面向协同控制的城市有轨电车交通组织技术探讨

徐 波，王 波，周 侃

(深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029)

0 引言

随着城市交通领域对倡导公交都市战略的重视日益加大，丰富城市公共交通服务层级、提供多元化的公共工具载体，是当前国内城市在提升公交吸引力、扼制私家车迅猛增长的手段之一。现代有轨具有传统有轨电车、无轨电车所不具备的节能、舒适、美观、运力大等技术优势。特别是当前我国城市化发展水平不平均，城市财力水平差异较大，并且目前国家行政审批层面对现行轨道交通建设审批程序制约，部分具有轨道交通客流规模的城市陆续采取现代有轨电车作为城市大中运量公共交通工具制式首选。当前国内现代有轨电车进入高频率立项建设阶段，成为当下公共交通建设领域的热门制式。

国内具有有轨电车的城市寥寥可数，其中北京、上海、哈尔滨等城市在上世纪80年代先后取消了有轨电车；仅有鞍山、长春、大连的老城区等城市继续利用传统有轨电车，而这些城市的有轨电车线路多集中于殖民时期的城市街区，其发展经验同当下国内城市化发展特征截然不同，不具备复制推广的条件。

而国内目前已经建成的沈阳有轨电车、天津滨海新区有轨电车等首期试验性线路，均在试点运行阶段出现过客流贫瘠、组织混乱、运行脱轨等。目前存在现代有轨电车立项研究阶段对路网整体通行能力评估判断不足、路径走廊研究视角相对片面、断面布局不合理、缺乏针对有轨电车途径路口节点的信号设计、渠化改造等微观实现措施，在真正试验运行期间，表现出缺乏对区域整体交通组织优化的协同；深圳市龙华线有轨电车试验线的前期规划设计中，也对其能否适应现有城市路网体系及交通组织管制模式引起较大质疑。应该说当前发展现代有轨电车对于中国当下的城市公共交通进程而言是一种跳跃式发展，发展城市有轨电车还面临相当大的挑战。因此，有必要解析国外有轨电车发展经验，总结其发展过程中沉淀的协同优化经验，来指导中国当前城市公共交通领域如何正确、合理的建设现代有轨电车。

1 国外有轨电车发展经验

1.1 国外有轨电车发展路径

对于国外有轨电车发展历程，通常的理解认知是“诞生-发展-退出-复兴”[1]。即在19 世纪末率先在欧洲发达国家发展传统有轨电车；在20 世纪中期随着汽车工业的迅速发展后有轨电车退出舞台；在20 世纪70～80年代，有轨电车新技术取得发展后，现代有轨电车得到复兴。而对现代有轨电车和传统有轨电车的对比也更多关注外观、景观、运能、能耗、设计细节、走廊布置等。但是从有轨电车与城市、城市路网体系关系的角度，可以得出另一种发展历程路径：“早期畜力轨道-火车动力城市有轨-有轨电车城市-小汽车与有轨电车共存城市-有轨电车复兴城市”。即：

第一阶段，西欧国家工业革命之前的城市就已经有畜力动力的公交系统，城市路网肌理的传承之中就有有轨电车轨道的渊源。

第二阶段，工业革命后，火车动力的城市有轨公交系统进一步带动了城市的发展。这阶段城市发育形成多依赖于火车制式的有轨系统，联系就业与居住之间的职住往来，城市也多形成了带型城市的发展格局。马塔的带形城市理论核心，就是依托城市的铁路有轨系统。

第三阶段，电力动力有轨电车出现，为城市内部有轨电车线路由带型向网状延伸、提供更为宽阔的服务腹地提供可能，城市空间骨架及路网体系也是围绕有轨电车网络逐步发育。

第四阶段，二战后汽车工业的迅速发展，小汽车不仅进入家庭而且对传统有轨电车构成很大冲击，但此阶段欧洲城市的城市更新及新城建设运动，并没有忽视有轨电车对城市交通的贡献。例如老城与新城之间的联络，往往采取兼顾的手段，即小汽车依赖的快速通道与轨道交通同步配置。在欧洲城市的老城区，有轨电车并未退出城市公共交通舞台，而这一点一直是通常有轨电车发展认识的误区。

第五阶段，进入千禧年后，有轨电车新技术取得了很大发展，在原有的有轨电车交通组织、客流走廊基础之上，现代有轨电车制造技术提升。有轨电车凭借其深入城市核心腹地的线网载体，比照小汽车具有同样的舒适度，进一步增强了其作为城市公共交通主体方式的竞争优势，迅速赢得市民的信赖，有轨电车成为欧洲部分城市竞争力复兴的主要手段。

欧洲有轨电车发展历程示意见图1。

图1 欧洲有轨电车发展历程示意

1.2 国外有轨电车发展经验

（1）机动车主动适应有轨电车，寻求城市空间上的差异分工

从国外城市发展经验来看，城市机动化交通发展晚于城市有轨电车，这与目前国内的发展特征截然不同。机动车与有轨电车在城市交通出行服务中尽量采取空间差异化分工。郊区地区不限制机动车发展；城市组团间联系提供机动车走廊和轨道方式的双重选择；城市核心区则通过拥挤收费、限行手段等抑制小汽车出行。从空间上的差异分工来减少二者对空间资源的争夺，并力求引导机动车交通去适应有轨电车系统而不是强化某一交通方式的绝对路权。

（2）构建适宜有轨电车运行的路网体系

国外有轨电车发展路径来看，欧洲城市路网体系本身是依托城市有轨电车网络逐步发育，早期街坊形态的发育形成基本依托有轨电车线路形成，进而为有轨电车客源与线路之间的良好衔接创造条件，因而其路网体系具有对有轨电车的良好适宜性。同时，早期城市的空间尺度、建筑体量也造就了欧洲城市的高密度路网、小尺度街区空间形态。调研数据表明，有轨电车途径沿线通常采取150 m ×150 m 左右间隔布置路网，整体路网密度12～15 km/km2；站点核心区路网密度18～25 km/km2。这样的路网密度配备，既便于区域机动车分流组织，也方便有轨电车与其他交通方式协同组织。

（3）多重协同的交通组织方案

纵观国外几个成功运作有轨电车的城市，有轨电车交通组织手段灵活、多样。既有区域的交通分流措施，也有中观层面的走廊通道资源合理调配，也有微观层面的路口渠化改造及运行环节的信号优先等等。

（4）持续保证有轨电车的竞争优势

早期有轨电车依托职住之间最短路径的通勤服务，赢得城市居民信赖选择；中期有轨电车依赖最小步行换乘优势，拓展其服务腹地；现代有轨电车则继续借助其网络优势，自身提升工具的舒适度和细节，并享受城市财政补贴。有轨电车发展过程中，其竞争优势再不断加强。而部分城市则挖掘有轨电车的公交文化，来赢得市民对其的认同、归属，如香港、新奥尔良等。

（5）与慢行交通一同构成安宁社区的载体

匹配其城市功能定位的慢节奏文化内涵，国外有轨电车并非刻意强化其大运力、快速化。相反在城市核心商圈，其运行速度往往介于20～30 km/h。与高密度、小尺度的步行网络，一同构成城市内部的“公交+慢行”交通网络，兼有旅游公交的功能。高密度站点、低速运行，不仅仅提升站点覆盖水平，也避免了城市交通带给老城区的道路扩建、拆迁等负面影响。

1.3 国外有轨电车建设经验的核心内涵

挖掘国外有轨电车发展历程及持续竞争优势经验来看，长期公交扶住政策的一贯性是其得以保持持续竞争力的核心要素。但总结国外有轨电车发展经验不难发现，有轨电车规划建设中采取的协同并举手段最为值得借鉴。无论既有有轨电车系统还是新增有轨电车线路，成功运作实施的核心往往是采取协同控制的理念，从“点、线、面”层层创造有轨电车的运行优势。

协同控制的手段体现在两个方面目标，一方面是协同城市发展的目标定位。有轨电车的功能定位及与城市的空间属性不得偏离。支撑新城开发与提升老城区公交服务质量的有轨电车系统，其功能定位的不同决定了其交通服务属性及建设模式、标准；另一方面是有轨电车各层次建设手法之间的协同。概括来说就是有轨电车建设首先在城市交通发展战略层面应有清晰明确的发展定位；其次网络规划层面则应有区域性的交通分流措施；第三中观层面有轨电车走廊、路权应合理设置；最后微观实现则依赖具体精细的渠化、信号等综合设计。

2 深圳有轨电车发展面临的挑战

2.1 公交设施空间重构

深圳首次提出现代有轨电车方式起于2009年新一轮特区内外交通一体化交通规划研究阶段，正式定性为城市公共交通组成之一是2011年全市公共交通规划——《公交都市发展战略》。因此，从深圳的交通系统建设过程来看，城市中运量交通体系乃至细化到现代有轨电车制式方面，均未在以往的道路交通规划中给予预留。因此，从空间走廊的规划控制而言，需在现有的道路红线规划基础上，重构以现代有轨电车为特征的中运量交通走廊断面。因此，现代有轨电车选线需对需求走廊沿线的现有干道进行重新规划布置。

2.2 路网体系关系的冲突性

深圳市路网体系是国内城市中完全按照规划建设的路网格局的样板。全市道路网络分为“快、主、次、支”分级，主干路密度较高且通达性强、次支路密度相对较低且连续性弱，见图2。

图2 深圳路网体系级配关系及通达性概念图

根据对现代有轨电车运行性能及客流需求分析来看，现代有轨电车理想运行车速介于20～40 km/h，恰好是城市路网体系中次支路网最为适合的车速水平[2][3]，且次支路两侧人流较为密集，有利于有轨电车客流培育。但次支路网的不连续性特点，从客观上制约有轨电车选线，见图3。

图3 道路等级与有轨电车车速关系

2.3 功能定位决定有轨电车缺乏核心竞争优势

深圳市公交都市发展目标为“轨道交通为骨架、常规公交为网络、出租车为补充、慢行交通为延伸的多元模式体系”。而有轨电车作为远期轨道交通的补充，其作用主要是轨道服务盲区的快速公交及轨道枢纽间的中运量衔接接驳。按此功能定位，全市有轨电车基本是以支线形式存在，不具备网络优势。因而在网内换乘、网络通达及车速服务上，受功能定位制约，竞争优势和吸引力大打折扣！

2.4 城市高机动化带来的分流压力

目前全市机动车保有量已接近300 万大关。城市组团间联系及对外交通联系中，小汽车出行比例居高不下且出行习惯近期难以转变。而城市内部中长距离交通出行中，受制城市机动车迅猛增长，各城市境界线交通运行趋于饱和，干线公交大巴列车化现象较为频繁。再此交通运行态势背景下，发展对路权要求较高的现代有轨电车，势必占用已经紧张的道路交通用地资源。保证机动车通行水平和倾斜公交建设的博弈关系错综复杂，城市交通分流形势十分严峻。

3 有轨电车交通协同组织方法

3.1 有轨电车运行效率的影响因素

有轨电车不像城市地铁等轨道交通具有独立封闭的运行空间，在有轨电车的运行过程中，需要与其他道路交通方式竞争有限的道路时空资源，从而导致影响有轨电车运行效率的因素繁多，主要可以分为车辆性能、道路条件、交通条件及运营管理四大类。

车辆性能：有轨电车的加速度、减速度、最高速度、爬坡能力等。

道路条件：道路线形条件、横断面形式、交叉口间距、设计速度等。

交通条件：交叉口的流量流向、路段交通交通量及通行能力等。

运营管理：站点间距、站点的上下客时间、路权模式、行驶速度、交叉口信号控制参数、控制策略等。

3.2 横断面形式的选择

有轨电车路线布置方式可以分为路中式和路侧式，其中路侧式有可进一步分为双向同侧式和双向异侧式。

（1）路中式：一般利用道路现有的中央分隔带空间，将有轨电车布置于道路中间，见图4。

图4 路中式横断面（单位：m）

（1）双向同侧式：一般利用道路机非分隔带或者道路两侧的绿化空间，将有轨电车上下行线路布置于道路一侧，见图5。

图5 双向同侧式横断面（单位：m）

（1）双向异侧式：一般利用道路机非分隔带或者道路两侧的绿化空间，将有轨电车上下行线路分别布置于道路两侧，见图6。

图6 双向异侧式横断面（单位：m）

不同类型的横断面对比分析见表1。

表1 不同类型横断面对比分析

从表1 可以看出路中式是有轨电车首选的横断面布置形式，其适用范围广，不仅适用于快速路，还可利用干线道路的中央分隔布设车道，对道路日后的扩容的改造影响较小，也有利于客流的交通组织，方便道路两侧的行人上下车。路侧式布置方式适用于道路一侧是空地或山丘等情况。

3.3 站点位置的选择

城市平面交叉口周边的开发强度往往高于其它地区，交叉口内人流、车流高度聚集，为了增大有轨电车的客流吸引强度，有轨电车的站点往往设置在交叉口区间内，常见的形式可以分为在进口道位置设站和在出口道位置设站，见图7。

图7 有轨电车站点布置形式

在无有轨电车优先信号的前提下，采用进口道设站时，有轨电车车辆只需经历一次由减速到停车再到加速启动的过程，可以降低有轨电车的行程延误；但在交叉口进口道已经拓宽的基础上，有轨电车站台仍需进一步拓宽进口道，造成进口道拓宽面积较大，且与出口道形成错位，不利于交叉口内机动车的行驶；且由于乘落客流量规模不可控易诱发加大有轨电车停车延误。

当采用出口道设站时，有轨电车车辆可能需经历两次由减速到停车再到加速启动的过程，增加了有轨电车的行程延误，但采用此种设站方式，可避免路口拓宽面积过大、错位车道及与下车乘客相互干扰的弊端。

综合上述分析，在进行车站设置时，可优先考虑有轨电车信号优先条件下在出口道设站。

3.4 平面交叉口有轨电车交通组织方法

平面交叉口是有轨电车与道路机动车相互影响最为突出的节点，两类不同的车辆相互争夺路口通行的时空资源。在平面交叉口内，按照机动车与有轨电车之间的影响关系，可以将机动车流分为冲突机动车流和非冲突机动车流，见图8。平面交叉口有轨电车交通组织的关键就在于如何选取适当的信号控制策略在时间和空间上解决冲突机动车流与有轨电车之间的冲突。

图8 有轨电车与机动车流的关系示意

单个交叉口信号控制策略可以分为混合控制、相对优先控制及绝对优先控制。

混合控制是指不单独考虑有轨电车的通行，有轨电车通行信号与非冲突的机动车流共相位，这种控制策略的关键点在于使有轨电车加入后的相位设计方案尽量吻合原有的相位方案。采用混合控制策略，可以充分减少有轨电车对机动车运行的干扰，最大的不足在于有轨电车的停车等候时间受交叉口信号周期及所在相位的绿性比控制，往往出现等候时间偏长。在这种控制策略下，有轨电车的期望运行速度难以保证。

混合控制策略下有轨电车在交叉口的平均等待时间可以由下列公式计算。

相对优先控制策略是指对有轨电车进行倾斜性的信号分配，提高有轨电车在交叉口的通行效率，确保有轨电车的优先通行权。当有轨电车检测器检测到有轨电车到达交叉时，通过缩短与有轨电车相冲突的机动车通行绿灯时间，使信号相位尽早跳转到有轨电车通行相位，从而达到减少有轨电车等待时间，提高其通行权的目的。常用的相对优先控制策略有插入相位、绿灯延长及红灯早启三种方式，见表2。

绝对优先是指当检测器检测到有轨电车快要到达交叉口时，判断此时的信号相位是否为与有轨电车非冲突机动车流的通行相位，如若是则进一步判断相位的剩余绿灯时间能否保证有轨电车的顺利通过，如果不能则延长本相位的绿灯时间，直至有轨电车通过交叉口为止；如果此时的信号相位不是与有轨电车非冲突机动车流的通行相位，立刻执行相位的切换，将有轨电车通行信号转换为绿灯，有轨电车无需在交叉口等待，直接可通过交叉口，非有轨电车通行信号向有轨电车通行信号过渡的时间段内，有轨电车控制信号可显示红灯闪烁信号，提示有轨电车司机即将放行绿灯，控制车速，减少有轨电车停车次数。

表2 典型相对优先控制策略[4]

信号优先控制策略的实施虽然可以有效减少有轨电车行程延误，但由于有轨电车信号占用了机动车的有效绿灯时间，必然会增加机动车的通行延误，降低交叉口的机动车服务水平[5][6]。

引入冲突相位交通流量比率的概念，即交叉口中所有与有轨电车相冲突相位的实际交通量总和与冲突相位饱和流率总和的比值。通过VISSIM 仿真分析得到插入相位控制策略实施情况下，冲突相位交通流量比率与冲突相位信控延误的关系，见图9。从图9中可以看出，当采用插入相位先控制策略时，与有轨电车通行相冲突相位的交通流量比率达到0.62 时，有轨电车的通行会对交叉口机动车的运行造成显著影响（服务水平由D 级降至E级）。

图9 有轨电车与机动车流的关系示意

由上述仿真分析结果可以看出，当交叉口饱和度达到一定阈值后，有轨电车信号优先控制策略实施，必然会对机动车通行造成显著影响，此时必须考虑采取相应的措施如变左转为直行减少信号相位数量，区域路网分流等，见图10，从而降低交叉口现有的饱和度，保证有轨电车通行效率和机动车延误均在可接受的范围之内。

图10 信号优先策略下饱和交叉口协同组织方法示意

3.5 有轨电车沿线站点合理间距

受交叉口群及站点的影响，电车的实际行驶过程是由一系列的加速过程、匀速行驶过程及减速过程组成的，假设有轨电车的加速过程为匀加速过程，减速过程为匀减速过程，车辆由静止到运动再到静止的过程见图11。

图11 有轨电车行驶过程示意

在绝对优先控制策略下，交叉口不会对有轨电车的行驶造成影响，此时影响有轨电车行程车速的主要因素为站点间距，依据有轨电车行驶的基本假设，可以推导出绝对优先控制策略下有轨电车行程车速的可由式(1)～式(6)计算。

式中：t1——有轨电车匀加速时间，s；

t2——有轨电车匀减速时间，s；

t3——有轨电车匀速行驶时间，s；

tw——有轨电车上下客时间，s；

s1——有轨电车匀加速行驶的距离，m；

s2——有轨电车匀减速行驶的距离，m；

L——站台间距，m；

v——有轨电车匀速行驶时的速度，km/h；

aadd——有轨电车加速度，m/s2；

aphus——有轨电车减速度，m/s2；

vt——有轨电车行程速度，km/h。

由上述公式可得到在绝对优先控制策略下站点间距与行程车速的关系见图12，从图12 中可以看出，随着站点间距的增大，有轨电车的行程车速也在逐步增加，不同行程车速要求的最小站点间距见表3。

图12 交叉口间距与行程车速的关系

表3 相对优先控制策略汇总

从表3 中的数据可以看出，为了使有轨电车达到预期的行程车速目标，对路线站点有最小间距的要求，而在现有的有轨电车线网规划、路线设计中，忽略了站点间距对行程车速的影响，路线走向、站点的分布往往是依据客流需求情况确定。致使站点过密，制约了有轨电车整体运行效率的发挥。

4 结语

现代有轨电车以其优美而现代感的外观、中运量的运能、环保节能的优势，正逐步成为我国各大中城市的交通新宠儿。然而对于已经极其错综复杂的城市交通系统，如何科学、合理的引入现代有轨电车系统是大家都应该首先深思的问题。论文借助深圳开始修建现代有轨电车的契机，在总结国内外相关发展经验的基础上，针对深圳发展有轨电车面临的挑战，抓住协同控制的理念，初步探讨了有轨电车交通组织方法，以期为日后开展相关研究抛砖引玉。

[1] 丁强.现代有轨电车交通概述[J].都市快轨交通,2013,26(6):107-111.

[2] 徐成永.现代有轨电车的适应性研究[J].都市快轨交通,2013,26(6):112-115.

[3] 覃矞,戴子文,陈振武.现代有轨电车线路规划初探[J].都市快轨交通,2013,26(2):42-45.

[4] 马万经,杨晓光.单点公交优先感应控制策略效益分析与仿真验证[J].系统仿真学报,2008,20(12):3309-3313.

[5] 张卫华,陆化普.公交优先的预信号控制交叉口车辆延误分析[J].中国公路学报,2005,18(4):78-82.

[6] 刘广萍,翟润平.信号交叉口进口道延误模型[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(4):609-612.