公交信号主动优先的仿真研究——以上海沪宜公路为例

彭继娴

上海市上规院城市规划设计有限公司

0 引 言

“公交优先”的含义很广泛，在交通工程领域的“公交优先”，是指采用合理的交通管理措施，给公交车辆在道路上的优先通行权，从而提高公交车的运行速度和准点率[1]。其中，公交信号优先（Transit Sginal Priority, TSP）通过调整信号相位的相序、时间，或插入专用公交相位等措施减少公交车在交叉口的停车时间，是提高公交车服务质量的重要手段之一[2]。

直观上来看，在公交车辆通过交叉口时给与适当的优先通行，可以减少公交车辆延误[3]。但同时，公交信号优先策略压缩了交叉口其他转向的绿灯时间，影响非优先相位的车辆正常通行。所以，公交信号优先给道路交通带来的影响是复杂的[4]。美国马里兰州的MD355公路的BRT在2017年使用公交信号优先之后，车辆在通道上的行程时间减少了8%～13%[5]；Dion等人[6]利用交通仿真研究了公交信号优先在弗吉尼亚的哥伦比亚派克（国家公路SR244）的时间效益，发现可以减少快速公交2.3%～2.5%的行程时间和常规公交4.8%的行程时间，但同时发现如果所有公交车都获得信号优先，所有车辆的平均行程时间会增加18%；弗吉尼亚州另一条公路US-1的仿真研究采用延长10 s绿灯的公交信号优先方法，发现可以减少公交车4%的行程时间，但同时周边道路的最长排队长度会增加1.23%[7]。

上海市嘉定区沪宜公路是一条双向6车道的南北向主干路，叶城路—陈翔路段长约8.2 km，布设有路侧式双向公交专用道，这条公交专用道同时也是上海首条启用“多员合乘车道”的道路。目前的专用时段为早高峰7:00～10:00、晚高峰16:00～19:00。

本文利用TransModeler软件构建了沪宜公路（叶城路—陈翔路段）10:00～11:00交通运行的仿真模型，利用调查的交叉口转向流量和路段流量对模型进行了标定、校核和验证；选取沿线东西向交通量较少、运行状况较好的四个交叉口，对四个交叉口进行公交信号的主动优先控制，平均多次仿真结果，对比有无公交信号优先方案下的转向延误、交叉口总延误和路段延误等多个指标，综合评估公交信号优先方案对于改善沪宜公路（叶城路—陈翔路段）车辆延误的效用，并评估公交信号优先方案在这些交叉口的适应性。

1 仿真模型

1.1 基础模型

为了完整地构建沪宜公路（叶城路—陈翔路）所在区域的基础路网和出行矩阵，微观仿真模型的范围适当扩大至大约11.87 km2的范围，把路段沿线所有的机动车出入口和与沪宜公路平行的沪嘉高速等都包含在内，见图1。

图1 研究路段和仿真范围示意图

沪宜公路（叶城路—陈翔路段）现状沿线共有22个信号控制交叉口和12对（23个）公交车站。仿真范围内的信号交叉口按照现行使用的信号配时方案，初始信号控制均采用固定配时的控制方法。

1.2 现状交通需求

为了获取研究范围的现状出行OD，选取研究范围内49个关键交叉口、沪宜公路（叶城路—陈翔路段）26个机动车出入口、8个关键断面，利用视频采集和人工智能自动识别技术，进行了分时段分车种流量采集。然后用TransModeler根据调查流量反推仿真范围分车种的出行矩阵。

沪宜公路早高峰时段（7:00～9:00）的交通流量较大，叶城路—陈翔路段多个交叉口和路段的交通流呈现不稳定状态，仿真结果的离散性较高，评估的可参考性较低。所以选择非高峰时段10:00～11:00的分车种的出行矩阵，作为仿真的现状出行需求。

1.3 模型校核验证

Trans Modeler的OD反推（OD Estimation）原理类似宏观模型的道路交通分配，结果包括OD矩阵和根据OD矩阵分配后的路段流量。从路段流量和调查结果的比较来看，OD反推的结果基本满足现状出行需求矩阵的精度要求，见图2。

图2 分配路段流量与调查结果对比（10:00～11:00）

在实际的仿真中，道路的通行能力受到运行状况、交叉口信号控制、车种比例、驾驶员行为等一系列因素的影响；另外，交通仿真的路径选择具有一定的随机性。因此，微观交通仿真的结果相比于宏观模型的分配结果离散程度较高。从仿真结果路段流量和实际调查流量的对比来看，结果的精度在可接受的范围之内，见图3。

图3 仿真路段流量和调查流量对比（10:00～11:00）

根据交通仿真的结果，沪宜公路（叶城路—陈翔路段）公交专用道上的平均车速为30.6 km/h，公交车辆的路段平均行程车速（不考虑停站时间）约为22～28 km/h；根据实地调查的结果，沪宜公路公交车辆行驶速度（扣除进出站加减速、停站、交叉口停车）约为31 km/h，沪宜公路合乘车道行程车速约23～27 km/h。仿真结果和实际调查结果相近，见图4。

图4 沪宜公路合乘车道车速分布示意图

2 公交信号优先仿真

2.1 交叉口情况

沪宜公路（叶城路—陈翔路段）沿线22个信号交叉口中，排除了位于拥挤路段、东西向交通量较大、上游公交站点距离交叉口太近、进口道出入口较多的交叉口，选取沪宜公路—白银路、沪宜公路—双丁路、沪宜公路—双单路、沪宜公路—樱花街四个交叉口进行公交信号优先方案的仿真。这四个交叉口均有左转专用道；目前均为3相位固定配时的信号交叉口，第一相位为沪宜公路直行，第二相位为沪宜公路左转，第三相位为相交道路的直行+左转。交叉口渠化示意图如图5所示，其中棕色车道为公交专用道。

图5 四个交叉口的渠化和转向流量示意图

2.2 主动优先方案

本次仿真的公交信号优先综合采用绿灯延长、红灯早断和专用相位插入三种主动优先策略。优先策略的基本思路是：在交叉口上游的公交专用道布设检测断面，车辆通过检测断面时预测车辆达到交叉口时的信号状态，如果是红灯则调用公交信号优先策略。根据车辆达到交叉口时所在信号周期的位置，来调用不同的信号优先方案。沪宜公路直行相位为优先相位，沪宜公路左转和相交道路（东西向直行+左转）为非优先相位。

方案设计时还需考虑其他非优先相位的最短绿灯时间，保证行人的过街安全。公交信号优先方案设计遵循了以下几点基本原则：

①为了消除公交车停靠站的时间误差，交叉口进口道的检测断面设置在公交站下游；

②为保证行人过街的时长，东西向直行+左转相位的绿灯时间不少于15 s；

③考虑绿灯倒计时的需要，相位绿灯早断的反应时刻应该早于该相位开始的时刻；

④公交信号优先方案采用先到先得，一个信号周期只调用一次的原则。

信号优先方案的具体设计方法如下。

绿灯延长：公交车在沪宜公路直行相位即将结束的5 s内或刚结束10 s内到达交叉口，则沪宜公路直行绿灯延长10 s，同时等比例缩短其他两相位的绿灯时长。

红灯早断：公交车在红灯快即将结束10 s内到达交叉口，提前结束沪宜公路直行红灯，将第三个相位的绿灯缩短10 s；

插入专用相位：公交车在第二个相位结束前10 s之内达交叉口，则插入一个10 s的公交专用相位，同时缩短后续相位的绿灯时间，见图6。

图6 公交信号优先方案调用位置示意图

沪宜公路—白银路、沪宜公路—双丁路、沪宜公路—双单路这三个交叉口的沪宜公路左转相位的绿灯时间较短，所以这三个交叉口的优先方案均不缩短该相位的绿灯，见表1。

表1 沪宜公路（叶城路—陈翔路段）公交信号优先方案

2.3 仿真实现

本次公交信号优先的仿真采用TransModeler二次开发工具TsmApi来实现。仿真实现的基本逻辑是：根据车辆到达交叉口的信号状态，往前追溯反推车辆到达检测断面的信号状态。车辆到达检测断面，通过TsmController接口来读取交叉口信号状态，即刻判断并调用信号优先方案。信号周期结束之后对交叉口的信号配时进行初始化。控制流程图如图7所示。

图7 公交信号优先的控制逻辑

3 效用评估

为了评估公交信号优先方案的效用，分别对既有固定配时信号控制方案、公交信号优先方案进行仿真，采用10次仿真结果的平均值进行对比分析。

3.1 优先方案调用次数

从仿真调用次数来看，绿灯延长是被调用最多的信号优先方案。即便考虑车辆在交叉口触发绿灯延长策略的时间窗口大约有15 s，触发另外两种优先策略的时间窗口大约10 s。绿灯延长仍然是被调用次数最多的策略，见表2。

表2 信号优先方案调用平均次数（s）

公交信号优先方案下，受影响较大的是四个交叉口的东西向直行+左转相位。沪宜公路—双丁路、沪宜公路—双单路的东西向直行+左转相位的绿灯相比原方案平均缩减了近三分之一。其中，沪宜公路—双单路、沪宜公路—樱花街两个交叉口获得的优先绿灯最多，沪宜公路直行相位获得了比原信号方案多18%的绿灯时间，见表3。

表3 公交信号优先方案下相位的平均绿灯时长（s/周期）

3.2 交叉口延误

从交叉口转向的延误变化情况来看，公交信号优先方案在四个交叉口均减少了优先相位的车辆延误，同时也增加了非优先相位的车辆延误，在每个交叉口的不同转向产生的效用都有所不同。

公交信号优先方案在沪宜公路—双丁路、沪宜公路—双单路两个交叉口对沪宜公路直行车辆的优先效用比较明显，但是对非优先相位的车辆的影响也较大。沪宜公路—双单路交叉口，由于东西向进口的直行、左转车辆混行，对向的直行车辆对左转车存在干扰，降低了东西向进口的车道的通行能力，公交信号优先方案下该交叉口的东西向进口形成了拥堵，车辆延误有较大的增加，见表4。

表4 公交信号优先方案下的交叉口转向延误变化

3.3 路段总延误

从沪宜公路（叶城路—陈翔路段）全线的车辆延误情况来看，公交信号优先方案下，沪宜公路上的公交车和社会车辆的延误都有所降低，公交车的延误平均降低了6%，所有车辆的延误平均降低了9%，见表5。

表5 沪宜公路（叶城路—陈翔路段）车辆延误

4 结论与讨论

公交信号优先是提升公交服务水平的重要手段，但实施时还需要考虑一些实际问题，包括行人过街安全、非优先相位车辆的正常运行等。公交信号主动优先策略的理论发展了很多年，但在我国城市综合应用多种优先策略的案例并不多。

本文通过构建沪宜公路（叶城路—陈翔路段）的交通仿真模型，选取沿线条件较好的四个交叉口，综合调用绿灯延长、红灯早断、插入专用相位三种主动优先策略，通过与初始固定配时方案下仿真结果的对比，研究公交信号优先方案在交叉口及路段的时间效益。得到以下几点结论：

①公交信号优先方案下，沪宜公路（叶城路—陈翔路段）直行方向的车辆平均延误减少了9%，其中公交车的平均延误减少了6%；

②使用公交信号优先的四个交叉口，优先相位和非优先相位的延误变化情况都有所不同，但交叉口总延误均有所增加。其中沪宜公路—双单路交叉口的东西进口形成了拥堵；另外三个交叉口正常运行，但总延误略有增加。所以实施公交信号优先之前需仔细评估交叉口非优先相位的交通运行状况。

③绿灯延长是被调用次数最多的一种优先策略，其次是红灯早断，相位插入被调用的次数最少。