基于VISSIM仿真的有軌電車(chē)交叉口信號(hào)優(yōu)先控制策略研究

余冠華，鄭 偉，陳榮武

（1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044；2. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 成都 611756）

現(xiàn)代有軌電車(chē)具有投資少，建設(shè)周期短，線路條件靈活，運(yùn)行速度較快，乘車(chē)空間舒適，環(huán)保節(jié)能，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越多的中小型城市以及大型城市郊區(qū)選擇有軌電車(chē)來(lái)緩解交通壓力[1]。我國(guó)目前有軌電車(chē)交叉口信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此研究現(xiàn)代有軌電車(chē)交叉口信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)顯得非常必要而迫切[2]。德國(guó)將有軌電車(chē)在交叉口的信號(hào)控制機(jī)和交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)分離，單獨(dú)為有軌電車(chē)設(shè)置專(zhuān)用通行信號(hào)機(jī)，通過(guò)交叉口信號(hào)機(jī)和有軌電車(chē)專(zhuān)用信號(hào)機(jī)之間的邏輯聯(lián)系，使有軌電車(chē)的信號(hào)更優(yōu)先[3-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者衛(wèi)超[5]提出了路權(quán)形式，交叉口的渠化，車(chē)道布置等實(shí)現(xiàn)有軌電車(chē)在交叉口空間上的優(yōu)先。鐘吉林[6]和易志剛[7]討論了有軌電車(chē)道口信號(hào)優(yōu)先設(shè)計(jì)方案。本文在此基礎(chǔ)上研究了有軌電車(chē)交叉口信號(hào)優(yōu)先策略，并在VISSIM中建立了有軌電車(chē)交叉口信號(hào)優(yōu)先控制的仿真模型，通過(guò)比較無(wú)信號(hào)優(yōu)先，絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先和條件信號(hào)優(yōu)先策略下的交叉口服務(wù)水平，驗(yàn)證了各個(gè)信號(hào)優(yōu)先策略的有效性及適用情況。

1 有軌電車(chē)交叉口交通組織設(shè)計(jì)

在有軌電車(chē)交叉口區(qū)域，有軌電車(chē)與不同進(jìn)口不同轉(zhuǎn)向的社會(huì)車(chē)流交匯和分離，產(chǎn)生較多的分流點(diǎn)，合流點(diǎn)和沖突點(diǎn)，如圖1所示。對(duì)有軌電車(chē)交叉口進(jìn)行有效信號(hào)優(yōu)先控制的基礎(chǔ)是盡量減少或消滅這些分流點(diǎn)，合流點(diǎn)和沖突點(diǎn)，使得有軌電車(chē)處于空間上的優(yōu)先地位。

圖1 無(wú)信號(hào)控制交叉口分流點(diǎn)，合流點(diǎn)，沖突點(diǎn)分布圖

本文設(shè)計(jì)了一種交叉口渠化的交通組織，在空間上分隔或控制沖突的車(chē)流。如圖2所示，交叉口4個(gè)方向的入口分別設(shè)置左轉(zhuǎn)，直行和右轉(zhuǎn)車(chē)道，消除了分流點(diǎn)；在交叉口4個(gè)方向的出口，均設(shè)置了3個(gè)車(chē)道，使從其他方向轉(zhuǎn)向過(guò)來(lái)的車(chē)輛分別駛?cè)胱约旱能?chē)道，消除了匯合點(diǎn)。

圖2 有軌電車(chē)交叉口渠化圖

為了向交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)反饋實(shí)時(shí)的交通數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口信號(hào)的最優(yōu)控制，在有軌電車(chē)交叉口設(shè)計(jì)了4個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)有軌電車(chē)的到達(dá)和離開(kāi)，4個(gè)檢測(cè)器的作用如表1所示。

表1 4個(gè)檢測(cè)器的作用

2 有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制策略設(shè)計(jì)

2.1 相位設(shè)計(jì)方案

采用四相位信號(hào)控制方式，在時(shí)間上分隔直行和左轉(zhuǎn)的社會(huì)車(chē)流以及有軌電車(chē)直行和社會(huì)車(chē)輛左轉(zhuǎn)車(chē)流，消除了沖突點(diǎn)，并為有軌電車(chē)設(shè)置2個(gè)專(zhuān)用相位，分別為相位5控制西進(jìn)口的有軌電車(chē)通行，相位6控制東進(jìn)口的有軌電車(chē)通行，如圖3所示。在沒(méi)有檢測(cè)到有軌電車(chē)到達(dá)交叉口的情況下，相位1到相位4依次周期循環(huán)轉(zhuǎn)換，當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到有軌電車(chē)到達(dá)交叉口，進(jìn)行綠燈提前，紅燈縮短或插入有軌電車(chē)相位。

圖3 四相位信號(hào)控制示意圖

2.1.1 綠燈延長(zhǎng)

綠燈延長(zhǎng)即延長(zhǎng)有軌電車(chē)相位的綠燈時(shí)間。當(dāng)有軌電車(chē)在相位1的末尾到達(dá)交叉口時(shí)，系統(tǒng)延長(zhǎng)相位1的綠燈長(zhǎng)度，讓有軌電車(chē)順利通過(guò)，如圖4所示。

圖4 綠燈延長(zhǎng)策略圖

2.1.2 紅燈縮短

紅燈縮短即縮短有軌電車(chē)等待綠燈信號(hào)的紅燈時(shí)間。當(dāng)有軌電車(chē)在相位4激活時(shí)到達(dá)交叉口，路口信號(hào)機(jī)提前結(jié)束相位4的綠燈相位，使相位1盡快開(kāi)啟綠燈。盡量讓有軌電車(chē)不停車(chē)通過(guò)交叉口或者減少在交叉口的等待時(shí)間，如圖5所示。

圖5 紅燈縮短策略圖

2.1.3 插入電車(chē)相位

插入相位即在正常的相位相序中增加有軌電車(chē)相位。當(dāng)有軌電車(chē)在相位2和相位3激活時(shí)到達(dá)交叉口，在當(dāng)前相位結(jié)束（正常結(jié)束或提前結(jié)束）后插入一個(gè)有軌電車(chē)通行相位，使得有軌電車(chē)順利通過(guò)。插入相位結(jié)束（即有軌電車(chē)通過(guò)）后，返回按照原有的相位順利運(yùn)行，如圖6所示。

圖6 插入有軌電車(chē)相位策略圖

2.2 相位時(shí)長(zhǎng)

相位時(shí)長(zhǎng)與交叉口交通流量密切相關(guān)，在早高峰時(shí)段（7：30～8：30），對(duì)某有軌電車(chē)交叉口各進(jìn)道口的車(chē)流量及各進(jìn)道口不同流向的車(chē)流量進(jìn)行了數(shù)量統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表2所示。

表2 某十字交叉口交通流量調(diào)查結(jié)果表（veh/h）

將交通流量輸入到Synchro 7.0軟件[8]中，可生成最優(yōu)信號(hào)配時(shí)方案為：相位1的時(shí)長(zhǎng)為44 s，相位2的時(shí)長(zhǎng)為14 s，相位3的時(shí)長(zhǎng)為49 s，相位4的時(shí)長(zhǎng)為13 s。

2.3 絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制

絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制是指無(wú)論有軌電車(chē)在感應(yīng)信號(hào)控制的任何階段到達(dá)，都會(huì)立刻啟動(dòng)有軌電車(chē)綠燈相位，保證有軌電車(chē)能夠不停車(chē)通過(guò)交叉口。待有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口后，又回到跳轉(zhuǎn)之前階段的下一階段。根據(jù)2.2節(jié)可知，相位1最大綠燈時(shí)間為44 s，相位2最大綠燈時(shí)間為14 s，相位3最大綠燈時(shí)間為49 s，相位4最大綠燈時(shí)間為13 s。

2.4 條件信號(hào)優(yōu)先控制

條件信號(hào)優(yōu)先控制是指檢測(cè)器檢測(cè)到有軌電車(chē)的到達(dá)后，還需要判斷該階段相位綠燈持續(xù)的時(shí)間，若不滿足最小綠燈時(shí)間，則有軌電車(chē)停車(chē)等待，直到綠燈持續(xù)時(shí)間運(yùn)行達(dá)到最小綠燈時(shí)間，開(kāi)放有軌電車(chē)信號(hào)機(jī)綠燈信號(hào)；若該相位的綠燈持續(xù)時(shí)間大于或等于最小綠燈時(shí)間，則直接開(kāi)放有軌電車(chē)信號(hào)，使有軌電車(chē)不停車(chē)通過(guò)交叉口。相位1能夠和有軌電車(chē)相位同時(shí)開(kāi)放，所以不用設(shè)定最小綠燈時(shí)間；相位2，相位3，相位4的最小綠燈時(shí)間 設(shè)置為各自最大綠燈時(shí)間的一半，分別為7 s，24 s，6 s。相位1，相位2，相位3，相位4的最大綠燈時(shí)間和絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先的最大綠燈時(shí)間一樣。

3 VISSIM仿真實(shí)現(xiàn)與評(píng)價(jià)

VISSIM是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具[9]。有軌電車(chē)交叉口交通組織設(shè)計(jì)和有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制策略設(shè)計(jì)在VISSIM 軟件中仿真圖如圖7所示。

圖7 VISSIM有軌電車(chē)交叉口仿真圖

3.1 VISSIM仿真時(shí)序圖

3.1.1 無(wú)信號(hào)優(yōu)先控制下的相位時(shí)序圖

無(wú)信號(hào)優(yōu)先控制下的相位時(shí)序圖如圖8所示，SG1為控制東西進(jìn)口社會(huì)車(chē)輛直行的相位1；SG2為控制東西進(jìn)口社會(huì)車(chē)輛左轉(zhuǎn)的相位2；SG3為控制南北進(jìn)口社會(huì)車(chē)輛直行的相位3；SG4為控制南北進(jìn)口社會(huì)車(chē)輛左轉(zhuǎn)的相位4。從圖8中可以看出，信號(hào)控制策略的4個(gè)相位，進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換。相位1的時(shí)長(zhǎng)為44 s，相位2的時(shí)長(zhǎng)為14 s，相位3的時(shí)長(zhǎng)為49 s，相位4的時(shí)長(zhǎng)為13 s。

圖8 無(wú)信號(hào)優(yōu)先控制下的相位時(shí)序圖

3.1.2 絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制下的仿真時(shí)序圖

有軌電車(chē)絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制下VISSIM仿真的相位時(shí)序圖如圖9所示， SG5為控制上行有軌電車(chē)的相位5，SG6為控制下行有軌電車(chē)的相位6。Det 1～4為檢測(cè)器1到檢測(cè)器4，在表1中有具體的說(shuō)明。

圖9 絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制下的相位時(shí)序圖

從圖9中可以看出，當(dāng)有軌電車(chē)分別從上行和下行方向經(jīng)過(guò)交叉口時(shí)，優(yōu)先控制策略運(yùn)行邏輯分別如下：

（1）Det 3在74 s時(shí)激活，即檢測(cè)到下行有軌電車(chē)駛?cè)虢徊婵?，此時(shí)相位3立刻經(jīng)過(guò)3 s的黃燈轉(zhuǎn)換時(shí)間跳轉(zhuǎn)到相位1，并激活了相位6；Det 4在93 s時(shí)激活，即檢測(cè)到下行有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口，此時(shí)相位1經(jīng)過(guò)3 s的黃燈轉(zhuǎn)換時(shí)間立刻跳轉(zhuǎn)到相位4，并關(guān)閉了相位6。整個(gè)過(guò)程即在相位3和相位4之間插入了相位1和相位6，實(shí)現(xiàn)了有軌電車(chē)信號(hào)的絕對(duì)優(yōu)先，使下行有軌電車(chē)能夠不停車(chē)經(jīng)過(guò)交叉口；并在下行有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口后立刻回到相位4，使實(shí)現(xiàn)下行有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先的同時(shí)，社會(huì)車(chē)輛的延誤時(shí)間達(dá)到最小值。

（2）Det 1在171 s時(shí)激活，即檢測(cè)到上行有軌電車(chē)駛?cè)虢徊婵?，此時(shí)相位2立刻經(jīng)過(guò)3 s的黃燈轉(zhuǎn)換時(shí)間跳轉(zhuǎn)到相位1，并激活相位5；Det 2在190 s時(shí)激活，即檢測(cè)到上行有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口，此時(shí)相位1經(jīng)過(guò)3 s的黃燈轉(zhuǎn)換時(shí)間立刻跳轉(zhuǎn)到相位3，并關(guān)閉了相位5。整個(gè)過(guò)程即在相位2和相位3之間插入了相位1和相位5，實(shí)現(xiàn)了有軌電車(chē)信號(hào)的絕對(duì)優(yōu)先，使上行有軌電車(chē)能夠不停車(chē)經(jīng)過(guò)交叉口；并在上行有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口后立刻回到相位3，使實(shí)現(xiàn)上行有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先的同時(shí)，社會(huì)車(chē)輛的延誤時(shí)間達(dá)到最小值。

綜上所述，有軌電車(chē)在任何一個(gè)相位到達(dá)交叉口，都會(huì)立刻激活到相位1和有軌電車(chē)相位（相位5或相位6），待有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口后，立刻回到之前相位的下一個(gè)相位，實(shí)現(xiàn)有軌電車(chē)信號(hào)絕對(duì)優(yōu)先。

3.1.3 條件信號(hào)優(yōu)先控制下的仿真時(shí)序圖

有軌電車(chē)條件信號(hào)優(yōu)先控制下VISSIM仿真的相位時(shí)序圖如圖10所示，分別有兩輛上下行的有軌電車(chē)經(jīng)過(guò)交叉口，它們的運(yùn)行邏輯如下。

圖10 條件信號(hào)優(yōu)先控制下的仿真時(shí)序圖

（1）當(dāng)Det 1在200 s時(shí)激活，即檢測(cè)到上行有軌電車(chē)駛?cè)虢徊婵?，此時(shí)交叉口相位3的綠燈持續(xù)時(shí)間Tgreen為：

由于相位3的最小綠燈時(shí)間Gmin為24 s，所以綠燈持續(xù)的時(shí)間未達(dá)到最小綠燈時(shí)間而不滿足優(yōu)先的條件，有軌電車(chē)需要停車(chē)等待，直到相位3滿足最小綠燈時(shí)間24，即220 s時(shí)，才跳轉(zhuǎn)到相位1并激活相位5。Det 2在241 s時(shí)激活，即檢測(cè)到上行有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口，此時(shí)相位1經(jīng)過(guò)3 s的黃燈轉(zhuǎn)換時(shí)間立刻跳轉(zhuǎn)到相位4，并關(guān)閉了相位5。

（2）當(dāng)Det 3在278 s時(shí)激活，即檢測(cè)到下行有軌電車(chē)駛?cè)虢徊婵?，此時(shí)交叉口正好相位1放行，所以不必考慮優(yōu)先的條件，直接激活相位5，使下行有軌電車(chē)不停車(chē)通過(guò)交叉口。Det 4在294 s時(shí)激活，即檢測(cè)到下行有軌電車(chē)離開(kāi)交叉口，此時(shí)相位1經(jīng)過(guò)3 s的黃燈轉(zhuǎn)換時(shí)間立刻跳轉(zhuǎn)到相位2，并關(guān)閉相位5。

3.2 VISSIM仿真評(píng)價(jià)

在得到仿真結(jié)果數(shù)據(jù)之前，需要在路網(wǎng)中設(shè)定行程路段，即起路段的起點(diǎn)和終點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了10個(gè)測(cè)量行程時(shí)間的路段，即8條社會(huì)車(chē)輛的行駛路段和2條上下行有軌電車(chē)行駛的路段。交叉口東南西北4個(gè)進(jìn)口和交叉口整體的平均延誤時(shí)間如表3所示。不同信號(hào)優(yōu)先策略下交叉口各個(gè)方向的平均延誤時(shí)間和停車(chē)次數(shù)如表4所示[10]。從表3和表4中可以得出結(jié)論：（1）若給予有軌電車(chē)最高的優(yōu)先權(quán)，使有軌電車(chē)平均延誤時(shí)間最小，停車(chē)次數(shù)為0，采用絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制策略較好；（2）若在基本上不影響整個(gè)交叉口的平均延誤和服務(wù)水平的情況下給予有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先，采取條件優(yōu)先信號(hào)控制策略較好。

表3 不同信號(hào)優(yōu)先策略下交叉口整體的平均延誤時(shí)間

表4 不同信號(hào)優(yōu)先策略下交叉口各個(gè)方向的平均延誤時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了有軌電車(chē)交叉口交通組織設(shè)計(jì)和信號(hào)優(yōu)先控制策略的具體方案。在VISSIM中建立了渠化的路網(wǎng)模型并分別仿真了無(wú)信號(hào)優(yōu)先、絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先和條件信號(hào)優(yōu)先3種不同的信號(hào)控制方案。通過(guò)VISSIM的仿真評(píng)價(jià)，得到了絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先和條件信號(hào)優(yōu)先策略的適用性，為提高有軌電車(chē)交叉口的服務(wù)水平提供了新思路。