快速公交预感应信号优先协调控制策略

孙　刚，杨　敏，顾　惠（.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 0804；.东南大学 交通学院，南京 0096；.东南大学 建筑学院，南京 0096）

快速公交预感应信号优先协调控制策略

孙刚1，杨敏2，顾惠3
（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.东南大学 交通学院，南京 210096；3.东南大学 建筑学院，南京 210096）

提出了一种考虑交叉口协调控制的预感应公交信号优先策略，包括两个部分：信号配时优化和协调控制。假设公交车行驶时间已知的情况下，该策略通过按绿信比分配理想时间差和基于公交车站点时空距离转换的改进数解法来实现交叉口的配时优化和协调控制。为了获得该策略的实施效果，以常州市通江南路两相邻交叉口的单个方向为例，设计了四种信号控制情景（无优先、传统优先、预感应优先和预感应协调优先），并利用微观仿真软件VISSIM进行仿真分析。结果表明，四种情景中预感应协调优先策略大大减小了公交在交叉口的延误，提升了公交服务的可靠性，并且对社会车流的干扰最小。

快速公交；预感应信号优先；协调控制；信号配时；微观仿真

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

快速公交系统（Bus Rapid Transit，简称BRT）已经在拉美、北美、欧洲和亚洲等地区的众多城市得到了广泛应用[1]。与传统公交系统相比，BRT的先进交通设施（如公交专用道）减少了混行交通对公交车的干扰。但国内外许多BRT系统运营结果表明，公交车交叉口延误占公交线路总延误的50%左右[2-3]，因此公交信号优先措施对提高BRT系统运行效率至关重要。

现有BRT系统的公交信号优先控制策略以传统的主动信号优先为主，主要包括绿灯延长、红灯早断、相位插入、相位分离、排队跳跃等[4]。但传统信号优先由于公交相位长度调整有限且变化幅度大，使得公交优先力度不够且对其他交通方式造成很大干扰。针对上述不足，Head等人提出了“预测式”公交信号优先控制策略，该方法延长了公交车到达检测器的设置距离，并按比例调整实际与理想到达时间差，这样不仅实现了公交优先同时也减少了对社会车辆的影响[5]。Wadjas等人将“预测式”优先控制策略应用于多伦多一条有轨电车信号优先控制中，结果表明该方法大大减小了电车交叉口延误[6-7]。但“预测式”优先控制策略以单个交叉口为对象，破坏了交叉口间的协调控制。Ekeila等人提出了一种基于实时的道路交通流特征和公交状况的动态公交信号优先控制策略，该方法组合多种优先控制策略，并补偿信号损失来保证交叉口间的协调控制，并利用微观仿真软件验证了该方法的优越性[8]。国内快速公交系统信号优先控制的研究主要集中于单个交叉口，尽管考虑了公交动态性和对社会车辆的干扰，但忽略了交叉口间协调控制[9-11]。

综上，传统BRT主动公交信号优先控制策略的相位调整空间有限且变化幅度大，严重干扰了其他交通方式的正常通行，而自适应控制策略只考虑单个交叉口或协调控制只能服务于社会车流。为了克服上述不足，本文提出了预感应信号优先协调控制策略，并以江苏省常州市通江南路两相邻交叉口为例，利用Vissim进行微观仿真，评价其实施效果。

1　预感应信号优先协调控制策略

考虑主次要交叉口协调控制的预感应信号优先控制策略技术流程如图1所示，包括信号配时优化和协调控制两个部分。其中，信号配时优化包括主次要交叉口信号配时和绿时差的同步调整方法及信号周期约束条件；协调控制包括基于公交绿波的改进数解法。

图1　预感应信号优先协调控制策略技术流程图

该策略中只有主要交叉口前设置公交检测器（到达检测器设置在进口道停车线前1~2个周期时长的行驶距离处，离开检测器设置在停车线处），只有当离开检测器检测到公交车时，到达检测器才能被激活（除路段第一辆公交车外）继续接受公交优先申请。当前一辆公交车通过交叉口且无公交优先申请时，交叉口的信号配时在下个周期恢复初始设置，直至到达检测器再次检测到公交车辆到达。

1.1信号配时方案调整

1.1.1主要周期长度调整

主要周期是主要交叉口的信号周期，也是协调控制交叉口的公共周期。其调整方法包括信号相位长度延伸和压缩两种，调整过程如图2（a）和图2（b）所示。公交车的理想到达时刻为公交服务相位绿灯时间初5s，这样既能满足当前申请公交车的优先通行，同时为后续公交车提供更宽的绿灯通过间隔。理想时差ΔT（ΔText和ΔTcom分别表示相位延伸和压缩方式的理想时差）是公交车预计到达目标交叉口时刻与理想到达时刻之差，可调整周期数N为公交检测路段行驶时间预测值T与周期长度C的比值取整（延伸：N＝Mod(T/C)或压缩：Mod(T/C)+1）。

图2　 相位调整方法

1.1.2信号周期约束条件

本文考虑的信号周期约束条件包括两个方面：①为使各相位的车流不发生排队溢出，相位绿灯时间得到充分利用，交叉口信号周期长度需满足最大周期长度约束，具体参考《城市道路交通设计指南》[12]；②在保持交叉口间公交车流协调控制的基础上，公交车速能处于某一较快的速度区间内，既保证了公交车在交叉口间运行的高效和顺畅，同时较快的带速也能一定程度上服务于社会车流。交叉口间的协调控制约束条件为：式中：C为交叉口协调控制的公共周期值；s为理想信号位置间距值；v1和v2为公交车系统带速区间的上限和下限。

1.2交叉口协调控制

本文交叉口间的协调控制方式以传统的干线协调控制策略为基础[13]，所不同的是绿时差的计算采用改进的数解法。改进数解法考虑了公交车与社会车流在交叉口间路段行驶的差异（公交车需要进出站及停靠上下客），因此将公交车在站点的停靠延误t（进出站延误和停靠时间的和）转换为路段的空间距离s，路段修正空间距离L即为交叉口间的实际距离l与站点停靠延误的时空转换距离s的和，如图3所示。根据修正后的路段空间距离L，采用数解法重新计算交叉口间的绿时差百分比，并根据实时的主要周期时长调整交叉口间协调控制的绿时差。

图3　公交站点停靠延误的空间距离转换

2　微观仿真情景

为了验证预感应信号优先协调控制策略的实施效果，本文设计了3种对照信号控制模式，包括无信号优先模式、传统信号优先模式和预感应信号优先模式。

（1）无信号优先模式：交叉口没有采用公交信号优先控制措施，是大多数BRT系统的交叉口现状控制模式。

（2）传统信号优先模式：传统公交信号优先控制算法由检测系统和决策方案选择两部分组成。检测系统的检测器设置在目标交叉口停车线前50m处；决策方案包括绿灯延长和红灯早段，当检测器检测到公交到达时，若信号灯为绿灯，则采用绿灯延长方法，否则采用红灯早段方法。

（3）预感应信号优先模式：相比于传统优先算法，预感应信号优先方法增加了检测器的检测距离，并根据相位调整幅度最小规则选择最优决策方案（绿灯延长和红灯早段）和按比例调整信号相位长度，但该方法只针对单独交叉口使用，交叉口信号控制相互独立。

本文采用微观仿真软件VISSIM进行模拟仿真，但由于VISSIM中信号控制方式为静态固定式，因此利用Visual Basic（VB）2010编程与VIS⁃SIM的COM端口链接，在VISSIM中实现动态公交信号优先控制功能。由于VISSIM是一个基于驾驶行为的微观仿真软件，驾驶行驶模型参数的验证十分重要，本文参考了Berkhout关于中国驾驶行为模型参数校准的研究成果[14]，对VISSIM的驾驶行为的参数修正如表1所示。

表1　驾驶行为参数修正值

除此之外，根据前文对转换距离s的定义，VISSIM模型中的公交车站点停靠时间的设置至关重要，VISSIM中有两种停靠时间模型，选取正态分布模型进行仿真，模型的建立需要均值和标准差两个参数，这两个参数由具体的调查数据得到。

3　结果分析

3.1实例分析对象

本文实例分析对象为江苏省常州市中心城区南北向干道——通江南路的部分路段。该路段全程约1.8km，包括4个交叉口和2个公交站点，飞龙路-通江南路交叉口位于两条主干路交汇处，交通量大，因此作为主要交叉口，而锦绣路-通江南路交叉口为主干路与支路相交，作为次要交叉口，关河西路-通江南路交叉口至飞龙路-通江南路交叉口路段为检测路段，具体如图4所示。

VISSIM所需资料分为静态和动态数据两个部分，静态数据包括道路交通基础设施、交叉口渠化设计与公交线路配车等；动态数据包括道路交通流特征、公交站客流特征、信号配时数据和公交线路运营数据，道路交通流特征、公交站客流特征和交叉口信号配时数据由2012年12月某正常工作日的晚高峰（17：30—18：30）时段调查获得，公交线路运营数据由常州市公交公司提供。

图4　研究路段交叉口示意图

通过研究路段的BRT线路有3条，即B1、B16 和B19，公交发车频率累计约为15~20辆/h，三条线路的晚高峰断面小时客流量达2 567人次；晚高峰小时两个站点客流量约550人次和650人次。

3.2仿真结果

仿真结果评价分析包括公交评价和社会车流评价两个部分，公交评价指标分为公交车交叉口车均延误和公交站点公交车头时距一致性（某段时间内，某条公交线路到站时间间隔的标准差与该条线路平均到站时间间隔的比值），社会车流评价指标分为社会车流交叉口车均总延误和交叉口平均排队长度。

3.2.1公交评价

（1）交叉口延误

公交车交叉口车均延误见表2。表2显示与现状相比，传统优先模式下主要交叉口延误减少2.1s，但次要交叉口延误上升0.7s，这是由于主要和次要交叉口信号控制缺乏协同，且多条公交线路和高发车频率使得交叉口前优先申请冲突增多，导致延误增加。采用预感应信号优先策略，主要交叉口延误比传统优先下降12.3%，次要交叉口延误下降34.8%。这是由于预感应信号优先策略增加检测路段长度和按比例方法减少了相位调整幅度。考虑交叉口协调控制后，预感应协调控制方法表现更为出色，协调控制使得主要和次要交叉口延误进一步减少1.4s和6s。

表2　公交车交叉口车均延误

（2）车头时距一致性

飞龙路公交站车头时距一致性见表3。从表3可以看出，采用公交优先控制措施后，三条公交线路在公交站点的车头时距一致性均有不同程度的降低（到站间隔差异变小）。传统信号优先模式下，B16 和B19的车头时距一致性几乎没有变化，这表明传统信号优先在改善公交服务可靠性方面效果不明显。在预感应信号优先协调控制模式下，三条线路的车头时距一致性指标分别减少了现状的38.1%、40.7%和37.5%，这表明在该种控制方法下公交服务可靠性最高，这也呼应了公交交叉口延误指标。

表3　飞龙路公交站车头时距一致性

3.2.2社会车流评价

（1）交叉口延误

社会车流交叉口车均总延误见表4。表4反映出相比于现状，传统信号优先和预感应信号优先方式对于社会车流的影响较大，累计延误分别增加了34.1%和27.3%；而预感应协调控制方式的影响最小，延误仅增加了现状的9.2%，这是由于较快的公交带速与社会车流速度相近，使得部分社会车流受益于交叉口间的协调控制作用。

表4　社会车流交叉口车均总延误

（2）平均排队长度

交叉口信号周期的调整对不同方向社会车流排队长度的影响不同，因此本次研究分别观测了主次两个交叉口主要（南北向）和次要（东西向）两个方向上社会车流平均排队情况见图5。从图5（a）中可以看出，相比于传统优先模式，飞龙路交叉口预感应优先方法造成的交叉口主向排队长度增加了52%（其中主向直行排队长度占79%），这主要是由于预感应优先方式减小了主向直行相位时间，因此主向排队长度增加。从图5（b）中可以看出，飞龙路交叉口传统优先方法造成的次要方向排队长度增加了现状的1倍多，这是由于主向绿灯时间增加而使得次向红灯时间增加。相比而言，预感应控制和预感应信号协调措施对飞龙路交叉口的次要干道社会车流影响较小，且后者的影响更小。从图5（c）可以看出，传统优先方式和预感应信号优先方式的交叉口总平均排队长度分别增加了现状的48.0%和41.7%，而预感应协调控制方式的总排队长度仅增加了现状的16.4%，这表明协调控制对社会车流的影响更小。

图5　交叉口社会车流排队情况评价指标

综上所述，相比于现状和传统优先方法，预感应信号优先方式能够显著降低公交交叉口的延误和提高公交服务可靠性，在对社会车流的干扰方面也小于传统信号优先方式。而在考虑了交叉口间协调控制之后，预感应协调控制方法表现更为出色，不仅进一步减小了公交交叉口延误，同时对社会车流的干扰更小。

4　结论及展望

公交信号优先不仅关系到公交系统本身的服务可靠性和服务质量，同时也对交叉口系统的整体利益产生很大影响。本文提出的预感应信号优先协调控制策略通过按信号相位绿信比分配公交车到达目标交叉口的理想时间差和明确相位长度约束条件等手段减小信号相位调整幅度，并创新性地提出基于公交站点时空距离转换的改进数解法来实现交叉口间公交协调控制。常州市的实例微观仿真结果表明，在减小公交交叉口延误和提升公交服务可靠性方面，预感应信号优先协调控制均优于其他3种信号控制策略，而对社会车流的干扰最小。然而，本文还存在一些不足，需要在合理处理交叉口多个方向的公交优先申请方面做进一步的研究。

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Pre-Detective Signal Priority Coordination and Control Method for Bus Rapid Transit

SUN Gang1,YANG Min2,GU Hui3
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China; 3.School of Architecture,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A pre-detective signal priority method for Bus Rapid Transit(BRT)with coordination and control between intersections along the arterial was proposed,and two parts were included:signal optimi⁃zation and coordination control.As the bus travel time was known,the signal timing was optimized by ad⁃justing ideal signal lag in green ratio of each phase and coordinating the intersections by the improved numerical method to exchange the dwell time at bus stop to the distance in space.To examine the effect of this method,one direction of South Tongjiang Road in Changzhou,Jangsu,was experimented with the microscopic traffic simulator VISSIM,and four simulation scenarios were set:no signal priority,tradition⁃al signal priority,pre-detective signal priority and pre-detective signal priority with coordination.The results show that pre-detective signal priority with coordination has the best effect in the four scenarios for BRT,but the least negative effects of signal priority for social traffic.

Bus Rapid Transit;pre-detective signal priority;coordinated control;signal timing;mi⁃croscopic simulation

U491.2

A

2095-9931（2015）01-0059-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.011

2014-10-04