基于主动优先的快速公交（BRT）交叉口优先设计及仿真

李续扬，罗培卿，韩瑜睿，王长城

（兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州730070）

快速公交简称BRT（Bus Rapid Transit），是一种较大运量的新型公共交通系统，介于常规公交与轨道交通之间的公共交通方式。BRT车辆在道路上享有专用路权，在车站设有水平上下站台和售检票系统，所以，其最大的通行瓶颈在交叉口。为了使BRT在交叉口处能快速通过，且对交叉口整体交通影响最小，研究将主要介绍BRT主动优先技术。

主动优先取决于BRT车辆的具体位置信息，当BRT车辆被设置的检测器检测到时才执行。考虑到BRT车辆的到达率和社会车辆的到达率，对主动优先的信号设计进行优化。主动优先策略包括延长绿灯时间、提前结束红灯时间、跳跃相位、插入公交相位以及倒转相位等方法。在主动优先策略中，延长绿灯时间和提前结束红灯时间两种方法较为常用。

案例分析主要对交叉口实施绿灯延长和红灯早断与现状进行VISSIM仿真，然后分析不同优先策略下的交叉口运营评价指标的优劣，下面主要对绿灯延长和红灯早断进行研究。

1 交叉口BRT主动优先系统分析

1.1 绿灯延长

假设如下:交叉口入口BRT车辆检测器距离交叉口停车线Lm，BRT车辆通过此路段的速度为Vm／s，则BRT车辆需要L／Vs到达交叉口。当交叉口入口检测器检测到BRT车辆时，前进方向信号灯为绿灯，并且该方向剩余的绿灯时间为gs。则:

1）当g≥L／V时，BRT车辆顺利通过此交叉口；

2）当g＜L／V时，判断是否延长此信号周期内该相位的绿灯时间，并给出最大绿灯延长时间为Δgs；

3）当g＋Δg≥L／V时，此信号周期内的绿灯延长时间为L／V－gs，BRT车辆顺利通过交叉口，否则监控中心直接给驾驶员发出停车等候信号。

1.2 红灯早断

假设如下:当BRT车辆到达交叉口入口检测器处时，前进方向信号灯为红灯，并且该方向剩余的红灯时间为rs。则:

1）当r≤L／V时，BRT车辆顺利通过该路口；

2）当r＞L／V时，判断是否提前结束此相位的红灯时间，并给出最大红灯早断时间为Δrs；

3）当r－Δr≤L／V时，该信号周期提前结束红灯时间为r－L／Vs，BRT车辆顺利通过交叉口，否则监控中心直接给驾驶员发出停车等候信号。

通过红灯早断和绿灯延迟等手段调整交叉口信号相位，可以为绝大部分的BTR车辆提供优先通行条件，同时，与绝对优先控制策略对比，可减少横向车流的影响。

2 绿灯延长和红灯早断延误模型分析

2.1 绿灯延长策略延误模型分析

当检测器检测到BRT车辆到达时，交叉口相位A为绿灯，并且绿灯剩余时间不能保证BRT车辆通过交叉口，则可以将绿灯时间延长Δt。同时，为满足信号周期稳定，需要延长交叉口相位B的红灯时间，即压缩相位B的绿灯时间。相位调整如图1，C为周期时长，Δt为优先时间。绿灯时间调整后，绿灯延长相位车辆延误变化如图2所示，阴影部分即为优先相位减少的延误。图2中g1为有效绿灯时间，r1为有效红灯时间。

设周期内优先相位绿灯延长策略下车辆延误减少量为Δdg，计算式如下

图1 绿灯延长配时调整关系

图2 绿灯延长相位车辆延误变化

式中:Δdg为一个周期内优先相位车辆延误减少量；qb为一个周期内优先相位的进口道到达率；sb为一个周期内优先相位的饱和流率。

绿灯时间调整后，非绿灯延长相位车辆延误变化如图3所示，阴影部分即为非优先相位增加的延误。

图3 非绿灯延长相位车辆延误变化

设周期内非绿灯延长相位车辆延误增加量为Δdij，计算方法如下

式中:i为第i相位，共有n个相位；j为第j进口道；Δti为第i相位绿灯调整时间；qij为第i相位第j条进口道车辆到达率；sij为第i相位第j条进口道饱和流率；ri为第i相位有效红灯时长。

2.2 红灯早断策略延误模型分析

当交叉口检测器检测到有BRT车辆到达时，交叉口相位A为红灯，同时交叉口相位B的绿灯时间满足最短绿灯时间要求。为减少BRT车辆在交叉口的等待时间，使BRT车辆快速通过，可以提前结束交叉口相位A的红灯时间，相位调整图如图4所示。

图4 红灯早断配时调整关系

红灯时间调整后，红灯早断相位车车辆延误三角形变化图如图5所示，阴影部分即为优先相位减少的延误。

图5 红灯早断相位车辆延误变化

假设信号周期内优先相位绿灯延长策略下的车辆延误减少量为Δdr，计算式如下

式中:Δdr为一个周期内优先相位的车辆延误减少量；

红灯时间调整后，非红灯早断相位车辆延误变化如图6所示，阴影部分即为非优先相位增加的延误。

图6 非红灯早断相位车辆延误变化

设周期内非红灯早断相位车辆延误增加量为Δdij，计算方法如下

式（4）中符号含义与式（2）中相同。

3 案例分析及基于VISSIM的BRT主动优先仿真

3.1 案例介绍

本文利用VISSIM仿真软件，以兰州市BRT1号线的费家营十字站交叉口为研究和仿真对象，通过设置不同环境来研究不同的信号优先控制策略下，BRT车辆对交叉口车流运行的影响。

费家营十字站位于兰州市BRT1号线桃海市场站和安宁区政府站之间。费家营十字站所在的交叉口是一个典型的十字交叉口，由主干道安宁西路和次干道万新路相交而成。

费家营十字交叉口几何条件示意图如图7所示，其信号配时方案如图8所示，表1位该交叉口交通量。

3.2 建立VISSIM仿真模型

首先在VISSIM软件中根据交叉口几何构造图建立交叉口，设置道路及交叉口的平均构造和几何尺寸，建立路段以及路段连接器，输入交通流量、交通运行的参数、公交运行、车辆构成、期望速度、路径分配优先原则等信息。

图7 费家营十字交叉口几何构造示意图

图8 费家营十字交叉口信号配时方案

表1 费家营十字交叉口交通量

VISSIM仿真软件中输入定时配时控制参数，设置信号灯，仿真运行效果如图9所示（仿真三维效果图）。

图9 仿真三维运行效果

3.3 仿真结果分析

由于VISSIM仿真软件具有不稳定性和随机性，所以只有一次仿真的结果不能真实准确地反映实际情况，需要多次独立仿真。每一次仿真稳定的运行时间长度可根据需要自己设定，而且应当舍弃VISSIM软件仿真时前后一段时间内的实验数据，当作仿真软件运行的初始化时间，等VISSIM仿真状态逐渐稳定后，选取中间较为准确时段作为系统评价时间。将费家营十字交叉口现状固定配时仿真结果与基于BRT主动优先的仿真结果进行对比，其结果如图10所示。

图10 现状固定配时仿真和BRT主动优先仿真的延误对比

上述结果表明，BRT主动优先下的交叉口车均延误、人均延误、BRT车均延误、BRT人均延误都比现状固定配时下的延误有明显的减少。

4 结束语

基于对BRT优先通行控制方法的研究成果，结合兰州市BRT1号线和费家营十字交叉口的实际调查，通过交通仿真软件VISSIM对现状进行仿真，进一步得到交叉口的各项评价指标，包括延误、排队长度以及行程时间等。同时在现状基础上，通过设置不同的BRT信号优先方式，其中包括绿灯延长和红灯早断，来分析交叉口交通运行评价指标的变化情况。仿真结果表明，BRT主动优先下的交叉口车均延误、人均延误、BRT车均延误、BRT人均延误都比现状固定配时下的延误有明显的减少。

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