基于逻辑规则的拥挤干道公交优先控制策略＊

董玉璞 孙 剑 李克平

（1.同济大学交通运输工程学院 上海201804；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海201804）

0 引 言

公交优先信号控制可以有效减少公交车辆在交叉口的延误，对于提高公交车服务水平、缓解交通拥堵具有重要意义［1］。根据优先范围的不同，公交信号优先可以划分为单点优先、干线优先和网络优先3类。然而当前的研究多集中在单点优先方面，针对不同的交通环境建立了丰富多样的控制策略［2－4］；对于干线优先和网络优先方面的研究而言，在目前的许多控制系统中包含了公交优先的功能：SCATS的公交优先逻辑包括绿灯延长，特殊相序及对非优先相位的补偿等；SCOOT提供公交绿灯延长和红灯早断等功能，系统基于用户设定的饱和度指标避免非优先车流延误的过度增加；UTOPIA、RHODES系统则通过滚动优化的方法为公交车辆提供绝对优先［5］；国内的马万经等［6］也在交叉口群公交优先协调控制方法有诸多研究。

然而与西方发达国家相比，中国大城市的干道交通流存在如下特点：公交流量大，公交线路多；交叉口交通压力大；交叉口间距短；交叉口大部分设有机动车倒计时；行人与非机动车流量大，慢行交通干扰大。

在应用上述系统进行公交优先时，目前的研究多集中在对优先约束条件的改进，而对干道公交优先背景下不同交叉口优先策略的选择方法却鲜有涉及。本文根据中国干道的交通流特点以及国内外干道公交优先控制中的经验，提出了适合中国干道交通流特点的3步多层公交优先控制策略选择方法。

1 方法体系

对干道公交优先控制而言，沿线会有多个运行特征迥异的交叉口，单一公交优先策略效益很难得到充分发挥，例如，短间距［7］以及过饱和［1，8］交叉口中主动优先策略实施的不良后果，以及倒计时信号灯［9］对公交车辆检测器布设位置的约束等。因此如何根据不同交叉口特点以及上下游关系，从全局的观点构筑干道公交优先策略显得尤为重要。

本研究首先定性分析评估单交叉口可能实施的公交优先策略（包括公交绿波、预信号、绿灯延长、红灯缩短）；在此基础上设计了基于逻辑规则的多约束公交优先控制策略选择流程，涵盖不同交叉口的优先策略选择以及多线路背景下的条件优先线路选择；然后基于微观仿真模型对第2步的多个优选方案进行仿真评价，提出最终建议方案。该方法称为3步多层策略，具体框架见图1。

图1 干道公交优先三步多层策略Fig.1 Three－step multi－layer（TSML）strategy

1.1 步骤1：优先策略适用性定性分析

在3步多层策略中，首先定性分析每种策略的优缺点以及实施的约束条件，然后根据不同交叉口的运行特征以及在干道交通流中的定位，初步分析各种策略的适应性，见表1。

表1 公交优先策略单点交叉口适应性定性分析Tab.1 Qualitative analysis of priority strategy applicability at intersections

1.2 步骤2：基于逻辑规则的多约束公交优先组

合策略集设计

首先根据不同的交叉口交通流量，生成不同周期时长的控制子区，在每个子区生成机动车背景协调方案；之后根据逻辑规则给予交叉口优先策略；最后依据条件优先规则选择干道上的优先公交线路，见图2。

在已有的干道公交优先控制研究中［1，8］，先于主动优先策略，被动优先策略总是首先被实施。因此先确定公交绿波和预信号可实施的交叉口。短间距与超饱和交叉口均不能实施主动优先策略，但可以实施公交绿波策略，因此在规则的排序中这2种交叉口特点位于可以实施主动优先策略的倒计时信号灯情况之前。

图2 基于逻辑规则的干道公交优先控制策略组合集技术架构Fig.2 Flow chart of ASTP strategy set selection based on logic rules

根据图2，公交优先策略选择的逻辑规则包括：

规则1。同一子区交叉口群内无公交站点的情况下，选择使用公交绿波与该绿波第1个交叉口的预信号，反之执行规则2。

规则2。在交叉口内部有公交站点的情况下如果是短间距交叉口，则实施背景交通协调方案，反之执行规则3。

规则3。在超饱和交叉口不实施主动优先策略（因为在系统周期时长中没有充足的空余绿灯时间），以减少对相交道路车辆的负面影响，反之执行规则4。

规则4。在倒计时交叉口，如果交叉口间距符合倒计时对检测器布设位置要求，则实施绿灯延长／红灯早断策略，反之实施红灯缩短策略或背景交通协调方案。若没有倒计时装置，则执行规则5。

规则5。在干道内剩余交叉口实施绿灯延长／红灯早断策略，但在为公交车辆提供优先时，要考虑公交车辆到达下游交叉口时，相应交叉口的信号状态以及可采用的优先控制方法，保证相邻交叉口优先策略的协调。继续执行规则6。

规则6。在上述交叉口公交优先策略选择的基础上，在多申请优先场景下利用条件优先策略确定优先线路，反之给予申请线路优先，完成对象选择。每0.5 h返回执行规则6，完成优先线路的更新。

上述公交优先策略都在满足多约束条件的情况下实施，约束条件包括最小绿灯时间，最大绿灯时间、饱和度、周期时长、不同时间段、交叉口流量的潮汐现象等，限于文章篇幅，有关约束条件研究另文发表。

1.3 步骤3：优选方案仿真分析

基于步骤2所论述的各项逻辑规则，可筛选出几套可行的优先策略组合集。本步骤的工作是利用微观仿真模型对多个可能组合策略集进行仿真评价，最终给出建议方案。其基本过程见图3。

图3 基于仿真平台的多优选方案分析Fig.3 Multi preference plan analysis based on simulation

2 案例分析

2.1 仿真环境

研究区域为上海市主干道路成都路从新闸路到龙华路段沿线22个交叉口，根据调查的高峰小时机动车、公交车、自行车及行人流量和渠化设计方案，建立仿真模型。

2.2 结果分析

在成都路的Vissim仿真模型中，通过上述基于逻辑规则的优先策略选择流程后，生成2个公交优先控制组合策略集优选方案，在仿真平台中进行分析比较，运用Vissim模型通过其外部程序接口Visvap实现公交优先组合策略集，进行仿真评价，每个方案分别选择5个随机数种子取平均结果。

实施公交优先控制组合策略集后，与现状交通控制方案相比，根据条件优先策略选择的对象36路公交车在2种方案下行程时间分别减少6.9%和7.80%，车均延误分别减少11.2%和12.7%。

现状方案控制下，36路平均车头时距为165 s，波动范围为120～227 s，方差为1 278.2；策略集1优先控制下，平均车头时距为172 s，波动范围为153～195 s，方差为140.0：策略集2优先控制下，平均车头时距值为174 s，波动范围为158～184 s，方差为56.6，见图4。

图4 36路公交车车头时距分布图Fig.4 Headway along the arterial of Bus Line 36

干道社会车辆在实施公交优先控制后，两个优选方案下行程车速分别提高2.02%和2.99%，车均延误分别降低2.33%和3.31%，表明实施公交优先控制后干道社会车辆同时受益。路网范围内的车均延误仅增加1.5%。结果表明，在干道实施公交优先的同时不会对路网范围内的社会车辆的效益造成明显的干扰。

结合上述分析，在3个方案的比较中策略集2的综合效益最好，可以得出最终建议方案为策略集2。

3 结束语

结合中国干道的交通流特点以及国内外干道公交优先控制中的经验，提出了适合中国干道特点的3步多层公交优先控制策略选择方法。在上海市成都路的实证分析表明：主干道优先线路36路车在2个优先策略集方案下行程车速分别提高7.3%和8.5%，主干道社会车辆行程速度分别提高2.02%和2.99%，而同时没有对路网社会车辆的效益造成负面影响。

应用条件优先策略优先线路的过程中，目前的研究限于每隔固定时长对优先的线路进行更新，在后续研究中可增强优先控制对象选择的实时性和动态性，同时可以兼顾不同线路的效益，实现系统运行的最优化。

［1］ Alexander Skabardonis.Control Strategies For Transit Priority［J］.Transportation Research Board：Journal of the Transportation Research Board，2000（1727）：20－26.

［2］ Xu H，Zheng M.Impact of phase scheme on development and performance of a logic Rule－Based bus rapid transit signal priority ［J］.Journal of Transportation Engineering，2009，135（12）：953－965.

［3］ Dion F，Hellinga B.A rule－based real－time traffic responsive signal control system with transit priority：Application to an isolated intersection［J］.Transportation Research：Part B，2002，36（4）：325－343.

［4］ 别一鸣，王殿海，魏 强，等.考虑饱和度约束的单点主被动有限公交优先策略［J］.吉林大学学报：工学版，2011，41（5）：1222－1227.

［5］ Head K L，et al.Improved Traffic Signal Priority for Transit，TCRP Project A－16 Interim Report［EB／OL］.［2007－03－01］（2012－04－01）http：／／www4.nas.edu／trb／crp.nsf／All＋Projects／TCRP＋A－16A，2007.

［6］ 马万经，吴志周，杨晓光.基于交叉口群公交优先协调控制方法研究［J］.土木工程学报，2009，42（2）：105－111.

［7］ 陈昱光.城市道路交通瓶颈信号控制方法研究［D］.长春：吉林大学，2008.

［8］ Francois Dion，Hesham Rakha，M.ASCE，et al.Yihua Zhang.Evaluation of Potential Transit Signal Priority Benefits along a Fixed－Time Signalized Arterial［J］.Journal of Transportation Engineering，2004，130（3）：294－303.

［9］ Li Keping，Dong Yupu，Qian Hongbo.Impact analysis of countdown device on transit priority signal control［C］∥International Conference of Chinese Transportation Professionals， Harbin：ICCTP，2009：796－803.