现代有轨电车交叉口信号配时方案研究

2013-08-10毛励良王子雷

都市快轨交通 2013年2期

李凯毛励良张会王子雷

(北京城建设计研究有限责任公司北京 100037)

与其他交通工具相比，现代有轨电车是介于公共汽车和地铁之间的新型轨道交通方式。与地铁制式不同，现代有轨电车的运营组织受制于道路交叉口的信号配时，路口交通信号的相位、周期和延误等设计指标直接影响电车的运营质量［1-2］。欧洲国家的有轨电车运营时刻表与路口信号灯协调，信号优先比公交车更有保证。在德国，有轨电车线路密集区域单独设有一套有轨电车信号灯，与路口车辆信号灯分立，两套系统相互协调，同时保证有轨电车的信号优先［3-4］。考虑到我国交通发展现状，如何在多种交通形式参与的平交路口上进行合理的信号配时，从而保证现代有轨电车的正常运营，是一个重要的研究课题。下面以沈阳市浑南新区现代有轨电车一期工程为例，基于此背景开展研究。

1 工程概况

浑南新城是沈阳市内城改造和城市发展战略升级相互联动而形成的新城，其规划区的发展空间充足，具有较好的建设条件。在此区域内增设有轨电车线路具有战略意义，可实现快速公交线网规划。有轨电车在浑南新城的功能定位是城市公共交通系统的骨干，在建成后将承担大部分客流。墨尔本电车系统与浑南电车系统的功能定位相同，是墨尔本市民使用最多的公交系统，其客运量占通勤总量的83%［5］。可见，浑南新城有轨电车远期将在城市交通的发展中起到重要作用。

浑南新区现代有轨电车一期工程共有4条线，全长约59 km，设车站65个，轨道正线所在的道路均为城市主干路，并与31条主干路、58条次干路和56条支路平面交叉，形成145个平交路口［6］，如图1所示。有轨电车的车辆尺寸和动力性能明显有别于常规公交和小汽车，考虑到不同等级的城市道路具有不同的交通特征，所以需要分别制订定相应的信号配时方案。

2 研究内容

在我国，混合交通是城市交通最为显著的特点，多种交通流在交叉口交会易造成拥堵。因此，照搬欧洲有轨电车在平交路口的控制策略，盲目追求有轨电车的优先通行权［7］并不明智。下面以浑南新区现代有轨电车一期工程为例，分析有轨电车与常规社会车辆之间的关系，通过合理利用交叉口的时间资源，探讨适用于我国的信号配时策略。

图1 浑南新区有轨电车线路

当浑南新城的道路网刚刚建成时，线网流量不稳定且缺乏准确观测值，如果采用道路流量阈值来确定控制方案不具可行性，因此改为以相交道路等级为依据来确定方案，包括主干路与主干路相交路口、主干路与次干路相交路口、主干路与支小路相交路口(轨道正线所在的道路均为城市主干路)。以上3类交叉口流量的组成特性不同，各自配时方案的重点也不尽相同，研究的内容包括:明确各相交等级交叉口的信号配时方案原则与重点，确定各相交等级交叉口的信号配时策略，建立适用于有轨电车运行特性的配时方案参数计算公式，选取典型交叉口进行配时方案的实例计算。

3 信号配时原则

浑南新城有轨电车在路段拥有独立路权，在交叉口采用平交，按照路口交通信号的配时要求，与其他地面交通流分享路口的通行权利。控制方案不仅要保证有轨电车的通行需求，还要保证路口其他交通流的正常秩序。兼顾以上因素，确定了各相交等级交叉口的优化原则。

1)在主主相交路口，相交道路的等级高，道路的交通流量与电车正线的交通流量相当，所以制订配时方案应着力突出现代有轨电车容易与地面交通亲近的特征，最终选取常规周期运行方式。

2)在主次相交路口，相交道路的等级次之，道路的交通流量小于电车正线的交通流量，但相差不大;大容量有轨电车需要优先通行，同时还要协调主干路和次干路地面交通的关系，尽量减少次干路的交通延误，所以最终选取延长主干路方向绿灯时间的信号优先方式。

3)在主支相交路口，相交支小路的道路等级低，交通流量与电车正线有明显差异，所以制订半感应信号控制方案，即针对主干路采取绝对信号优先的控制方式。

4 信号配时方案

4.1 有轨电车车辆性能

浑南新区现代有轨电车采用不封闭的双线线路，右侧行车制。有轨电车的主要尺寸和性能参数如下:车体长度60 m(两节车厢)，车体宽度2650 mm，列车最高运行速度70 km/h，道岔最高运行速度20 km/h，旅行速度目标不低于20 km/h，列车构造速度80 km/h，列车交叉口平均车速30 km/h，平均启动加速度1m/s2(0～30 km/h，即0～8.3 m/s)和0.5m/s2(30 ～70 km/h，即8.3 ～19.4 m/s)，常用平均制动减速度不小于1.1 m/s2(70～0 km/h)。

4.2 主主相交路口方案

针对主主相交路口，采用常规信号控制的手段，控制方案如图2所示。为保证有轨电车在交叉口顺利通过，需确定有轨电车通过的最小绿灯时间，在具体配时方案中，应当保证相位绿灯时间大于最小绿灯时间。配时参数的计算应根据有轨电车的车辆运行特性展开，有轨电车在交叉口的启动与加速通过呈间断性变化:在 v=0～30 km/h(即0 ～8.3 m/s)时，a=1 m/s2，加速行驶时间 t1;在 v=30～40 km/h(即8.3～11.1 m/s)时，a=0.5 m/s2，加速行驶时间t2;之后以交叉口最大行驶速度40 km/h匀速通过，匀速行驶时间t3。

图2 主主相交路口的信号控制思路

因此，最小行驶时间的计算分阶段完成，通过n辆直行有轨电车的最小行驶时间可计算为

式中:tmin——n辆有轨电车直行通过交叉口的最小时间，即直行最小行驶时间，s;

l交叉口——有轨电车自停止线至对向停止线的距离，m;

l电车——有轨电车车长，m，沈阳的有轨电车车长约为60 m(两节车厢);

n——连续通过的有轨电车数量;

vmax——有轨电车通过交叉口为绿灯时的最大车速，km/h，一般为40 km/h(即11.1 m/s);

h——有轨电车之间的车头间距，m;

a——有轨电车加速度，m/s2。

4.3 主次相交路口方案

在主次相交路口采用“有条件信号优先”，是在“绝对信号优先”的基础上，对电车信号的转变附加了适当的条件。在交叉口的进口道上安装检测器，当电车到达交叉口前，路口交通信号优先系统经过判断后，采取延长绿灯相位时间的办法，根据进口道的有轨电车需求转换。此方法较绿灯提前的信号切换优先方式更适合于我国交通流现状，交叉口控制方案如图3所示。

主次相交路口初始绿灯时间也应满足有轨电车行驶最小绿灯时间的要求，其计算公式同式(1)～式(4)。当初始绿灯时间即将结束时，处于进口道一定位置的检测器测得后续有轨车辆的到达，应适当延长绿灯时间，即有轨电车车辆以指定的车速从停止线通过与相交道路冲突点的时间，此距离包括停止线与冲突点的距离和有轨电车车长之和。绿灯延长时间的具体计算如下:

图3 主次相交路口信号控制思路

式中:tΔ——绿灯延长时间，s;

l——有轨电车停止线至相交道路冲突点的距离，m;

l电车——有轨电车车长，m，沈阳的有轨电车车长约为60 m(2节车厢);

v——有轨电车进入交叉口进口道为绿灯时的平均车速，km/h，一般取30 km/h。

4.4 主支相交路口方案

针对主支相交路口，采用支路半感应信号控制方案，即采用绝对信号优先的处理方式，交叉口控制方案如图4所示。“绝对信号优先”的具体描述为:在电车线路与支路或小路相交的平交路口，持续对主干道的机动车保持优先通行的绿灯信号，支小路保持红灯状态;当支小路进口道一定范围内的检测设备检测到有机动车到达时，信号灯才开始转变为对支小路显示绿色信号。支小路在最小绿灯时间的基础上，若有车辆持续通过，单位车辆实际会延长4s的绿灯时间，最大绿灯时间不多于初始绿灯时间的1.5倍。

图4 主支相交路口信号控制思路

5 信号配时方案计算

应用上述配时研究思路，选取主主相交的全运南路—白塔大街路口、主次相交的沈中大街—全运路路口、主支相交的全运北路—白塔大街东侧路路口。有轨电车通过交叉口的最小绿灯时间根据式(1)～式(4)来计算，有轨电车的绿灯延长时间根据式(5)来计算。

一个信号周期内通过有轨电车的车辆数结合运营方案来确定，采用四相位配时方案。将路口形式、流量、最小绿灯时间、相位分配方式等参量输入到Synchro中，运行软件，调整配时方案，并得出延误评价结果。有轨电车在主主相交路口的延误时间为29.5 s，路口服务水平达C级;在主次相交路口的延误时间为27.9 s，路口服务水平达C级;在主支相交路口的延误时间为15.1 s，路口服务水平达B级。

全线145个平交路口的配时结果统计见表1。