新型有軌電車(chē)交叉路口信號(hào)優(yōu)先控制研究
——以嘉興市有軌電車(chē)T1線為例

李 廷,王 康,陳浩田

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,浙江 嘉興 314036)

0 引言

有軌電車(chē)具有高效、廉價(jià)、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn),被越來(lái)越多的城市采用,截至2021年2月3日,中國(guó)內(nèi)地共有19個(gè)城市有軌電車(chē)已投入運(yùn)營(yíng),共計(jì)35條線路,運(yùn)營(yíng)總里程470.242 km,軌道總里程419.726 km[1]。有軌電車(chē)運(yùn)行在專(zhuān)用鋼軌上,其路權(quán)決定有軌電車(chē)的運(yùn)行模式與控制模式。軌道交通的路權(quán)可分為專(zhuān)用路權(quán)、部分專(zhuān)用路權(quán)、無(wú)專(zhuān)用路權(quán)。大連、上海、香港等城市有軌電車(chē)系統(tǒng)采用無(wú)專(zhuān)用路權(quán),與機(jī)動(dòng)車(chē)混行,在平交路口遵守自動(dòng)控制信號(hào)燈,道岔扳動(dòng)由司機(jī)通過(guò)無(wú)線控制;大部分城市有軌電車(chē)采用部分專(zhuān)用路權(quán),與社會(huì)車(chē)輛共享路權(quán),采用在信號(hào)控制系統(tǒng)下人工駕駛的形式,如武漢、蘇州、嘉興等城市;部分城市有軌電車(chē)采用專(zhuān)用路權(quán),線路與道路交通、行人隔離,運(yùn)行效率與安全性顯著提升,但是成本較大,如佛山等[2]。

嘉興為中等城市,市區(qū)人口僅有92萬(wàn),出行距離以短距離為主。有軌電車(chē)作為軌道交通中低運(yùn)量的軌道交通形式,適合嘉興現(xiàn)狀與未來(lái)規(guī)劃。嘉興有軌電車(chē)貫穿城市中心,遠(yuǎn)期規(guī)劃7條線,總長(zhǎng)約98 km,構(gòu)成“網(wǎng)格放射”的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。近期規(guī)劃為35.7 km的“8字”放射軌道線路,實(shí)際投入運(yùn)營(yíng)線路T1線一期工程自安樂(lè)路站至嘉興南站,線路長(zhǎng)13.8 km,平均站間距986 m[3]。

嘉興有軌電車(chē)采用部分專(zhuān)用路權(quán),在交叉路口與其他道路參與者共享路權(quán)[4],在其他路段用欄桿或路緣石隔離形成部分專(zhuān)用路權(quán)。有軌電車(chē)到達(dá)交叉路口時(shí)間存在時(shí)間的隨機(jī)性特征,通行效率會(huì)受到其他道路交通參與者影響。另一方面,有軌電車(chē)體積大、加減速性能差,從而對(duì)信號(hào)的安全性、保障性要求更高;因此,在道路平面交叉口處采取必要的信號(hào)協(xié)同控制策略,將有軌電車(chē)通行信號(hào)適度優(yōu)先,提高有軌電車(chē)的交叉口的通過(guò)能力和服務(wù)水平,不對(duì)其他道路交通造成較大的延誤。

2 新型有軌電車(chē)交叉路口交通沖突

新型有軌電車(chē)行駛在專(zhuān)用的鋼軌上,鋼軌一般是路中或路側(cè)鋪設(shè),有軌電車(chē)直行或轉(zhuǎn)彎與其他道路參與者存在較多的沖突點(diǎn)。交叉路口是不同方向交通參與者集中沖突點(diǎn),為保證交通安全以及提高通行效率,依次給予不同前進(jìn)方向的車(chē)輛、行人相應(yīng)的通行權(quán)與時(shí)長(zhǎng)。用以控制交通流向的交通信號(hào)燈構(gòu)成相位,平交路口一般是兩相位與四相位信號(hào)控制[5](見(jiàn)圖1)。有軌電車(chē)通行方向主要是中央直行、一側(cè)直行、中央轉(zhuǎn)中央、中央轉(zhuǎn)一側(cè)4種。當(dāng)交通信號(hào)燈為兩相位布置,有軌電車(chē)在路中行駛時(shí),直行方向與對(duì)向社會(huì)車(chē)輛的左轉(zhuǎn)相沖突,所以有軌電車(chē)不適合兩相位布置。交通信號(hào)四相位布置與兩相位對(duì)比,有軌電車(chē)等待時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),通行效率會(huì)降低,但是四相位布置將直行與左轉(zhuǎn)分離,將有軌電車(chē)與社會(huì)車(chē)流沖突通過(guò)時(shí)間錯(cuò)開(kāi)的方式分離,從而保證交叉路口的交通安全。

圖1 平交路口信號(hào)控制方案

2.1 有軌電車(chē)中央直行

交通信號(hào)按照四相位布置,直行車(chē)輛與左轉(zhuǎn)車(chē)輛在兩個(gè)相位放行,時(shí)間上的分離可有效地消除沖突,其中有軌電車(chē)與同向直行車(chē)輛共用一個(gè)相位。有軌電車(chē)對(duì)于剛建設(shè)有軌電車(chē)的城市來(lái)說(shuō)是新鮮事物,其他道路參與者不習(xí)慣與有軌電車(chē)處于同一個(gè)交通空間,容易產(chǎn)生交通事故。機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛者需要改變駕駛習(xí)慣,才能不會(huì)因?yàn)橛杏熊夒娷?chē)參與交通,從而增加交通事故。左轉(zhuǎn)的機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛者在直行綠燈的情況下,會(huì)將車(chē)習(xí)慣性轉(zhuǎn)到左轉(zhuǎn)待行區(qū)等待左轉(zhuǎn)綠燈亮,會(huì)與直行的有軌電車(chē)產(chǎn)生干涉,所以在有軌電車(chē)轉(zhuǎn)彎的路口,不允許社會(huì)車(chē)輛進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)。地面標(biāo)線與標(biāo)志標(biāo)識(shí)需要將禁止左轉(zhuǎn)待行區(qū)標(biāo)示出來(lái),才能有效避免交通事故。有軌電車(chē)與社會(huì)車(chē)輛的共存交叉路口不允許調(diào)頭,也需要在標(biāo)志標(biāo)識(shí)里面明確出來(lái),用以警示駕駛員改變駕駛習(xí)慣。

2.2 有軌電車(chē)一側(cè)直行

在常規(guī)駕駛經(jīng)驗(yàn)中機(jī)動(dòng)車(chē)右轉(zhuǎn)是允許的,不受交通信號(hào)燈的控制,但是有軌電車(chē)路側(cè)直行與社會(huì)車(chē)輛的右轉(zhuǎn)相沖突,需要增加右轉(zhuǎn)信號(hào)燈來(lái)避免沖突。對(duì)于地市級(jí)城市或者大城市郊區(qū),一般交叉路口的流量相比大城市不大,交通信號(hào)燈沒(méi)有專(zhuān)設(shè)一個(gè)右轉(zhuǎn)彎標(biāo)志標(biāo)識(shí),所以在有軌電車(chē)剛開(kāi)通的城市需要專(zhuān)門(mén)設(shè)置交通引導(dǎo)員,幫助社會(huì)車(chē)輛駕駛員養(yǎng)成習(xí)慣,適應(yīng)有軌電車(chē)帶來(lái)的變化。

2.3 有軌電車(chē)中央轉(zhuǎn)中央

有軌電車(chē)中央轉(zhuǎn)中央,涉及左右轉(zhuǎn)向,對(duì)于有軌電車(chē)右轉(zhuǎn)情況,有軌電車(chē)對(duì)于同向車(chē)輛的直行、對(duì)向車(chē)輛的左轉(zhuǎn)、垂直方向的直行會(huì)產(chǎn)生沖突。對(duì)于有軌電車(chē)左轉(zhuǎn)情況分析,對(duì)向車(chē)輛的直行、垂直方向的左轉(zhuǎn)、垂直方向的直行都會(huì)產(chǎn)生沖突。為避免距離過(guò)近造成的事故,有軌電車(chē)與同向轉(zhuǎn)向駕駛的社會(huì)車(chē)輛用一個(gè)相位。因?yàn)榇蟛糠钟熊夒娷?chē)與社會(huì)車(chē)輛的事故是發(fā)生在左轉(zhuǎn)彎的情況下,最好社會(huì)車(chē)輛左轉(zhuǎn)右置,與有軌電車(chē)距離1個(gè)車(chē)道以上。

2.4 有軌電車(chē)中央轉(zhuǎn)一側(cè)

有軌電車(chē)中央轉(zhuǎn)一側(cè),如果轉(zhuǎn)向的一側(cè)是靠近有軌電車(chē)的一側(cè),對(duì)交通路口的影響較小,在上述相位設(shè)置下可以解決沖突。有軌電車(chē)轉(zhuǎn)向較遠(yuǎn)的一側(cè),有軌電車(chē)的通行影響區(qū)域較大,與直行、左轉(zhuǎn)都有沖突,需要單獨(dú)設(shè)立有軌電車(chē)通行相位,除同向社會(huì)車(chē)輛右轉(zhuǎn)外其余相位全部紅燈。

3 有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制策略

有軌電車(chē)通行需要交通信號(hào)聯(lián)鎖設(shè)備配合,涉及道岔、有軌電車(chē)信號(hào)控制機(jī)。有軌電車(chē)通行信號(hào)燈分為藍(lán)色橫杠常亮、藍(lán)色橫杠常亮+橙色菱形閃爍、藍(lán)色橫杠+藍(lán)色感嘆號(hào)常亮、白色豎狀常亮、白色圓燈閃爍、藍(lán)色橫杠常亮6個(gè)燈顯,分別代表禁止、禁止(優(yōu)先請(qǐng)求被接受)、禁止(即將由禁止轉(zhuǎn)為通行)、通行、即將關(guān)閉通行信號(hào)、禁止6種含義。有軌電車(chē)通行依據(jù)有軌電車(chē)燈顯信號(hào),其信號(hào)控制需要服從于常規(guī)紅綠道路信號(hào)燈。

信號(hào)優(yōu)先策略主要包括3種:絕對(duì)優(yōu)先、相對(duì)優(yōu)先、實(shí)時(shí)優(yōu)先[6]。信號(hào)優(yōu)先控制策略如表1所示。絕對(duì)優(yōu)先指的是任何時(shí)刻有軌電車(chē)擁有優(yōu)先通過(guò)交叉路口的權(quán)力,當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)刻為非通行相位時(shí)可等待最小綠燈時(shí)間后插入有軌電車(chē)通行信號(hào)。相對(duì)優(yōu)先要根據(jù)有軌電車(chē)到達(dá)時(shí)間、交叉路口道路等級(jí)、交通流量等具體情況具體確定優(yōu)先方案,某些情況下有軌電車(chē)需要與其他道路參與者一樣在路口等待。實(shí)時(shí)優(yōu)先指的是信號(hào)控制器獲取有軌電車(chē)的位置、行駛速度、乘客數(shù)、社會(huì)車(chē)輛的流量、種類(lèi)等參數(shù),結(jié)合路網(wǎng)最優(yōu)的指標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)交叉路口交通效益最佳,實(shí)時(shí)優(yōu)先由于控制機(jī)理復(fù)雜,目前還只存在理論驗(yàn)證階段。

表1 信號(hào)優(yōu)先策略對(duì)比

信號(hào)優(yōu)先常用的控制方案是綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷、插入相位等(見(jiàn)圖2)。綠燈延長(zhǎng)指的是當(dāng)有軌電車(chē)到達(dá)交叉路口時(shí)為綠燈,但是剩余時(shí)長(zhǎng)不夠有軌電車(chē)安全通過(guò),此時(shí)通行時(shí)長(zhǎng)會(huì)被延長(zhǎng)到對(duì)向交叉路口的信標(biāo)檢測(cè)到有軌電車(chē)駛出交叉口,相位才會(huì)進(jìn)行切換。紅燈早斷指的是當(dāng)有軌電車(chē)到達(dá)交叉口時(shí)為紅燈,且下一個(gè)交通信號(hào)相位是有軌電車(chē)通行相位,為盡快切換相位,對(duì)紅燈相位進(jìn)行壓縮,壓縮的時(shí)長(zhǎng)要滿足交叉口另一方向通行路口的最小綠燈時(shí)間。插入相位指的是當(dāng)有軌電車(chē)到達(dá)交叉口時(shí)為紅燈,且下一個(gè)交通信號(hào)相位非有軌電車(chē)通行相位,為減少有軌電車(chē)等待時(shí)間,為有軌電車(chē)插入一個(gè)專(zhuān)用通行相位,該時(shí)長(zhǎng)為僅滿足有軌電車(chē)通過(guò)交叉路口,在這個(gè)相位內(nèi)與其他交通形式無(wú)沖突。

4 嘉興有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制策略

嘉興有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)采用區(qū)域控制模式,在交叉路口設(shè)置車(chē)輛檢測(cè)設(shè)備,當(dāng)檢測(cè)到有軌電車(chē)到達(dá)信號(hào),將信號(hào)傳輸至路口交通信號(hào)控制器,由信號(hào)控制器控制做出判斷和執(zhí)行(見(jiàn)圖3)。有軌電車(chē)裝有實(shí)時(shí)發(fā)出高頻信號(hào)的車(chē)載信號(hào)發(fā)送器,該信號(hào)可以被地面信標(biāo)接收。列車(chē)的定位精度是有軌電車(chē)信號(hào)控制的基礎(chǔ),有軌電車(chē)在單一路口單一方向依次裝備4個(gè)信標(biāo),分別為P1、P2、P3、P4。P1為預(yù)檢信標(biāo),用于預(yù)告有軌電車(chē)即將到達(dá),信號(hào)機(jī)內(nèi)部開(kāi)始做出相應(yīng)的配時(shí)調(diào)整,目的減少有軌電車(chē)路口停車(chē)次數(shù);P2為起動(dòng)信標(biāo),用于檢測(cè)有軌電車(chē)即將進(jìn)入該路口,請(qǐng)求路口做好相應(yīng)的放行決策工作;P3名稱定義為停車(chē)信標(biāo),用于檢測(cè)有軌電車(chē)進(jìn)入該路口;P4名稱定義為清空信標(biāo),用于檢測(cè)有軌電車(chē)離開(kāi)該路口。有軌電車(chē)是雙向通行,為了兼顧對(duì)向有軌電車(chē)行車(chē),路口交通信號(hào)控制器需要采集對(duì)向有軌列車(chē)位置,使得雙向有軌電車(chē)通行效率更高。

圖3 嘉興有軌電車(chē)(T1線)信號(hào)優(yōu)先的原理

嘉興有軌電車(chē)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的T1線一期工程沿線有38處信控路口/行人過(guò)街,其中行人過(guò)街7個(gè),T型路口3個(gè)。為減少有軌電車(chē)與社會(huì)車(chē)輛相撞而產(chǎn)生交通事故,交警在中山路建國(guó)路口、中山路禾興路口、中山路禾興路口實(shí)施左轉(zhuǎn)右置,使有軌電車(chē)與社會(huì)車(chē)輛在左轉(zhuǎn)時(shí)車(chē)輛距離更遠(yuǎn)。

在保障路口安全的前提條件下,有效減少有軌電車(chē)在路口停車(chē)次數(shù)及等待時(shí)長(zhǎng),針對(duì)不同路口采取不同信號(hào)優(yōu)先策略,以提高有軌電車(chē)通行效率與兼顧其他道路參與者的體驗(yàn)。針對(duì)主支相交路口采用絕對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制方案,即有軌電車(chē)當(dāng)前通行道路為主干道,由于相交支路道路等級(jí)低,總體流量較小,且交通流量波動(dòng)性較大,當(dāng)有軌電車(chē)接近路口且提出優(yōu)先請(qǐng)求后,信號(hào)控制器采用插入相位、延長(zhǎng)綠燈(有軌電車(chē)通行相位)的方案來(lái)實(shí)施信號(hào)優(yōu)先。絕對(duì)優(yōu)先典型應(yīng)用場(chǎng)景行人過(guò)街、小區(qū)出入口(T型路口)、流量較小支線路口;針對(duì)主次相交路口采用相對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制方案,適當(dāng)兼顧沖突相次干道的交通情況,在保證主干道有軌電車(chē)順暢通行的同時(shí),盡量減少對(duì)次干道的交通延誤影響。當(dāng)有軌電車(chē)接近路口且提出優(yōu)先請(qǐng)求后,道路交通控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的相位情況進(jìn)行判斷,采用延長(zhǎng)綠燈(有軌電車(chē)通行相位)、紅燈早斷(早斷非有軌電車(chē)通行相位)、插入相位的方案;針對(duì)個(gè)別流量較大的主主相交路口,由于各個(gè)路口流量都較大,目前采取不優(yōu)先策略,提升道路參與者對(duì)于有軌電車(chē)的好感度。

有軌電車(chē)優(yōu)先策略跟道路流量影響較大,所以在早晚高峰以及平峰在同一路口會(huì)采取不同的策略,高峰期要更體現(xiàn)公交優(yōu)先戰(zhàn)略,信號(hào)優(yōu)先等級(jí)會(huì)提升。有軌電車(chē)的信號(hào)優(yōu)先控制策略只有在有軌電車(chē)到達(dá)或接近交叉路口時(shí)才會(huì)觸發(fā),平時(shí)無(wú)電車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)按照常規(guī)的交通信號(hào)燈控制。

5 結(jié)語(yǔ)

有軌電車(chē)作為中運(yùn)量的軌道交通形式,是中等城市以及地級(jí)市城市為提高現(xiàn)代化水平、疏解交通擁堵的較佳選擇。有軌電車(chē)交叉路口信號(hào)優(yōu)先策略可以降低有軌電車(chē)的等待時(shí)間,提升有軌電車(chē)的服務(wù)水平,有效推動(dòng)公共交通優(yōu)先戰(zhàn)略。針對(duì)有軌電車(chē)各個(gè)不同交通流量匯聚的交叉路口,實(shí)行不同的優(yōu)先信號(hào)控制方案。信號(hào)優(yōu)先策略提升有軌電車(chē)通行效率的同時(shí)兼顧其他道路交通參與的行車(chē)效率,同時(shí)與有軌電車(chē)相同前進(jìn)方向的社會(huì)車(chē)輛,會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)代有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先而獲益,減少通行延誤。