基于停车线法的公交优先感应信号设置及感应器位置研究

檀文芳 林丽 黄霖霖

摘 要：为提高交叉口处公交车辆运行效率，在停车线法的基础上针对公交优先感应信号控制进行研究，提出公交车辆检测器的设置距离模型。以整体交叉口以人为单位的通行能力的增加量作为指标，分别建立绿灯延长、红灯缩短和插入相位3种方式下的目标函数，并以函数最优化为目标，求出所设公交车辆检测器的最优位置模型，并借助VISSIM仿真软件，对检测器位置模型进行可行性验证。结果表明，将本文提出的检测器位置模型应用于公交优先控制策略后，整体交叉口以车辆为单位和以人為单位的通行能力均有所增加，且对于交叉口其余社会车辆的延误影响较小。本文提出的检测器位置模型具有可行性，在充分体现以人为本的理念下，该距离模型下的公交优先策略所带来的增长效益大于所导致的减少效益，有效减少了公交车在交叉口处的停车等待时间，提高公交车辆的通行能力。

关键词：公交优先;感应控制;停车线法;检测器距离

中图分类号：U491.54 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2019）01—0093-07

Abstract： In order to improve the operation efficiency and attraction of bus at intersections， a distance model of bus detector is proposed based on the parking line method. Taking the increment of traffic capacity as an index， the objective functions of green light extension， red light shortening and insertion phase are established respectively， and the optimal location model of the bus detector is obtained by optimizing the function. The location of the detector is simulated by VISSIM software. The feasibility of the model is verified. The results show that after applying the proposed detector position model to the bus priority control strategy， the capacity of the whole intersection with vehicles as the unit and people as the unit is increased， and the delay of the other social vehicles at the intersection is less affected. The results show that the detector position model proposed in this paper is feasible. The growth benefit of the bus priority strategy under the distance model is greater than the reduction benefit， which effectively reduces the waiting time of the bus at the intersection and improves the capacity of the bus.

Keywords： Bus priority; inductive control; stop line method; detector distance

0 引言

机动车的快速增长导致交通拥堵成为如今各国的一个突出问题[1]，面对存在的问题，越来越多的交通研究者与管理者提出了通过大力发展公交优先实现缓解城市交通拥堵、减少环境污染的目标[2]。目前国内外研究的公交优先控制策略主要包括被动优先和主动优先，采用公交优先感应控制的方式能根据实时检测到的公交车辆信息给予不同的优先控制方案，适用性较被动优先来说更加灵活[3-4]。目前对于如何通过检测器位置的优化设置来减少信号灯时间的浪费、提高公交运行效率、减少对其余社会车辆的影响方面的研究仍不太成熟[5-7]，有学者也只是通过经验判断或简单的计算公式对检测器位置进行粗略的设置，未充分考虑到公交车辆到来时交叉口整体的运行状况及交叉口面积大小等因素的影响[8]。

1 公交优先感应信号控制检测器位置模型

本文在停车线法的基础上针对公交优先感应信号控制进行研究，提出公交车辆检测器的设置距离模型，从而在实现公交优先的基础上尽量减少对其余社会车辆的影响。

公交优先主动控制策略即公交优先的感应信号控制策略，是一个动态的控制过程，需要在明确控制条件和控制流程等基本内容的基础上一步一步地实现公交优先的感应控制，从而充分利用交叉口各相位的绿灯时间，使得公交优先感应控制策略能在尽量减少对交叉口其余社会车辆的影响下实现公交车辆优先通行的目标[9]。针对本文研究重点，提出以下几点控制条件：①检测器的设置;②设有公交专用道;③重点针对四相位的十字形交叉口;④合理的交叉口交通设计方案。

正确的分析研究交叉口的通行能力，并据此实施交叉口的改进设计与控制，对于提高交叉口乃至整个交通路网的运行效益都有着十分重要的意义。因此，本文选择通行能力作为实施公交优先感应信号控制后的效益评价指标[10]。在采用停车法计算交叉口整体通行能力时，利用车辆换算系数将各类型车辆的交通量换算成标准小汽车交通量[11-12]。

1.1 前提假设

在进行检测器布设位置建模前，首先作出如下假设：

（1）交叉口中有且仅有一个相位上需设并设有公交专用道，且公交专用道上只允许公交车辆通行，并该相位上相邻公交车辆到达交叉口的间隔时间较长，适合采取感应控制方式。

（2）在公交专用道上设有公交检测器，可以实时获得公交车辆到达检测器的时刻，并能够正确预测公交车到达交叉口的时间。

（3）忽略车道宽度、坡度等要素对行车速度的影响，忽略非机动车及行人对交叉口交通运行状态的影响。

（4）公交车发车频率较低，进入公交专用进口道呈现自由流运行状态，因此假设速度为一稳定值。

（5）公交停靠站设置在远离交叉口的地方，即公交车辆进入交叉口时不受停靠站的影响。

（6）信号交叉口为典型的四相位十字交叉口，即设有左转专用相位，且无搭接相位。

1.2 绿灯延长策略模型建立与求解

1.2.1 通行能力优化目标函数建立

本文研究的交叉口信号控制方式为四相位控制，为方便研究，假设相位顺序为：东西向直行相位、东西向左转相位、南北向直行相位、南北向左转相位，且公交相位处于第一相位。假设当公交车辆到达检测器时，公交相位剩余绿灯时长为T绿剩，设检测器与停车线间距离为l1，交叉口距离大小为l2，公交车行车速度为v，则从检测器行驶到停车线，需用时t1 = l1/v，通过交叉口用时需t2 = l2/v，则需延长的绿灯时长为（t1 + t2 - T绿剩）[16-18]。若不给予公交车辆优先权，假设公交相位有效绿灯时长为gi，则公交车需在交叉口停车线处等待的时长为C - gi - （t1 - T绿剩）。下面分别讨论采取公交优先绿灯延长控制下公交车辆与社会车辆的通行能力变化。

第二相位左转社会车辆以人为单位的通行能力减少量为：

（3）交叉口整体通行能力效益变化

经分析以上各车道在公交优先绿灯延长策略下的通行能力变化，将公交车辆通行能力的增量经相应系数的换算转化成小汽车当量通行能力的增量，可得到最终交叉口整体车流量通行能力的增值为：

1.2.2 约束条件分析

经上述分析得到，在公交优先绿灯延长策略下，交叉口人流量通行能力关于变量?t绿的效益增值情况[17]，即：

1.2.3 检测器位置模型求解

由以上分析所得的?t绿范围，可相应求得t1的取值范围，即：

1.3 红灯缩短策略模型建立与求解

1.3.1 通行能力优化目标函数建立

为方便研究，假设相位数与相位顺序同上述绿灯延长策略中的安排一致。假设当公交车辆到达检测器时，公交相位剩余红灯时长T红剩，3 s为黄灯时长，设检测器与停车线间距离为l1，交叉口距离大小为l2，公交车行车速度为v，则从检测器行驶到停车线需用时t1 = l1/v，公交车辆减少的红灯等待时间为（T红剩 - t1）。下面分别讨论采取公交优先红灯缩短控制下公交车辆与社会车辆的通行能力变化。

1.4 插入相位策略模型建立与求解

同样为公交优先插入相位策略建立以人为单位的通行能力增量的目标函数PI，为方便研究，假设相位数与相位顺序同上述绿灯延长策略中的安排一致，且假设在第二和第三相位中插入一个公交相位。由于在本文接下来并未涉及插入相位，因此忽略模型的求解具体步骤，求得检测器距离停车线的最大长度为：

2 模型可行性仿真检验

选取任一设有公交专用道的交叉口，利用VISSIM交通仿真软件，针对上述提出的检测器布设位置 进行仿真测试，用以验证模型的可行性[21]。

2.1 示例交叉口分析

选取一个四相位交叉口为例，各方向含有四条进口道，三条出口道，南北方向设有公交专用道。具体相位及配时方案见表1。

根据所提出的检测器布设模型，求得该交叉口在采取绿灯延长措施时，检测器最优布设位置为距离交叉口停车线28 m处，此时绿灯延长时间为4 s;当采取红灯缩短策略时，检测器最优布设位置为距离交叉口停车线49 m处，公交相位绿灯提前启亮时间为7 s。由于该交叉口不适合采用插入相位措施，且实际四相位信号控制中一般不采用插入相位策略，因此这里不做分析验证。

由表2和表3可见，将本文提出的检测器位置模型应用于公交优先控制策略后，绿灯缩短策略下整体交叉口以车辆为单位和以人为单位的通行能力分别增加171辆、2 049人;红灯延长策略下整体交叉口以车辆为单位和以人为单位的通行能力分别增加380辆、3 823人，均有所增加，因此理论上该模型确定的检测器设置距离可行。

2.2 仿真检验

本论文在VISSIM 5.3的软件环境下对交叉口的运行状况进行仿真模拟，通过绘制路段、车辆输入、路径分配和信号控制等步骤实现仿真过程。

首先根据绿灯延长时间和红灯缩短时间的设置，仿真证明公交车辆在采取措施后能顺利通过交叉口。接着分别针对原信号控制方案、绿灯延长控制方案、红灯缩短控制方案这三种情况下的交叉口运行状态进行仿真，选取延误为评价参数，判断公交优先措施对于交叉口其余社会车辆的影响程度。最终将仿真得到的数据整理见表4。

采取绿灯延长措施时，公交相位社会车辆平均延误减少了2.7 s，公交下一相位社会车辆平均延误增加了2.5 s，整个交叉口的社会车辆延误平均值相比原信号控制方案减少了0.1 s。结合通行能力效益指标变化值和仿真得到的延误变化值可知设置的距离较理想，即绿灯延长策略下的距离模型可行。當采取红灯缩短措施时，公交相位社会车辆平均延误减少了3.6 s，公交上一相位社会车辆平均延误增加了5.3 s，整个交叉口的社会车辆延误平均值相比原信号控制方案增加了0.4 s。延误效益有所增加但综合考虑通行能力效益指标的增值，同时考虑到公交车辆载客量远远大于社会车辆，在充分体现以人为本的理念下，该距离模型下的公交优先策略所带来的增长效益大于所导致的减少效益，因此，认为模型具有可行性。

3 实例应用

选取四相位控制交叉口，且各相位车辆均较多，若采取插入相位策略会导致对其他社会车辆的影响较大，不利于整个交叉口的高效运行。因此，该交叉口仅研究绿灯延长策略和红灯缩短策略。实际操作时综合择优布设，现假定分别以绿灯延长策略下求得的检测器最优位置、以红灯缩短策略下求得的检测器最优位置以及兼顾两策略的位置平均值为基础，求出各值下的目标函数值，从而最终选取出最优布设位置。

由表5可见，45.5 m的检测器设置距离获得的车辆通行能力增量平均值及人通行能力增量平均值均最大，且两种策略下的增量差幅较小。

为能够更全面地分析得出检测器的最优布设位置，将这三种布设距离下各相位车辆所受的延误情况进行仿真模拟，得到各延误时长见表6。通过表中数据可以看出，三种不同的检测器设置距离35、56、45.5 m对于交叉口其余社会车辆的平均延误分别为35.9、35.8、35.8 s，可见差距较小。因此，结合各距离下通行能力增量对比情况，最终将车辆检测器设置在距离停车线45.5 m处，即绿灯延长与红灯缩短措施下分别求得的检测器距离的平均值处。

4 结论

我国城市道路交通控制中采用SCOOT信号控制系统和SCATS信号控制系统较多，根据本文提出的模型确定的距离在一定程度上避免了SCOOT系统和SCATS系统中存在的较大问题，确保了公交车辆有效地通过交叉口，且设置方式较为简单，实用性可行性较强。由于公交优先通行权是以其余相位绿灯时间的减少为代价的，所以在提高公交运行效率的同时，难免会造成相关相位车辆延误时间的增加和通行能力的减少，但从公交优先和以人为本的角度出发，基于本文模型的公交優先控制方案带来的部分效益增量比所失效益更可观。

本文所提出的检测器位置模型能实现公交车辆的优先通行，减少公交车在交叉口处的停车等待时间，提高公交车辆的通行能力，同时还能较大提高与公交处于同一相位的其余社会车辆的通行能力，但必然也会给相应的其他相位的社会车辆造成一定的影响。但综合整体交叉口通行能力来讲，基于本文模型下的优先措施能满足在尽量减少对其余社会车辆影响的条件下，充分体现以人为本的理念，实现公交车辆的优先通行，实现整体交叉口以车和以人为单位的通行能力的增加，通过仿真判定所提出的距离模型具有可行性，在公交优先通行研究中具有重要的理论和实际意义。

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