绿波协调下公交优先信号控制算法研究

王保菊 景泽涛 李保民

摘  要：文章研究了公交优先策略对协调干线及公交车辆通行效率的影响，建立了上下游交叉口综合延误模型。采用公交相位红灯早断、绿灯延长的策略，以上下游交叉口综合延误模型为优化目标，保障上游交叉口公交车辆通行的同时，尽量降低对下游交叉口及绿波协调干线的不利影响。对通州区运河西大街的相邻交叉口进行了调查，采用VISSIM进行了实例仿真。

关键词：交通控制;绿波协调;公交优先;红灯早断;绿灯延長;VISSIM

中图分类号：TP391.9;U491          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）14-0035-04

Abstract： The paper studies the impact of bus priority strategy on the traffic efficiency of coordinated trunk lines and bus vehicles， and stablishes a comprehensive delay model of upstream and downstream intersections， adopts the strategy of red light early break and green light extension， takes comprehensive delay model of upstream and downstream intersections as the optimization objectives. The model ensures traffic efficiency of public transport vehicles and minimize the adverse impacts on downstream intersection and green-wave coordination trunk lines， investigates the adjacent intersection of yunhe west street in tongzhou district. It is validated by VISSIM simulation.

Keywords： traffic control; green-wave coordination; transit priority; red truncation; green extension; VISSIM

0  引  言

在城市交通控制中，绿波协调控制是一种常用的交通控制方式，在选定的交通干线上，规定好当前路段的车辆行驶速度，信号机根据干线的距离，调整优化车流经过干线相关交叉口的绿灯起始时间，确保车辆到达干线上每个交叉口时，正好遇到“绿灯”[1]。绿波协调控制一般是为确保特定交通流的顺畅通行，会对其他车流的通行产生不利的影响，在绿波协调控制时，通常是通过社会车流来优化相位差和绿波带宽度[2]。

我国城市化进程不断加快，城市道路面积、人均道路面积也在不断增加，但是仍解决不了城市机动车数量快速增长引起的供需矛盾，城市交通拥堵问题越来越严重，公共交通的大力发展可以在一定程度上缓解城市交通的拥堵现状。公交车辆可以在一定程度上提升交通道路资源利用率[3]。公交车辆是城市交通中的特殊车流，公交相位绿灯延长和红灯早断策略的公交优先控制会对协调干线的绿波控制造成不利的破坏[4]。为研究对上游交叉口采用公交优先策略是否对下游交叉口带来不利影响，本文创建上下游交叉口综合延误模型，以此模型为优化目标，对上游交叉口的公交优先策略优化时间进行计算，充分保障相邻交叉口通行车辆的权益。

1  绿波协调下公交优先控制目标优化

1.1  公交优先综合延误模型的建立

1.1.1  上游交叉口车辆的延误

根据韦伯斯特延误模型计算，公式为：

1.1.2  下游交叉口产生的车辆延误

采用徐伯寅等人提出的模型[5]。分析相邻的两个交叉口车辆在下游交叉口产生的车辆延误，交叉口的结构示意图如图1所示。

设定：交叉口X和交叉口Y的距离：L，交叉口X与交叉口Y路段间车速：v，干线信号周期：C，交叉口X和交叉口Y间的相位差：φ，上行方向的车流量：q。

对到达上游交叉口X的公交车辆实施红灯早断策略，经过X的车辆到Y时， Y的绿灯未启动而受阻。如图2所示。通过上游交叉口的车辆从X到Y的时间为L/v ，车辆在Y等待时间设为τ上，则有：

式中：

C：公共周期时长;

di：上游交叉口的第i相位车辆平均延误;

qi：上游交叉口第i相位车辆到达率;

q：上行方向车流量;

μ：交叉口在绿灯时间内的最大通行能力;

φ：交叉口X与交叉口Y的相位差;

L：交叉口X到交叉口Y的距离;

v：干线上车辆的行驶速度;

λ1、λ2为权重系数。

1.2  公交优先策略的选择

本文采用两种公交优先信号控制策略：公交相位红灯早断、公交相位绿灯延长，根据不同的情况对两种控制策略进行研究。绿波协调下的时距图如图3所示。

1.2.1  红灯早断策略

1.2.1.1  无社会车辆排队的情况

当公交车辆到达上游路口的检测装置，公交车辆行驶方向的信号灯为红色，且车辆到达路口停车线时信号灯为红灯且停车线没有其他车辆，此时采用采用红灯早断策略。早断时间∆Rt可根据交叉口人均延误模型计算，使公交车辆快速通过交叉口。

1.2.1.2  有社会车辆排队的情况

当公交车辆到达上游路口的检测装置，公交车辆行驶方向的信号灯为红色，且车辆到达路口停车线时信号灯为红灯且停车线上有其他车辆等候，此时采用红灯早断策略，早断时间∆Rt可根据交叉口人均延误模型计算。

若∆Rt≤t3，上游路口采用公交信号优先策略通行的车辆对下游交叉口不产生影响，此种情况可以对上游交叉口可采用公交相位紅灯早断策略，早断时间为∆Rt。

若∆Rt>t3，上游路口采用公交信号优先策略通行的车辆对下游交叉口会带来影响，此种情况红灯早断时间采用上下游交叉口综合效益模型（9）计算，保证协调干线的综合效益。红灯早断策略时距示意如图4所示。

1.2.2  绿灯延长策略

1.2.2.1  无社会车辆排队情况

当公交车辆到达上游路口的检测装置，公交车辆行驶方向的信号灯为绿色，但是公交车到达停车线时信号灯变成红色且停车线没有其他车辆，此时 采用绿灯延长策略。延长时间∆Rt依据交叉口人均延误模型计算，减少公交车辆交叉口等待时间。

1.2.2.2  有社会车辆排队情况

当公交车辆到达上游路口的检测装置，公交车辆行驶方向的信号灯为绿色，但是公交车到达停车线时信号灯为红色且停车线前有其他车辆。此时采用绿灯延长策略，延长时间∆Rt 可根据交叉口人均延误模型计算。

若∆Rt+t1≤t2，上游路口的公交信号优先策略放行的车辆不影响下游路口，此时可采用公交相位绿灯延长策略，延长时间为∆Rt。

若∆Rt+t1>t2，上游交叉口的公交信号优先策略放行的车辆会影响下游路口，为了降低影响，绿灯延长时间采用上下游交叉口综合效益模型（9）计算。绿波协调下绿灯延长策略时距示意如图5所示。

2  实例仿真验证

2.1  绿波协调下公交优先方案设计

选择北京市通州区的运河西大街进行方案设计，选取运河西大街—玉桥西路、运河西大街—玉桥中路两个交叉口作为仿真对象，通过实地调查，该路段的示意图如图6所示。

运河西大街—玉桥西路交叉口四个相位分别是：南北向直行、东西向直行、南北向左转、东西向左转运河西大街—玉桥中路交叉口的三个相位分别是：东西向直行、东西向左转、南北向直行和左转。

根据实地调查情况，采用公共周期选取办法，协调干线各个路口的公共周期为160 s，该路段车辆行驶速度设定为40 km/h，两个交叉口的配时方案如表1所示。

运河西大街VISSIM仿真界面如图7所示。

目标函数为上下游交叉口综合延误模型，通过遗传算法的选择、交叉、变异等一系列的操作优化计算出交叉口的公交相位的红灯早断绿时间或绿灯延长时间。两个交叉口公交相位的最大绿灯时间、最小绿灯时间及遗传算法优化完的相关参数如表2所示。

2.2  VISSIM仿真评价输出

将优化配时参数输入到运河西大街两个相邻交叉口的VAP模块，通过对协调干线有公交信号优先与无公交信号优先时干线的控制效益的比较，验证本文创建的上下游交叉口综合延误模型的有效性。仿真输出结果如表3所示。

通过对仿真数据的分析可以看出：对仿真的相邻路口公交相位采用公交优先控制，上下游交叉口综合车均延误有效降低，由基础配时的40.8 s降为37.8 s，降幅为7.4%;上游交叉口车均延误由基础配时的45.2 s降为39.7 s，降幅为12.1%，降幅比较大，有效的减少了上游交叉口的车均延误;下游交叉口的车均延误由基础配时的30.6 s增长为31.9 s，增幅为4.2%，增幅不大。

通过仿真数据可以看出：下游交叉口的车均延误增加，但提高了协调干线各路口的总体权益，上下游交叉口的综合车均延误降低，减少了乘客的等待时间，快速通过协调干线上各个交叉口。经过对协调干线有、无公交信号优先时干线的控制效益的对比，验证了本文建立的上下游交叉口综合延误模型的有效性。

3   结  论

绿波协调下公交优先信号控制方法可以有效地降低公交车辆的延误，提升车辆在协调干线上的运行效率。但是，公交优先策略会影响绿波协调控制及下游交叉口的车辆延误时间，为了有效地降低公交优先策略带来的不利影响，本文提出了上下游交叉口综合延误模型，可应用于协调干线上的相邻交叉口。通过VISSIM仿真结果可以看出，本文建立的上下游交叉口综合延误模型，在保证公交车辆优先通行的情况下，也保证上下游交叉口社会车辆的综合通行效率。

参考文献：

[1] 张卫华，陆化普，石琴等.公交优先的信号交叉口配时优化方法 [J].交通运输工程学报，2004，4（3）：49-53.

[2] 王殿海，朱慧，别一鸣等.干线公交优先信号协调控制方法 [J].东南大学学报：自然科学版，2011，41（4）：859-865.

[3] 马万经，杨晓光.单点公交优先感应控制策略效益分析与仿真验证 [J].系统仿真学报，2008，20（12）：3309-3313.

[4] 关伟，申金升，葛芳.公交优先的信号控制策略研究 [J].系统工程学报，2001，16（3）：176-180.

[5] 徐伯寅.城市主干道绿波带控制适用性研究 [D].南京：南京林业大学，2012.

作者简介：王保菊（1988—），男，汉族，山东德州人，工程师，硕士研究生，研究方向：智能交通。