预信号公交优先交叉口协调控制策略研究*

张斌华，成卫

（昆明理工大学交通工程学院，云南昆明 650500）

预信号公交优先交叉口协调控制策略研究*

张斌华，成卫

（昆明理工大学交通工程学院，云南昆明 650500）

在已有研究的基础上，对主信号与预信号协调控制策略进行优化，利用VISSIM仿真软件对不同控制情况进行仿真。结果表明，优化调整后，社会车辆在候驶区内的二次停车现象减少，车辆运行效率提高；预信号控制能明显减少公交车辆的车均及人均延误，公交优先效益显著，但社会车辆的车均及人均延误增加；通过对全部车辆车均延误的分析，可根据公交车辆占全部车辆的比值选取不同信号控制方式。

城市交通；公交优先；预信号；延误；VISSIM；二次停车

公交优先是解决城市交通拥堵的有效方法。预信号的概念是英国交通运输局于1991年在促进公交发展的报告中首次提出的，并于1993年将预信号控制实际应用到英国的公交发展中。预信号公交优先控制是公交优先控制的一种典型形式，其主要目的是通过在时间和空间上给予公交车辆优先权，减少公交车辆车均延误和人均延误，提高公交车的速度和效率，使公交车能提供更优质的服务。

国内外很多专家对预信号公交优先进行了研究。在国外，Jianping Wu率先研究了不同预信号控制情况下的公交优先，随后Kejun Long、Johan Wahlstedt等分别研究了单个交叉口、协调交通控制的预信号公交优先，S.Ilgin Guler研究了预信号公交优先控制的解析公式并用实例进行了验证；在国内，张卫华等率先对预信号公交优先进行研究，随后李嘉、何必胜、陈东静等分别利用交通软件、感应控制策略和协调控制方法对预信号公交进行了研究。这些研究保证了公交车辆的优先权，但因为预信号绿灯先启亮，社会车辆驶入公交候驶区，造成社会车辆二次停车，同时增加了排队长度，当主信号变为绿灯时，由于排队较长，起动波传播时间长，影响车辆通行效率。

针对以上问题，该文对预信号时间进行调整及优化，消除社会车辆二次停车现象；通过协调控制，保证两股车流分别以一定速度先后驶入交叉口，减少起动波传播时间，进一步减少车辆延误，提高车辆通行效率。

1 预信号公交优先交叉口时间关系及延误分析

预信号公交优先交叉口包括两组信号灯，分别为主信号和预信号。两组信号灯具有相同的信号周期，但控制对象不同，灯色时间也不同。

设置预信号是保证红灯期间到达交叉口的公交车辆能停靠在社会车辆前，减少公交车辆延误。根据文献［1］进行预信号设置，可保证公交车辆在红灯期间停靠在社会车辆前，减少公交车的延误，但预信号绿灯启亮时间早于主信号，社会车辆驶入公交候驶区后需停车等待公交车起动。为此，对文献［1］中主信号与预信号的时间进行调整。

对预信号进行调整，使主信号绿灯启亮时间早于预信号。主信号绿灯启亮后，公交车辆驶入交叉口，随后预信号绿灯启亮，社会车辆驶入交叉口，此时公交车辆和社会车辆分别呈脉冲式进入交叉口。因为两股车辆之间的距离较小，从时间上进行协调控制，可保证社会车辆能以一定的速度紧随公交车驶入交叉口，减少文献［1］中信号控制导致社会车辆二次停车的情况，同时提高车辆起动波传播速度和整体运行效率，减少车辆延误。

根据文献［1］中的假设，结合调整之后的预信号时间关系，提出新的假设条件：

（1）根据调整之后的时间关系，社会车辆将以一定的速度占用公交车辆与社会车辆之间的空间。

式中：rp、rm分别为预信号红灯时间、主信号红灯时间（s）；vd为社会车辆到达率（pcu/s）；Sl为车道饱和流量［pcu/（s·车道）］；Np为预信号处非优先车道数。

（2）交叉口处的交通需求与通行能力相同，在主信号绿灯结束时，主信号停车线处将无车辆二次排队。

式中：gm为主信号绿灯时间（s）；Nm为主信号停车线处车道数；C为周期时长；vdB为公交车到达率（辆/s）；v为将公交车化为标准车辆之后的总车辆到达率（pcu/s），1辆/s=2 pcu/s。

根据上述公式，可得到主信号、预信号的绿灯和红灯时间表达式：

式中：gp为预信号的绿灯时间（s）。

图1对主信号与预信号的时间进行了调整，文献［5］对主信号与预信号的关系进行了调整。该文在此基础上进行优化，使主信号与预信号达到协调控制车流的目标（见图2）。优化主要包括预信号红灯提前启亮时间t1和主信号红灯提前启亮时间t2两个参数，其中：预信号红灯提前启亮用于控制社会车辆，避免社会车辆占用公交车候驶区；主信号红灯提前启亮用于保证公交车辆率先驶入交叉口，社会车辆以一定速度紧随公交车驶入交叉口。两股车辆以脉冲式先后驶入交叉口，保证车流行驶速度，减少社会车辆的二次停车和延误。

图1　新预信号与主信号关系示意图

图2　预信号与主信号关系优化示意图

预信号红灯提前启亮时间t1的计算公式为：

式中：L为公交车候驶区的长度（m）；vs为公交车辆平均速度（m/s）。

假设公交车辆占用公交车候驶区的全部空间，并且当起动波传递到最后一辆公交车时第一辆已经达到公交车辆的平均速度。

式中：vB为公交车辆平均速度（m/s）；aB为公交车辆平均起动加速度（m/s2）。

根据假设条件，当候驶区中全部公交车起动时，如果存在一定距离，社会车辆可紧随公交车起动；如果距离较小，需滞后一段时间，保证社会车辆以一定速度紧随公交车辆。滞后时间t的取值为［0，3］s（绿灯启亮第一辆车通过停止线的时间为2.3s）。

主信号红灯提前启亮时间t2的计算公式为：

常规信号控制交叉口处的车辆延误状况见图3。根据图3可得到全部车辆的总延误D和车均延误d分别为：

图3　常规信号控制交叉口时间与累积车辆图

对预信号公交优先交叉口信号控制进一步优化后，公交车辆延误状况见图4。由于社会车辆受预信号控制，公交车辆以线段AB到达率到达，当主信号绿灯启亮时，公交车辆以线段BE消散；当预信号绿灯启亮时，社会车辆以一定速度紧随公交车辆驶入交叉口。因为在主信号与预信号协调控制，分段排队车辆以脉冲式行驶，可提高起动波的传播速度，保证两股车流均能快速提高到正常行驶速度并紧随连续行驶。

图4　预信号公交优先交叉口时间与累积车辆图

根据图4，三角形ABE的面积为公交车辆延误时间。当预信号绿灯启亮时，公交车辆与社会车辆混合到达，三角形BCD的面积为全部车辆延误之和。调整优化后的延误状况明显小于文献［1］与文献［6］中的延误。

预信号公交优先全部公交车辆总延误DB和车均延误dB、全部社会车辆总延误Dveh和车均延误dveh分别为：

式中：X为社会车辆以平均起动加速度a加速至社会车辆平均速度所需的时间。

在式（12）～（15）中，若主信号与预信号红灯时间、绿灯时间及周期在一定时间段内保持不变，可将其作为常数，随着公交车辆占全部车辆的比值变化，可得车辆车均延误变化趋势（见图5）。

图5　预信号公交优先交叉口车辆车均延误

根据图5，随着公交车辆占全部车辆比值的增加，公交车辆车均延误增加，社会车辆车均延误减小；比值较大时，社会车辆车均延误有增加趋势。全部车辆车均延误随着比值的增加先减小后增加，比值为0.45左右时，全部车辆车均延误最小。

2 预信号公交优先交叉口设置条件及空间布局

2.1设置条件

进行预信号公交优先空间设置时应满足一定约束条件，以有效提高公交运行效率，减少公交车辆延误。约束条件如下：1）道路上设有公交专用道，保证公交车辆能顺利进入交叉口处的公交候驶区；2）停车线与上游的公交站点有足够的距离，保证设置公交候驶区后仍有足够的距离；3）出口道起点与下游公交站点有足够的距离，保证车辆顺利换道；4）公交车流量占交叉口总流量的20%以上。

为保证交叉口的利用率，应在左、直、右中选择公交车到达率最高的方向来设置预信号控制。根据约束条件，直行公交车的到达率最高，所以主要考虑在直行方向上设置预信号控制。

2.2空间布局

根据进口道车道数量的不同，可设置不同形式的公交车候驶区。由于进口道车道数及车流量不同，将交叉口设置为部分预信号公交优先或全部预信号公交优先（见图6、图7）。

图6　部分预信号公交优先交叉口布局图

图7　全部预信号公交优先交叉口布局图

预信号公交优先交叉口处的空间布局主要考虑主信号、预信号停车线之间的距离，该距离应满足高峰时公交车辆的需求，主要与公交车辆的长度和到达率、设置公交车候驶区的车道数、主信号与预信号的信号配时、公交车之间的安全距离及公交车变道时所需距离等因素相关。根据以上因素，将公交车辆的长度定义为lB、公交车候驶区的车道数为nB、公交车之间的安全距离为ls，得到预信号停车线与主信号停车线之间的距离L：

3 预信号公交优先交叉口仿真研究

选取某交叉口进行仿真研究。该交叉口主要道路包含有公交专用道，并且公交车流量较大，每个周期公交专用道都会有大量公交车排队等候。经调查得到交叉口的空间、时间、交通流量及载客人数等参数（见表1），采用微观交通仿真软件VISSIM7.0对预信号公交优先交叉口进行仿真分析。

表1　交叉口交通流量和流向

根据预信号公交优先时间与空间的设置方法，对现状交叉口进行预信号公交优先设置。交通流量利用调查数据，将公交车辆占全部车辆的比例以5%的步长由低到高递增。根据公交车辆占全部车辆的比值变化，对现状常规交叉口、部分预信号公交优先交叉口和全部预信号公交优先交叉口进行仿真，得到不同情况下公交车辆、社会车辆及全部车辆车均延误（见图8、图9）。

图8　3种情况下车均延误对比

图9　3种情况下全部车辆车均延误对比

由图8、图9可知：1）在公交车辆车均延误方面，随着公交车辆占全部车辆比值的增加，公交车辆车均延误逐渐增加，2种预信号公交优先控制下公交车辆车均延误均显著降低。与常规信号控制比较，部分预信号公交优先控制下公交车辆车均延误平均下降31.9s，全部预信号公交优先控制下公交车辆车均延误平均下降42.9s。随着公交车辆占全部车辆比值的增加，全部预信号公交优先控制下公交车辆车均延误逐渐低于部分预信号公交优先控制下公交车辆车均延误，平均下降11.2s。2）在社会车辆车均延误方面，随着公交车辆占全部车辆比值的增加，社会车辆车均延误逐渐降低，2种预信号公交优先控制下社会车辆车均延误均大于常规信号控制，但随着公交车辆占全部车辆比例的增加，3种情况下社会车辆车均延误差距愈来愈小。与常规信号控制比较，部分预信号公交优先控制下社会车辆车均延误平均增加12.3s，全部预信号公交优先控制下社会车辆车均延误平均增加18.1s。2种预信号公交优先控制之间社会车辆车均延误相差较小，仅为4.6s。3）预信号公交优先控制明显降低了公交车辆车均延误，但社会车辆车均延误相对增加。比较而言，预信号公交优先控制下公交车辆车均延误降低值明显大于社会车辆车均延误增加值，公交车辆优先效果显著。4）在全部车辆车均延误方面，随着公交车辆占全部车辆比值的增加，3种情况下全部车辆车均延误先减小后增大。公交车辆占全部车辆的比值小于0.35时，全部预信号公交优先控制下全部车辆车均延误最大，部分预信号公交优先控制延误次之，现状常规控制延误最小；当比值大于0.35时，全部车辆车均延误与比值小于0.35时相反。可见，可根据公交车辆占全部车辆的不同比值来确定选择何种信号控制方式。当比值小于0.35时，选择常规信号控制；当比值为0.35～0.45时，2种预信号公交优先控制均可；当比值大于0.45时，选择全部预信号公交优先控制。

根据3种不同情况下车均延误，结合现状调查得到的社会车辆载客（2.1人/辆）和公交车辆的载客（30人/辆）情况，得到不同情况下全部车辆的人均延误（见图10）。

图10　3种情况下车辆人均延误对比

由图10可知：公交车辆人均延误与社会车辆人均延误之间的差距较大，充分体现出公交车辆的优势；当设置预信号公交优先时，公交车辆人均延误与社会车辆人均延误均明显小于常规控制方式，进一步体现了预信号公交优先的优势。

4 结论

通过调整主信号与预信号之间的关系，可减少社会车辆在候驶区内二次停车，保证公交车辆和社会车辆以一定速度先后紧跟驶入交叉口，提高车辆运行效率；设置预信号公交优先控制后，公交车辆延误降低值明显大于社会车辆车均延误值，公交优先效益显著；根据全部车辆车均延误，可根据公交车辆占全部车辆的比值选取不同的信号控制方式；设置预信号公交优先控制可显著减少人均延误。

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U491.2

A

1671-2668（2016）05-0028-05

国家自然科学基金资助项目（61364019）

2016-03-18