行順序方面，目前在國內(nèi)一般不采用優(yōu)先控制模式，即有軌電車不設(shè)置專用信號(hào)燈或依賴于路口公路信號(hào)燈，在通行順序上有軌電車與道路汽車無異；另一種是采用有軌電車優(yōu)先模式。歐洲學(xué)者考慮到有軌電車作為大容量的公共交通設(shè)施，提高有軌電車的運(yùn)行效率在一定程度上可以帶動(dòng)交通系統(tǒng)整體效率，因而在歐洲一些道路運(yùn)行中滲透了有軌電車通行優(yōu)先的思路，但具體的實(shí)現(xiàn)方式各異，效果也不盡相同。

1.2 國內(nèi)外優(yōu)先控制主要模式

智能交通優(yōu)先控制策略分2種：無條件絕對優(yōu)先和有條件相對優(yōu)先。無條件絕對優(yōu)先，其目的是實(shí)現(xiàn)有軌電車完全不停車通過路口；有條件相對優(yōu)先，其目的是盡可能使有軌電車不停車通過路口，當(dāng)停車時(shí)，盡可能減少停車時(shí)間。

2 優(yōu)先控制策略分析

2.1 優(yōu)先控制思路

2.1.1 無條件優(yōu)先控制策略

假設(shè)在A點(diǎn)檢測到有軌電車到達(dá)，到達(dá)停止線的行程時(shí)間為T，信號(hào)機(jī)判斷T時(shí)間后的相位運(yùn)行狀態(tài)：

（1）若判斷有軌電車到達(dá)路口時(shí)有軌電車相位為綠燈，不需要調(diào)整信號(hào)方案，有軌電車可不停車通過停止線；

（2）若預(yù)測有軌電車到達(dá)路口時(shí)有軌電車相位為紅燈，則進(jìn)一步判斷電車到達(dá)時(shí)刻正在執(zhí)行的相位是否已超過最小綠燈時(shí)間：若已超過最小綠燈時(shí)間，紅燈相位執(zhí)行完最小綠燈時(shí)間后切換到有軌電車所在相位；若未超過最小綠燈時(shí)間，則在前一相位結(jié)束時(shí)刻切換到有軌電車所在相位。

二級(jí)優(yōu)化：A檢測器檢測到電車信號(hào)，并按照上述思路執(zhí)行無條件優(yōu)先控制，可確保電車到達(dá)停止線時(shí)相位狀態(tài)基本處于優(yōu)先相位。為了進(jìn)一步減少隨機(jī)性因素對優(yōu)先控制效果產(chǎn)生的影響，利用B檢測器檢測信號(hào)對優(yōu)先方案進(jìn)行二級(jí)優(yōu)化。當(dāng)B檢測器檢測到信號(hào)時(shí)，根據(jù)電車從B檢測器到停止線的行程時(shí)間判斷電車相位執(zhí)行狀態(tài)，若存在相位尚未到達(dá)或時(shí)間不足情況，需對控制方案進(jìn)行二次調(diào)整，確保電車通過，消除隨機(jī)性因素的影響。

根據(jù)C/D檢測器檢測到路口是否占用，進(jìn)行最大路口占用時(shí)間控制，在占用時(shí)間內(nèi)保持公交相位為綠燈，當(dāng)檢測到路口出清或超過最大占用時(shí)間閾值時(shí)，清除信號(hào)優(yōu)先控制。

無條件優(yōu)先的相位為與電車相位同放的社會(huì)車輛相位，電車相位跟隨執(zhí)行，社會(huì)車輛可通行。

圖1為無條件優(yōu)先控制策略示意圖，該處以社會(huì)車輛相位為示例，在實(shí)施時(shí)，需單獨(dú)配置電車相位，并跟隨社會(huì)車輛相位執(zhí)行。

圖1 無條件優(yōu)先控制策略

2.1.2 有條件優(yōu)先控制策略

有條件控制方式包括綠燈延長、紅燈早斷和相位插入3種方式。3種不同的優(yōu)先控制方式根據(jù)車輛到達(dá)路口的時(shí)刻和當(dāng)前信號(hào)控制方案執(zhí)行情況進(jìn)行選擇觸發(fā)，下文對每種策略下有軌電車駛過交叉路口后的相位變化進(jìn)行闡述。

假設(shè)某一路口未采用任何優(yōu)先策略，其信號(hào)控制方案如圖2所示。

圖2 未采用任何優(yōu)先策略

（1）綠燈延長。

當(dāng)觸發(fā)時(shí)刻電車相位為綠燈，且剩余綠燈時(shí)間不足以保證電車通過，則執(zhí)行綠燈延長。假設(shè)綠燈延長時(shí)間為9 s，根據(jù)一定的算法得出每個(gè)非優(yōu)先相位放行綠燈時(shí)間為30 s，交通信號(hào)控制方案如圖3所示。

圖3 綠燈延長控制策略

（2）紅燈早斷。

若電車相位為當(dāng)前相位的后一相位（相位緊鄰），則采用紅燈早斷控制。判斷當(dāng)前相位是否執(zhí)行完畢最小綠燈時(shí)間，若執(zhí)行完畢，則結(jié)束當(dāng)前相位并切換到電車相位，交通信號(hào)控制方案如圖4所示。

圖4 紅燈早斷控制策略

（3）相位插入。

若電車相位為非當(dāng)前相位的后一相位（中間間隔1-N個(gè)相位），則采用相位插入控制。判斷優(yōu)先時(shí)刻當(dāng)前相位是否執(zhí)行完畢最小綠燈時(shí)間，若執(zhí)行完畢，則中斷當(dāng)前相位，插入電車專用相位；若未執(zhí)行完畢最小綠燈時(shí)間，則待執(zhí)行完畢后插入。假設(shè)專用相位為10 s，交通信號(hào)控制方案如圖5所示。

圖5 相位插入控制策略

有條件優(yōu)先中插入的相位為有軌電車專用相位，時(shí)長僅為電車通過路口的時(shí)間，在此期間社會(huì)車輛無通行權(quán)。

2.2 檢測器位置布置原則

對于每個(gè)道口，均設(shè)有A、B、C、D 4個(gè)檢測信標(biāo)，分別對應(yīng)預(yù)告、到達(dá)、進(jìn)口、出口等狀態(tài)。

2.2.1 A點(diǎn)布置原則

A點(diǎn)位置檢測有軌電車到達(dá)信號(hào)并主要用于無條件優(yōu)先控制，因此A點(diǎn)檢測器位置與路口間距離較大，以保障擁有足夠的時(shí)間進(jìn)行相位切換，保障路口行人通行安全。

其基本位置位于距離路口400 m處，依據(jù)為：有軌電車從A點(diǎn)行駛到停止線的時(shí)間需大于路口交叉方向的最小綠燈時(shí)間，按照電車以平均速度14 m/s（50 km/h）行駛，路口交叉相位最長的最小綠燈時(shí)間為30 s（一般大路口使用30 s均可滿足行人過街需求，而實(shí)際值則比30 s小很多，此處需要按照最長時(shí)間計(jì)算）。在岔區(qū)和路口重疊區(qū)，有軌電車路口信號(hào)燈的位置可能會(huì)做出調(diào)整，A點(diǎn)的布置也將進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

（1）上游出口處無?？空?。

若路段長度大于440 m，A點(diǎn)檢測器設(shè)置位置為距離路口400 m處；若路段長度小于440 m，A點(diǎn)檢測器可設(shè)置在上游路口出口處（圖6）。

圖6 A點(diǎn)位置

（2）上游出口處設(shè)有停靠站。

若站臺(tái)出口到路口距離大于450 m，A點(diǎn)檢測器設(shè)置位置為距離路口400 m處（圖7）。

圖7 A點(diǎn)位置

若站臺(tái)出口到路口距離小于450 m，大于（120+50）m，A點(diǎn)檢測器位置為距離站臺(tái)出口下游約50 m處。預(yù)留50 m的目的在于消除車輛?？空緯r(shí)定位數(shù)據(jù)存在靜態(tài)漂移現(xiàn)象的影響，避免定位誤差導(dǎo)致的優(yōu)先控制誤觸發(fā)（圖8）。

圖8 A點(diǎn)位置

若站臺(tái)出口距離較小，且下游路口在切換相位時(shí)所需時(shí)間大于電車行駛到停止線的行程時(shí)間時(shí)，按照“站臺(tái)出口到路口距離小于（120+50）m”布設(shè)A檢測器，即若站臺(tái)出口到路口距離小于（120+50）m，A點(diǎn)檢測器位置為?？空旧嫌挝恢?，由于?？空緯r(shí)間存在隨機(jī)性，A點(diǎn)布置以時(shí)間為依據(jù)：A檢測器檢測到車輛時(shí)，其行駛到停止線的時(shí)間（包含停站時(shí)間）大于相位調(diào)整時(shí)間（30 s）。

（3）下游路口進(jìn)口處設(shè)有?？空尽?/p>

若下游路口進(jìn)口處設(shè)有?？空?，則按照上述“站臺(tái)出口到路口距離小于（120+50）m”情況設(shè)置A點(diǎn)檢測器。

上述為A點(diǎn)檢測器布置需遵循的基本原則，均基于30 s相位調(diào)整時(shí)間，由于不同路口的物理結(jié)構(gòu)不同，執(zhí)行優(yōu)先控制時(shí)相位調(diào)整時(shí)間也不盡相同，因此應(yīng)根據(jù)路口實(shí)際情況對A點(diǎn)位置進(jìn)行單獨(dú)配置。

2.2.2 B點(diǎn)布置原則

B點(diǎn)檢測器主要功能：對于無條件優(yōu)先路口，在A檢測器觸發(fā)無條件優(yōu)先控制后，根據(jù)電車到達(dá)路口情況執(zhí)行二級(jí)優(yōu)化控制，確保電車不停車；對于有條件優(yōu)先路口，檢測車輛到達(dá)路口情況，并執(zhí)行有條件優(yōu)先控制。B點(diǎn)的布置原則主要針對有條件優(yōu)先中的相位插入，需滿足相位插入時(shí)擁有充足的時(shí)間進(jìn)行相位過渡，同時(shí)也能滿足綠燈延長和紅燈早斷算法的感應(yīng)需求。

B點(diǎn)檢測器基本位置位于距離路口100～120 m處，依據(jù)為：當(dāng)執(zhí)行相位插入時(shí)，插入有軌電車專用相位，需保證正在執(zhí)行的其他相位擁有足夠的時(shí)間進(jìn)行過渡，過渡時(shí)間一般為3 s綠閃+3 s黃燈+3 s全紅 =9 s（此為最大值，實(shí)際可能沒有全紅，實(shí)際時(shí)間比該時(shí)間小），按照路口通行最高限速11 m/s（40 km/h）計(jì)算，B點(diǎn)位置需布設(shè)在距離停止線100～120 m處。在岔區(qū)和路口重疊區(qū)，有軌電車路口信號(hào)燈的位置可能會(huì)做出調(diào)整，B點(diǎn)的布置也將進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

（1）入口處無?？空荆珺檢測器布置在距離停止線100～120 m處（圖9）。

圖9 B點(diǎn)位置

（2）入口處設(shè)有?？空厩彝？空境隹谂c停止線距離大于120 m，B檢測器設(shè)置在距離停止線100～120 m處（圖10）。

圖10 B點(diǎn)位置

（3）入口處設(shè)有?？空厩彝？空境隹谂c停止線距離小于120 m，采用RTS技術(shù)，即司機(jī)在發(fā)車時(shí)按下RTS按鈕，觸發(fā)優(yōu)先請求（圖11）。

圖11 B點(diǎn)位置

2.2.3 C點(diǎn)布置原則

C點(diǎn)檢測器主要功能是判斷路口是否處于占用狀態(tài)，并執(zhí)行有軌電車相位駐留控制。C點(diǎn)主要根據(jù)現(xiàn)場情況制訂布置方案。

C檢測器布置在距離停止線1 m處（圖12）。

圖12 C點(diǎn)位置

2.2.4 D點(diǎn)布置原則

D點(diǎn)檢測器主要作用是判斷路口出清，并解除相關(guān)的優(yōu)先控制。D點(diǎn)的布置原則為，以確保行車安全為前提，當(dāng)車身完全駛出路口時(shí)觸發(fā)路口出清信號(hào)。

D點(diǎn)檢測到有軌電車時(shí)，確保電車已經(jīng)離開交叉口，因此D點(diǎn)檢測器布設(shè)位置為出口下游40 m處（一個(gè)車身長度）（圖13）。

圖13 D點(diǎn)位置

2.3 檢測器異常處理策略

2.3.1 A、B檢測器異常處理策略

對配置為無條件優(yōu)先的路口，A檢測器為主要觸發(fā)控制檢測器，B為調(diào)整檢測器，2個(gè)檢測器均檢測到信號(hào)時(shí)，執(zhí)行完整的二級(jí)優(yōu)化控制策略。若A檢測器檢測到車輛，則根據(jù)A執(zhí)行無條件優(yōu)先控制；若A未檢測到車輛而B檢測到，則根據(jù)B執(zhí)行（如果有條件優(yōu)先控制可以保證不停車，或者讓電車等待時(shí)間更少，該處也可根據(jù)優(yōu)先效果降級(jí)為有條件優(yōu)先控制，需視實(shí)際情況確定）。

對配置為有條件優(yōu)先的路口，若A未檢測到車輛而B檢測到，優(yōu)先控制不受影響；若B檢測器未檢測到車輛到達(dá)，則不執(zhí)行有條件優(yōu)先控制，僅執(zhí)行常規(guī)信控。

2.3.2 C、D檢測器異常處理策略

C/D點(diǎn)配合完成優(yōu)先控制消除，若C/D無法檢測到信號(hào)，則有軌電車相位跟隨機(jī)動(dòng)車相位正常執(zhí)行；若檢測到車輛一直占用路口，占用狀態(tài)不消除，則在控制算法中設(shè)置時(shí)間閾值，觸發(fā)優(yōu)先控制后，超過時(shí)間閾值將自動(dòng)解除優(yōu)先控制。

3 執(zhí)行優(yōu)先控制的條件

（1）執(zhí)行絕對優(yōu)先的條件：路口交通飽和度小于特定閾值；A、B檢測器至少其中之一無故障；路口信號(hào)機(jī)未執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的控制，如勤務(wù)、手動(dòng)控制等；信號(hào)機(jī)無嚴(yán)重故障，未觸發(fā)降級(jí)控制。

（2）執(zhí)行相對優(yōu)先的條件：路口交通狀況不滿足絕對優(yōu)先的飽和度閾值，無法采用絕對優(yōu)先時(shí)，可采用相對優(yōu)先；相位早斷需滿足路口飽和度閾值；A、B檢測器至少其中之一無故障；路口信號(hào)機(jī)未執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的控制，如勤務(wù)、手動(dòng)控制等；信號(hào)機(jī)無嚴(yán)重故障，未觸發(fā)降級(jí)控制。

（3）執(zhí)行相對優(yōu)先控制時(shí)，以下情況可能導(dǎo)致路口停車：壓縮方向的飽和度均高于調(diào)整閾值，導(dǎo)致相位壓縮時(shí)間不足，算法執(zhí)行失??；按最大程度進(jìn)行相位調(diào)整后，電車到達(dá)停止線時(shí)仍然未過調(diào)整相位的最小綠燈時(shí)間，為保證行人安全，必須等待最小綠燈時(shí)間完畢之后再進(jìn)行相位切換；突發(fā)事件等隨機(jī)因素影響，如觸發(fā)綠燈延長控制后，有軌電車中途由于突發(fā)事件停車延誤，錯(cuò)過延長時(shí)間。

4 結(jié)語

根據(jù)上述方案的討論可知，無條件優(yōu)先控制主要采用插入有軌電車方向相位的方式實(shí)現(xiàn)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電車完全不停車通過路口。考慮交叉路口行人過街等安全因素，執(zhí)行無條件優(yōu)先控制時(shí)需要充足的相位調(diào)整時(shí)間， 因此采用A檢測器進(jìn)行控制策略觸發(fā)。同時(shí)，考慮到電車行駛過程中存在隨機(jī)性因素（如駕駛行為差異性等），在利用A檢測器進(jìn)行優(yōu)先控制的基礎(chǔ)上，采用B檢測器對控制策略進(jìn)行二級(jí)調(diào)整，由于B檢測器距離路口較近，識(shí)別進(jìn)入路口狀態(tài)比較準(zhǔn)確，可以確保無條件優(yōu)先控制效果。

有條件優(yōu)先控制主要采用綠燈延長、紅燈早斷和插入電車專用相位的方式實(shí)現(xiàn)。其目標(biāo)在于盡可能使電車不停車通過路口，當(dāng)出現(xiàn)停車時(shí)，盡可能縮短停車時(shí)間。由于有條件優(yōu)先控制為精細(xì)化的信號(hào)控制，如綠燈延長時(shí)，可能只延長幾秒鐘，需要對電車到達(dá)路口的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，因此主要采用B檢測器來實(shí)現(xiàn)有條件優(yōu)先控制。

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