干線公交優(yōu)先下的相位快速補(bǔ)償機(jī)制研究

樹愛兵，劉明，劉小高,3

（1.公安部交通管理科學(xué)研究所，江蘇無錫 214151；2.浙江大華技術(shù)股份有限公司，杭州 310051；3.同濟(jì)大學(xué)，交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

公共交通是改善城市交通擁堵的有效途徑，高效的公交服務(wù)需要有效的公交信號(hào)優(yōu)先控制方法。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于公交優(yōu)先的研究多數(shù)聚集在單點(diǎn)和干線場(chǎng)景上，結(jié)合文獻(xiàn)[1,2]的相應(yīng)觀點(diǎn)和研究成果，公交優(yōu)先控制策略被分為被動(dòng)優(yōu)先策略、主動(dòng)優(yōu)先策略和實(shí)時(shí)優(yōu)先策略，這一分類結(jié)果被廣泛接受。干線公交信號(hào)優(yōu)先控制是單點(diǎn)公交優(yōu)先的延伸與提高，能夠在最大程度上保障干線系統(tǒng)中社會(huì)車輛的通行效率，維護(hù)整體干線系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，為公交車輛爭(zhēng)取一定的優(yōu)先權(quán)，減少停車次數(shù)與延誤，改善公交的服務(wù)水平。

已有研究中關(guān)于搭建干線公交優(yōu)先框架的方法較為相似，常?；诟删€綠波帶約束將優(yōu)先策略嵌入到干線協(xié)調(diào)控制算法中，比如綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷等主動(dòng)優(yōu)先策略[3,4]。王殿海等[5]提出了干線公交信號(hào)優(yōu)先的雙層優(yōu)化方法，基于檢測(cè)器數(shù)據(jù)優(yōu)化上層的干線協(xié)調(diào)方案參數(shù)，在維持社會(huì)車輛干線綠波的基礎(chǔ)上，在下層采用綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷等策略為公交車輛提供優(yōu)先信號(hào)。鄭啟明[6]嘗試了在干線協(xié)調(diào)控制中插入公交專用相位，并且以多種策略緩解插入相位產(chǎn)生的負(fù)面影響，結(jié)果表明在一定條件下實(shí)施插入策略能夠提高信號(hào)優(yōu)先效果、保障干線系統(tǒng)的整體通行效益。Dai等[7]和許明濤[8]考慮到公交車輛的運(yùn)行特征，在干線系統(tǒng)中以公交站點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了分段式干線公交綠波算法。前者認(rèn)為每一段的綠波都只受區(qū)域內(nèi)的交叉口影響，不同段的綠波對(duì)社會(huì)車輛產(chǎn)生負(fù)影響，因此建立了一個(gè)綜合考慮公交綠波與社會(huì)車輛綠波的干線協(xié)調(diào)控制算法。后者將干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制與公交優(yōu)先策略相結(jié)合設(shè)計(jì)了雙層規(guī)劃算法，上層主要優(yōu)化了分段式的站間干線綠波，保障干線車輛的交通需求；下層是在不破壞協(xié)調(diào)相位綠波帶的條件下，以綠波帶寬、上下限等參數(shù)為約束優(yōu)化公交信號(hào)控制方案。

另外，多數(shù)研究考慮到時(shí)刻表和站點(diǎn)?？康纫蛩貙?duì)干線公交優(yōu)先控制效益產(chǎn)生的影響，通過構(gòu)建基于不同指標(biāo)體系[9,10]的目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化信號(hào)優(yōu)先控制算法或者評(píng)價(jià)信號(hào)優(yōu)先效果。Li 等[11]考慮了公交車輛的晚點(diǎn)情況，以干線系統(tǒng)人均延誤最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化建模，并以背景綠燈時(shí)間為權(quán)重壓縮或者延長(zhǎng)非協(xié)調(diào)相位來實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先。戴光遠(yuǎn)[12]以整個(gè)干線交通的效益最大為目標(biāo)，考慮了停靠時(shí)間在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)對(duì)干線公交綠波的影響程度，設(shè)計(jì)了兩種車型綠波帶并存的優(yōu)先控制方案。Han 等[13]嘗試求解出公交優(yōu)先時(shí)的最佳綠燈長(zhǎng)度，首先基于預(yù)告檢測(cè)器數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)公交車輛的延誤，然后結(jié)合其他相位的延誤構(gòu)建二次規(guī)劃函數(shù)量化因綠燈壓縮而受到的交通負(fù)影響，最后綜合選擇最優(yōu)的優(yōu)先控制方案。

在為干線中的公交車輛實(shí)施優(yōu)先時(shí)，常會(huì)壓縮或者侵占非協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)間，因此需要在信號(hào)控制恢復(fù)到背景方案前補(bǔ)償非協(xié)調(diào)相位，保障社會(huì)車輛的基本效益。Liao 等[14]綜合考慮公交晚點(diǎn)與載客量情況、實(shí)施優(yōu)先所需要的綠燈時(shí)間，設(shè)計(jì)了有條件的公交優(yōu)先控制邏輯；在實(shí)施優(yōu)先的周期內(nèi)不考慮干線協(xié)調(diào)的運(yùn)行效果，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)在下一個(gè)周期為非協(xié)調(diào)相位進(jìn)行補(bǔ)償。馬萬經(jīng)等[15]基于公交運(yùn)行時(shí)刻表建立了干線協(xié)調(diào)控制下綠燈的補(bǔ)償方法，為晚點(diǎn)到達(dá)的公交車輛實(shí)施優(yōu)先，并對(duì)非協(xié)調(diào)相位進(jìn)行選擇性補(bǔ)償；為早點(diǎn)到達(dá)的公交車輛采取增加延誤的信號(hào)控制措施，并利用多余的綠燈時(shí)間對(duì)非協(xié)調(diào)相位進(jìn)行補(bǔ)償。王杉[16]通過分析公交優(yōu)先與背景干線控制方案的沖突關(guān)系，建立了基于紅燈早斷、綠燈延長(zhǎng)以及駐站控制等措施的干線協(xié)調(diào)與公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制框架，在不破壞干線綠波帶的前提下實(shí)現(xiàn)公交信號(hào)的絕對(duì)優(yōu)先，并根據(jù)綠燈壓縮比對(duì)非協(xié)調(diào)相位均勻補(bǔ)償。別一鳴等[17]設(shè)計(jì)以綠波帶寬為約束條件的公交信號(hào)優(yōu)先控制模型時(shí)，以非協(xié)調(diào)相位的流量比為權(quán)重對(duì)各相位的綠燈時(shí)間進(jìn)行壓縮，并且考慮在綠波帶受到?jīng)_擊的運(yùn)行周期后壓縮協(xié)調(diào)相位來補(bǔ)償非協(xié)調(diào)相位。

現(xiàn)有關(guān)于干線公交優(yōu)先的研究，往往采用簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償方法，即是將給予優(yōu)先和進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹芷诜蛛x，在提供優(yōu)先后鎖定下一周期，并且將協(xié)調(diào)相位的可壓縮綠燈時(shí)間均勻分配給其他相位。簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償方法雖然能夠在一定程度上彌補(bǔ)非協(xié)調(diào)相位的損失時(shí)間，但是容易導(dǎo)致各相位的綠信比變化較為劇烈，而且各個(gè)相位所需要的補(bǔ)償量超出協(xié)調(diào)相位所能給予的最大壓縮量時(shí)，無法有效地恢復(fù)各個(gè)相位的綠信比。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的干線信號(hào)控制方案，本文則將公交優(yōu)先策略與綠燈補(bǔ)償相結(jié)合設(shè)計(jì)了干線快速補(bǔ)償機(jī)制。在實(shí)施優(yōu)先的同時(shí)對(duì)非協(xié)調(diào)相位進(jìn)行補(bǔ)償，將非協(xié)調(diào)相位的壓縮量與補(bǔ)償量有效分散至數(shù)個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)相位，改變簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償中獨(dú)立執(zhí)行優(yōu)先方案和補(bǔ)償方案的控制方式。因此在保障快速恢復(fù)綠波狀態(tài)的同時(shí)，更加高效地補(bǔ)償相位，減輕對(duì)社會(huì)車流產(chǎn)生的交通負(fù)影響。

1 干線協(xié)調(diào)下信號(hào)控制模型

為了實(shí)現(xiàn)干線協(xié)調(diào)下的公交車輛優(yōu)先通行，本文首先對(duì)公共周期、相位差、綠信比等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了無公交優(yōu)先時(shí)的干線協(xié)調(diào)背景方案，然后采用多步檢測(cè)機(jī)制逐步獲取公交車輛的運(yùn)行狀態(tài)信息，精確預(yù)測(cè)公交到達(dá)停車線的時(shí)間，從而制定基于綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷等優(yōu)先策略集的公交信號(hào)優(yōu)先方案?？紤]到干線非協(xié)調(diào)相位的綠燈需求，在確保不破壞干線綠波帶和滿足最大綠燈時(shí)間、最小綠燈時(shí)間和最大紅燈時(shí)間等邊界約束條件的前提下，尋找滿足公交優(yōu)先通行的有效綠燈區(qū)間和協(xié)調(diào)相位的起止時(shí)刻移動(dòng)量，同時(shí)利用靈活綠燈時(shí)間同步補(bǔ)償非協(xié)調(diào)相位，實(shí)現(xiàn)公交信號(hào)優(yōu)先方法和非協(xié)調(diào)相位的綠燈補(bǔ)償同步協(xié)調(diào)，建立干線協(xié)調(diào)下的相位快速補(bǔ)償機(jī)制。模型控制框架如圖1 所示。根據(jù)公交優(yōu)先策略將其劃分為綠燈延長(zhǎng)策略和紅燈早斷策略下的快速補(bǔ)償。干線快速補(bǔ)償機(jī)制是將因?qū)嵤┕粌?yōu)先而產(chǎn)生的綠燈壓縮量或者延長(zhǎng)量，有效分散至數(shù)個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)相位，改變簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償中選定一個(gè)周期用于壓縮、下一個(gè)周期用于補(bǔ)償?shù)目刂品绞?。在?dāng)前的公交優(yōu)先方案結(jié)束前，不接受其他的優(yōu)先請(qǐng)求。因此在保障將干線系統(tǒng)快速恢復(fù)到背景控制方案的同時(shí)，盡可能地彌補(bǔ)被壓縮相位的損失時(shí)間，改善因獨(dú)立運(yùn)行優(yōu)先和補(bǔ)償方案而導(dǎo)致綠信比劇烈波動(dòng)的情況。

圖1 公交優(yōu)先控制模型框架

1.1 干線協(xié)調(diào)方案參數(shù)優(yōu)化

1.1.1 單點(diǎn)配時(shí)方案設(shè)計(jì)

干線中各個(gè)交叉口采用傳統(tǒng)四相位控制方式，第一相位是協(xié)調(diào)相位。采用韋伯斯特法[18]計(jì)算配時(shí)方案，選出最大的周期長(zhǎng)度作為公共周期，Cmax= max(Ci)，此單點(diǎn)為關(guān)鍵交叉口，即：

式中：gij、Gij分別是單點(diǎn)i處相位j的有效綠燈時(shí)間、顯示綠燈時(shí)間，s；A是黃燈時(shí)間，s；tL是啟動(dòng)損失時(shí)間，s；yij是單點(diǎn)i處相位j的流量比。

（2）相位差與綠波帶寬

本文采用數(shù)解法[19]尋找干線系統(tǒng)中最優(yōu)的相位差，并計(jì)算雙向綠波帶寬。數(shù)解法是以各個(gè)實(shí)際信號(hào)與理想信號(hào)的最大挪移量為目標(biāo)，選取最小的目標(biāo)值作為最優(yōu)相位差。

1.2 干線協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先方法

對(duì)于干線中行駛的公交車輛，在不破壞干線綠波帶的前提下，采用多步檢測(cè)機(jī)制獲取公交專用道上的公交運(yùn)行狀態(tài)信息，并采用綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷等優(yōu)先策略集滿足公交車輛的優(yōu)先需求。

1.2.1 公交多步檢測(cè)

在公交專用道上設(shè)置檢測(cè)器來收集公交信息，預(yù)測(cè)其到達(dá)停車線的時(shí)間。考慮到公交車速的波動(dòng)性，在進(jìn)口道設(shè)置兩個(gè)公交檢測(cè)器，按照期望、最快、最慢車速(v0,vfast,vslow)計(jì)算理論行程時(shí)間(t0=d v0)與誤差范圍(Δt=d vslow-d vfast)，如圖2所示。預(yù)告檢測(cè)器布設(shè)較遠(yuǎn)，可以初步預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)間，確定相應(yīng)的優(yōu)先策略；確認(rèn)檢測(cè)器較近，能夠更加精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)間范圍，微觀修正優(yōu)先控制方案。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和本文實(shí)例中的交叉口間距與站點(diǎn)位置約束，可將預(yù)告、確認(rèn)檢測(cè)器分別布設(shè)在停車線前300 m、100 m[20]處，駛離檢測(cè)器設(shè)在停車線后，實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先的閉環(huán)控制。

圖2 公交多步檢測(cè)

1.2.2 公交優(yōu)先實(shí)現(xiàn)方法

在干線協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先，必定不能破壞原有的綠波帶，以免造成較大的交通負(fù)影響。本文在固定配時(shí)背景下設(shè)計(jì)的公交優(yōu)先算法，是在滿足綠波帶寬、上下限等約束的條件下，通過調(diào)整協(xié)調(diào)相位的啟亮、關(guān)閉時(shí)刻與綠燈長(zhǎng)度，為公交尋找不停車通過的機(jī)會(huì)。各相位的可移動(dòng)范圍如圖3所示。

圖3 干線協(xié)調(diào)控制中各相位的可壓縮時(shí)間

為了維持固定周期下干線綠波的穩(wěn)定性，無論如何調(diào)整配時(shí)方案，都要保證協(xié)調(diào)相位中綠波帶的寬度、起止時(shí)刻g1, b和g1, c是固定的。實(shí)施公交優(yōu)先時(shí)協(xié)調(diào)相位的啟亮?xí)r刻g1, a不晚于綠波帶下限時(shí)刻g1, b，結(jié)束時(shí)刻g1, d不早于上限時(shí)刻g1, c，以及綠燈長(zhǎng)度不小于綠波帶寬。協(xié)調(diào)相位中綠波帶上下限范圍之外的綠燈時(shí)間則是靈活的，可以根據(jù)公交的實(shí)際到達(dá)情況調(diào)整協(xié)調(diào)相位的起止時(shí)刻與長(zhǎng)度。通過適量地壓縮非協(xié)調(diào)相位并分配給協(xié)調(diào)相位，使得協(xié)調(diào)相位啟亮?xí)r刻、結(jié)束時(shí)刻和綠燈長(zhǎng)度是具有一定的靈活性。對(duì)晚到的公交車輛采用綠燈延長(zhǎng)策略，推遲協(xié)調(diào)相位的結(jié)束時(shí)刻、延長(zhǎng)綠燈長(zhǎng)度；對(duì)早到的公交車輛采用紅燈早斷策略，提前協(xié)調(diào)相位的開始時(shí)刻、增加綠燈長(zhǎng)度。

（1）相位壓縮機(jī)制

最大可壓縮時(shí)間Δgj,m為：

單點(diǎn)i處，總損失時(shí)間和總流量比分別是L、Y。采用等飽和度原則將非協(xié)調(diào)相位j的飽和度壓縮至0.9[5]，壓縮前后的綠燈時(shí)間差值即相位j的最大可壓縮時(shí)間△gj,m，是協(xié)調(diào)相位為實(shí)現(xiàn)優(yōu)先控制可以靈活挪動(dòng)的時(shí)間。實(shí)際中要根據(jù)公交的到達(dá)情況以及優(yōu)先策略，判斷最大限度壓縮非協(xié)調(diào)相位時(shí)是否滿足公交優(yōu)先通行所需要的綠燈時(shí)間。如果其超出了最大可壓縮時(shí)間，則無法優(yōu)先；如果滿足實(shí)際需要的綠燈時(shí)間，則根據(jù)各相位的實(shí)際綠燈時(shí)間等比例壓縮，確保各相位的綠信比穩(wěn)定變化。

（2）綠燈延長(zhǎng)

當(dāng)預(yù)告檢測(cè)器在周期k的非協(xié)調(diào)相位j或k+1周期的協(xié)調(diào)相位期間檢測(cè)到公交時(shí)，預(yù)測(cè)其在k+1周期協(xié)調(diào)相位的綠燈結(jié)束后才到達(dá)停車線，則采用綠燈延長(zhǎng)策略。在不破壞綠波的條件下，最大限度壓縮k+1周期的非協(xié)調(diào)相位，則協(xié)調(diào)相位最大延長(zhǎng)時(shí)的參數(shù)為：

（3）紅燈早斷

當(dāng)預(yù)告檢測(cè)器在k周期的非協(xié)調(diào)相位j檢測(cè)到公交時(shí)，預(yù)測(cè)其在k+1周期協(xié)調(diào)相位的綠燈尚未開啟時(shí)到達(dá)停車線，則壓縮尚未完成的非協(xié)調(diào)相位，提前啟亮協(xié)調(diào)相位。在不破壞綠波的條件下，最大限度壓縮k周期的非協(xié)調(diào)相位，則協(xié)調(diào)相位最早啟亮?xí)r的參數(shù)為：

1.3 相位快速補(bǔ)償機(jī)制

在干線協(xié)調(diào)基礎(chǔ)上實(shí)施公交優(yōu)先，無論是綠燈延長(zhǎng)還是紅燈早斷策略，都會(huì)壓縮非協(xié)調(diào)相位，對(duì)非協(xié)調(diào)方向的交通流產(chǎn)生負(fù)面影響。為了平復(fù)公交優(yōu)先對(duì)干線協(xié)調(diào)控制的干擾，使其快速恢復(fù)到無公交車輛到達(dá)時(shí)的綠波狀態(tài)，本文結(jié)合主動(dòng)優(yōu)先策略和綠燈補(bǔ)償設(shè)計(jì)了干線相位快速補(bǔ)償機(jī)制。

以往方法中常常是在公交優(yōu)先實(shí)行后借助下一個(gè)周期單獨(dú)實(shí)施綠燈補(bǔ)償，從而盡可能地彌補(bǔ)被壓縮相位的損失時(shí)間，但是采用一個(gè)周期來平衡各股車流綠信比的壓力比較大，相應(yīng)的相位延長(zhǎng)量與壓縮量的變化也會(huì)較為劇烈，不利于干線系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文建立的干線快速補(bǔ)償機(jī)制，考慮基本綠波帶和相位壓縮機(jī)制，分析協(xié)調(diào)相位中給予公交優(yōu)先通行的有效綠燈區(qū)間和起止時(shí)刻移動(dòng)量，利用靈活綠燈時(shí)間同步補(bǔ)償非協(xié)調(diào)相位，建立綠燈延長(zhǎng)和紅燈早斷策略下的快速補(bǔ)償機(jī)制，達(dá)到最大限度均衡各相位綠信比的目的。公交優(yōu)先策略可劃分為綠燈延長(zhǎng)策略和紅燈早斷策略下的快速補(bǔ)償。以綠燈延長(zhǎng)策略為例，如果延長(zhǎng)k+ 1 周期的協(xié)調(diào)相位實(shí)現(xiàn)優(yōu)先，一方面壓縮k+ 1 周期的非協(xié)調(diào)相位，推遲協(xié)調(diào)相位的結(jié)束時(shí)刻；另一方面壓縮協(xié)調(diào)相位起點(diǎn)至綠波帶下限，并為k周期未完成的非協(xié)調(diào)相位進(jìn)行初步補(bǔ)償，同時(shí)調(diào)整k+ 2 周期協(xié)調(diào)相位的起止點(diǎn)再次補(bǔ)償非協(xié)調(diào)相位。其本質(zhì)是將因優(yōu)先而產(chǎn)生的綠燈壓縮量或者延長(zhǎng)量，有效地分散至優(yōu)先運(yùn)行時(shí)各個(gè)周期的各個(gè)相位，改變簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償方式中選定一個(gè)周期壓縮、下一個(gè)周期補(bǔ)償?shù)姆绞?，達(dá)到短期內(nèi)最大限度地改善各個(gè)周期各個(gè)相位綠信比波動(dòng)的目的。

1.3.1 綠燈延長(zhǎng)策略的快速補(bǔ)償機(jī)制

表1 兩種優(yōu)先策略下的綠燈時(shí)間表

若檢測(cè)到公交到達(dá)時(shí)，信號(hào)相位正在運(yùn)行周期k+1的協(xié)調(diào)相位，其計(jì)算方法同理。綠燈延長(zhǎng)策略下，具體的快速補(bǔ)償機(jī)制如下：

圖4 綠燈延長(zhǎng)策略的快速補(bǔ)償機(jī)制

1.3.2 紅燈早斷策略的快速補(bǔ)償機(jī)制

圖5 紅燈早斷策略的快速補(bǔ)償機(jī)制

2 實(shí)例與仿真

2.1 仿真場(chǎng)景建立

2.1.1 實(shí)證場(chǎng)景

為了評(píng)估干線快速補(bǔ)償機(jī)制的有效性，本文以如圖6所示的杭州市海達(dá)南路與學(xué)林街、金沙大道、天城東路組成的干線為例進(jìn)行驗(yàn)證。各單點(diǎn)均采用四相位控制，相序?yàn)橹髀分毙?、主路左轉(zhuǎn)、次路直行、次路左轉(zhuǎn)，流量如表2 所示。干線直行上有公交專用道，交叉口間距是650 m、490 m，車道寬度為3.5 m , 站點(diǎn)距離L1、L2分別為350m、70m，三個(gè)檢測(cè)器的距離L3、L4、L5分別是300m、100m、5m。主路車速40km·h-1；公交車速符合正態(tài)分布v=N(36,32)，上下限vslow,vfast分別是30 km·h-1,42 km·h-1；其車輛編號(hào)與發(fā)車時(shí)間間隔分布如圖7所示，波動(dòng)范圍在300～400 s 之間；站點(diǎn)處停車時(shí)間由上下客流量決定。

圖6 海達(dá)南路干線示意圖

圖7 公交發(fā)車時(shí)間間隔

表2 干線交叉口各進(jìn)口道流量（單位：veh/h）

根據(jù)背景控制方式、公交優(yōu)先模塊與干線相位快速補(bǔ)償機(jī)制，本文設(shè)計(jì)了四種控制方案。在VISSIM 仿真平臺(tái)上根據(jù)渠化信息和路網(wǎng)流量數(shù)據(jù)搭建干線路網(wǎng)，設(shè)置全局路徑確保仿真運(yùn)行狀態(tài)接近實(shí)際場(chǎng)景，借助車輛感應(yīng)邏輯編程VAP 模塊(Vehicle Actuated Programming)編輯基于相位的仿真運(yùn)行控制程序，根據(jù)路網(wǎng)中的車輛、燈組、檢測(cè)器等實(shí)時(shí)信息制定干線系統(tǒng)的配時(shí)方案，最終實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的四種仿真控制方案：

方案1 單點(diǎn)定時(shí)控制，不支持公交優(yōu)先、多步檢測(cè)和干線相位快速補(bǔ)償機(jī)制；

方案2 干線協(xié)調(diào)控制，不支持公交優(yōu)先、多步檢測(cè)和干線相位快速補(bǔ)償機(jī)制；

方案3 干線協(xié)調(diào)控制，支持公交優(yōu)先、多步檢測(cè)，簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償；

方案4 干線協(xié)調(diào)控制，支持公交優(yōu)先、多步檢測(cè)，干線相位快速補(bǔ)償機(jī)制。

2.1.2 參數(shù)標(biāo)定

為對(duì)比分析四種控制方案下的通行效益，采用2021 年01 月21 日11:00～14:00 期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先，設(shè)計(jì)單點(diǎn)配時(shí)方案；然后，選定金沙大道為關(guān)鍵交叉口進(jìn)行干線協(xié)調(diào)，公共周期Cmax為100s。學(xué)林街、金沙大道與天城東路三個(gè)路口的相對(duì)相位差分別為50s、0s、53s；交叉口飽和度分別為0.78、0.81、0.59；由北向南、由南向北的干線綠波帶寬分別為21s、20s；總壓縮量分別是12 s、7 s、23 s。以學(xué)林街為例，由北向南、由南向北的協(xié)調(diào)相位靈活綠燈時(shí)間分別為8 s、9 s，相位2、3、4 的最大壓縮量分別是3 s、6 s、3 s，協(xié)調(diào)相位的最大延長(zhǎng)量即非協(xié)調(diào)相位的總壓縮量為12 s，協(xié)調(diào)相位的綠波帶不可破壞。各個(gè)交叉口的時(shí)間參數(shù)以及最終干線協(xié)調(diào)配時(shí)信息如表3所示。

表3 干線交叉口信號(hào)配時(shí)信息(單位：s)

2.2 結(jié)果分析

本文將干線系統(tǒng)平峰時(shí)期數(shù)據(jù)輸入到VISSIM 路網(wǎng)中，統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果，計(jì)算四種控制方案下的延誤、公交優(yōu)先成功率、平均排隊(duì)長(zhǎng)度和相位變化量，分析公交優(yōu)先和相位快速補(bǔ)償機(jī)制的效益。

2.2.1 延誤與優(yōu)先成功率分析

采集各個(gè)交叉口以及整個(gè)干線系統(tǒng)的車均延誤、公交延誤，根據(jù)單點(diǎn)處的公交延誤與停車情況，統(tǒng)計(jì)公交順利通過各個(gè)交叉口的頻率，記為公交優(yōu)先成功率，對(duì)比分析四種控制方案下的運(yùn)行效果，如表4 所示。整體來看，方案2 的干線協(xié)調(diào)方案的通行效率顯著優(yōu)于方案1的單點(diǎn)控制，其中社會(huì)車輛和公交車輛的車均延誤均減少20%以上。公交車的通行效益受站點(diǎn)影響較大，學(xué)林街與金沙大道之間的站點(diǎn)妨礙了公交與干線綠波的協(xié)調(diào)，導(dǎo)致延誤和優(yōu)先失敗率分別增加了34%、18%；天城東路上游沒有站點(diǎn)，很大程度上保障了公交與綠波的協(xié)調(diào)性，優(yōu)先成功率由25%提高到78%。

表4 四種控制方案的延誤與優(yōu)先成功率

方案3 在干線控制中引入了公交優(yōu)先模塊和簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償，公交延誤和優(yōu)先成功率分別優(yōu)化了30%和20%。其中金沙大道處的改善效果最為顯著，主要由于公交優(yōu)先的實(shí)施減少了因在上游站點(diǎn)駐車而錯(cuò)過干線綠波所產(chǎn)生的停車行為，最終公交延誤減少了31%，并且優(yōu)先成功率提高了18%。但是各單點(diǎn)處社會(huì)車輛的車均延誤明顯增加，整個(gè)干線系統(tǒng)的延誤由23.94s增加至26.81s，提高了12%，表明方案3無法有效彌補(bǔ)非協(xié)調(diào)相位的損失時(shí)間。方案4 采用了干線相位快速補(bǔ)償機(jī)制，能夠在維持優(yōu)先成功率為65%與公交延誤為21.23 s的狀態(tài)下，將社會(huì)車輛的車均延誤由26.81s降低至24.18s，接近無優(yōu)先時(shí)方案2 延誤為23.94s的水平，驗(yàn)證了快速補(bǔ)償機(jī)制能夠充分地補(bǔ)償各個(gè)相位的綠燈損失時(shí)間，維持綠信比穩(wěn)定在無優(yōu)先時(shí)的狀態(tài)，均衡干線中社會(huì)車輛的通行效益。

2.2.2 平均排隊(duì)長(zhǎng)度分析

通過統(tǒng)計(jì)一個(gè)流向在每個(gè)仿真步長(zhǎng)中的排隊(duì)長(zhǎng)度，計(jì)算一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的平均值作為該流向的平均排隊(duì)長(zhǎng)度。本文以10min為時(shí)間間隔，選取各個(gè)流向以及干線的平均排隊(duì)長(zhǎng)度指標(biāo)，對(duì)比分析四種控制方案下整個(gè)仿真控制期間的排隊(duì)情況，如表5所示。與方案3相比，方案4減少了大部分流向的平均排隊(duì)長(zhǎng)度，主路左轉(zhuǎn)、次路直行、次路左轉(zhuǎn)分別減少了12%、8.3%、15%，整個(gè)干線系統(tǒng)的平均排隊(duì)長(zhǎng)度縮短了11%，接近無優(yōu)先時(shí)平均排隊(duì)長(zhǎng)度10.2 m 的干線控制效果，有效彌補(bǔ)了各流向損失的綠燈時(shí)間，減弱公交優(yōu)先對(duì)干線協(xié)調(diào)的交通負(fù)影響。

表5 四種控制方案的平均排隊(duì)長(zhǎng)度（單位:m）

2.2.3 綠燈時(shí)間變化分析

以學(xué)林街為例，選取各相位的平均綠燈時(shí)間、執(zhí)行公交優(yōu)先時(shí)壓縮或拉伸的相位數(shù)量以及相應(yīng)的相位平均變化量三個(gè)指標(biāo)，分析公交優(yōu)先對(duì)配時(shí)方案的影響，如圖8 所示。整個(gè)仿真過程中，基于當(dāng)前的公交到達(dá)情況，方案4的各個(gè)相位被改變的頻數(shù)明顯高于方案3，但是其平均綠燈時(shí)間變化均勻，明顯更接近干線背景方案2。針對(duì)被壓縮或者拉伸的相位，方案4 中其波動(dòng)性較弱，其中協(xié)調(diào)方向的優(yōu)化效果最為顯著，相位平均變化量只有0.5 s。這說明干線快速補(bǔ)償機(jī)制能夠更加有效地緩解公交優(yōu)先措施下相位調(diào)整的激烈程度，一定程度上減弱了公交優(yōu)先對(duì)干線協(xié)調(diào)控制的交通負(fù)影響。

圖8 快速補(bǔ)償機(jī)制下學(xué)林街的相位變化

3 結(jié)論

本文以杭州市海達(dá)南路與學(xué)林街、金沙大道、天城東路交叉口為研究實(shí)例，針對(duì)干線系統(tǒng)中公交信號(hào)優(yōu)先影響非協(xié)調(diào)方向交通流效率這一問題，提出了融合主動(dòng)優(yōu)先策略和綠燈補(bǔ)償?shù)母删€快速補(bǔ)償機(jī)制。與簡(jiǎn)單的綠燈補(bǔ)償相比，干線快速補(bǔ)償機(jī)制在維持基本的干線綠波帶前提下，將協(xié)調(diào)相位實(shí)施公交優(yōu)先和非協(xié)調(diào)相位實(shí)施綠燈補(bǔ)償同步進(jìn)行，充分利用了協(xié)調(diào)相位的靈活綠燈時(shí)間來平衡各股車流的綠信比，緩解了傳統(tǒng)方法中在下一個(gè)周期內(nèi)獨(dú)立地補(bǔ)償被壓縮相位的壓力。仿真結(jié)果表明快速補(bǔ)償機(jī)制不僅將社會(huì)車輛的車均延誤由26.81s 降低至24.18s，而且有效改善了各個(gè)相位的綠燈長(zhǎng)度波動(dòng)情況，對(duì)干線協(xié)調(diào)控制中實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先具有積極作用。

本文僅針對(duì)該干線中的平峰情況進(jìn)行驗(yàn)證，沒有考慮交通流狀態(tài)處于不同飽和度時(shí)的適用性，以及干線中存在多條公交線路時(shí)的復(fù)雜情況，后續(xù)將會(huì)針對(duì)上述問題展開研究。