容量約束的間歇式公交專用道控制策略

林盈盈,董紅召,張 楠,佘翊妮

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310014;2.浙江開放大學(xué) 工程教研部,浙江 杭州 310012)

公交專用道[1](Dedicated bus lane,DBL)雖然能保障公交車通行不受干擾,但是在交通擁堵時(shí)公交專用道上較低的車流量會(huì)造成道路資源浪費(fèi)。Viegas[2]提出間歇式公交專用道(Intermittent bus lane,IBL)策略,當(dāng)公交車不在路段上時(shí)將空閑的公交專用道空間分享給社會(huì)車輛使用,這種情況下的社會(huì)車輛可稱為借道車。公交專用道上可用于社會(huì)車輛使用的是相鄰兩輛公交車之間的空間,即可借道空間。公交專用道控制策略的目標(biāo)是控制進(jìn)入可借道空間的借道車總量,既可保證借道車行駛不造成后方公交車額外延誤,又能使借道車充分利用公交專用道空閑空間。然而IBL策略不要求已經(jīng)借道的車輛在公交車到來時(shí)離開公交專用道,這就導(dǎo)致其中部分車輛因等待紅燈等原因阻礙公交車行駛。為此許多學(xué)者的研究改進(jìn)了IBL策略,如利用公交車的交通信號優(yōu)先,將IBL策略與單個(gè)路口或者多個(gè)路口的信號燈配時(shí)協(xié)調(diào)[2-4];利用公交車的道路空間優(yōu)先使公交車略過路口停車隊(duì)列,減少公交車的延誤[5-6],然而在交通擁堵時(shí),這些措施的調(diào)整范圍都是有限的。有的學(xué)者嘗試在公交車進(jìn)入路段后驅(qū)離過量借道車離開公交專用道。Eichler[7]在間歇優(yōu)先公交車道(Bus lanes with intermittent priority,BLIP)策略的研究中提出了清空長度的概念,即在路段的物理長度內(nèi)驅(qū)離公交車前方的借道車輛。董紅召等[8-9]提出公交專用道時(shí)分復(fù)用(Bus lane with time division multiplexing,BLTDM)策略、Wu等[10]將網(wǎng)聯(lián)車技術(shù)引入BLIP策略,分別給出了不同的確定清空長度的方法,通過精細(xì)控制清空長度減少被驅(qū)離的借道車數(shù)量。然而在交通流量較大,如接近甚至超過飽和狀態(tài)時(shí),清空長度范圍內(nèi)被驅(qū)離的借道車會(huì)造成公交車延誤和鄰道交通堵塞。雖然增加清空長度可以換取更長的換道時(shí)間以減少對鄰道交通的干擾,但是會(huì)降低專用道的空間利用率。吳鼎新[11]的仿真結(jié)果顯示即使車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境也無法解決這一問題。還有研究對借道車數(shù)量進(jìn)行控制,策略IBL[2]、BLIP[7]和BLTDM[8-9]均在道路上設(shè)置公交車檢索點(diǎn),當(dāng)公交車到達(dá)檢索點(diǎn)時(shí)根據(jù)相應(yīng)策略禁止社會(huì)車輛借道。其中BLTDM策略還進(jìn)一步將路段在空間上分為較小片段,僅在空間片段入口允許車輛進(jìn)入專用道,分散控制借道車數(shù)量。這些控制的時(shí)間起點(diǎn)是目標(biāo)公交車到達(dá)檢索點(diǎn)時(shí)刻,控制的對象是公交車前方的車道空間。然而控制時(shí)間起點(diǎn)之前可能已經(jīng)有過量的借道車進(jìn)入目標(biāo)公交車前方的車道空間,并且這些借道車不能保證在目標(biāo)公交車到達(dá)前及時(shí)離開專用道,這就導(dǎo)致控制策略可能失效;而檢索點(diǎn)與路段間的間隔不能適應(yīng)變化的公交車發(fā)車間隔,會(huì)使專用道空間不能充分利用。

上述控制策略都沒有考慮相鄰公交車間能夠接受的不妨礙后方公交車行駛的借道車總量,即相鄰公交車間專用道的可借道容量,有的使借道車過多造成公交車延誤,有的使借道車太少造成車道資源浪費(fèi)。近年來,車輛通信系統(tǒng)的快速發(fā)展使道路上的車輛能與其他車輛和基礎(chǔ)設(shè)施交換信息,實(shí)現(xiàn)更多交通控制[12-13]。因此,筆者提出一種車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于可借道容量的間歇式公交專用道控制策略,首先通過預(yù)測前后兩輛公交車在路段上行駛期間交叉口的通行能力,將其作為專用道在路段上兩輛公交車間的可借道容量;然后根據(jù)預(yù)測的公交車到達(dá)時(shí)間,以及路段實(shí)時(shí)交通流量、交叉口信號相位和公交車停站等路段運(yùn)行參數(shù);最后通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制可借道容量范圍內(nèi)的社會(huì)車輛借道,從而在確保公交車行駛不受阻礙的前提下充分利用專用道的通行能力。此外,給出了一種非車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的替代策略以實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)。

1 容量約束專用道控制過程

間歇式公交專用道控制策略實(shí)施的典型路段如圖1所示。圖1包含一條公交車道和普通車道,其中普通車道僅畫出專用道的鄰道,且處于近飽和狀態(tài)。前后相鄰的兩輛公交車之間的專用道是可供社會(huì)車輛借用的空間資源,利用交叉口對這樣的空間進(jìn)行劃分構(gòu)成了容量約束下間歇式公交專用道的基本控制單元。由于公交車向前行駛而交叉口位置不變,因此基本控制單元的空間范圍是在路段上逐漸變化的。

圖1 間歇式公交專用道控制策略實(shí)施的典型路段

以圖1(b)中路段i所包含的基本控制單元(i,j)為例,i表示基本單元所在路段序號,j表示基本單元出現(xiàn)的先后順序,進(jìn)入公交專用道的車流演化過程為

1)從前車B1進(jìn)入路段i開始,基本控制單元(i,j)的空間范圍是前車B1和交叉口i之間的專用道空間,且隨著B1的前進(jìn)逐漸增加。

2)若上游相鄰公交車即后車B2離得較近,在B1到達(dá)下游交叉口i-1之前,B2已經(jīng)到達(dá)路段i,則此時(shí)基本控制單元的空間達(dá)到最大,此后的空間范圍由B1和B2限定,直到B1到達(dá)下游交叉口i-1。

3)隨后的空間范圍由交叉口i-1和B2限定,且逐漸減小,直至B2到達(dá)交叉口i-1后,基本控制單元(i,j)的生存期結(jié)束。

4)若上游相鄰車輛B2離得較遠(yuǎn),在B1到達(dá)交叉口i-1時(shí),B2仍未到達(dá)路段,則演化過程步驟2)中的空間范圍由交叉口i-1和交叉口i限定,直至B2到達(dá)交叉口i,再進(jìn)入演化過程步驟3)。

演化過程中的前車、后車是相對的概念,對B1和B2組成的相鄰公交車組而言,B1是前車,B2是后車;而對于B2和B3組成的相鄰公交車組而言,B2是前車,B3是后車。為了便于分析,在每一組相鄰公交車組中將前車用Bf表示,后車用Br表示。從時(shí)間跨度看,基本單元的控制過程是從前車Bf進(jìn)入路段開始直到后車Br離開下游交叉口為止。以這樣的劃分規(guī)則,可通過分別控制每個(gè)基本單元來實(shí)現(xiàn)整條公交專用道的控制。由于公交專用道控制策略僅在交通接近或超過飽和狀態(tài)時(shí)實(shí)施才有意義,為了不對近飽和狀態(tài)的鄰道交通產(chǎn)生干擾甚至阻塞,規(guī)定借道車只能通過下游交叉口離開專用道,不允許其在進(jìn)入專用道后再通過換道行為離開。

在每個(gè)基本控制單元存在期間,劃定單元空間范圍的前后兩輛公交車以及進(jìn)入該空間的借道車運(yùn)行過程。當(dāng)前車Bf進(jìn)入路段后,借道的社會(huì)車輛即可進(jìn)入基本控制單元,跟隨Bf行駛。在借道初期,因?yàn)榍败嘊f的行駛速度vb小于社會(huì)車輛的行駛速度vc,所以前車Bf會(huì)在專用道上形成一個(gè)移動(dòng)瓶頸,這個(gè)階段借道車無法離開路段。當(dāng)前車Bf離開下游交叉口后,后方的借道車就不受前車影響,通過交叉口駛離路段,并且在后車Br到達(dá)交叉口前,所有的借道車都已離開路段,從而確保不阻礙后車Br的行駛。對基本控制單元而言,由控制過程中交叉口的通行能力限定的且不會(huì)阻礙后方公交車行駛的借道車總量就是基本控制單元的可借道容量。

在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,可以控制進(jìn)入專用道的借道車總量不超過可借道容量(圖1b)。前車Bf到達(dá)路段入口后根據(jù)預(yù)測得到的可借道容量確定控制單元是否允許借道,并將控制單元狀態(tài)通過通信網(wǎng)絡(luò)向途徑的社會(huì)車輛廣播。鄰道上的社會(huì)車輛在確定當(dāng)前控制單元內(nèi)可借道容量有剩余時(shí)進(jìn)入專用道借道,直到可借道容量飽和,或者后車Br到達(dá)下游交叉口使該單元的控制過程結(jié)束。

由于車聯(lián)網(wǎng)控制方法需要大部分的公交車和社會(huì)車輛都要裝備聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,這在目前還沒有全面部署車聯(lián)網(wǎng)的情況下難以實(shí)施。因此筆者提出了一種適合當(dāng)前交通設(shè)施的控制方法,即通過入口控制來約束進(jìn)入的借道車總量(圖1a)。由可借道容量和公交專用道入口流量得到允許交通流進(jìn)入公交專用道的時(shí)長。在公交專用道入口處設(shè)置可變信息標(biāo)志(Variable message sign,VMS),顯示“允許借道”和“禁止借道”兩種狀態(tài)對應(yīng)入口的開啟和關(guān)閉,同時(shí)禁止借道車在路段中間換道進(jìn)入公交專用道,由此將對借道車總量控制轉(zhuǎn)化為公交專用道入口的開啟時(shí)長控制,最終實(shí)現(xiàn)容量約束的公交專用道控制目標(biāo)。

2 可借道容量計(jì)算

可借道容量對應(yīng)于道路上實(shí)時(shí)運(yùn)行的前后相鄰公交車輛劃分的基本控制單元,所以其值的確定與前后公交車到達(dá)路段下游交叉口時(shí)的車頭時(shí)距密切相關(guān),以下研究假設(shè)已知公交運(yùn)行的實(shí)時(shí)行駛軌跡,包括路段行程時(shí)間、停站時(shí)間以及車輛位置等,此類信息的獲取可基于相關(guān)的預(yù)測研究[14-17]。

容量約束的公交專用道控制策略是對到達(dá)路段公交車即前車Bf后方的專用道空間進(jìn)行借用控制,因此對當(dāng)前控制單元的控制過程可以由前車Bf到達(dá)路段入口的條件觸發(fā),稱為前車觸發(fā)方式。在路段入口處實(shí)時(shí)檢測是否有公交車到達(dá)路段,當(dāng)有公交車到達(dá)時(shí),將其作為控制單元中的前車Bf并開始該單元的控制過程。

前后公交車Bf,Br與借道車在路段專用道上的演化過程時(shí)空圖如圖2所示。以路段交通流量飽和狀態(tài)為例進(jìn)行說明,即每個(gè)完整的信號周期中,紅燈相位累積的車輛隊(duì)列無法在綠燈相位完全釋放?；究刂茊卧臻g范圍在前方受前車Bf限制時(shí),沒有借道車可以離開路段。只有在前車Bf離開交叉口后,后方借道車才能在綠燈相位期間駛離?；究刂茊卧徊婵谕ㄐ心芰山璧廊萘啃纬煽偭考s束。

圖2 基本控制單元借道過程時(shí)空圖

通過公交車軌跡預(yù)測技術(shù)和公交信息系統(tǒng)獲得的公交車停站等信息,不僅可以預(yù)測出后車Br在時(shí)長Tr后到達(dá)路段入口,這里Tr已經(jīng)考慮了后車Br在上游路段的停站時(shí)間和交叉口延誤時(shí)間,而且可以預(yù)測前車Bf和后車Br在當(dāng)前路段上的行程時(shí)間,從而得到兩車到達(dá)下游交叉口的信號偏移量tf-ofs和tr-ofs,并進(jìn)一步得到前車到達(dá)當(dāng)前路段時(shí)估計(jì)的下游交叉口兩車車頭時(shí)距ts,以及其中的綠燈時(shí)長g。當(dāng)信號燈綠燈期間單車道通行能力為qm時(shí),基本控制單元可釋放的最大借道車輛數(shù)是可借道容量的總量約束,即

N=qm×g

(1)

此外,基本控制單元的可借道容量還受到信號燈和前車停站引起的社會(huì)車輛排隊(duì)隊(duì)列長度影響。設(shè)以綠燈相位為起點(diǎn)的信號周期為C,綠信比為λ,前車Bf到達(dá)交叉口時(shí)遇到的第一個(gè)信號周期為不完整周期(C-tf-ofs)。如果遇到紅燈,借道車仍無法離開,交叉口會(huì)形成排隊(duì)隊(duì)列;當(dāng)遇到綠燈相位,若排隊(duì)車輛無法在剩余綠燈相位內(nèi)消散完畢,借道車還將繼續(xù)在緊接著的紅燈相位排隊(duì),有可能影響后車Br行駛。在此之后借道車在交叉口將以完整的信號周期為單位進(jìn)行隊(duì)列累積或消散。為此假設(shè)前車Bf進(jìn)入路段后即刻允許車輛借道,并允許可借道容量Q范圍內(nèi)的社會(huì)車輛進(jìn)入公交專用道,以不完整信號周期形成的最長排隊(duì)隊(duì)列最后一輛借道車V1進(jìn)入專用道的軌跡為分界,將這一時(shí)刻之前進(jìn)入的借道車總量設(shè)為Q1,這之后進(jìn)入的借道車總量設(shè)為Q2,有Q=Q1+Q2,圖2中V2表示可借道容量允許的最后一輛借道車行駛軌跡。則只要保證兩個(gè)階段借道過程中累積隊(duì)列長度均不阻礙后車Br行駛,即可獲得滿足排隊(duì)隊(duì)列長度對可借道容量的約束。否則必須減少借道車數(shù)量以保證后車的行駛路權(quán)。

Q≤N=ld-maxkjam=(n·ld+lr)kjam

(2)

(3)

假設(shè)剛好不受后車Br軌跡影響時(shí)第一個(gè)不完整信號周期內(nèi)能累積的最大排隊(duì)隊(duì)列長度為lf,有Q1=lfkjam。且規(guī)定一旦借道車總量在交叉口形成的累積隊(duì)列長度會(huì)阻礙后車Br行駛,即刻關(guān)閉當(dāng)前基本控制單元,并在其生存期內(nèi)不再開啟。因此可得到前述分析中第二個(gè)階段可借道容量Q2需滿足如下關(guān)系式中的一種,即

(4)

或者

(5)

其中式(4)表示第一階段借道車形成的排隊(duì)隊(duì)列長度不會(huì)阻礙后車Br行駛,可根據(jù)基本控制單元的車輛釋放能力確定第二階段可借道容量Q2;式(5)表示第一階段借道車形成的排隊(duì)隊(duì)列阻礙了后車Br行駛,只能以后車軌跡約束的隊(duì)列長度lf作為借道車總量約束,因此第二階段可借道容量Q2為0。根據(jù)累積隊(duì)列長度lf獲得第一階段的可借道容量為

(6)

最終求得基本控制單元總的可借道容量為

Q=Q1+Q2

(7)

(8)

3 容量約束的專用道控制策略

容量約束的公交專用道控制策略實(shí)施時(shí)根據(jù)已有的公交車行程時(shí)間預(yù)測方法得到相鄰公交車間的車頭時(shí)距,然后通過上述步驟求得各基本控制單元的可借道容量Q,并在其約束下對借道車總量進(jìn)行控制。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下采用車聯(lián)網(wǎng)控制方法(Connected vehicle capacity control in intermittent bus lane,CVCC-IBL),當(dāng)沒有車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境時(shí)采用替代的入口控制方法(Entrance capacity control in intermittent bus lane,ECC-IBL)。

3.1 車聯(lián)網(wǎng)控制方法

為了在策略實(shí)施過程中控制借道車總量,需要在控制系統(tǒng)中保存每個(gè)基本控制單元的剩余可借道容量,即容量約束條件。以圖1(b)中路段i+1上的3個(gè)基本控制單元為例,建立如表1所示的路段控制單元信息表,包括控制單元的空間范圍和剩余的可借道容量Qleft,其中空間范圍用路段上離路段入口的距離l表示。每當(dāng)有新的公交車到達(dá)路段入口時(shí),在表1中新增1個(gè)控制單元信息,此時(shí)相鄰的后車還未達(dá)到,后車位置用路段的入口位置l=0代替,剩余容量Qleft為預(yù)測的可借道容量Q,由第2節(jié)方法求得,如表1中單元j+1。當(dāng)有公交車離開路段后,其作為后車的控制單元空間變?yōu)?,該單元的控制過程自然結(jié)束,從表1中刪除單元信息;而其作為前車的控制單元信息繼續(xù)保留,前車位置由路段出口位置l=L代替,L為路段長度,如表1中單元j-1。當(dāng)有借道車進(jìn)入路段,對其所在控制單元的剩余容量進(jìn)行更新。

表1 路段i+1控制單元信息表(以圖1b中的單元布局為例)

當(dāng)新的公交車到達(dá)路段入口時(shí),就要確定前后公交車在下游交叉口的車頭時(shí)距ts和有效綠燈時(shí)間g,再根據(jù)前一小節(jié)中模型計(jì)算可借道容量Q。首先確定車頭時(shí)距ts。設(shè)前車Bf到達(dá)路段的時(shí)刻為借道過程開始時(shí)刻t0,根據(jù)后車Br在上游各個(gè)路段的預(yù)測行程時(shí)間估計(jì)兩車此時(shí)的車頭時(shí)距Tr,并預(yù)測兩車在當(dāng)前路段的行程時(shí)間。文中為了示意,用公交車勻速行駛時(shí)間作為當(dāng)前路段的預(yù)測行程時(shí)間進(jìn)行控制,即L/vb。之后結(jié)合下游交叉口實(shí)時(shí)相位得到Bf到達(dá)下游交叉口的信號偏移量tofs,則相鄰公交車到達(dá)下游交叉口的時(shí)刻tf和tr分別為

(9)

式中:αf,αr分別為前、后公交車的停站選擇參數(shù);tpf,tpr分別為預(yù)測得到的前、后公交車在當(dāng)前路段公交站的停車時(shí)長。由于后車Br不能超越前車Bf,則前車到達(dá)當(dāng)前路段時(shí)估計(jì)的下游交叉口兩車車頭時(shí)距為

ts=max(tr-tf,0)=max(αrtpr-αftpf+Tr,0)

(10)

接著計(jì)算車頭時(shí)距ts內(nèi)交叉口能用于釋放借道車的有效綠燈時(shí)間g。這與前車Bf和后車Br到達(dá)下游交叉口的信號偏移量tf-ofs和tr-ofs有關(guān),分別為

tf-ofs=(tofs+tf-t0)modC

tr-ofs=(tofs+tr-t0)modC

式中:tofs為前車Bf到達(dá)路段入口時(shí)下游交叉口的信號偏移量;C為信號周期。對前車Bf而言,到達(dá)時(shí)刻所在信號周期中偏移量以后的綠燈時(shí)間max(λC-tf-ofs,0)屬于有效綠燈時(shí)間;對后車Br而言,到達(dá)時(shí)刻所在信號周期中偏移量以內(nèi)的綠燈時(shí)間min(tf-ofs,λC)屬于有效綠燈時(shí)間。當(dāng)前后兩車在不同信號周期到達(dá),即tr-tf+tf-ofs>C時(shí)(圖3a)車頭時(shí)距ts內(nèi)的有效綠燈時(shí)間為

圖3 前后兩車到達(dá)交叉口時(shí)信號周期的關(guān)系

min(tr-ofs,λC)

當(dāng)前后兩車在同一信號周期到達(dá),即tr-tf+tf-ofs≤C時(shí)(圖3b),有效綠燈時(shí)間為

g=max(λC-tf-ofs,0)-max(λC-tr-ofs,0)

上述兩種有效綠燈時(shí)間的表達(dá)式可合并為

(11)

在控制中還需要考慮的問題是借道時(shí)間條件。當(dāng)后車Br在交叉口碰到紅燈時(shí),要保證此紅燈相位開始前所有借道車均能離開公交專用道,此時(shí)的紅燈相位開始時(shí)刻tshut=tr-(tr-ofs-λC)。則借道時(shí)間條件為

(12)

式中:l為期望借道的社會(huì)車輛離路段入口的距離;t為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)刻。若考慮車聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸延時(shí),還應(yīng)在時(shí)間條件上扣除可能最大的時(shí)間延誤,即減小tshut,用更嚴(yán)格的時(shí)間條件保證借道車能按時(shí)離開路段。

當(dāng)有借道車申請借道,則判斷借道車是否滿足容量條件和時(shí)間條件,滿足的話允許借道。在每個(gè)時(shí)間系統(tǒng)更新信息表中的公交車位置,并與各單元可借道剩余容量Qleft一起向途徑社會(huì)車輛廣播。Qleft=0時(shí)單元被關(guān)閉。

由于預(yù)測的公交車行程時(shí)間與實(shí)際行程時(shí)間存在一定誤差,因此在控制策略中對此類誤差作出反饋,以提高策略的適應(yīng)能力。車聯(lián)網(wǎng)控制方法中,只要滿足容量條件和時(shí)間條件,借道車在基本控制單元生存期結(jié)束前都能繼續(xù)借道,因此在控制策略實(shí)施過程中可充分利用后車行駛的實(shí)際數(shù)據(jù)對可借道容量進(jìn)行修正。理論上看對誤差的修正可以在整個(gè)單元生存期間進(jìn)行。但考慮到行程時(shí)間預(yù)測在很短的時(shí)間內(nèi)變化不明顯,僅在后車到達(dá)路段時(shí)進(jìn)行一次反饋。修正過程為

步驟1預(yù)測前車Bf到達(dá)路段時(shí)其在當(dāng)前路段的行程時(shí)間:獲得停站選擇αf,若αf=1則表示在車站停靠,預(yù)測?？繒r(shí)間tpf和行程時(shí)間,計(jì)算前車Bf到達(dá)下游交叉口的信號偏移量tf-ofs,再估計(jì)等待紅燈時(shí)間。

步驟2估算可借道容量:當(dāng)前車Bf到達(dá)路段時(shí)獲取后車Br在上游的位置信息,根據(jù)與前車Bf同樣的預(yù)測技術(shù)估計(jì)其經(jīng)過上游各路段后到達(dá)下游交叉口的時(shí)刻,并估計(jì)前后車在下游交叉口的車頭時(shí)距ts,利用第2節(jié)方法計(jì)算可借道容量Q。

步驟3修正可借道容量:當(dāng)后車Br到達(dá)當(dāng)前路段時(shí),可以獲得后車Br在上游路段的實(shí)際行程時(shí)間,并利用當(dāng)前行駛數(shù)據(jù)對Br在當(dāng)前路段上的行程時(shí)間再進(jìn)行一次預(yù)測后利用第2節(jié)方法求得修正后的可借道容量Q′,并根據(jù)修正值Q′與第一次估計(jì)值Q的差值對剩余容量進(jìn)行更新。當(dāng)Q′>Q時(shí),在剩余容量上追加可借道容量。當(dāng)Q′≤Q時(shí),能否修正與剩余容量Qleft有關(guān),當(dāng)Qleft>(Q-Q′)時(shí),剩余容量修正為Qleft-(Q-Q′),這往往發(fā)生在相鄰兩者車頭時(shí)距較大的情況。當(dāng)Qleft≤(Q-Q′)時(shí),由于控制策略中約定已經(jīng)進(jìn)入公交專用道的借道車不能通過換道離開車道,只能放棄對可借道容量的修正,或者通過增加修正次數(shù)以進(jìn)一步減少誤差。上述剩余容量Q′left的修正規(guī)則可合并為

(13)

將剩余容量的修正結(jié)果更新到路段控制單元信息表中。根據(jù)行程時(shí)間預(yù)測時(shí)更短距離和更近時(shí)間的預(yù)測結(jié)果更優(yōu)的特點(diǎn)可知修正值Q′優(yōu)于第一次估計(jì)值Q,從而提高了控制系統(tǒng)對可借道容量預(yù)測結(jié)果精度的適應(yīng)能力。

上述車聯(lián)網(wǎng)控制方法流程如圖4所示。

圖4 車聯(lián)網(wǎng)控制方法系統(tǒng)流程圖

3.2 入口控制方法

(14)

由于該方法中基本控制單元的控制過程在后車Br到達(dá)路段入口時(shí)結(jié)束,因此無法對預(yù)測的公交車行程時(shí)間進(jìn)行修正,但可以根據(jù)預(yù)測容量約束下借道車對公交車的行程時(shí)間影響程度設(shè)置一定的保護(hù)閾值,即通過減少預(yù)測的可借道容量來保障公交車的優(yōu)先路權(quán)。

入口控制的流程:檢測到有新的公交車(即前車Bf)到達(dá)路段,根據(jù)可借道容量計(jì)算模型求得Q,之后根據(jù)式(14)求得入口開啟時(shí)長ton,賦給計(jì)時(shí)變量time。當(dāng)time>0時(shí),保持入口開啟狀態(tài);當(dāng)time=0時(shí),即可關(guān)閉入口。然而無論入口狀態(tài)為開啟或者關(guān)閉,系統(tǒng)都需要繼續(xù)檢測是否有新的公交車(即后車Br)到達(dá)路段入口,一旦新車到達(dá)則即可切換到以新車作為前車的下一個(gè)基本單元的控制過程?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

圖5 入口控制方法系統(tǒng)流程圖

4 仿真分析

4.1 仿真設(shè)置

為了評估提出的兩種容量約束間歇式公交專用道控制策略(車聯(lián)網(wǎng)控制方法CVCC-IBL和入口控制方法ECC-IBL)的效果,使用SUMO[18]仿真軟件建立交通場景,采用TRACI編程開發(fā)了控制程序,對上述策略的車道行駛權(quán)限以及相應(yīng)專用道空間的開啟、關(guān)閉狀態(tài)實(shí)現(xiàn)控制,對交通飽和度、公交車發(fā)車間隔、公交車站等不同因素影響下的場景進(jìn)行仿真。將得到的路段交通性能(包括公交車和社會(huì)車輛行程時(shí)間以及交通流量)與不共享車道的公交專用道(DBL)策略和傳統(tǒng)間歇式公交專用道(IBL)策略進(jìn)行對比。

建立三車道路段模型,右側(cè)是公交車道,另外兩條為普通車道。不考慮信號燈影響時(shí)路段單車道的飽和流量為qm,普通車道的單車道到達(dá)流量為qc。將路段實(shí)際交通流量與普通三車道通行能力的比值作為交通流飽和度S。在下游交叉口設(shè)置兩相位信號燈,體現(xiàn)城市交通中的間歇式交通流現(xiàn)象,路段上游不設(shè)置信號燈。設(shè)置兩組公交車發(fā)車間隔,即busPeriod=150,300 s。其余有關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 仿真分析

4.2.1 控制策略的交通性能分析

在不同的公交專用道策略控制下路段上公交車的行程時(shí)間如圖6所示。路段在容量約束的控制策略CVCC-IBL、ECC-IBL和IBL控制下,公交車的行駛與DBL相比都產(chǎn)生了額外的延誤。在低交通飽和度時(shí),幾種控制策略引起的公交車額外延誤均不明顯,這是合理的,此時(shí)社會(huì)車輛不需要借用專用道也能通暢行駛。在高交通飽和度時(shí),IBL策略中公交車的額外延誤增加明顯,而CVCC-IBL和ECC-IBL策略通過在借道過程開始前對可借道容量進(jìn)行估計(jì),不允許過多的借道車進(jìn)入專用道,從而使公交車的額外延誤均低于IBL策略。當(dāng)飽和度S=1.2,公交車發(fā)車間隔busPeriod=150 s時(shí),IBL策略中公交車行程時(shí)間比DBL時(shí)增加了23.6%,而策略CVCC-IBL和ECC-IBL比DBL僅增加了2%和3%。公交車發(fā)車間隔busPeriod=300 s時(shí),前方公交車對借道車的影響不會(huì)傳遞到后方公交車所在路段,因此IBL策略中公交車延誤僅比DBL模式增加了7.7%。說明在飽和交通時(shí),IBL僅在發(fā)車頻率較低的情況下能保證公交車的延誤不會(huì)大幅增加,即通過增加公交車間隔,也就是增加社會(huì)車輛釋放時(shí)間,讓過量借道車在后方公交車到來前離開交叉口。這與Zyryanov等[19]的結(jié)論一致。而容量約束的兩種控制策略即使在高飽和度和公交車發(fā)車間隔較小的情況下性能也接近于DBL,比IBL具有更大的適用范圍。這里基于可借道容量的兩種控制策略中公交車產(chǎn)生的少量延誤,原因可能是借道車在交叉口前等待紅燈時(shí)形成的交通隊(duì)列長度預(yù)測偏差造成的。而CVCC-IBL策略中還可能由于借道車在控制單元中分布不均,當(dāng)較多的借道車集中在后車Br近前方時(shí)也容易使后車產(chǎn)生額外延誤。

圖6 不同飽和度時(shí)的公交車行程時(shí)間

在不同控制策略下路段上社會(huì)車輛的行程時(shí)間如圖7所示。在較高的交通飽和度情況下(S≥1),因?yàn)椴呗訡VCC-IBL、ECC-IBL以及普通IBL都在一定程度上利用了空閑的專用道空間,提高了道路交通流量,所以社會(huì)車輛的行程時(shí)間比減少了一條車道的DBL策略大幅減少。當(dāng)交通進(jìn)入高飽和狀態(tài)后(S=1.2),由于道路交通擁堵,即使專用道空間得到利用,也無法滿足交通需求,3種利用公交專用道的策略下社會(huì)車輛的行程時(shí)間均明顯增加,說明此時(shí)道路上的車輛已接近飽和,而增加發(fā)車間隔能緩解社會(huì)車輛的行程時(shí)間增加程度。當(dāng)公交車發(fā)車間隔busPeriod=150 s時(shí),CVCC-IBL和ECC-IBL策略下社會(huì)車輛行程時(shí)間相近,雖然比IBL稍有增加,但是能保證公交車行駛不受阻礙;當(dāng)busPeriod=300 s時(shí),隨著IBL策略的專用道空間中受公交車影響的占比減少,容許公交車有一定的延誤,借用專用道行駛的車輛數(shù)增加,行程時(shí)間減少。策略CVCC-IBL和ECC-IBL則是優(yōu)先保證公交車行駛,弊端是社會(huì)車輛行程時(shí)間比IBL增加了20.6%。

圖7 不同飽和度時(shí)的社會(huì)車輛行程時(shí)間

4.2.2 公交車停站對控制策略性能的影響

公交車停站對公交車行程時(shí)間的影響如圖8所示。當(dāng)busPeriod=150 s時(shí),IBL策略的行程時(shí)間比DBL增加了25.4%;當(dāng)busPeriod=300 s時(shí),則增加了78.9%。在高飽和交通中大量社會(huì)車輛不僅會(huì)形成交叉口交通隊(duì)列,而且會(huì)因公交車停站形成交通隊(duì)列,當(dāng)兩個(gè)因素疊加時(shí)更容易對后方公交車產(chǎn)生阻礙。特別是在公交車發(fā)車間隔較大時(shí),路段上沒有公交車的時(shí)間較多,借道車總量增加后形成的隊(duì)列長度也增加,造成公交車行程時(shí)間大幅增加。而策略CVCC-IBL和ECC-IBL中因?yàn)榭紤]了公交車停站因素,借道車能利用公交車到達(dá)前的綠燈時(shí)間離開路段,所以公交車行程時(shí)間沒有增加。

圖8 公交車停站影響下,不同飽和度時(shí)的公交車行程時(shí)間

公交車停站對社會(huì)車輛行程時(shí)間的影響如圖9所示。相較于圖7所示的情況,當(dāng)S=1.2時(shí),即使較大的公交車發(fā)車間隔,也不能緩解社會(huì)車輛行程時(shí)間的增加,說明在高飽和交通情況下,公交車停站降低了控制策略對社會(huì)車輛行程時(shí)間的保障能力。

圖9 公交車停站影響下,不同飽和度時(shí)的社會(huì)車輛行程時(shí)間

對比CVCC-IBL和ECC-IBL策略中公交車和社會(huì)車輛的行程時(shí)間,雖然兩者的性能差異并不明顯,但是基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的CVCC-IBL策略使社會(huì)車輛可以在控制過程的時(shí)間范圍內(nèi)均有借道機(jī)會(huì),借道車可以根據(jù)所處的交通條件來選擇最佳的換道時(shí)機(jī),不僅提高了借道過程的穩(wěn)定性,而且能提高專用道空間的利用率,是理想的公交專用道控制方法。而入口控制的方法中,由于道路空間中留給借道入口的空間不會(huì)太大,社會(huì)車輛只能在進(jìn)入車道的短暫時(shí)間內(nèi)決定是否借道。因?yàn)樯鐣?huì)車輛不能換道進(jìn)入公交專用道,當(dāng)后車Br到達(dá)路段使入口關(guān)閉后,即使基本控制單元內(nèi)仍有可借道空間剩余也不能繼續(xù)提供給社會(huì)車輛使用,所以適合在非車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下作為替代方案。

5 結(jié) 論

筆者提出了一種車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于可借道容量的間歇式公交專用道控制策略,在確保不阻礙公交車行駛的前提下充分利用公交專用道的空閑空間。首先,將前后相鄰的兩輛公交車在路段公交專用道上的空間作為基本控制單元的空間范圍,將前一輛公交車到達(dá)路段到后一輛公交車離開路段的時(shí)間間隔作為控制單元的時(shí)間范圍;然后,將該時(shí)間范圍內(nèi)路段下游交叉口的通行能力作為基本控制單元的可借道容量;最后,利用車間通信技術(shù)對借道進(jìn)入該單元的社會(huì)車輛進(jìn)行總量控制。此外,在車聯(lián)網(wǎng)還未普及的情況下,筆者提出了一種可通過入口控制方法實(shí)現(xiàn)的控制策略替代方案。通過SUMO設(shè)置道路場景對兩種控制策略進(jìn)行建模仿真,在不同的交通飽和度、公交車發(fā)車間隔以及公交車停站情況下,提出的基于可借道容量的控制策略比傳統(tǒng)的間歇式公交專用道策略具有更少的公交車和社會(huì)車輛行程時(shí)間,即使在高飽和度情況下仍能保持更優(yōu)的性能。