复杂道路交叉口有轨电车信号优先控制方法

唐君虞 张志云 华璟怡

(1. 上海城建市政工程(集团)有限公司， 200065，上海； 2. 公安部交通管理科学研究所， 214151, 无锡//第一作者，工程师)

现代有轨电车是从传统有轨电车脱胎而出的一种新型交通工具, 具有更高的运行速度、更舒适的乘车空间及更快捷的换乘方式。国外大量实践经验表明，现代有轨电车具有带动城市发展(如法国波尔多)、发挥交通联运优势(如德国卡尔斯鲁厄)、提高公共交通吸引力(如荷兰阿姆斯特丹)等多方面优势[1-2]。为改善公交服务水平，优化城市出行结构，我国政府也日益加大了在现代有轨电车上的关注与投入。目前，北京、上海、南京、武汉、沈阳、广州、苏州、珠海、淮安等城市均展开了现代有轨电车项目的规划与建设[3]。

拥有路段独立车道与交叉口信号优先的现代有轨电车在为公共交通带来更多路权优先的同时，也增加了道路交叉口交通流的复杂程度，给城市道路交叉口的管理与控制带来了新的挑战[4]。针对我国交通发展现状，如何在多种交通方式参与的道路交叉口上进行合理的信号配时，如何在保证现代有轨电车路权优先的同时控制其对社会车辆产生的不利影响，已成为一个重要的研究课题。

针对这一问题，我国的科研工作者展开了大量研究，在有轨电车优先控制策略[5-6]、有轨电车与社会车辆的协调控制[7]、有轨电车交叉口交通组织设计[8]等多个方面开展了深入分析，并且在有轨电车信号优先下交叉口影响范围内各流向交通流间的负荷均衡问题，以及单点交叉口的协调控制等方面取得了大量的研究成果。然而，现有研究都是以标准十字交叉口或丁字交叉口为研究对象，其研究成果不适用于大于4个进口道的复杂交叉口，而这些复杂交叉口如果包含有轨电车线路，则关系到整条有轨电车线路的信号优先控制效果。为缓解这一问题，本文从复杂道路交叉口有轨电车信号优先控制原则出发，研究其信号优先控制的设计与实现。

1 有轨电车信号优先控制策略

现代有轨电车在复杂道路交叉口的优先控制策略主要有两种：绿灯延长控制和红灯缩短控制。图1举例说明了两种控制策略的作用原理。现代有轨电车的实时检测/定位方式多采用感应线圈、信标定位、GPS/BD(全球定位系统/北斗)定位、RFID(射频识别)系统、计轴辅助等方式或其组合的方式。如图1所示：当检测到有轨电车到达停车线的时刻处于相位1时，通过执行绿灯延长控制延长相位4的绿灯时间，使有轨电车无需停车等待直接通过交叉口；当检测到有轨电车到达停车线的时刻处于相位2或相位3时，通过执行红灯缩短控制使得相位放行时间缩短，减少有轨电车的停车等待时间。

a)原有配时

b)绿灯延长控制

c)红灯缩短控制

图1 复杂道路交叉口现代有轨电车信号优先控制策略示例

然而，上述两种有轨电车优先控制策略的执行会导致交叉口出现不同流向交通流饱和度的失衡现象。伴随有轨电车的通行相位(下文称为“电车通行相位”，如图1中相位4)的绿灯时间增加，会降低其放行流向的交通流饱和度；而其余非有轨电车通行相位(下文称为“社会交通相位”，如图1中相位1至相位3)的绿灯时间将会相应减少，导致对应放行流向交通流饱和度上升。这一变化显然会产生电车通行相位与社会交通相位各自放行流向间饱和度的不平衡，形成电车通行相位空闲绿灯时间过长，造成社会交通相位车辆延误与二次停车概率增大的现象。

2 信号优先控制基本思路

对于大于4个进口道的复杂道路交叉口而言，有轨电车与交叉口内大流向的社会车辆会产生交织冲突，故需综合考虑右转机动车、非机动车和行人的控制，其中信号控制的相位相序设置是缓解交叉口内交通冲突及保障电车安全通行的关键因素。同时，复杂道路交叉口通常为城市干道交叉口，交通压力较大，是城市交通拥堵的常发节点，有轨电车优先控制带来的社会交通相位压缩会导致社会车辆排队长度和停车延误的增加，甚至导致交通拥堵频率和程度的上升。因此，应尽量避免在复杂道路交叉口设置有轨电车线路，或优先通过交通组织措施简化复杂道路交叉口内交通流冲突。对于部分必须设置有轨电车线路的复杂道路交叉口，则需要通过交叉口背景相位配时、优先控制参数的设置来均衡各进口道交通负荷，以缓解优先控制给社会车辆带来的不利影响。

2.1 控制原则

复杂道路交叉口有轨电车信号优先控制既要保障和提升有轨电车运行效率、准点率和服务水平，同时也需要确保社会车辆通行的有序和畅通。在此目标下，有轨电车信号优先控制应体现如下原则。

(1) 有轨电车优先通行：复杂道路交叉口应给予有轨电车时间路权优先，减少有轨电车在通过交叉口时的停车概率与停车时间，从而保证有轨电车的运行效率、准点率与服务水平。

(2) 路口冲突消除：复杂道路交叉口内所有与有轨电车运行线路相冲突的机动车流、非机动车流、行人流均应配有相应的信号灯，且在有轨电车通过交叉口时，保证与有轨电车运行线路相冲突的机动车流、非机动车流、行人流均处于禁止通行状态(信号灯红灯)。

(3) 优先控制影响最小化：在保证有轨电车优先通行的基础上，应实现优先控制对社会交通影响的最小化，实现复杂道路交叉口内社会车辆的通行效率优化。

2.2 实施流程

复杂道路交叉口信号优先控制实施流程如图2所示。

步骤1：确定交叉口内与有轨电车产生交通冲突的社会交通流向，包括机动车、非机动车、行人各个流向，并需要考虑右转机动车流和非机动车流与有轨电车产生的交通冲突。

步骤2：在不与有轨电车产生交通冲突的社会交通流向中确定有轨电车通行相位时的放行流向，重点考虑将与有轨电车同向行驶的机动车加入有轨电车通行相位的放行流向中。

图2 复杂道路交叉口优先控制实施流程

步骤3：确定社会交通相位数及各相位的社会交通放行流向。在保证相位内机动车流、非机动车流间无严重冲突的前提下，尽可能地归并社会交通放行流向，减少信号控制相位数。

步骤4：根据交叉口交通渠化和驾驶员的驾驶习惯，设置信号周期内有轨电车通行相位和社会交通相位的排列相序。

步骤5：设置无有轨电车优先请求时的信号周期长度和各相位绿灯时间。在分配相位时间时有针对性地提高社会交通相位绿性比，缓解有轨电车优先控制对社会交通的干扰；同时，对于存在机动车流与非机动车流交通冲突的社会交通相位，通过右转信号灯迟开控制减少机动车与非机动车的相互干扰。

步骤6：在保证社会交通的通行效率和非机动车、行人安全通过需求的基础上，设置有轨电车优先请求时绿灯延长/红灯缩短策略下的优先控制参数值。

步骤7：设计有轨电车优先请求下的交叉口信号优先控制算法，根据各相位的交通流饱和度分配红灯缩短时间，均衡交叉口交通负荷。

3 复杂道路交叉口优先控制模型

针对复杂道路交叉口交通压力较大、交通冲突严重的特点，本文提出了复杂道路交叉口有轨电车优先控制目标：保证交叉口各进口道上社会车辆不会因为策略的实施而二次停车。为实现这一目标，本文对控制流程中设置背景信号相位配时、信号优先控制参数、信号优先控制算法中的计算模型进行了优化设计，实现了基于有轨电车到达频率的相位绿灯时间补偿和基于社会交通流量的压缩时间按比分配，均衡复杂道路交叉口各流向间的交通负荷。

假设交叉口信号相位数为n，令相位n为有轨电车通行相位，则有轨电车在相位1到达时，执行绿灯延长策略；在相位2至相位n-1到达时，执行红灯缩短策略；在相位n到达时，可直接不停车通过路口(如图1所示)。相关优先控制模型如下。

3.1 背景信号相位配时设计

运用Webster法计算交叉口社会车辆延误最小时间的信号周期长度和各相位绿灯时间。

式中：

C0——初始周期长度；

L——总损失时间；

Y——交叉口交通流量比；

gi——相位i的初始绿灯时间；

yi——相位i的交通流量比。

在相位初始绿灯时间的基础上，根据有轨电车到达交叉口的频率，修正可能被压缩的社会交通相位的绿灯时间，提高有轨电车通过后社会车辆通行效率。修正后绿灯时间为：

式中参数F、Pi的计算式如下：

F=C0/f

(4)

式中：

F——一个信号周期内有轨电车的到达频率；

Pi——有轨电车到达时相位i被压缩概率；

f——有轨电车的发车间隔时间。

将式(4)与式(5)代入式(3)得到的背景信号相位配时模型，如式(6)所示。

3.2 信号优先控制参数设计

为保证社会交通等待时间不至于过长，有轨电车通行相位的绿灯延长时间最大值的设置如下：

式中：

tn,G——电车通行相位的最大绿灯延长时间；

gmax——防止社会交通相位排队车辆过长的相位最大绿灯时间。

同时，为避免社会交通二次排队，并保障非机动车、行人安全通行需求，社会交通相位红灯缩短时间最大值设置如下：

式中：

ti,R——社会交通相位i的最大红灯缩短时间；

gmin——保证非机动车、行人安全正常通过所需的相位最小绿灯时间。

3.3 信号优先控制算法设计

在设置了背景信号相位配时及信号优先控制参数的基础上，通过信号优先控制算法实现有轨电车实时优先请求下的复杂交叉口信号优先控制。绿灯延长策略下，有轨电车通行相位的绿灯时间计算式为：

gn,G=gn+min(gx,G,tn,G)

(9)

式中:

gn,G——电车通行相位绿灯时间；

gx,G——有轨电车不停车通过所需的绿灯延长时间。

在红灯缩短策略下，根据可压缩相位的交通流量比来划分各相位缩短时间，均衡被压缩社会交通相位的交通负荷。社会交通相位的绿灯时间计算式为：

式中：

gi,R——社会交通相位i的绿灯时间；

gx,R——有轨电车不停车通过所需的红灯缩短时间。

4 实例分析

淮安现代有轨电车一期工程线路建造在该城市的交通走廊上，道路系统复杂。有轨电车在沿线路段设有专用路权，在道路交叉口行人过街通道之处与各方向的社会交通流混行。本文所提出的复杂道路交叉口有轨电车信号优先控制设计方法在该线路中得到了采用。本文以该线路水渡口广场交叉口早高峰为例进行详细分析。

4.1 水渡口广场交叉口状况

水渡口广场五岔路口为典型的复杂道路交叉口(见图3)。翔宇大道、淮海东路两条城市主干道在此交汇；和平路为单向交通组织，只有进口道而无出口道。早晚高峰时期，水渡口广场路口汇聚了两条主干路的通勤交通，且周边亦有万达广场、钵池山公园两大交通吸引点，高峰流量极大，其高峰主流向为南北直行、东西直行流向，与有轨电车运行线路产生冲突。若在高峰时段内执行常规的有轨电车优先控制，则会缩短主流向的放行时间，加剧主流向上的交通负荷，进而引发交通拥堵。水渡口广场交叉口早高峰交通流量如表1所示，其优化前的控制方案如图4所示。

图3 水渡口广场交叉口交通渠化图表1 水渡口广场交叉口早高峰交通流量

进口转行交通流量/(辆/h)北进口左转65直行1 144右转520东进口左转150直行666右转112南进口左转228直行864右转243西进口左转115直行483右转645西南进口左转130直行160右转83

绿灯黄灯全红灯绿灯黄灯全红灯绿灯黄灯全红灯绿灯黄灯全红灯绿灯黄灯全红灯30 s3 s0 s30 s3 s0 s40 s3 s0 s32 s3 s0 s27 s3 s0 sa)相位1b)相位2c)相位3d)相位4e)相位5

图4 水渡口广场交叉口早高峰信号控制方案(优化前)

4.2 有轨电车优先控制方案

(1) 确定与有轨电车产生交通冲突流向。有轨电车线路经由和平路转入翔宇大道中间，与西进口右转(淮海东路)、北进口直行(翔宇大道)、东进口左转(水渡口大道)、西南进口直行/左转(和平路)的机动车/非机动车存在交通冲突，与南进口(翔宇大道)和西南进口的行人存在交通冲突。

(2) 确定有轨电车通行相位放行流向。有轨电车伴随南北左转社会车辆一起放行，同时放行除西进口右转外的其余进口道右转流向(如图4中相位4所示)。

(3) 确定社会交通相位放行流向。根据交叉口避免严重交通冲突和减少信号控制相位数的需求，将剩余的社会交通流向归并为3个相位，即：东西直行相位——东、西、西南进口直行流向，除西进口右转外的其余进口道右转流向，南、北进口行人过街；东西左转相位——东、西、西南进口左转流向，除西进口右转外的其余进口道右转流向；南北直行相位——南、北进口直行流向，所有进口右转流向，东、西、西南进口行人过街。

(4) 设置优先控制信号相序。根据淮安市先直行后右转的进口道信号控制习惯，设置4个相位的信号相序(见表2)。

(5) 设置背景信号相位配时。根据式(1)、式(2)、式(6)获取背景信号相位配时，其中南北直行相位中西进口右转与北进口的非机动车存在交通冲突，因此，西进口右转迟开10 s，保障在停车线等待通过的北进口非机动车快速通过。背景信号相位配时如图5所示。

绿灯黄灯全红灯绿灯黄灯全红灯绿灯黄灯全红灯绿灯黄灯全红灯37 s3 s1 s30 s3 s1 s44 s3 s2 s27 s3 s1 s最大红灯缩短时间8 s西进口右转迟开10 s,最大红灯缩短时间17 s最大绿灯延长时间44 sa)相位1b)相位2c)相位3d)相位4

图5 水渡口广场交叉口早高峰背景信号控制方案(优化后)

(6) 设置信号优先控制参数。根据式(7)、式(8)，获取信号优先控制参数，相位2的最大红灯缩短时间为8 s，相位3的最大红灯缩短时间为17 s，相位4的最大绿灯延长时间为44 s。

(7) 设计信号优先控制算法。将背景信号相位配时和信号优先控制参数代入式(9)、式(10)，获取交叉口早高峰时期的信号优先控制算法。

4.3 优先控制实施效果

为进一步验证复杂道路交叉信号优先控制方法的有效性，采用VISSIM仿真软件对水渡口广场交叉口早高峰背景信号优先控制方案执行前后分别建立仿真模型，并对有轨电车平均延误及社会交通平均延误进行前后对比分析(如图6所示)。

在仿真阶段，每次仿真时间为4 000 s，其中包括400 s路网车流初始化时间。考虑到仿真结果的随机性，本次仿真中进行5次仿真运行。仿真得到的有轨电车和社会交通延误时间对比如表2所示。

图6 水渡口广场交叉口VISSIM仿真图

表2 水渡口广场交叉口有轨电车和社会交通延误时间仿真对比 s/辆

从表2可以看到，5次信号优先控制实施前后的仿真对比中，有轨电车的车均延误时间平均值由24.2 s下降为7.3 s，降幅超过70%；同时，优先控制执行下的社会交通的车均延误平均值由30.7 s上升为33.6 s，升幅不到10%。相较于交叉口有轨电车服务水平由C级提升为A级，社会交通服务水平维持在C级不变，对交叉口的整体运行影响不大。

5 结语

提出了一种复杂道路交叉口有轨电车信号优先控制优化设计方法，并从信号相位、信号相序、配景配时、优先参数、控制算法等多个方面进行综合分析，以期在保障有轨电车优先通行的同时，降低对社会交通的不利影响。本文所提出的复杂道路交叉口优先控制模型能够在分配相位时间时有针对性地提高社会交通相位绿性比，缓解有轨电车优先控制对社会交通的干扰；能够根据各相位的交通流饱和度分配红灯缩短时间，均衡交叉口交通负荷。淮安现代有轨电车一期工程水渡口广场交叉口的实例仿真结果表明，本文提出的优先控制方法的实施能够在不显著增加社会交通延误的同时，有效减少有轨电车的延误。