公交信号优先控制系统的应用与分析

上海工程技术大学汽车工程学院 吴 皓 张海波

1 公交优先

1.1 公交车的优势

当今，城市地铁轨道交通快速的日趋普及，公共汽车—这种传统的交通客运方式，不仅在世界发达国家的城市仍然普遍地存在，而且在许多发展中国家的城市也还是大量地使用，这是因为公交车具有以下几点优势：1.公交车的适应性相当广，从公共交通设置路线的适宜断面客流量来看，其适应性很广。在轨道交通发达的地区，作为轨道交通客流的集散使用；不仅在人口密度较低的大城市的边远地区，或者在旧城区支路上，或者大中型城市的新建居住小区，或者小城市的客流的主要方向，都可以考虑进行优先设置公共汽车交通线路。2.公交线路的设置灵活性高，公共汽车属于街道内公共客运系统的范畴，设置公共汽车线路时，不存在架设动力线和铺设轨道的问题，车辆运行灵活自由，设线的适用范围大。3公交线路行车组织灵活，从营运的组织上来看、；它可以根据客流的变化、具体的营运条件，及其它条件来安排不同的车型车辆以及行车的组织方案。4.公交线路设站灵活，公共汽车、无轨汽车的车站设置的要求要较低，可进行灵活设置。

总之，公共交通系统的交通特性：适应性较强，灵活性较大，是其它公共交通方式，特别是地铁轨道交通方式所不及的。这一点，是其经久不衰的生命力之所在。因此要在最大的限度上保证对城市公交空间和时间上的优先。“空间优先”是指在公交车辆运营行驶时给予其在空间上的优先，如设置公交专用道；“时间优先”是指在交叉路口给公交车辆提供信号上的优先。

1.2 实施公交优先的意义

城市空间有限，无限制的建设道路设施是不可行的。DOWNS定律（都市区通勤高速公路上高峰期交通拥堵的提高可满足最大的道路容量）已揭示了完全依靠道路建设、增加道路容量、而不加以管制来缓解交通问题是不可以采用的，那么，如何提高城市内的道路资源利用的效率，是当今解决城市的交通问题的关键所在。因此大力地发展公共交通系统、提高公共交通系统的出行比例，则是缓解城市的交通拥挤，等一系列的问题的主要出路，这已经成为全社会的共识。公交优先这一概念最早是由法国于60年代末所提出的，但是迫于二战后汽车工业财团的压力，法国的政府采取鼓励私人购买小汽车上路支持私人交通。因此私家车的数量急剧上升，城市道路交通几乎近于崩溃，此时政府才想到大力发展公共交通。可以说是一个城市发展过程中必然会遇到的问题。现如今我国许多城市也在经历着经济的高速发展，在经济高速发展的同时城市交通问题也日益突出，必然会出现有限的道路和无限机动车增长的冲突。私家车数量的增长带来的不仅仅是道路的拥堵，更会因为停车位配建的不足，造成停车时难停车以及位贵。居民小区在夜间使车位供求不均匀的趋势不断地扩大，加入不采取有效的措施，城市的交通拥堵的现象，将会日趋地严重，因此会极大地影响城市的健康、以及可持续地发展，将造成城市的活力衰减。因此，当今需要优先地发展城市的公共交通，对于中小型的城市，因为无力承担地铁轨道交通的高额资金的建造、运营维护成本，公交车将是最适合他们的公共交通方式；而对于那些已有轨道交通的大城市，公交车机动灵活，适应性强的特点又特别适合作为轨道交通的补充。实施公交优先，将会让城市公交车的行车时间更为准点，运营效率更大的提高，从而有效的缓解城市的交通拥堵，给市民的提供一个高效、便捷、经济的出行方式，使城市能够得到更为健康的发展。

2 公交信号优先控制的策略

公共交通信号优先的控制策略可分为：1.主动优先，2.被动优先。其中被动优是先根据预先设置好的信号佩时的方案施行公交车辆优先；而主动则是基于公交车辆检测信息或者系统发出的优先请求为特定的公交车辆提供优先服务如红灯早断和绿灯延长。如图1所示，在离路口100-200米处安装好RFID基站式定向读写器，当公交车接近路口时，车头的2.4G有源电子标签和装在路边的RFID基站式定向读写器相呼应，读写器信号与交通指挥中心的交通信号控制系统联结，路口的交通信号灯就会变化，让公交车辆专用车道方向的绿灯延长，或红灯缩短。

图1 公交信号的优先控制策略

公共交通信号优先控制的目的是：减少公交车在信号的交叉口时的延误。因为：城市公共交通的特点是公共交通客运量较大，相对投资较小，占有资源较少，效率较高，污染相对来说较少，人均占有的道路较少等特点。如果进入交叉口时的延误，用经过交叉口的全部的出行者的总延误来进行表示的话，那么，一辆载满乘客的公交车在交叉口30秒的延误，和一辆小轿车在交叉口30秒的延误是不等价的。因此，让公交车在交叉口时具有优先权，将会极大地减少到达交叉口时的总的人均延误。其中最常见的信号优先控制策略为主动优先控制策略和被动信号控制策略。

2.1 主动优先控制策略

随着公共交通信号优先控制策略研究的诞生，主动优先控制策略出现。主动优先控制策略是早期进行研究的重点，已有很多的研究成果。在国外曾有研究：对加州3.8英里（约6.1km）道路上，对9个信号控制交叉口的公共交通信号优先控制系统分析后发现：公共交通车辆行程的时间减少23%。虽然无条件的优先策略能让公交车的行程的时间大大地缩短，但在公交车辆发车的频率较低的情况下，会使相交道路的车辆延误增加。

2.1.1 延长绿灯

假如使用车辆检测器检测到：在信号相位的绿灯结束时，有公交车到达交叉口，这时采用的最佳的优先策略是：延长原有的绿灯的时间，使公交车有足够的时间可以通过交叉口。公交车通过交叉口以后，控制系统将会恢复原有的配时。

2.1.2 主动绿灯

假如公交车在信号灯为红灯时抵达交叉口，这时可以通过改变信号灯的相位，使绿灯可以比正常时间时提前启亮。

2.2 被动信号控制策略

从直观上来进行判断，在降低公共交通车辆的延误上，被动优先有一定作用，能够在公交车流量较大的地区达到不错的效果，但是在欧洲，特别是美国，等这些公交车流量较小的地区，适应性比较差。其中最常用的是相位嵌入，以及相位跳跃。

2.2.1 相位嵌入

当传感器检测到车辆经过交叉口时，交叉口信号运行在车辆所在相位后1,2个相位，此时信号控制系统通过优化设计，嵌入一个专门的相位，使得车辆能优先通过交叉口。

2.2.2 相位跳跃

当传感器检测到车辆将要通过交叉口时，控制系统将某一或两个相位跳跃过去，直接执行车辆所在的通行，以满足车辆通过交叉口的需求。选择相位嵌入时通常也可以采用相位跳跃，但应该根据控制系统的优化算法来选择一个最优的控制策略，减少因为采用被动控制策略对交叉口其他车辆带来的影响，使其对正常交通秩序的干扰降到最低。

2.3 在公交优先的通行的交叉口进行预先信号设置

在公交优先的通行的交叉口，预先信号控制的方法是：在交叉口处进口道的通行区域内，设置前后两条停车线，通过在一根停车线上设置预先信号，来控制社会车辆的通行，即社会车辆在预先信号控制的候驶区内进行排队等待，而公交车可以通过公交车辆专用道路，直接进入到主信号控制的，前一根停车线之后的候驶区内进行排队等待，这样就可确保红灯期间内到达的公交车辆总是在社会车辆的前面进行排队等待，其目的是：提供优先通行权给公交车，以减少公交车在交叉路口时的延误。为了避免社会车辆干扰公交车辆进入候驶区内，无论直行，左转，还是右转进口道上必须设置预信号控制，都必须有公交车辆进入其候驶区的专用通道。如果路段有公交车专用道时，可将其延伸到公交候驶区；如果路段没有设置公交专用道时，可在进口道的一段设置公公交通专用进口道。为提高交叉口的利用效率，应该在左直右三个方向中，选择公交车到达率最高的方向，来设置预信号控制。在道路和交通条件都许可的情况下，可同时在左直右三个进口方向设置预信号控制。为确保公交候驶区内能够得到充分的利用，公交车进入候驶区内必须遵循如下的停靠规则：当主信号的红灯亮时，先到的公交车必须进入内侧进口道路进行停靠，在内侧进口道已没有停靠空间时，才能停靠次内侧进口道，并以此类推。假如不按照上述停靠规则，先到的公交车辆会占满外侧进口道，后到的公交车将不能进入内侧的进口道，使得公交候驶区不能得到充分地利用。

3 公交信号优先的应用

3.1 国外公交优先信号控制系统的应用

欧美是全世界最早实行公交优先的地区，通过对先进设备的加以利用，很好的将公交信号优先控制系统引入到道路上。其中做的最好的当属德国和英国。

德国城市均采用公交信号优先，除了在一小段与轨道交通平交的路段会根据当时道路状况给予轨道交通信号优先，但是这样的情况并不多见。在主次干道上设置公交车辆的专用通道，并为公交车辆单设信号传感设备，在交叉口处传感，设定红绿灯的设置，确保公交车辆的优先通行。这种车辆的自动控制设备与交通控制中心互相分离，大大减少了公交车辆在道路交叉口处的等待的时间，极大的提高了公交车辆的运行的效率和准点率。

英国伦敦的交通管理部门，采用电子监视的技术，对一些繁忙的路段进行监控，并且随时根据前方路段的交通情况，提前向驾驶员们发出信息，建议驾驶员们降低车速，或改换其它的车道，不断监测路段的车流的情况，并向驾驶员传递路况信息。驾驶员还可以凭着它，改变市内57个交通要道口的信号灯，从而使“公交优先”策略真正地落到实处。

3.2 国内公交优先信号控制系统的应用

通过对国外一些先进信号控制系统的学习和借鉴，我国不少城市也发展出了适合自身城市道路建设的信号控制系统。

（1）常州

2007年5月23日，《常州市快速公交BRT（一号线）工程可行性研究报告》，通过了专家组的审评，并于2007年5月24日全线动工，在2008年1月1日开通运营。全长约23.77km，共设26个站点（不包括首末站）。常州公交优先技术包括实现公交车在空间和时间同行权上的优先。在空间上优先，可以通过设置公交车专用道，或者部分锯齿形公交优先进口道来实现；在时间上的优先，也就是信号优先，可以利用先进的通信与信息技术、控制技术、计算机技术，通过智能信号控制器，应用一套公交优先的智能控制策略来实现。常州公交，在9个路段、31个十字路口，使用了线控以及单点感应的控制方式，当公交车离路口少于80米时，切割感应线圈，申请“绿灯延长”的请求，才能够得到批准，绿灯会延长5-8秒。当公交车辆申请“红灯早断”时，信号优先程序，必须考虑行人能否安全穿过马路，以及只有在红灯的最后10秒内，才能批准优先的请求。总体上既能使公交的信号优先，又可以兼顾总体公共交通的效益。

（2）南京

为了合理引导市民公交出行，江苏省南京市交通运输局在青奥会前将在有条件的路口实施公交信号优先，保障公交车快速通过。据了解，在南京青奥会之前，南京力争主城区公共交通出行分摊率达到44%，年底将达到46%。为了保障这一目标的实现，南京公交专用道路将由188公里增加到230公里。在优先发展公交专用道的同时，南京将启用公交信号优先系统。青奥会前，在南京市河西地区的公交专用道路口，将能够率先建成公交信号优先系统，根据公交车达到路口的调整信号灯，劲量减少公交车在十字交叉路口的等待时间。从2015年开始，南京公交信号优先系统将在有条件的公交专用道上逐一推广。

（3）上海

上海在2015年内试点公交信号优先，上海城市公共交通的“十二五”规划已经提出，将在上海“三纵三横”的主干道上研究，并试点公交车通行“信号优先”策略。据介绍，在“信号优先”策略下，在公交车接近十字路口100米远时，路口的信号灯就会收到公交车发出的指令。加入此时正好是红灯的话，系统将提前10秒把红灯切换成绿灯，确保公交车不停车而且直接地通行。

4 结论

公交信号优先控制的目的是：减少车辆在交叉口处的延误，虽然从车辆上乘客的角度上来看，每个交叉口可能只节约了30秒左右，但是从基本公交车客运量大的特点上来看，一辆满载乘客的公交车和一辆小轿车在交叉口的延误是不等价的。所以，让公共交通在交叉口时，信号上具有优先权，将会极大的减少人均的延误。据统计表明，假如不在道路交叉口时，信号控制策略中体现公交优先策略的话，那么即使有公交优先道路，它所节省的时间也是十分有限的。上海作为一个国际化的大都市，公共交通问题日益突出，所以更应该贯彻公交优先政策、做好公交信号优先控制策略，将信号优先控制策略的落实到实处，那么终有一天，上海的交通状况会得到极大的改观。