干线信号协调控制下的公交优先研究

高 静, 张俊友, 齐婷婷

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255091)

国内外在公交优先方面进行了相关的研究，在单点公交优先方面，Peter G.Furth仿真验证了有条件优先对交叉口延误的影响优于完全优先和无优先控制策略[1].在干线公交优先方面，Francois Dion在分布智能控制中提出以延误和停车次数加权最小的优化算法,建立了协调上下游车辆的转换规则，根据优先级别的不同赋予不同的优先权重[2].刘腾飞提出了受协调控制约束的主动和被动公交优先控制模型,模型中引入了公交权重，建立了受协调控制约束的多目标优化函数[3].在国内外研究现状的基础上，提出了两层优化方法：上层为干线信号协调控制，以安装在干线各个交叉路口停车线后的社会车辆检测器检测到的社会车流量来优化各交叉口的周期、绿信比和协调相位差；下层为公交优先控制，以上层绿波带上下限为约束，优化配时参数，采用主动公交优先策略[4]：绿灯延长和红灯早断，实现公交优先控制.

1 基本假定

(1)路段设置公交专用通道，在交叉路口设置公交专用进口道.

(2)在各进口车道的停车线前安装公交车辆检测器和社会车辆检测器，检测器检测到的车辆信息能够实时传送到信号机.

(3)公交相位为干线协调相位[5].

2 干线信号协调控制配时参数优化

2.1 共同周期的确定

参与信号协调控制的交叉口周期长度计算采用Webster[6]计算，选取交叉口最大周期为协调控制公共周期.

(1)

C=MAXci

(2)

式中：L为周期损失时间；Y为交叉口关键流率比；ci为交叉口i的周期；C为干线信号协调控制的公共周期

2.2 绿信比分配

协调控制下，绿信比一般来说也是各个交叉口分别优化的，不考虑交叉口之间的关联性.但是优化过程中为了提高协调效果，可以对非关键交叉口非协调相位设定较高的饱和度实用限值xp(0.9)[7]，将多余绿灯时间(交叉口按照等饱和度分配的绿灯时间减去非协调相位饱和度0.9对应的绿灯时间)分配给公交相位.无公交优先申请时，各交叉口绿信比仍按照等饱和度分配.

(3)

式中：gi为相位i绿灯时间；yi为相位i关键流量比.

2.3 相位差的确定

相邻两交叉路口绿灯起始时刻之差，称为绿灯起步时差或相位差.本文采用数解法优化相位差和绿波带宽度[8].

3 公交优先控制

3.1 控制总流程

公交车辆检测器检测到公交车辆有优先请求，判断该请求处于哪一相位，如果公交车辆在公交相位绿灯期间到达停车线，则信号配时不变，若否，则采取绿灯延长策略；如果优先请求相位处于下一相位，预测公交车到达停车线是否为绿灯，若是，则信号配时不变，若否，则采取红灯早断策略.干线信号协调控制下的公交优先控制流程图如图1所示.

3.2 绿灯延长策略

绿灯延长控制策略流程图如图2所示：公交申请处于绿灯延长控制模块时，判断公交优先所需延长时间是否大于公交相位所能提供的最大绿灯时间，若是，则确定相位所需延长时间及后续相位压缩后的绿灯时间，若否，则保持信号配时不变.

图2 绿灯延长控制流程图

3.3 绿灯提前启亮策略

绿灯提前启亮控制策略流程图如图3所示.

图3 绿灯提前启亮流程图

4 仿真验证

为了验证干线公交优先协调控制算法的效益，本文采用Transmodeler软件对该算法进行模拟验证.为使仿真输出结果具有科学性与可行性，需要对仿真参数进行标定[9]，标定参数主要是车辆停留时间和车头时距及车辆行驶速度.

4.1 仿真环境

以张店区世纪路为例，选取世纪路—新村西路、世纪路—共青团路、世纪路—人民西路、世纪路—华光路、世纪路—联通路5个交叉口，调查各交叉口流量为模拟提供基础数据，5个交叉口间距分别为620m、610m、840m、820m，图4为干线交叉口基本机构图.

图4 干线交叉口基本机构图

世纪路方向为协调方向，给予该向公交车辆信号优先，公交车检测器布设在停车线前80m处，Transmodeler中各个车道饱和流率为2 000pcu/h，与世纪路实测交通状况基本一致，相位绿灯损失时间为4s，公交车均载客25人，小汽车载客1.5人，公交车对标准小汽车的转换系数为3，现状交叉口基础流量数据见表1和表2.

4.2 仿真方案

为对干线公交优先控制算法进行验证分析，在Transmodeler中仿真无公交优先的干线信号协调控制和干线公交优先协调控制两种仿真环境.

4.3 仿真结果分析

通过对Transmodeler输出的评价指标进行统计，获得无公交信号优先协调控制和干线公交优先信号协调控制协调相位的车均延误、人均延误、干线车均延误、人均延误指标，见表3和表4.

表1 现状交叉口公交车流量

表2 现状交叉口公交车流量

表3 无公交信号优先控制下干线评价指标统计表

表4 干线公交优先信号协调控制评价指标统计表

对比分析表3和表4，得采取公交优先策略后干线获益表，见表5.

表5 干线公交优先效益评价

采用t检验方法验证两种控制策略的效益是否存在显著差异.在显著性水平α=0.05下，分别对每个交叉口基于公交车优先的干线公交优先与无优先时的控制效益进行验证.对每种场景仿真10次，查表t0.05(18)=1.734 1.详细对比结果如下：

(1)通过表5可以看出实施干线公交优先后,协调相位公交车辆延误和人均延误都有了大幅的降低.如世纪路与新村西路交叉口，公交车均延误从76.5降低到60.5，降低幅度为20.9%，人均延误从53.9降低到44.9，降低幅度为16.71%.

(2)实施公交优先控制策略总体人均延误有一定程度的降低.如世纪路与新村西路交叉口，实施干线公交优先后，干线总体车均延误从16.3s增加到16.6s，提高幅度1.91%，基本不变；但是人均延误从15.8降低到14.1，降低幅度11.04%.

5 结束语

论文在干线信号协调控制的基础上，采用主动公交优先信号控制策略绿灯延长和红灯早段为公交车辆提供信号优先，仿真结果表明，该控制算法能有效降低干线人均延误和公交车辆延误.文中的模型假设路段设置了公交专用道,并延伸到交叉口停车线，无公交专用道条件下的公交信号优先有待于进一步研究.

[1]Furth P G, Muller T H J. Conditional bus priority intersection: better service quality with less traffic disruption[J]. Transportation Research Board：Journal of the Transportation Research Board, 2000,1731:23-30.

[2]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:alethodological, 2002,36(4):325-343.

[3]刘腾飞.协调控制下公交优先控制方法的研究[D].大连：大连理工大学,2009.

[4]梁乙朝.公交信号优先技术助力北京公共交通发展[J].公路交通科技，2011,28(7):26-30.

[5]王彬,刘新,李月高,等.一种基于干线协调的公交信号优先方法及其验证分析[J].公路交通科技,2011,28(增刊):36-39.

[6]周商吾.交通工程[M].上海：同济大学出版社，1987.

[7]李凤.公交信号优先协调控制理论与方法研究[D].长春：吉林大学，2009.

[8]谢纪祥.城市干线道路信号协调优化控制研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[9]杨慧,成卫,肖海成,等.基于Transmodeler的拥堵区域交通流量调控方法研究[J].科学技术与工程,2011(3):1 746-1 750.