基于共享相位的现代有轨电车信号优先控制仿真

丰 格 李 枫

(同济大学交通运输工程学院 上海 201804)

现代有轨电车既满足大城市对多层次公交体系的需求，又为中小城市轨道交通的发展提供了更经济、更合适的途径，以一种环境友好、经济可行的方式缓解城市交通压力。截至2016年底，我国开通运营现代有轨电车线路的城市增加至11个，共计17条线，全长235.6km[1]，有轨电车迎来快速发展时期。

Lee[2]通过模拟不同优先级的有轨电车优先运行场景，发现信号优先算法可有效减少交叉口的延误。目前我国对有轨电车平交口的信号优先控制研究和实践多集中于单条线路，且缺乏定量化的研究。在有轨电车发车密度不大的情况下，交叉口整体的通行效率不佳。有轨电车成网条件下与社会车辆在交叉口的交织更为复杂，通过探究合适的优先控制方案以提升交叉口的通行效率与安全性显得十分重要。

1 有轨电车优先信号控制

本文采用的主动优先可分为相对信号优先与绝对信号优先。相对信号优先是指当电车到达交叉口前，交通信号优先系统经过判断，采取绿灯延长、红灯早断等策略来减少有轨电车延误；绝对信号优先是指有轨电车到达交叉口时，信号即给予绿灯，直接通行[3]。

1.1 VisVAP感应控制模块

控制逻辑程序由VisVAP(vissim vehicle actuated programming)编译而成，并与CROSSIG计算而来的相位过渡文件一起加载到VISSIM中进行优先控制与相位转换[4]。感应控制仿真文件结构见图1。

图1 感应控制文件结构图

1.2 信号检测设备布局

进口道检测器的设置位置需兼顾安全与停车效率，计算见式(1)[5]。出口道的检测器设置需考虑列车长度，及时检测电车是否出清交叉口。

(1)

式中：Ld为检测器距停车线的距离，m；Sb为有轨电车制动距离(约60m)；vd为有轨电车通过检测器时的速度，km/h；tp为最小相位时间，s；a为制动加速度，m/s2。

本文进口道检测器距离停车线100 m，出口道检测器距交叉口40 m，布设见图2。

图2 有轨电车检测设备布置示意

1.3 仿真控制参数

1) 最小绿灯时间。初期绿灯时间是指不管本相位是否检测到有车辆到达，都必须满足的绿灯时间。满足2个条件：①使停在检测器内的车辆全部出清停车线；②满足行人过街的最小时间[6]。计算如式(2)。

Gmin=max{t1，t2}

(2)

式中：Gmin为最小绿灯时间，s；t1为检测器与停车线之间有轨电车出清时间，s；t2为行人过街最短时间，s。

2) 绿灯极限延长时间。平衡与控制感应信号中各相位的绿灯时间，若当前某相位达到绿灯极限延长时间，则强制转换至下一相位。绿灯极限延长时间一般为40～60 s[7]。

3) 绿灯间隔时间。需确保通过停车线的有轨电车均能在下一相位的首车到达之前安全出清交叉口，计算如式(3)[8]。

(3)

式中：I为绿灯间隔时间，s；t为驾驶员反应时间，s；v为有轨电车接近路口速度，40 km/h；W为交叉口宽度，m；L为有轨电车长度，m。

2 交叉口有轨电车仿真建模

2.1 交叉口形式

以上海某道路交叉口为例(见图3)，4个路口均为双向8车道，设置左转、右转专用道，车道宽度为3.75 m，高峰小时各进口道车流见表1。有轨电车线路沿路中敷设，采用半独立路权，呈十字交叉形式，车辆长度为40 m。有轨电车区间平均运行速度50 km/h，交叉口限速25 km/h，平均加速度分别为1.0，-1.1 m/s2，半专用路权高峰小时列车发车密度不应小于20对/h[9]。为简化仿真，本文不考虑交叉口前后设置车站的情况。

图3 交叉口布局

车流转向各进口道车辆数/veh东进口西进口南进口北进口直行568700511632左转13815498137右转259234177166合计9651088786935

2.2 共享相位设置方案

对于十字形交叉线路来说，不设有轨电车专用相位，在各进口直行方向采用社会车辆共享相位，各进口道有轨电车放行时，同相位的社会车辆亦可通行，可大大减少因相位频繁转换带来的交叉口社会车辆通行效率的降低。相位1为东西向有轨电车与社会车辆直行，相位2为东西向社会车辆左转，相位3为南北向社会车辆与有轨电车直行，相位4为南北向社会车辆左转，交叉相位见图4。

图4 交叉口相位图

将定时信号参数输入Synchro系统中，可得定时信号配时：相位1时长38 s；相位2时长18 s；相位3时长35 s；相位4时长17 s。

2.3 相对优先信号控制

相对优先信号控制设计原理：当检测到有轨电车接近交叉口时，首先判断当前相位是否为有轨电车同向相位，再比较电车抵达交叉口的时间与当前相位最小、最大绿灯时间的关系，最后执行红灯早断、绿灯延长或插入相位等策略实现有轨电车信号优先，控制逻辑见图5。

图5 相对信号优先逻辑控制图

具体逻辑控制程序在VisVAP中实现如下。

当相位1处于当前相位，检测器1或2检测到有轨电车，且当前相位剩余绿灯时间不能满足有轨电车从检测器抵达交叉口，则进行绿灯延长，检测器5和6均检测到有轨电车后即可结束相位1；当检测器3或者4检测到有轨电车，且相位1满足最小绿灯时间，则从当前相位切换至相位3，直至检测器7和8均检测到有轨电车即可结束相位3。

当相位2处于当前相位，检测器1或2检测到有轨电车，且当前相位满足最小绿灯时间，则从当前相位切换至相位1；同理当检测器3或4检测到有轨电车，且满足最小绿灯时间，则从当前相位切换至相位3。

相位3或4处于当前相位时的相位切换逻辑可以此类推。

2.4 绝对优先信号控制

绝对优先信号控制设计原理：有轨电车的优先控制不需要考虑社会车辆的通行效益，无需停车即可通过交叉口，当有轨电车到达交叉口时，信号控制机通过本相位绿灯时间延长和转换相位等保证电车优先，控制逻辑见图6。

具体逻辑控制程序在VisVAP中实现如下。

当相位1处于当前相位，检测器1或2检测到有轨电车，且当前相位的剩余绿灯时间不能满足有轨电车从检测器抵达停车线，则执行绿灯延长，直到检测器5和6均检测到有轨电车时则结束相位1，若剩余绿灯时间能满足电车从检测器抵达停车线，则维持原相位；检测器3或4检测到有轨电车，则进入绿灯间隔时间，将相位1切换至相位3。

图6 绝对信号优先逻辑控制图

当相位2处于当前相位，检测器1或2检测到有轨电车，则进入绿灯间隔时间，将相位2切换至相位3；检测器3或4检测到有轨电车，若有轨电车抵达停车线的时间大于当前相位绿灯时间，则维持原相位，否则，则进入绿灯间隔时间，将相位2切换至相位3。

相位3或4处于当前相位时的相位切换逻辑可以此类推。

3 VISSIM仿真结果分析

将路网模型、路段流量以及优先逻辑控制文件加载到VISSIM中进行仿真。仿真时间取第600～3 600 s，选取不同的随机种子数进行5次仿真，结果取平均值，仿真效果见图7。

图7 仿真效果图

3.1 社会车辆影响评价

在VISSIM中设置评价节点，运行仿真得到3种不同信号控制下各进口道社会车辆的排队长度和平均延误情况，见表2。

表2 各进口道社会车辆排队长度与平均延误

以上结果表明，不同信号控制对社会车辆在交叉口的排队长度及平均延误的影响程度各不相同。

1) 由表2可见，与定时信号控制相比，相对优先信号控制由于有轨电车与社会车辆采用共享相位，有轨电车优先通行时，同相位社会车辆亦可通行，所以直行相位社会车辆的排队长度增加程度并不明显，左转相位车辆排队长度影响较大。而绝对优先情况下社会车辆各进口道的车辆排队均出现较大程度的增长，特别是左转相位车辆。

2) 对于平均延误来说，相对信号优先以及绝对信号优先条件下各进口道的直行车辆的延误增加不明显，左转相位车辆延误影响较大。

3.2 有轨电车影响评价

设置有轨电车发车间隔为3 min，运行不同信号控制下仿真模型，得到表3所示的评价结果。

表3 各进口道有轨电车平均延误和停车次数

由表3可见，相对信号优先控制下的有轨电车从排队长度、延误时间及停车次数均有明显降低，而绝对优先信号控制由于可使有轨电车不停车通过交叉口，不存在排队长度、延误及停车次数。

4 结语

本文通过建立3种不同信号控制的交叉口仿真模型，得到社会车辆与有轨电车的车辆延误时间、排队长度及停车次数等指标。结果表明，在相交道路流量差别不大且左转流量较小的交叉口，采用基于共享相位的相对信号优先能较好保证有轨电车的通行效率，且能降低对交叉口社会车辆的影响程度。在本文的基础上，进一步考虑有轨电车车站的设置、运行延误等对通行效率的影响，是未来交叉口信号优先控制研究的方向。

[1] 庞瑾，顾保南.2016年中国城市轨道交通运营线路统计和分析:中国城市轨道交通“年报快递”之四[J].城市轨道交通研究，2017(1)：1-5.

[2] LEE J. Microsimulation modeling and advancements of transit priority options at major arterials[J].Simulation,2001，24(3):38-42.

[3] 章瑀,陈荣武,王坚强.基于VISSIM的有轨电车交叉口信号控制策略研究[J].大连交通大学学报,2017,38(2):112-116.

[4] KARLSRUHE. VISSIM user manual-version 4.30[M].Germany:PTV Planung Transport Verkehr AG,2007.

[5] 杨海霞.现代有轨电车信号优先协调控制实践[J].地下工程与隧道,2017(1):49-53.

[6] 吴兵,李晔.交通管理与控制[M].4版.北京：人民交通出版社,2009.

[7] 崔梁,邓君.现代有轨电车不同等级交叉口优先配时方案研究[J].物流科技,2017,40(5):79-83.

[8] 刘立龙.有轨电车信号系统平交路口信号灯控制策略研究[D].兰州：兰州交通大学,2015.

[9] 王灏.现代有轨电车系统研究与实践[M].北京：中国建筑工业出版社,2011.