干线公交绿波通行控制中公交专用相位的设置方法

杨 震 王 炜 陈淑燕 丁浩洋

(东南大学城市智能交通江苏省重点实验室，南京210096)

(现代城市交通技术江苏高校协同创新中心，南京210096)

对城市干线上一组交叉口交通信号灯实行联动控制，形成绿波协调控制系统，往往比单点交叉口控制能够取得更好的效果，它可使车辆能够遇到连续的绿灯信号，从而畅通无阻地通过干线上各个交叉口.干线绿波协调控制系统的服务对象一般是按一定车速行驶的小客车，若单独为公交车设计绿波系统，就需要采用不同的方法，这是由于:①公交车的行驶灵活性以及运行车速低于小客车，而且需要沿途停站上下客［1］;②交叉口需要物理公交优先设施的支持，避免公交车到达交叉口时排在其他车辆之后，引起不必要的延误，影响公交绿波系统的效能.

国内外对公交绿波通行控制已进行了一些研究.如文献［2］在公交专用道的基础上提出了公交绿波信号设置方法，并对其实施后的延误情况进行了仿真分析，结果显示公交绿波控制策略并不能改善沿线每个交叉口的人均延误，但能够达到整体最优的效果.文献［3］在交叉口饱和度分别为 0.5，0.8和0.95的条件下评估了相位延长、相位插入、相位早断3种公交优先策略所能达到的效果，结果表明这3种策略适用于饱和度中等的交叉口.文献［4］建立了一种包含续进控制层、单点控制层、公交优先控制层的实时鲁棒干线信号控制系统，实例研究显示该系统优于各种离线控制的模型，并能显著降低公交车辆的延误.文献［5］运用仿真手段分析了公交车在信号交叉口的延误与其车头时距的关系，结果发现对公交车车头时距的优化有助于减少公交车的延误.

城市干线上的公交线路具有一定的分布模式，一些公交车可能通过某个交叉口从相交道路汇入干线，另一些则可能通过某个交叉口驶离干线进入相交道路.基于此，在实行公交绿波通行控制时，需同时考虑到干线方向直行公交车、转弯公交车的通行需求，保证其相对于社会车辆的优先通行权.因此，可通过在交叉口设置仅让公交车通行的专用进口道和专用相位，对干线方向直行公交车、转弯公交车实行统一控制.本文将研究交叉口公交专用相位的设置方法，作为一种公交绿波通行辅助技术，来更好地解决干线公交绿波通行控制问题.

1 干线基本假定

为简化问题，假定本文所研究的城市干线具有如下特征:

1)为城市交通性主干道.

2)干线两侧有若干条低级别道路(以下简称支路)与之相交，形成交叉口，交叉口均采用信号控制.

3)未设置公交专用相位时，干线上各交叉口默认相位功能及顺序为:①干线协调方向直行、右转;② 干线协调方向左转;③ 支路方向直行、右转;④ 支路方向左转.此外，本文不考虑支路上直行公交车的优先通行权.

2 交叉口公交专用相位设置方法

2.1 公交专用相位数量及位置的设置

首先在干线各交叉口协调方向的2个进口道上分别设置一条公交专用进口道，该专用进口道位于社会车辆直行进口道与右转进口道之间，然后考虑交叉口公交线路分布模式的各种情形(见图1)，进行公交专用相位的设置.

图1 交叉口公交线路分布模式

情形1若交叉口协调方向上仅有直行(见图1(a))或直行、右转公交车(见图1(b))，则该交叉口协调方向无需设置公交专用相位，只需将社会车辆的直行、右转相位设为协调相位.

情形2若交叉口协调方向上其中一个进口道包含左转公交车和直行公交车(见图1(c))，为了避免左转公交车与对向直行公交车产生冲突，在该进口道设置1个公交专用相位，并将该相位和社会车辆的直行、右转相位都设为协调相位.

由公交线路布置的对称性可知，在此情况下，支路方向上存在右转汇入干线的公交车，因此将默认相位③的功能调整为支路方向的直行，默认相位④的功能调整为支路方向的左转、右转，同时将公交专用相位设置于默认相位②和③之间，保持汇入干线公交车与相应方向的协调相位相邻.

情形3若交叉口协调方向上2个进口道都包含左转公交车和直行公交车(见图1(d))，则基于和情形2同样的理由，在该交叉口协调方向上设置2个公交专用相位，每个进口道各占用1个，并将它们都设为协调相位.

同样地，在此种情况下，支路方向上也存在右转汇入干线的公交车，因此可采用与情形2相同的方法调整默认相位功能，然后将2个公交专用相位都设置于默认相位④和①之间，尽量保持汇入干线公交车与相应方向的协调相位相邻.

情形4若交叉口协调方向上无直行公交车，仅有转弯公交车(见图1(e))，则可以该交叉口为界，将原来的干线分成2部分单独考虑.

2.2 公交专用相位相序的确定

当干线上某些交叉口需要设置2个公交专用相位时(即2.1节中的情形3)，为了尽量增大协调方向上的绿波带宽，还需要考虑公交专用相位的相序.

首先对各交叉口间距实行等效变换［6］，使得公交车在上行或下行方向的每个路段上具有相同的运行速度，然后使用和绿波数解法［1］类似的寻找理想交叉口间距的方法来确定公交专用相位的相序.下面分4种情况讨论.

情况1干线上关键交叉口［1］没有公交专用相位，某些非关键交叉口含有2个公交专用相位.

根据2.1节，关键交叉口仅有一个协调相位时，可按图2(a)和图2(b)来求解关键交叉口与非关键交叉口的理想间距.当非关键交叉口的公交专用相位相序如图2(a)所示时，理想间距SIa(单位:m)满足

式中，vb1，vb2为经等效变换后公交车在道路2个方向的运行车速，km/h;gb1，gb2为非关键交叉口2个公交专用相位绿灯时间，s;C为绿波系统公共周期时长，s［1］.

图2 关键交叉口与非关键交叉口理想间距的确定

当非关键交叉口的公交专用相位相序如图2(b)所示时，理想间距SIb满足

定义 Δa，Δb为理想间距 SIa，SIb与实际间距 SA的偏差值，则

由于理想间距随n的变化可取多个值，因此偏差Δa，Δb也存在多个值，取Δa中各值的最小值以及Δb中各值的最小值，若≤，则非关键交叉口的公交专用相位相序取图2(a)所示的方案，反之，取图2(b)所示的方案.

情况2关键交叉口含有1个公交专用相位，某些非关键交叉口含有2个公交专用相位.

根据2.1节，关键交叉口有2个协调相位时，可按图2(c)和图2(d)来求解理想间距.当非关键交叉口的公交专用相位相序如图2(c)所示时，理想间距SIa满足

式中，gc1，gc2为关键交叉口2个协调相位绿灯时间，s;g2为关键交叉口默认相位②的绿灯时间，s;L为各相位损失时间，s.

当非关键交叉口的公交专用相位相序如图2(d)所示时，理想间距SIb满足

按照与情况1相同的方法可确定非关键交叉口公交专用相位相序方案.

情况3关键交叉口含有2个公交专用相位，某些非关键交叉口也含有2个公交专用相位.

按照与情况2类似的方法确定非关键交叉口公交专用相位相序方案，得到其中一种干线相序方案，利用图解法或Maxband法［7］试解该方案的绿波带宽W1.然后交换关键交叉口2个公交专用相位的次序，按同样的方法得到绿波带宽W2，取W1和W2较大者对应的相序方案即为干线最终的相序方案.

情况4关键交叉口含有2个公交专用相位，非关键交叉口的公交专用相位均不多于1个.

可分别针对关键交叉口的2种相序方案，利用图解法或Maxband法试解其绿波带宽，然后取其较大者作为最终的干线相序方案.

3 实例研究

淮海路是安徽省淮北市主城区内一条东西向主干道，自西向东有5个主要十字信号交叉口(鹰山路交叉口、洪山路交叉口、孟山路交叉口、相山路交叉口和长山路交叉口)［7-8］，共有13条公交线路通过该干线.干线各交叉口资料如表1所示，表中所有数据都已换算为当量标准车数pcu，其中公交车的换算系数取 1.9［9］，其他大型车取 2.25，中型车换算系数取1.5.干线各路段公交车平均运行速度如图3所示.下面将本文公交绿波通行中的公交专用相位设置方法应用于该条干线.

表1 淮海路干线基础数据

图3 淮海路干线各交叉口最终相序以及公交绿波控制方案

3.1 公交专用相位数量及相位结构的设置

根据表1各交叉口公交车流向以及2.1节，在鹰山路交叉口东进口、孟山路交叉口东进口分别设置1个公交专用相位，在相山路交叉口设置2个公交专用相位，并调整默认相位功能，插入公交专用相位，具体方案为:

1)鹰山路交叉口东西向采用默认相位，南北向采取单独放行策略，将默认相位③改为北进口左转、直行和右转，将默认相位④改为南进口左转、直行和右转，将东进口公交专用相位设置于相位②和③之间.

2)洪山路交叉口东西向采用默认相位，南北向为从北向南单向通行，因此取消默认相位④，将默认相位③改为北进口左转、直行和右转.

3)孟山路交叉口东西向采用默认相位，南北向默认相位③改为南北方向直行，默认相位④改为南北方向左转、右转，将东进口公交专用相位设置于相位②和③之间.

4)相山路交叉口东西向采用默认相位，南北向默认相位③改为南北方向直行，默认相位④改为南北方向左转、右转，东西进口的两个公交专用相位设置于相位④和①之间.

5)长山路交叉口维持默认相位结构不变.

3.2 公交专用相位相序的确定

首先用干线绿波配时法［1］确定公共周期时长Cm(123 s)、关键交叉口(相山路交叉口)以及协调相位绿灯时间(见图3)，计算过程中各类进口车道饱和流量的计算方法参见文献［10］.

由于关键交叉口包含2个公交专用相位，而非关键交叉口的公交专用相位数量均不多于1个，因此根据2.1节，需针对关键交叉口的2种相序方案，用Maxband法试解绿波带宽，结果如表2所示.从表中可看出，相山路交叉口东进口公交专用相位先于西进口时，能产生较大的绿波带宽.淮海路干线各交叉口最终的相序以及公交绿波控制方案如图3所示.

表2 相山路不同相序方案时系统绿波带宽试算结果 s

4 结语

本文分析了公交绿波通行控制中引入公交专用相位的优点，根据交叉口公交线路的分布模式讨论了公交专用相位数量及位置的设置方法，使用寻找理想交叉口间距的方法讨论了公交专用相位相序的确定过程.实例表明，在引入公交专用相位后，公交绿波控制系统能够充分考虑公交车的行驶特点，并同时为干线上直行、转弯公交车提供绿波带宽，达到了提高公交运行效率的目的.然而在干线交叉口饱和度较高或者公交车流量较少的情况下，本文方法存在一定局限性，有待进一步研究.

References)

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