公共交通信号优先控制的分级与特征研究

李克平，韦燕宁，唐克双，陈 灿

(同济大学交通运输工程学院，上海201804)

城市公共交通(以下简称“公交”)优先是一个综合性问题，涵盖诸多领域，例如修建地铁和轻轨、扩大公共汽车线网、提高车辆的技术水准、改善公交服务、施划公交专用车道、实施公交信号优先，等等。城市公交优先不仅需要政策和资金的保证，还需要有效的管理体系和技术创新。世界各国在这一方面的经验值得借鉴，例如德国、瑞士、法国、日本、英国、巴西等，其中，路权优先和信号优先的公交优先策略是提高公交车辆(包括各类与社会车辆共用道路的公共交通方式)运行速度和行程时间可靠性、切实实现公交优先的有效措施。

1 公交信号优先控制的研究与应用现状

1.1 研究现状

现有公交信号优先方法大多应用简单的控制策略，缺乏对道路交叉口交通流通行效益的综合考虑[1]。常见的控制策略包括绿灯延长、红灯早断、相位跳跃等。然而，以上操作仅能优先处理极少数的公交车辆，难以带来全局效益的提升，同时保障各方利益的平衡。

改进的公交信号优先方法是通过各种优化手段，最大限度地满足公交车辆通行的需求，并且使其对其他交通流产生的负面影响可控和最小化。较有代表性的改进方法包括以下几类。

1）在单点交叉口对被占用绿灯时间的相位进行信号补偿，或者根据交通流状态确定相位切换规则[2-4]。这类方法能够避免非公交运行方向由于绿灯时间不足而造成的延误增加，甚至产生拥堵。

2）设置多公交优先请求竞争机制[5-8]。基本的多公交优先请求规则多采用“先到先得”原则，即系统总是响应先到达的公交车辆提出的优先请求。这一规则简单实用，但是难以很好地处理多请求下的复杂情况。在多种交通方式、多类型和多线路公交车辆混行的交叉口，可通过预设优先事件列表、计算优先权重等不同方式，实现公交优先请求排序。影响优先排序的因素通常包括公交车辆类型、公交线路等级、交通流状态、载客率、时刻表偏移程度等。

3）考虑信号协调的公交优先策略[9-11]。由于传统的干路信号协调和公交信号优先方法的目标不同，公交信号优先策略可能扰乱干路主要方向的交通流，使车队脱离绿波带。如果不在信号协调的框架下实施公交信号优先策略，则难以协调公交车辆与社会车辆的不同时空特征，而且公交车辆在上游交叉口获得的优先通行的效益可能在下游交叉口被抵消，从而造成优先失效。因此，将干线协调和公交信号优先进行整合优化是一个必要的方法。

近年来，在车路协同和车联网技术快速发展的背景下，国内外的研究热点转移到新兴的公交信号优先策略[12-14]。与以往研究最大的不同之处在于，在车路协同和车联网环境下，公交车辆与信号控制机之间能够进行精确和实时的双向通讯，并且交通流状态、公交车辆的载客信息、运行准点信息均能被获取。基于精确的信息采集和通讯传输，设计公交信号优先策略的绿灯时长时，可以将公交车辆前方的排队车辆先行清空。一种新的公交信号优先策略是将绿灯时间重新分配，即在初始信号配时方案的基础上，根据预测的公交车辆到达时间窗，改变公交车辆所在相位部分绿灯的启亮时间[15]。这种策略不需要增加或者减少相位时长，而使更多车辆赶上重分配后的绿灯，以达到改进传统公交信号优先策略的目的。

1.2 应用现状

公交优先的两个重要策略是实现对公交车辆运行的路权优先和信号优先。北京、上海、广州、深圳、苏州、杭州等大城市纷纷进行了有益的尝试。深圳的公交信号优先系统采用双周期补偿的方式，对因公交车辆优先通行而缩短绿灯时长的方向，在下一周期给予绿灯延长。武汉的有轨电车系统具备车辆检入和检出机制，能够实现绝对的信号优先。

然而，中国大部分城市的公交信号优先控制还停留在比较粗浅的阶段，远未能够真正实现复杂场景下的有效优先。主要存在以下问题：1)缺乏统一、标准、易识别的公交专用信号灯，难以区别化控制社会车辆与公交车辆；2)相位设置和配时不够灵活和精准。大多数城市还没有设置公交专用信号灯，部分大城市采用了制式各不相同的公交信号灯及标识。公交车辆与社会车辆采用相同信号灯带来的弊端是二者不能得到区别化的通行控制。在设计信号配时方案时缺少了选择公交相位提前或延长、相位时长微调等手段的可能性。

1.3 公交信号优先分类的问题

在理论研究层面，一般将公交信号优先控制分为被动、主动和实时优先三类。被动优先的效益有限，并无很大的积极意义；主动优先和实时优先的划分界限比较模糊，难以具体体现考虑各种因素和约束条件的公交信号优先思路的层次差别。公交信号优先面对诸多问题：如何处理频繁的多路公交信号优先请求，如何兼顾和平衡公交与其他交通参与者的利益，如何从公交线路的总体运行效率出发设计公交信号优先策略等。对这些核心问题，目前还缺乏精准的、区别化的分析和评价方法。因此，本文归纳提出公交信号优先控制的分级方法，有助于探究公交信号优先控制的技术细节，形成一个参照系，建立一个公交信号优先的评价体系。

2 影响公交信号优先控制的主要因素

2.1 公交车辆运行的时距协调

干路信号协调控制是在城市交通管理与控制中常用的信号控制方法。其目的是增加车辆连续通过多个交叉口的概率，从而减少车辆的延误。这种控制方式通常以社会车辆为服务对象。公交车辆在交通运行特性方面有不同于社会车辆的特点。为了保障公交车辆运行的连贯性，应该将公交信号优先策略嵌入干路信号协调控制的框架下，并且充分协调公交车辆与社会车辆的时距关系[10,13-14]。

2.1.1 公交车辆上下游交叉口的信号协调

设计公交信号优先控制必须考虑上下游关联性，对沿线交叉口进行总体设计。如果仅仅对单点交叉口实施公交信号优先策略，或者线路上不同交叉口之间没有联系，那么公交车辆优先通行的效益将会大打折扣。

图1 公交信号优先控制的上下游关联性Fig.1 Connection of upstream and downstream in TSP

以图1为例，实线箭头表示公交车辆驶向第一个交叉口时，在绿灯可变范围内预计公交车辆可以到达交叉口，故信号系统响应公交信号优先请求，实施红灯早断策略，公交车辆得以不停车地通过首个交叉口；在驶向第二个交叉口时，由于公交车辆预计到达交叉口的时间早于公交相位绿灯的最大提前时间，故公交车辆遇阻，直至满足约束条件后系统才能服务该公交车辆。虚线箭头表示在第一个交叉口系统并未提供公交信号优先，在之后的两个交叉口公交车辆行驶轨迹与实线箭头的相同。由此可以看出，单个交叉口实现的公交信号优先的效益，可能在下游交叉口被抵消。因此，公交信号优先控制应该统筹全局，从线路上进行整体协调和规划设计。

2.1.2 公交车辆与社会车辆的时距协调

公交车辆与社会车辆的运行特点不同。公交车辆的运行速度一般低于小汽车，且须停靠车站进行上下客服务，所以其理想的信号时距关系与社会车辆的时距关系不一致(见图2)。根据以上分析，协调公交车辆与社会车辆的时距关系，须兼顾两者的需求，从车站布设、停车线的公交车辆到达分布、合理利用进站停靠时间等因素来进行综合考虑。

2.2 交叉口控制策略集及约束边界

公交信号优先控制策略集主要有绿灯延长、红灯早断、相位跳跃、相序调整、相位插入策略等。选择单点交叉口的控制策略集和约束边界需要考虑的因素包括公交车辆在停车线的到达分布、干线上的公交时距、绿波带的上下限等。

在不超过绿波带上下限的前提下，不同公交信号优先策略的绿灯可变范围须符合一定的原则。采取绿灯延长策略后，本相位的绿灯时间不应超过相位允许的最大绿灯时长。红灯早断策略可在当前相位的最早提前时间至不可变时间(考虑行人过街等情况)的范围内实施。相位的最早提前时间不应早于最小绿灯时间。相位跳跃和相序调整策略可在当前相位的最小绿灯时间至不可变时间的范围内应用。采取相位插入策略可在当前相位的最小绿灯时间至最晚允许插入时间的范围内应用。其中，最晚允许插入时间是指插入指定相位后回到原相位还能允许若干辆车通行的时间。

交叉口信号控制的参数取值不能突破边界条件的约束。由于公交信号优先策略要在减少公交车辆通行延误的同时，尽量减少对其他交通流的负面影响，因此信号控制系统须对公交相位的最大绿灯时间、其他相位的最大红灯时间以及周期时长进行监控。如果非公交优先相位的机动车和行人等待时间过长，可能造成交通参与者心理焦躁，导致交通违法率增加。此外，交叉口信号周期长度的短时间变化幅度不应太大，以免破坏干路信号协调控制的效果。

不同的公交信号优先策略有其各自的适用情况。以四相位控制的交叉口为例，初始信号方案的相位顺序为“1-2-3-4-1-2-3-4”。若本周期公交相位还未执行，则采用相序调整策略可在本周期结束时恢复初始信号控制方案。例如，相位4为公交运行相位，并且系统在相位2接收到公交优先请求，则采取相序调整策略后，相位放行顺序为“1-2-4-3-1-2-3-4”，第二个周期仍按照初始方案运行。若本周期已经执行过公交相位，将有连续两个周期的相位受到影响。例如，相位1为公交运行相位并且系统在相位3接收到公交优先请求，则采取相序调整策略后，相位放行顺序为“1-2-3-1-4-2-3-4”。在这种情形下若采用专用相位插入策略，相位放行顺序为“1-2-3-1-4-1-2-3-4”。如果检测、预测和控制的精度较高，则在短时间内运行公交优先相位也是可接受的。如果实施相位跳跃策略，系统运行“1-2-3-1-2-3-4”相位。频繁使用相位跳跃策略可能干扰单点交叉口运行秩序和影响干路信号协调效果。因此，在实际应用中，信号系统在条件具备时应能有针对性地选用公交信号优先策略，从而对非优先方向车辆的负面影响降至最小。

以相位1为公交优先相位，系统在相位3接收到公交优先请求，相序调整、专用公交相位插入、相位跳跃策略的相位相序见图3。

2.3 公交车辆位置检测及信号控制精度

高精度的检测和控制手段是实现公交信号优先的基础。运用多步检入的检测策略能够减小公交车辆到达停止线的预测时间窗，提高控制的精准度；运用检出检测机制才能使系统尽快切断公交优先相位，更快响应其他方向上公交车辆的请求。

以图4为例，在交叉口停止线上游，首先由预告检测器提示信号控制机判断是否需要调整相位相序；之后由确认检测器初步预测公交车辆到达停止线的时间；接着在公交停靠站的下游，由接近检测器消除因公交车辆减速进站、制动或运行过程中产生的不确定时间，缩小公交车辆预计到达停止线的时间窗范围；最后在交叉口停止线下游或者出口道位置，由驶离检测器确认公交车辆已经驶出交叉口，则本次公交信号优先请求响应完成。总之，准确预测公交车辆到达交叉口停车线的时间是系统快速优化控制策略和进行公交优先多申请动态排序的前提。

3 公交信号优先控制的分级与特征

公交信号优先控制应遵循时空一体化的设计思想，从交通信号控制和交叉口规划设计两个方面统筹安排，以强化公交信号优先的效果。在设计公交信号优先控制方案时，既要保障公交车辆在整条线路上(多个交叉口)运行顺畅，又要维持单个交叉口运行的稳定和高效。因此，公交信号优先控制应在高精度的检测和控制手段的支持下，结合公交车辆在停止线的到达分布，协调公交车辆与社会车辆在上下游交叉口的运行时距，并且根据约束条件选择合适的控制策略和最大程度灵活可变的信号配时。

为了准确认识公交信号优先控制的细节和本质，在分析了影响公交信号优先效益的主要因素的基础上，从规划设计、信号控制的宏观和微观层面提炼了24项要素，并对应公交信号优先控制的6个等级(见表1)。

3.1 等级特征

第一级，对应于被动优先，即考虑公交路权及运行管理措施但无公交优先请求生成系统，可在考虑或不考虑公交车辆运行上下游关联性的情况下实施公交信号优先控制。

图3 不同策略相位相序Fig.3 Phase diagrams by different strategies

图4 公交车辆多步检测示意Fig.4 Multi-step detection of transit vehicles

第二级，在考虑公交路权及运行管理措施的情况下，采用公交优先请求机制，考虑公交车辆运行的上下游关联性，在保持相序不变的前提下，以小于5 s的控制时间精度采用固定步长的绿灯延长控制策略。

第三级，在考虑公交路权及运行管理措施的情况下，采用公交优先请求及检出机制，同时考虑公交车辆运行的上下游关联性，在多优先请求竞争下，以小于5 s的控制时间精度实施绿灯动态延长、红灯早断及相位跳跃控制策略，同时有最大红灯时间监控机制。

第四级，在考虑公交路权及运行管理措施的情况下，采用公交优先请求及多步检入、检出机制，考虑公交车辆运行的上下游关联性并结合公交车辆到达分布来确定各交叉口的控制策略集及约束边界。在多优先请求竞争下，以小于5 s的控制时间精度实施绿灯动态延长、红灯早断、相序调整及相位跳跃控制策略，同时有最大红灯时间监控机制，而且可在本周期及下一周期进行信号补偿。

第五级，考虑公交路权及运行管理措施且有公交优先请求及多步检入、检出机制，同时考虑公交车辆运行的上下游关联性及与社会车辆的时距协调关系。在多优先请求及动态排序机制下，以公交车辆到达分布确定的约束边界为基础，建立最大绿灯、最大红灯及周期的弹性约束，以小于5 s的控制时间精度实施动态的绿灯延长、红灯早断、相序调整、相位跳跃及相位插入控制策略，同时有最大红灯时间监控机制，并考虑在本周期及下一周期进行信号补偿。

第六级，考虑公交路权及运行管理措施且有公交优先请求及多步检入、检出机制，同时考虑公交运行的上下游关联性及与社会车辆的时距协调关系。以公交运行时刻表偏移或载客率为多请求排序依据，在公交车辆到达分布确定的约束边界基础上建立最大绿灯、最大红灯及周期的弹性约束，以小于1 s的控制时间精度实施动态的绿灯延长、红灯早断、相序调整、相位跳跃及相位插入控制策略，同时有最大红灯时间监控机制，并考虑在本周期及下一周期进行信号补偿。

表1 公交信号优先控制的级别Tab.1 Grades of TSP

3.2 分级依据及适用条件

为有利于明确、科学地评价公交信号优先实现的水平，本文提出差别化的分级标准。考虑到国内外实用技术的应用情况，参照对交通服务水平的分级，公交信号优先控制从低到高分为6个等级，既区分了公交信号优先不同的精细化程度，也力求避免过渡细分可能导致应用的困难。

第一级是在交通流波动性不大并且公交车辆集中在道路交叉口的个别流向，通过专门设计信号控制参数的手段达到公交车辆优先通行的效果。例如，给予公交相位尽量多的绿灯时间、多次放行公交相位等。其特点是无须公交车辆检测与通信设施，当然该级别只能处理简单情形，效益也非常有限。

第二级是最基本的动态公交信号优先控制模式，不适用于有频繁公交请求的情况。

第三级具备最大红灯监控机制和公交检出机制，同时还引入了公交信号优先请求竞争机制，有利于协调公交车辆之间、公交车辆与其他交通参与者之间的通行需求关系，适用于行人和社会车辆流量较大的交叉口群。

第四级是在前三个等级的基础上，通过调整交叉口控制策略集及约束边界、引入公交多步检入机制，进一步提升公交信号优先控制的精准程度，有针对性地减少其他交通流受到的负面影响。

第五级的信号控制系统必须具备相当程度的灵活性，才能实现绿灯时间、红灯时间和周期时长的弹性约束，实现各方通行利益的平衡。

第六级则须具备检测、通信与控制设备高精度的响应和处理能力，既能对不同等级道路上不同方向的公交车辆进行精准优先，又能有效控制对其他交通流的负面影响，实现对道路交通流的全局最优化控制。

总之，在公交信号优先的问题上，应结合城市交通的发展水平，综合考虑基础设施、信号控制系统、背景交通及公交运行现状、相关技术设备条件、投融资等因素，合理确定公交信号优先的定位、目标及需求，最终选用适合的控制等级。

4 结语

本文在现有技术条件和认知水平的基础上，从规划设计、信号控制的宏观和微观层面提炼了24项要素，按不同的精细化程度将公交信号优先控制划分为6个等级。该等级划分方法既是衡量公交信号优先控制系统水平的标尺，又表明了公交信号优先的系统化、精细化的发展方向。