羅浩順 徐良杰 陳國俊 程加琪

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

公交優(yōu)先信號(hào)控制是保障“公交優(yōu)先”發(fā)展戰(zhàn)略，提升公交服務(wù)質(zhì)量的常用手段.在公交通過交叉口時(shí)，調(diào)整當(dāng)前信號(hào)配時(shí)方案，給予其一定優(yōu)先通過權(quán)，降低交叉口處延誤.被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)先，以及實(shí)時(shí)優(yōu)先是公交優(yōu)先信控的主要方法[1].其中，被動(dòng)優(yōu)先主要優(yōu)化已有的離線配時(shí)方案，適用于公交線路較多，車輛車流行駛穩(wěn)定的情況.主動(dòng)優(yōu)先和實(shí)時(shí)優(yōu)先主要依托傳感器數(shù)據(jù)及車路通信等技術(shù)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化信控方案，多運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)控制優(yōu)化與干線協(xié)調(diào)控制[2].部分學(xué)者考慮交叉口通行安全等因素，結(jié)合駕駛員心理及行為特征，建立相應(yīng)信控模型[3-4].隨著智能交通的發(fā)展，公交優(yōu)先信控結(jié)合車路協(xié)同技術(shù)，控制參數(shù)的標(biāo)定也逐漸趨于精細(xì)化[5].

此外，有研究將車速引導(dǎo)方法與公交優(yōu)先信號(hào)控制相結(jié)合，通過車載設(shè)備或者路側(cè)車速信息引導(dǎo)駕駛?cè)丝厮伲云诒荛_紅燈，降低延誤并減少停車次數(shù)[6].王寶杰等[7]針對(duì)交叉口信號(hào)管控特征，結(jié)合BRT系統(tǒng)運(yùn)營特性，提出了基于卡爾曼濾波行程時(shí)間預(yù)測(cè)的BRT速度誘導(dǎo)模型.張鵬等[8]為解決交叉口高飽和等問題，建立考慮車速引導(dǎo)和信號(hào)配時(shí)集成優(yōu)化的控制模型.上述國內(nèi)外信號(hào)控制方法大多僅從信號(hào)配時(shí)單方面體現(xiàn)公交優(yōu)先，難以保障信號(hào)控制策略按預(yù)期有效實(shí)施.且考慮車速引導(dǎo)方法的公交優(yōu)先信號(hào)方案較少探究公交專用道上公共汽車的運(yùn)行特性與信號(hào)控制之間的相互影響機(jī)理.

因此，本文考慮公交以車隊(duì)形式通行的需求，結(jié)合公交車速引導(dǎo)思想，構(gòu)建單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方案，并通過預(yù)指令車速信息的引導(dǎo)使得公交車輛集中到達(dá)交叉口后不停駛通過，減少車隊(duì)截尾，從而降低交叉口延誤，提高交叉口通行效率.

1 公交車隊(duì)通行原則

當(dāng)公交被交叉口紅燈攔截時(shí)，車輛停車等待會(huì)產(chǎn)生較大延誤，降低交叉口通行效率.因此，考慮公交車輛集結(jié)成車隊(duì)的形式，集中連續(xù)通過交叉口，充分利用有效綠燈時(shí)間.

基于此公交車隊(duì)的車速引導(dǎo)思想，本文構(gòu)建單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方法，針對(duì)車隊(duì)不同的到達(dá)情況，設(shè)置預(yù)指令提示信息引導(dǎo)車隊(duì)調(diào)整車速，使車隊(duì)提前或延后到達(dá)交叉口以實(shí)現(xiàn)不停駛通過.

2 單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方案

2.1 最小綜合延誤模型

Webster模型是進(jìn)行信號(hào)配時(shí)的常用方法，其中第i相位的車均延誤計(jì)算表達(dá)式為

(1)

式中：C為周期時(shí)長，s；gi為第i相位的有效綠燈時(shí)間，s；qi為第i相位關(guān)鍵車道組流量，veh/h；Si為第i相位關(guān)鍵車道組飽和流量，veh/h；di2，di3為隨機(jī)過飽和延誤.

考慮交叉口公交優(yōu)先，基于公交車輛與社會(huì)車輛載客數(shù)、運(yùn)營性質(zhì)等差異，對(duì)兩者的延誤分別求解，之后加權(quán)平均，建立交叉口綜合延誤模型.

(2)

以交叉口綜合延誤最小為目標(biāo)建立信號(hào)控制優(yōu)化模型，表達(dá)式為

(3)

式中：gb為公交相位綠燈時(shí)長，s；htq為車隊(duì)首尾車輛間車頭時(shí)距，s；gmin，gmax分別為最短、最長綠燈時(shí)長；其余符號(hào)含義同前.

由模型優(yōu)化信號(hào)周期和綠燈時(shí)長，為保障此信控方案有效實(shí)施，使公交車隊(duì)不停駛通過交叉口，需采用公交專用道預(yù)指令信息進(jìn)行車速引導(dǎo).

2.2 預(yù)指令車速信息

公交專用道上設(shè)置檢測(cè)器用于檢測(cè)公交車輛運(yùn)行狀態(tài)，為信控方案采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù).檢測(cè)器設(shè)置于交叉口停止線前l(fā)d處，預(yù)指令車速信息牌位置與檢測(cè)器相同.ld應(yīng)滿足公交車輛排隊(duì)長度且應(yīng)保障車隊(duì)在接收引導(dǎo)信息后，車速調(diào)整期間所駛過的距離.

綠燈期間預(yù)指令車速信息見圖1.

圖1 綠燈期間預(yù)指令車速信息

設(shè)綠燈于Tg時(shí)刻啟亮，綠燈時(shí)長為g.車隊(duì)總車數(shù)為N，Ti為車隊(duì)中第i輛車到達(dá)預(yù)指令信息牌所在位置的時(shí)刻，第i輛車速度為vi.Tg≤T1表示車隊(duì)到達(dá)交叉口時(shí)綠燈已經(jīng)啟亮.

(4)

式中：a為公交車輛加速度.

車隊(duì)尾車需在綠燈結(jié)束前到達(dá)交叉口，方能保障車隊(duì)完全通過，因此：

(5)

求解滿足式(5)的引導(dǎo)車速取值區(qū)間v≥vmin.

考慮實(shí)際道路限速要求，且行車過程中的車速不宜劇烈變化，最終引導(dǎo)車速設(shè)置為

V=min(v,vR,1.5vN)

(6)

式中：V為預(yù)指令引導(dǎo)車速；vR為道路限速；其余符號(hào)含義同前.

紅燈期間預(yù)指令車速信息見圖2.

圖2 紅燈期間預(yù)指令車速信息

設(shè)紅燈于Tr時(shí)刻啟亮，紅燈時(shí)長為r.Tr≤T1為車隊(duì)到達(dá)交叉口時(shí)紅燈已經(jīng)啟亮.

車隊(duì)頭車需在紅燈結(jié)束后到達(dá)交叉口，且尾車到達(dá)時(shí)綠燈未結(jié)束，即：

(7)

求解滿足式(7)的引導(dǎo)車速取值區(qū)間v≤vmax.

考慮交通流運(yùn)行狀況，且行車過程中的車速不宜劇烈變化，最終引導(dǎo)車速設(shè)置為

V=max(v,vR,0.5v1)

(8)

式中：vR為道路最低車速，由實(shí)測(cè)標(biāo)定；其余符號(hào)含義同前.

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

實(shí)地調(diào)查武漢市中北路上兩個(gè)連續(xù)信號(hào)交叉口，采集實(shí)測(cè)交通數(shù)據(jù).該路段主路雙向六車道，于交叉口展寬，路側(cè)設(shè)置公交專用道.兩個(gè)交叉口之間停車線間距550 m，基于調(diào)查數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)做法，仿真模型中l(wèi)d設(shè)置為70 m.

原始交叉口采用三相位信號(hào)控制方案，主路直行相位與公交車輛通行相位一致，且公交通行相位的綠信比為0.26.各信號(hào)控制相位綠燈時(shí)長見表1.

表1 各信號(hào)相位綠燈時(shí)長 s

在實(shí)施公交專用道時(shí)段(07:00—09:00,16:00—19:00)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，分別統(tǒng)計(jì)交叉口社會(huì)車輛與公交車輛流量.結(jié)合高峰期間公交車輛實(shí)際載客情況，取公交車輛權(quán)重η=55[9].此外，調(diào)查知該路段社會(huì)車輛與公交車輛平均車速分別為45和30 km/h.上、下游交叉口處交通流量見表2～3.

表2 上游交叉口處交通流量 veh/h

表3 下游交叉口處交通流量 veh/h

3.2 仿真試驗(yàn)與結(jié)果

利用COM端口對(duì)VISSIM仿真軟件進(jìn)行二次開發(fā)，利用信號(hào)機(jī)控制接口優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案，利用車輛控制接口完成預(yù)指令信息對(duì)車速的速度引導(dǎo).模型中預(yù)指令信息僅設(shè)置于西向東方向行駛的公交專用道上.將公交車輛生成起點(diǎn)設(shè)置于目標(biāo)交叉口所在路段的遠(yuǎn)端，并設(shè)置信號(hào)控制，以模擬初始公交車隊(duì)的集結(jié).仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下.

單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方案具體參數(shù)見表4.

表4 信控優(yōu)化方案各參數(shù)

最短、最長綠燈時(shí)長體現(xiàn)了信控優(yōu)化方案中公交通行相位的優(yōu)先度，單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方案中公交通行相位綠信比區(qū)間為[0.35，0.44]，較原始方案有較大提高.

上、下游交叉口參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表5～6，單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方案有效降低社會(huì)車輛與公交車輛在交叉口的車均延誤與平均停車次數(shù)，較大程度優(yōu)化了交叉口評(píng)價(jià)指標(biāo).

表5 上游交叉口參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

表6 下游交叉口參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

上下游交叉口進(jìn)口道公交車輛排隊(duì)長度見圖3.

圖3 交叉口進(jìn)口道公交排隊(duì)長度

由圖3可知，上游交叉口處公交車輛最大排隊(duì)長度下降44%，平均排隊(duì)長度下降42%；下游交叉口處公交車輛最大排隊(duì)長度下降50%，平均排隊(duì)長度下降54%.因此單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方案能有效降低公交車隊(duì)停車和截尾車輛數(shù)目，提高單點(diǎn)交叉口通行效益.

4 結(jié) 束 語

本文基于交叉口綜合延誤最小的優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)不同信號(hào)時(shí)期車隊(duì)到達(dá)交叉口的情況，設(shè)置預(yù)指令信息引導(dǎo)公交車隊(duì)提前調(diào)整速度，使車隊(duì)在綠燈期間不停駛通過交叉口，建立結(jié)合車速引導(dǎo)的單點(diǎn)交叉口信控優(yōu)化方案.①該優(yōu)化方案能有效提高單點(diǎn)交叉口綠信比，為公交車輛提供較好的條件優(yōu)先通行條件；②減少社會(huì)車輛與公交車輛交叉口車均延誤與停車次數(shù)，降低交叉口進(jìn)口道公交排隊(duì)長隊(duì)，提升有效綠燈時(shí)間的利用率，優(yōu)化交叉口公交車輛的通行效率；③后續(xù)研究可進(jìn)一步探討相鄰交叉口間信號(hào)協(xié)調(diào)機(jī)理，并考慮行人過街等因素對(duì)交叉口信控方案的影響.