现代有轨电车交叉路口优先控制管理方法研究综述

王舒祺

(同济大学经济与管理学院，200092，上海∥本科生)

20世纪六、七十年代，现代有轨电车出现在布鲁塞尔、哥德堡等多个城市，柏林、巴黎和伦敦等城市也纷纷建设了新型有轨电车，将其作为地铁、轻轨的加密网络或郊区的延伸线路［1］。有许多文献研究了现代有轨电车的车辆特性和信号系统，对现代有轨电车在交叉路口的信号优先控制也有了相应的研究。

文献［2］系统地介绍了现代有轨电车的车辆演变过程及优势，对车辆的技术特性、结构配置、电气集成等进行了详细的阐述。文献［3］分析了传统有轨电车的缺陷，详细介绍了新型有轨电车系统，并对加拿大高级轻轨交通技术、法国波尔多有轨电车等进行了概述。文献［4］分析了现代有轨电车的特点，给出了现代有轨电车的行车安全控制方案，并通过计算和数据分析，针对现代有轨电车高效、廉价等特点，认为其信号系统采用站间闭塞行车间隔控制方案较为合理。文献［5］对现代有轨电车理念的总体特性、运行控制和行车调度系统进行了说明。文献［6－7］对城市轨道交通信号系统的分类、特点和系统组成进行了分析，详细地介绍了有轨电车信号系统的组成。文献［8］从保证系统车辆高效运行及适应未来ITS(智能交通系统)发展要求的角度出发，详细地介绍了车载电子系统的设计目标。

现代有轨电车的环保和高运量等优点使得大力发展有轨电车成为一种新的趋势，尤其是与其他车辆存在冲突时，为了确保有轨电车的高效运行，很有必要对其提供优先通行的权利。这种情况一般发生在交叉路口处。

1 优先控制的方法

结合不同的现代有轨电车系统构成和应用方式，可将现代有轨电车在交叉路口处的优先控制策略大体分为空间优先和时间优先两个方面。

空间优先是通过改变现代有轨电车在交叉路口进口道的几何设置，避免现代有轨电车与其他车辆的路权冲突，从而达到优先通行控制的目的。时间优先则体现在优先信号的控制上，对现代有轨电车提供优先通行的信号，从而保证其高效的运行。在空间优先方面，涉及到路权形式的选择、交叉路口的处理、车道的布设方式等［9］。而时间优先涉及到被动优先策略、主动优先策略和实时优先策略［10］。文献［9］中对现代有轨电车的优先控制从空间、时间上进行了分析。文献［11］中给出了现代有轨电车在交叉路口的时间优先控制策略，其总体思路见图1所示。

图1 现代有轨电车交叉路口优先控制策略思路图

2 空间优先

不同于道路公交车，现代有轨电车是在特定的轨道上行驶，在建设之初就对其路权、车道等进行了规划。所以，实际中的空间优先大部分是需要结合信号控制系统来实现。

2.1 路权的选择

现代有轨电车路权形式可以划分为三种:完全独立路权，半独立路权，混行路权。选择不同的路权形式依据于交叉路口的性质和有轨电车的优先级别［12］。

1)完全独立的路权，即有轨电车在路段上独享车道，在交叉路口路权立交化，以此来保证现代有轨电车在的高速、安全运行。目前，现代有轨电车线路中完全独立路权的路段很少，一旦采用，其系统制式就接近轻轨的水平。此外，完全独立路权适用于郊区线路和城市快速路。

2)半独立路权是目前应用最为普遍的，在路段中设置专用的路权，而在交叉路口处采用与道路平交的方式。这种路权形式是在路段上进行严格的隔离，而在交叉路口与其他交通方式混行，因此，需要在交叉路口给有轨电车优先通行的信号措施。

3)混行路权是指线路上除了现代有轨电车运行之外，其他交通方式也运行于现代有轨电车的车道之上。混行路权适用于线路上其他交通流量较小，沿线有道路公交运营且车站通行能力富足的情况下，在城市次干道、支路，以及商业密集的步行街附近应用得较多。

文献［13］指出，当现代有轨电车享有专用路权时，增加编组数量后其运能可以达到轻轨运能的下限;当客流量继续增加后，需要设置完整的信号系统来确保现代有轨电车的高效运行。文献［14］指出，当现代有轨电车享有专用路权、但与其它车道之间存在着平面交叉时，现代有轨电车在通过前方路口时也要受路口信号的控制，为了充分发挥现代有轨电车的快捷准点，有必要运用先进的信号控制系统进行现代有轨电车的优先通行控制。

2.2 车道限界

在交叉路口处，现代有轨电车的车道常常只有标线指示而无其他隔离措施，这就导致了其他车辆侵入，为了确保优先通行，就需要使得其他机动车不得侵入有轨电车的线路限界。采用的方法是对现代有轨电车的车道进行限宽处理，这样可减少干扰、确保优先通行。文献［9］中详细地介绍了车道限界的原则及效果。

2.3 车道布置

现代有轨电车线路敷设方式通常采用地面线。根据现代有轨电车的车辆技术参数要求，综合国内外建设经验，现代有轨电车在道路断面上的布置方式有三种:中央布置、单侧布置和两侧布置［12］。

中央布置的车道对有轨电车的通行干扰最小，同时也可以简化交叉路口的交通组织和信号控制。单侧布置将双线的有轨电车车道布置于道路的一侧，这样可以简化有轨电车的站台布设和道路改造，但却与同向机动车右转车流形成交织，使得交叉路口信号控制较难处理，也降低了交叉路口的部分通行能力。两侧布置的缺点最为明显，不仅干扰了两侧的出入车辆，而且增加了与机动车流的冲突点数，同时转弯半径小、运行不平顺，因此，一般情况下不被采用。文献［9］和文献［12］中对此有明确的介绍。

3 时间优先

现代有轨电车线路目前普遍以隔离线路+平交道口共享的半独立路权方式为主［9］，因此有必要对现代有轨电车在交叉路口的信号优先控制进行研究。

文献［7］中，将现代有轨电车的在交叉路口的系统控制模式分为绝对优先控制和相对优先控制，并指出具体设计时需结合有轨电车线路布置情况和路口性质进行分析。文献［11］中介绍了由某学者提出的两种现代有轨电车在交叉路口处主动优先的控制方法，即绝对优先控制(top－priority)和条件优先控制(semi－priority)。

结合目前的研究情况，现代有轨电车在交叉路口处的信号优先控制策略的运用大体分为三类［15］:①被动优先控制策略;②主动优先控制策略;③实时优先控制策略。其中主动优先控制策略又可细分为绝对优先控制和条件优先控制。在条件优先控制中，按照其策略和原则不同，可将其分为完全优先策略和部分优先策略。文献［16］重点研究了信号优先控制技术与检测技术的实际应用，总结了被动信号优先、主动信号优先和相位差信号优先(实时信号优先)三种优先方式，提出为保障公交信号优先系统的运行，应该逐步建立全面的公交优先的路面保障系统，包括道路与路口的渠化优先、专用道的使用权保障及交通信息发布诱导等。

3.1 被动优先控制策略

被动优先控制策略的思路是:交叉路口采用固定信号配时，在每个信号周期内增加专用的有轨电车信号相位，结合交叉路口的渠化管理，减少与社会车流的潜在冲突，以达到优先的控制目的。

被动优先控制策略不需设置车辆检测器，故成本较低。然而，并不是每个信号周期都有车辆通过，所以势必会浪费掉一些信号时间，从而造成交叉路口整体延误的增加。因此，理论上被动优先控制策略在一定程度上可以提高现代有轨电车的运营效率，但是一般情况下并不推荐采用。文献［17］利用TRANSYT－7F模型对被动优先在降低公交车辆的延误进行了研究，结果表明，被动优先并没有明显作用。然而，当现代有轨电车流量较大且运行状态稳定时，被动优先策略可以达到很好的控制效果。文献［18］研究了一种干线协调控制方法，利用被动优先和主动优先策略的对比研究，很好地说明了这一点。被动优先控制在国外研究得较少，主要是因为被动优先控制策略在有轨电车车流较小的情况下适应性较差。而对于车流量较大的城市，被动优先控制策略可以得到很好的发展［19］。文献［20］提出了被动优先中，列车联锁信号和靠近交叉点的信号处理方法，从现代有轨电车、汽车司机、行人、自行车人的角度，就不同被动优先信号控制进行了探讨。

3.2 主动优先控制策略

主动优先控制策略是指在交叉路口设置车辆检测器，通过检测现代有轨电车的位置确定是否给予其优先信号，其控制措施包括绿灯延长、红灯早断、相位插入等多种方法。根据其优先控制的条件可以分为绝对优先控制和条件优先控制。

3.2.1 绝对优先控制

在绝对优先控制中，当安装在交叉路口上游的入口检测器检测到有现代有轨电车到达时，交通信号控制器就会中断当前的信号相位，直接给予现代有轨电车的通过信号;当交叉路口下游的出口检测器检测到现代有轨电车已通过交叉路口后，再恢复原来的信号相位，其具体措施为包括绿灯延长和红灯早断。文献［21］对现代有轨电车在交叉路口的信号优先控制进行了相应的研究，提出了现代有轨电车交叉路口绝对优先控制方法，并对其它相位车流进行相位补偿。利用VISSIM软件对某市现代有轨电车线路进行了研究，结果显示，绝对优先控制方法对现代有轨电车的交通效益有很好的保证，但会对部分背景车流有一定的影响。文献［22］指出，在实际操作中，由优先权引起的在信号控制策略中的变化必须要限制在一定程度上，如果优先权引起的时段变化太过频繁，就需要在信号控制算法中加入另外的规则予以控制。

3.2.2 条件优先控制

考虑交叉路口的总体效益，决定是否给予优先通行权利。文献［9］对条件优先控制进行了分类，分为完全优先控制和部分优先控制，并对这两种控制进行了优先种类和优先方法的探讨，指出了各自的特点和适用范围。文献［23］论证了现代有轨电车在交叉路口信号优先的措施，研究了公交优先感应信号技术，而且对基于公交优先通行的交叉路口预信号设置方法进行了研究，并对完全优先控制和部分优先控制这两种信号控制方法的公交及社会车辆延误做了分析和探讨。文献［24］报导了在荷兰的Eindhoven实施了有条件优先控制方法，结果显示，在绝对优先条件下社会车辆延误成倍增长，但在有条件优先下却没有明显变化。文献［25］基于整个交叉路口的损失计算，分析了现代有轨电车离开靠近交叉路口的站台的方式，提出了一个依据特定的优先请求来选择优先模块的方法，论证了现代有轨电车受控离开的优势。

完全优先控制与绝对优先控制类似，这种控制策略中有两种基本的信号调整方式:早断和迟启。通过早断和迟启等手段调整信号相位，可以为绝大部分的现代有轨电车提供优先通行条件，同时对横向车流的影响较绝对优先控制策略减少［9］。因此，这种控制策略在国外轻轨及公共汽车的优先信号控制系统中被广泛采用。文献［26］研究了设置检测器条件下的公交优先信号配时设计，讨论了交叉路口实施公共汽车优先信号前后的效益对比，提出了系统最优的公交优先信号配时调整。文献［11］中指出采用多智能体的方法对现代有轨电车车队的车头时距进行监控与控制，当多智能体发现车队形成串车时，它将阻止串车现象的形成，并且在车队中保持一个合理的车头时距。与完全优先控制相结合，从而使得交叉路口的总体效益最大。

部分优先控制策略有选择地为现代有轨电车提供优先控制，解决了当电车较密时，完全优先控制中为现代有轨电车提供优先权而造成相位频繁调整，从而影响其他车流的运行问题。部分优先控制的选择标准大致分为4种［9］:① 对提前或准时进行的现代有轨电车不提供优先信号，仅对偏离时刻表的晚点现代有轨点车提供优先信号;②在高峰期为现代有轨电车提供优先信号，平时不提供优先信号;③只对载客量超过一定数量的现代有轨电车提供优先信号，例如乘客超过200人的现代有轨电车;④权衡现代有轨电车延误与机动车延误，确定是否为现代有轨电车提供优先信号。

部分优先控制策略比完全优先控制策略的适用范围更广。但实现该策略需要其他额外的信息，以确定何种车辆在交叉路口能得到优先通行权，因而使整体成本会有所增加。文献［14］介绍了PTIPS(公共交通信号和优先权控制)在上海浦东张江有轨电车的应用情况，指出公交信号优先以实现公共交通的绿波控制为目标，以动态优先策略为基点，在各种检测设备信息反馈的基础上，实现了单辆有轨电车的优先放行。

文献［27］提出了在交通线路中高峰方向的部分优先控制策略，分析了在什么情况下可以实施部分公交优先策略，以及在确保公交系统利益的最大化情况下什么时刻可以停止优先服务;另外，还定义了一个启发式算法来评价服务的可靠性。

3.3 实时优先控制策略

在实时控制系统中，信号配时是根据实时交通数据进行调整的。这种控制方法能实现交通效益的最优化，在对公交车辆优先控制的同时，能将对其他车辆运行的影响降到最低［28］。由于其控制机理较为复杂，对各个方面的技术要求都较高，受实现条件限制，因此实施起来相对困难。目前很多关于实时优先控制策略的研究集中于公交优先控制中，关于现代有轨电车的控制是可以借鉴这方面的成果。

文献［29］对自适应交通控制(adaptive signal control)策略进行应用研究，讨论了目标函数的确定。目标函数一般包括目标车辆、社会车辆延误费用和社会车辆停车费用。文献［30］描述了交叉路口自适应信号控制优先策略的实施，用VISSIM软件的仿真试验评估了自适应交通信号控制在交通信号优先条件下的性能。

文献［31］提出了一种基于规则的实时公交信号优先控制方法。文中的在线公交行程时间预测模型，确保了实时优先控制策略能够运用于交叉路口顺畅或拥堵的情况。该文分析了包括绿灯的延长和红灯的早断，以及排队清空6种不同组合的情况，来研究模型的适用性。文献［11］研究了现代有轨电车运行条件下的交叉路口信号控制基本参数的确定方法，同时也对现代有轨电车交叉路口单点在线优先控制和离线协调优先控制方法进行了研究。文献［9］研究了现代有轨电车的适用性，其中涉及到现代有轨电车在交叉路口处的优先控制策略分析。文献［32］研究了混合交通下公交信号实时优先模式。

4 综述分析

在我国乃至世界范围内，一方面，城市交通拥挤形势逐渐加剧，并呈现从特大城市、大城市向中等城市、小城市扩展的趋势;另一方面，随着经济的发展出行者对于出行时间、出行可靠性、出行品质等提出了更高的要求。尤其是在我国，如何更有效地发展大运量、高服务水平的公共交通方式，促进出行者从非机动出行和小汽车出行向公共交通出行转移，是尤为重要和突出的问题。现代有轨电车的运量大、造价低、灵活方便等优点使得其成为研究和实践的热点。处理好地面现代有轨电车在交叉路口处的优先通行问题，不但会带来很好的运营效率和经济效益，也是保证其吸引力的关键因素。本文就实际运用于现代有轨电车的交叉路口优先控制策略进行了总结和归类，对每种控制方式进行了说明和举例，以助于人们系统地了解现代有轨电车在交叉路口处的信号优先控制方法。通过上述总结分析可以看出，现代有轨电车的优先控制与管理应在以下诸方面展开更加深入的研究:

1)如何将现代有轨电车的优先管理控制与城市道路交通控制系统有机整合。现代有轨电车的空间优先并不是一个孤立的系统，任何一个优先控制策略的实施不但影响现代有轨电车的运行，也影响小汽车、非机动车、行人等的运行。尤其在干线协调控制系统中，不考虑社会车辆控制的信号优先会打断信号协调、显著影响社会车流的运行。因此，如何有机地整合现代有轨电车优先控制系统和社会车流的控制系统，并综合考虑二者的效益进行优先控制，在理论研究和实践运行方面，都需要更加深入的探索。

2)如何处理交叉路口多优先申请的问题。尤其是在我国，道路公交线网密集、流量大，交叉路口常常会出现有轨电车、常规道路公交车乃至快速公交车辆同时到达的情况。以往研究在处理多优先申请的问题时，大多采用先到先服务的规则。然而，实际中每个到达车辆的运行状态(准点、晚点等)、载客量等都不相同，尤其是在现代有轨电车存在的情况下，如何有效针对多申请的排序和控制问题进行研究，是一个迫切需要解决的关键理论问题。

3)如何协调现代有轨电车优先通行与站点设计及乘客过街的协调问题。为更方便地服务乘客，缩短乘车步行距离，现代有轨电车的车站常设置在交叉路口处。尤其是在交通拥挤的交叉路口处，如何协调利用空间资源，实现乘客上下站点和现代有轨电车优先通行的相互协调，也是一个非常值得深入研究的关键问题。

4)车路协同环境下的信号优先控制方法。在车路协同环境下，车辆和交通控制系统可以双向通信和相互协调。如何在新技术的支撑下综合考虑优先通行、可靠性、节能减排及乘客的舒适性等多方面的因素，发展新的优先控制方法与模型是值得探索的研究方向。

5)优先控制系统与现代有轨电车调度控制系统的协同问题。现代有轨电车在交叉路口处的优先控制除了与信号相位有关，还与其调度控制系统有关。如何实现在信息共享、策略协同等方面的综合考虑，无论在建模解析还是在实践应用方面，都是需要深入研究的问题。

5 结语

近年来，关于现代有轨电车优先控制的理论研究成果已在许多大城市中得到了应用。本文对其研究成果进行了深入分析和综合评价。总体而言，在这一领域已经取得了非常多的进展。但是，如何结合我国实际交通特征和需求，如何更有效地利用新技术，更充分地考虑相关影响因素以进行更高效的优先控制，仍需做更加深入的研究和探索。

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