公共交通信號優(yōu)先控制的分級與特征研究

李克平，韋燕寧，唐克雙，陳 燦

(同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，上海201804)

城市公共交通(以下簡稱“公交”)優(yōu)先是一個綜合性問題，涵蓋諸多領(lǐng)域，例如修建地鐵和輕軌、擴大公共汽車線網(wǎng)、提高車輛的技術(shù)水準、改善公交服務(wù)、施劃公交專用車道、實施公交信號優(yōu)先，等等。城市公交優(yōu)先不僅需要政策和資金的保證，還需要有效的管理體系和技術(shù)創(chuàng)新。世界各國在這一方面的經(jīng)驗值得借鑒，例如德國、瑞士、法國、日本、英國、巴西等，其中，路權(quán)優(yōu)先和信號優(yōu)先的公交優(yōu)先策略是提高公交車輛(包括各類與社會車輛共用道路的公共交通方式)運行速度和行程時間可靠性、切實實現(xiàn)公交優(yōu)先的有效措施。

1 公交信號優(yōu)先控制的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有公交信號優(yōu)先方法大多應(yīng)用簡單的控制策略，缺乏對道路交叉口交通流通行效益的綜合考慮[1]。常見的控制策略包括綠燈延長、紅燈早斷、相位跳躍等。然而，以上操作僅能優(yōu)先處理極少數(shù)的公交車輛，難以帶來全局效益的提升，同時保障各方利益的平衡。

改進的公交信號優(yōu)先方法是通過各種優(yōu)化手段，最大限度地滿足公交車輛通行的需求，并且使其對其他交通流產(chǎn)生的負面影響可控和最小化。較有代表性的改進方法包括以下幾類。

1）在單點交叉口對被占用綠燈時間的相位進行信號補償，或者根據(jù)交通流狀態(tài)確定相位切換規(guī)則[2-4]。這類方法能夠避免非公交運行方向由于綠燈時間不足而造成的延誤增加，甚至產(chǎn)生擁堵。

2）設(shè)置多公交優(yōu)先請求競爭機制[5-8]?；镜亩喙粌?yōu)先請求規(guī)則多采用“先到先得”原則，即系統(tǒng)總是響應(yīng)先到達的公交車輛提出的優(yōu)先請求。這一規(guī)則簡單實用，但是難以很好地處理多請求下的復(fù)雜情況。在多種交通方式、多類型和多線路公交車輛混行的交叉口，可通過預(yù)設(shè)優(yōu)先事件列表、計算優(yōu)先權(quán)重等不同方式，實現(xiàn)公交優(yōu)先請求排序。影響優(yōu)先排序的因素通常包括公交車輛類型、公交線路等級、交通流狀態(tài)、載客率、時刻表偏移程度等。

3）考慮信號協(xié)調(diào)的公交優(yōu)先策略[9-11]。由于傳統(tǒng)的干路信號協(xié)調(diào)和公交信號優(yōu)先方法的目標不同，公交信號優(yōu)先策略可能擾亂干路主要方向的交通流，使車隊脫離綠波帶。如果不在信號協(xié)調(diào)的框架下實施公交信號優(yōu)先策略，則難以協(xié)調(diào)公交車輛與社會車輛的不同時空特征，而且公交車輛在上游交叉口獲得的優(yōu)先通行的效益可能在下游交叉口被抵消，從而造成優(yōu)先失效。因此，將干線協(xié)調(diào)和公交信號優(yōu)先進行整合優(yōu)化是一個必要的方法。

近年來，在車路協(xié)同和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，國內(nèi)外的研究熱點轉(zhuǎn)移到新興的公交信號優(yōu)先策略[12-14]。與以往研究最大的不同之處在于，在車路協(xié)同和車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，公交車輛與信號控制機之間能夠進行精確和實時的雙向通訊，并且交通流狀態(tài)、公交車輛的載客信息、運行準點信息均能被獲取?；诰_的信息采集和通訊傳輸，設(shè)計公交信號優(yōu)先策略的綠燈時長時，可以將公交車輛前方的排隊車輛先行清空。一種新的公交信號優(yōu)先策略是將綠燈時間重新分配，即在初始信號配時方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)測的公交車輛到達時間窗，改變公交車輛所在相位部分綠燈的啟亮?xí)r間[15]。這種策略不需要增加或者減少相位時長，而使更多車輛趕上重分配后的綠燈，以達到改進傳統(tǒng)公交信號優(yōu)先策略的目的。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

公交優(yōu)先的兩個重要策略是實現(xiàn)對公交車輛運行的路權(quán)優(yōu)先和信號優(yōu)先。北京、上海、廣州、深圳、蘇州、杭州等大城市紛紛進行了有益的嘗試。深圳的公交信號優(yōu)先系統(tǒng)采用雙周期補償?shù)姆绞剑瑢σ蚬卉囕v優(yōu)先通行而縮短綠燈時長的方向，在下一周期給予綠燈延長。武漢的有軌電車系統(tǒng)具備車輛檢入和檢出機制，能夠?qū)崿F(xiàn)絕對的信號優(yōu)先。

然而，中國大部分城市的公交信號優(yōu)先控制還停留在比較粗淺的階段，遠未能夠真正實現(xiàn)復(fù)雜場景下的有效優(yōu)先。主要存在以下問題：1)缺乏統(tǒng)一、標準、易識別的公交專用信號燈，難以區(qū)別化控制社會車輛與公交車輛；2)相位設(shè)置和配時不夠靈活和精準。大多數(shù)城市還沒有設(shè)置公交專用信號燈，部分大城市采用了制式各不相同的公交信號燈及標識。公交車輛與社會車輛采用相同信號燈帶來的弊端是二者不能得到區(qū)別化的通行控制。在設(shè)計信號配時方案時缺少了選擇公交相位提前或延長、相位時長微調(diào)等手段的可能性。

1.3 公交信號優(yōu)先分類的問題

在理論研究層面，一般將公交信號優(yōu)先控制分為被動、主動和實時優(yōu)先三類。被動優(yōu)先的效益有限，并無很大的積極意義；主動優(yōu)先和實時優(yōu)先的劃分界限比較模糊，難以具體體現(xiàn)考慮各種因素和約束條件的公交信號優(yōu)先思路的層次差別。公交信號優(yōu)先面對諸多問題：如何處理頻繁的多路公交信號優(yōu)先請求，如何兼顧和平衡公交與其他交通參與者的利益，如何從公交線路的總體運行效率出發(fā)設(shè)計公交信號優(yōu)先策略等。對這些核心問題，目前還缺乏精準的、區(qū)別化的分析和評價方法。因此，本文歸納提出公交信號優(yōu)先控制的分級方法，有助于探究公交信號優(yōu)先控制的技術(shù)細節(jié)，形成一個參照系，建立一個公交信號優(yōu)先的評價體系。

2 影響公交信號優(yōu)先控制的主要因素

2.1 公交車輛運行的時距協(xié)調(diào)

干路信號協(xié)調(diào)控制是在城市交通管理與控制中常用的信號控制方法。其目的是增加車輛連續(xù)通過多個交叉口的概率，從而減少車輛的延誤。這種控制方式通常以社會車輛為服務(wù)對象。公交車輛在交通運行特性方面有不同于社會車輛的特點。為了保障公交車輛運行的連貫性，應(yīng)該將公交信號優(yōu)先策略嵌入干路信號協(xié)調(diào)控制的框架下，并且充分協(xié)調(diào)公交車輛與社會車輛的時距關(guān)系[10,13-14]。

2.1.1 公交車輛上下游交叉口的信號協(xié)調(diào)

設(shè)計公交信號優(yōu)先控制必須考慮上下游關(guān)聯(lián)性，對沿線交叉口進行總體設(shè)計。如果僅僅對單點交叉口實施公交信號優(yōu)先策略，或者線路上不同交叉口之間沒有聯(lián)系，那么公交車輛優(yōu)先通行的效益將會大打折扣。

圖1 公交信號優(yōu)先控制的上下游關(guān)聯(lián)性Fig.1 Connection of upstream and downstream in TSP

以圖1為例，實線箭頭表示公交車輛駛向第一個交叉口時，在綠燈可變范圍內(nèi)預(yù)計公交車輛可以到達交叉口，故信號系統(tǒng)響應(yīng)公交信號優(yōu)先請求，實施紅燈早斷策略，公交車輛得以不停車地通過首個交叉口；在駛向第二個交叉口時，由于公交車輛預(yù)計到達交叉口的時間早于公交相位綠燈的最大提前時間，故公交車輛遇阻，直至滿足約束條件后系統(tǒng)才能服務(wù)該公交車輛。虛線箭頭表示在第一個交叉口系統(tǒng)并未提供公交信號優(yōu)先，在之后的兩個交叉口公交車輛行駛軌跡與實線箭頭的相同。由此可以看出，單個交叉口實現(xiàn)的公交信號優(yōu)先的效益，可能在下游交叉口被抵消。因此，公交信號優(yōu)先控制應(yīng)該統(tǒng)籌全局，從線路上進行整體協(xié)調(diào)和規(guī)劃設(shè)計。

2.1.2 公交車輛與社會車輛的時距協(xié)調(diào)

公交車輛與社會車輛的運行特點不同。公交車輛的運行速度一般低于小汽車，且須?？寇囌具M行上下客服務(wù)，所以其理想的信號時距關(guān)系與社會車輛的時距關(guān)系不一致(見圖2)。根據(jù)以上分析，協(xié)調(diào)公交車輛與社會車輛的時距關(guān)系，須兼顧兩者的需求，從車站布設(shè)、停車線的公交車輛到達分布、合理利用進站?？繒r間等因素來進行綜合考慮。

2.2 交叉口控制策略集及約束邊界

公交信號優(yōu)先控制策略集主要有綠燈延長、紅燈早斷、相位跳躍、相序調(diào)整、相位插入策略等。選擇單點交叉口的控制策略集和約束邊界需要考慮的因素包括公交車輛在停車線的到達分布、干線上的公交時距、綠波帶的上下限等。

在不超過綠波帶上下限的前提下，不同公交信號優(yōu)先策略的綠燈可變范圍須符合一定的原則。采取綠燈延長策略后，本相位的綠燈時間不應(yīng)超過相位允許的最大綠燈時長。紅燈早斷策略可在當前相位的最早提前時間至不可變時間(考慮行人過街等情況)的范圍內(nèi)實施。相位的最早提前時間不應(yīng)早于最小綠燈時間。相位跳躍和相序調(diào)整策略可在當前相位的最小綠燈時間至不可變時間的范圍內(nèi)應(yīng)用。采取相位插入策略可在當前相位的最小綠燈時間至最晚允許插入時間的范圍內(nèi)應(yīng)用。其中，最晚允許插入時間是指插入指定相位后回到原相位還能允許若干輛車通行的時間。

交叉口信號控制的參數(shù)取值不能突破邊界條件的約束。由于公交信號優(yōu)先策略要在減少公交車輛通行延誤的同時，盡量減少對其他交通流的負面影響，因此信號控制系統(tǒng)須對公交相位的最大綠燈時間、其他相位的最大紅燈時間以及周期時長進行監(jiān)控。如果非公交優(yōu)先相位的機動車和行人等待時間過長，可能造成交通參與者心理焦躁，導(dǎo)致交通違法率增加。此外，交叉口信號周期長度的短時間變化幅度不應(yīng)太大，以免破壞干路信號協(xié)調(diào)控制的效果。

不同的公交信號優(yōu)先策略有其各自的適用情況。以四相位控制的交叉口為例，初始信號方案的相位順序為“1-2-3-4-1-2-3-4”。若本周期公交相位還未執(zhí)行，則采用相序調(diào)整策略可在本周期結(jié)束時恢復(fù)初始信號控制方案。例如，相位4為公交運行相位，并且系統(tǒng)在相位2接收到公交優(yōu)先請求，則采取相序調(diào)整策略后，相位放行順序為“1-2-4-3-1-2-3-4”，第二個周期仍按照初始方案運行。若本周期已經(jīng)執(zhí)行過公交相位，將有連續(xù)兩個周期的相位受到影響。例如，相位1為公交運行相位并且系統(tǒng)在相位3接收到公交優(yōu)先請求，則采取相序調(diào)整策略后，相位放行順序為“1-2-3-1-4-2-3-4”。在這種情形下若采用專用相位插入策略，相位放行順序為“1-2-3-1-4-1-2-3-4”。如果檢測、預(yù)測和控制的精度較高，則在短時間內(nèi)運行公交優(yōu)先相位也是可接受的。如果實施相位跳躍策略，系統(tǒng)運行“1-2-3-1-2-3-4”相位。頻繁使用相位跳躍策略可能干擾單點交叉口運行秩序和影響干路信號協(xié)調(diào)效果。因此，在實際應(yīng)用中，信號系統(tǒng)在條件具備時應(yīng)能有針對性地選用公交信號優(yōu)先策略，從而對非優(yōu)先方向車輛的負面影響降至最小。

以相位1為公交優(yōu)先相位，系統(tǒng)在相位3接收到公交優(yōu)先請求，相序調(diào)整、專用公交相位插入、相位跳躍策略的相位相序見圖3。

2.3 公交車輛位置檢測及信號控制精度

高精度的檢測和控制手段是實現(xiàn)公交信號優(yōu)先的基礎(chǔ)。運用多步檢入的檢測策略能夠減小公交車輛到達停止線的預(yù)測時間窗，提高控制的精準度；運用檢出檢測機制才能使系統(tǒng)盡快切斷公交優(yōu)先相位，更快響應(yīng)其他方向上公交車輛的請求。

以圖4為例，在交叉口停止線上游，首先由預(yù)告檢測器提示信號控制機判斷是否需要調(diào)整相位相序；之后由確認檢測器初步預(yù)測公交車輛到達停止線的時間；接著在公交停靠站的下游，由接近檢測器消除因公交車輛減速進站、制動或運行過程中產(chǎn)生的不確定時間，縮小公交車輛預(yù)計到達停止線的時間窗范圍；最后在交叉口停止線下游或者出口道位置，由駛離檢測器確認公交車輛已經(jīng)駛出交叉口，則本次公交信號優(yōu)先請求響應(yīng)完成。總之，準確預(yù)測公交車輛到達交叉口停車線的時間是系統(tǒng)快速優(yōu)化控制策略和進行公交優(yōu)先多申請動態(tài)排序的前提。

3 公交信號優(yōu)先控制的分級與特征

公交信號優(yōu)先控制應(yīng)遵循時空一體化的設(shè)計思想，從交通信號控制和交叉口規(guī)劃設(shè)計兩個方面統(tǒng)籌安排，以強化公交信號優(yōu)先的效果。在設(shè)計公交信號優(yōu)先控制方案時，既要保障公交車輛在整條線路上(多個交叉口)運行順暢，又要維持單個交叉口運行的穩(wěn)定和高效。因此，公交信號優(yōu)先控制應(yīng)在高精度的檢測和控制手段的支持下，結(jié)合公交車輛在停止線的到達分布，協(xié)調(diào)公交車輛與社會車輛在上下游交叉口的運行時距，并且根據(jù)約束條件選擇合適的控制策略和最大程度靈活可變的信號配時。

為了準確認識公交信號優(yōu)先控制的細節(jié)和本質(zhì)，在分析了影響公交信號優(yōu)先效益的主要因素的基礎(chǔ)上，從規(guī)劃設(shè)計、信號控制的宏觀和微觀層面提煉了24項要素，并對應(yīng)公交信號優(yōu)先控制的6個等級(見表1)。

3.1 等級特征

第一級，對應(yīng)于被動優(yōu)先，即考慮公交路權(quán)及運行管理措施但無公交優(yōu)先請求生成系統(tǒng)，可在考慮或不考慮公交車輛運行上下游關(guān)聯(lián)性的情況下實施公交信號優(yōu)先控制。

圖3 不同策略相位相序Fig.3 Phase diagrams by different strategies

圖4 公交車輛多步檢測示意Fig.4 Multi-step detection of transit vehicles

第二級，在考慮公交路權(quán)及運行管理措施的情況下，采用公交優(yōu)先請求機制，考慮公交車輛運行的上下游關(guān)聯(lián)性，在保持相序不變的前提下，以小于5 s的控制時間精度采用固定步長的綠燈延長控制策略。

第三級，在考慮公交路權(quán)及運行管理措施的情況下，采用公交優(yōu)先請求及檢出機制，同時考慮公交車輛運行的上下游關(guān)聯(lián)性，在多優(yōu)先請求競爭下，以小于5 s的控制時間精度實施綠燈動態(tài)延長、紅燈早斷及相位跳躍控制策略，同時有最大紅燈時間監(jiān)控機制。

第四級，在考慮公交路權(quán)及運行管理措施的情況下，采用公交優(yōu)先請求及多步檢入、檢出機制，考慮公交車輛運行的上下游關(guān)聯(lián)性并結(jié)合公交車輛到達分布來確定各交叉口的控制策略集及約束邊界。在多優(yōu)先請求競爭下，以小于5 s的控制時間精度實施綠燈動態(tài)延長、紅燈早斷、相序調(diào)整及相位跳躍控制策略，同時有最大紅燈時間監(jiān)控機制，而且可在本周期及下一周期進行信號補償。

第五級，考慮公交路權(quán)及運行管理措施且有公交優(yōu)先請求及多步檢入、檢出機制，同時考慮公交車輛運行的上下游關(guān)聯(lián)性及與社會車輛的時距協(xié)調(diào)關(guān)系。在多優(yōu)先請求及動態(tài)排序機制下，以公交車輛到達分布確定的約束邊界為基礎(chǔ)，建立最大綠燈、最大紅燈及周期的彈性約束，以小于5 s的控制時間精度實施動態(tài)的綠燈延長、紅燈早斷、相序調(diào)整、相位跳躍及相位插入控制策略，同時有最大紅燈時間監(jiān)控機制，并考慮在本周期及下一周期進行信號補償。

第六級，考慮公交路權(quán)及運行管理措施且有公交優(yōu)先請求及多步檢入、檢出機制，同時考慮公交運行的上下游關(guān)聯(lián)性及與社會車輛的時距協(xié)調(diào)關(guān)系。以公交運行時刻表偏移或載客率為多請求排序依據(jù)，在公交車輛到達分布確定的約束邊界基礎(chǔ)上建立最大綠燈、最大紅燈及周期的彈性約束，以小于1 s的控制時間精度實施動態(tài)的綠燈延長、紅燈早斷、相序調(diào)整、相位跳躍及相位插入控制策略，同時有最大紅燈時間監(jiān)控機制，并考慮在本周期及下一周期進行信號補償。

表1 公交信號優(yōu)先控制的級別Tab.1 Grades of TSP

3.2 分級依據(jù)及適用條件

為有利于明確、科學(xué)地評價公交信號優(yōu)先實現(xiàn)的水平，本文提出差別化的分級標準?？紤]到國內(nèi)外實用技術(shù)的應(yīng)用情況，參照對交通服務(wù)水平的分級，公交信號優(yōu)先控制從低到高分為6個等級，既區(qū)分了公交信號優(yōu)先不同的精細化程度，也力求避免過渡細分可能導(dǎo)致應(yīng)用的困難。

第一級是在交通流波動性不大并且公交車輛集中在道路交叉口的個別流向，通過專門設(shè)計信號控制參數(shù)的手段達到公交車輛優(yōu)先通行的效果。例如，給予公交相位盡量多的綠燈時間、多次放行公交相位等。其特點是無須公交車輛檢測與通信設(shè)施，當然該級別只能處理簡單情形，效益也非常有限。

第二級是最基本的動態(tài)公交信號優(yōu)先控制模式，不適用于有頻繁公交請求的情況。

第三級具備最大紅燈監(jiān)控機制和公交檢出機制，同時還引入了公交信號優(yōu)先請求競爭機制，有利于協(xié)調(diào)公交車輛之間、公交車輛與其他交通參與者之間的通行需求關(guān)系，適用于行人和社會車輛流量較大的交叉口群。

第四級是在前三個等級的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整交叉口控制策略集及約束邊界、引入公交多步檢入機制，進一步提升公交信號優(yōu)先控制的精準程度，有針對性地減少其他交通流受到的負面影響。

第五級的信號控制系統(tǒng)必須具備相當程度的靈活性，才能實現(xiàn)綠燈時間、紅燈時間和周期時長的彈性約束，實現(xiàn)各方通行利益的平衡。

第六級則須具備檢測、通信與控制設(shè)備高精度的響應(yīng)和處理能力，既能對不同等級道路上不同方向的公交車輛進行精準優(yōu)先，又能有效控制對其他交通流的負面影響，實現(xiàn)對道路交通流的全局最優(yōu)化控制。

總之，在公交信號優(yōu)先的問題上，應(yīng)結(jié)合城市交通的發(fā)展水平，綜合考慮基礎(chǔ)設(shè)施、信號控制系統(tǒng)、背景交通及公交運行現(xiàn)狀、相關(guān)技術(shù)設(shè)備條件、投融資等因素，合理確定公交信號優(yōu)先的定位、目標及需求，最終選用適合的控制等級。

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有技術(shù)條件和認知水平的基礎(chǔ)上，從規(guī)劃設(shè)計、信號控制的宏觀和微觀層面提煉了24項要素，按不同的精細化程度將公交信號優(yōu)先控制劃分為6個等級。該等級劃分方法既是衡量公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)水平的標尺，又表明了公交信號優(yōu)先的系統(tǒng)化、精細化的發(fā)展方向。