现代有轨电车不同等级交叉口优先配时方案研究

崔梁+邓君

摘 要：文章基于不同等级的交叉口实施不同的有轨电车优先方案，主干路与主干路相交路口由于交通流量相当且都比较大，所以在传统信号配时模型基础上对固定信号配时进行优化以实现有轨电车的优先通行；主干路与次干路相交路口，主路交通量大次路交通量相对较少，计算绿灯延长策略和红灯早断策略下的优先相位和非优先相位的延误，建立以车辆总延误为目标函数的主动信号优先感应控制模型；主干路与支路相交路口，主路交通量远远大于支路交通量，可采取绝对信号优先感应控制模式，最后通过VISSIM仿真验证文中方法的有效性。

关键词：有轨电车；交叉口分类；定时控制；主动优先；绝对优先

中图分类号：F570 文献标识码：A

Abstract： Different tramcar priority schemes were taken based on the different levels of the intersection in this paper. The intersection of the main road and the main road is relatively large， because of the relatively large traffic flow it is necessary to optimize the fixed signal timing in order to realize the priority of the tramcar. The main road and the road intersection， the main road traffic is large， the road traffic is relatively small， calculate the green light extension strategy and the delay of priority and non priority phases under the red light early fault strategy， established active signal priority control model based on total vehicle delay. The intersection of the main road and branch road， the main road traffic is much greater than the traffic volume， taken absolute signal priority control mode. Finally， the effectiveness of the proposed method is verified by VISSIM simulation.

Key words： tramcar； intersection classification； actued control； active priority； absolute priority

0 引 言

現代有轨电车是介于地铁和公交之间的一种中低运量的新型城市轨道交通工具，它具有安全、舒适、环保、快速的特性，它不仅能够缓解城市道路日益拥堵的压力、减少废气排放的问题，而且可以为公共交通的建设提供新的解决方案。现代有轨电车在欧洲乃至全世界范围内的迅速复兴，足以证明它存在的合理性和未来在国内的广阔发展前景，所以我们要在引进有轨电车技术的同时，提高对有轨电车的认识，加强有轨电车在实际运行中可能会存在的问题的研究。

现代有轨电车路权形式一般可划分为3种[1]：完全独立路权，即有轨电车在路段上独享车道，在交叉路口路权立交化，以此来保证现代有轨电车在路段的高速、安全运行；半独立路权，即有轨电车沿线线路拥有与其他交通方式的物理隔离措施（如路缘石或栅栏等），而在交叉路口处采用与道路平交的方式；混行路权，即线路上除了现代有轨电车运行之外，其他交通方式也运行于现代有轨电车的车道之上。其中半独立路权形式在现代有轨电车系统中使用最为普遍。根据相关理论计算，路段的延误远小于交叉口延误[2]。所以公交优先技术研究的落脚点就是有轨电车在交叉口的延误分析和处理。本文根据不同相交道路等级来确定不同的有轨电车优先方案，不同等级的相交路口包括主路与主路相交路口、主路与次路相交路口、主路与支路相交路口。以上3类交叉口流量的组成特性不同，所以各自优先方案也不尽相同，研究的内容包括： 明确不同等级相交路口的信号配时方案原则与重点，确定不同等级相交路口的信号配时策略，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。

1 信号配时方案

有轨电车在路段拥有独立路权不受社会车辆的影响，在交叉口处与社会车辆共同通行，根据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。所以，优先方案不仅要保证有轨电车的优先通行，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。

1.1 主路与主路相交路口方案

在主干路与主干路相交路口，该相交路口的道路等级高且交通流量与有轨电车正线的交通流量相差不大，均比较大。而感应控制在交叉口交通量波动性较大、规律性较差、饱和度在0.6以下、相交路段交通量相差较大等情况下效果比较好[3]。所以，制定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，选取定时控制模式，可对固定信号配时进行优化以实现有轨电车的优先通行。

首先要算出传统信号配时方案下的车均延误。目前就我国实际情况，由于发车间隔相对较大每个周期内只能通过一组有轨电车，所以考虑车辆延误的意义不大，本文考虑社会车辆的车均延误，采用的车均延误计算公式如下[4]：

d■=■+■ （1）

式中：d■为第i相位第j流向的车均延误；λ■为第i相位的绿信比；x■为第i相位第j流向的饱和度；q■为第i相位第j流向的进口道交通量。建立基于社会车辆平均延误的模型：

■ （2）

式中：g■为第i相位的有效绿灯时间；L为交叉口信号总损失时间；C■为交叉口最小周期时长；C■为交叉口最大周期时长；g■为第i相位的最小有效绿灯时间；x■为交叉口的最大饱和度。

再对基于有轨电车优先的信号配时方案进行优化。本文固定信号配时优化模型主要考虑社会车辆的人均延误、有轨电车的人均延误两部分。社会车辆的人总延误计算公式如下：

D■=■■d■q■P■ （3）

一个周期内有轨电车通行相位只能通过一组列车，因此Webster信號延误计算公式并不适用。由于有轨电车车流属于离散型交通流，所以从到达分布角度进行考虑。本文假设有轨电车到达交叉口时刻的概率相等，根据列车到达和延误分析可得出有轨电车的人总延误计算公式如下：

D■=1-λ■■cq■P■ （4）

式中：λ■为有轨电车的绿信比；q■为有轨电车流量；p■为每辆有轨电车的平均载客数。要特别强调的是，对于同一相位共同放行的有轨电车、社会车辆，虽然其绿灯时间、黄灯时间、绿灯间隔时间均相同，但是由于二者起动损失时间不同，所以有效绿灯时间也存在差距，因此其绿信比也不一样，应通过如下公式计算：

λ■=λ■-■ （5）

式中：λ■为社会车辆的绿信比；l■为有轨电车的起动损失时间；l■为社会车辆的起动损失时间。综上，可计算交叉口的人均延误，其计算公式如下：

■ （6）

1.2 主路与次路相交路口方案

在主干路与次干路相交路口，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；根据上文感应控制的描述，此情况下感应控制效果较好。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，所以可选采取相对优先的感应控制策略。以车辆总延误为目标函数，根据交叉口车辆总延误的变化来判断是否需要给予有轨电车优先通行权，具体实现手段是绿灯延长策略和红灯早段策略。首先计算绿灯延长策略和红灯早段策略下的车总延误，公交优先控制针对不同相位分别产生不同延误影响。其延误可分为：（1）优先相位减少的总延误；（2）非优先相位增加的总延误。

如果相位i不执行绿灯时间延长Δt■，则该时间段内到达进口道的车辆需要等待下一次相位i的绿灯时间才能离开交叉口，因此有可能会产生相位i上的延误。图1中四边形阴影部分面积表示相位i没有延长绿灯时间Δt■的延误，由于相位i绿灯延长Δt■时间，这就是相位i一个进口道k上减少的延误[5]。

Δd■■=■2r■+■-Δt■ （7）

其中：q■为相位i第k进口道的车辆到达率，r■为相位i的红灯时间，q■■为相位i第k进口道的车辆离散率。

由于有轨电车和社会车辆的到达率、离开率均不同，假设有轨电车处于第一相位第一车道，所以可以得到整个交叉口绿灯延长策略下的优先相位减少的延误。

Δd■=q■r■Δt-■+■q■r■Δt-■ （8）

在优先相位i执行延长绿灯时间Δt■时，非优先相位的车辆需要多等待Δt■时间才能通行，因此增加了非优先相位的延误。图2中四边形阴影部分面积表示非优先相位i+1由于优先相位i绿灯延长Δt■时间产生的延误，但相位i+1绿灯时间向后移，相当于相位i+1延长绿灯时间Δt■，减少了非优先相位在该段内的相位延误（如图2所示）。其非优先相位i+1进口道k上增加的人均延误[5]。

Δd■■=■2r■+Δt■-■2r■+■-Δt■ （9）

由于有轨电车和社会车辆的到达率、离开率均不同，假设有轨电车处于第一相位第一车道，所以可以得到整个交叉口绿灯延长策略下的非优先相位减少的延误。

Δd■■=■■■2r■+Δt■-■2r■+■-Δt■ （10）

同理可计算出红灯早断策略下优先相位有轨电车和同相位发的社会车辆减少的车总延误：

Δd■=■2r■-Δt+■■2r■-Δt （11）

红灯早断策略下非优先相位所有车辆增加的延误：

Δd■■=■■■2r■+Δt■ （12）

所以，主路与次路相交路口有轨电车信号优先的目标函数就是优先相位减少的车总延误减去非优先相位增加的车总延误。

PI=Δd■-Δd■■ （13）

当PI>0时，说明优先相位减少的延误大于非优先相位增加的延误，整体的延误是降低的，此时可以给予有轨电车优先通行权；当PI<0时，说明优先相位减少的延误小于非优先相位增加的延误，整体的延误是增加的，此时不可以给予有轨电车优先通行权，其逻辑流程图见图3。

1.3 主路与支路相交路口方案

在主干路与支路相交路口，相交支路的道路等级低，交通流量与电车正线有明显差异，所以制定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。绝对信号优先策略控制设计思想：在现代有轨电车线路上进口处100～150米处铺设感应线圈检测器，用来判断是否有电车进入交叉口。平常状况交叉口以固定配时方案控制信号灯运作。当有轨电车进入交叉口上游的检测器后，信号控制系统即在控制计划中插入有轨电车通行相位供列车通过，同时与有轨电车相互冲突的社会车辆被禁止通行；而与有轨电车不冲突的社会车辆相位被给予通过信号；有轨电车通过设置在下游30～50米处的检测器后，即结束有轨电车相位回到原控制方案。该控制策略只要有轨电车触发优先信号，即为列车提供通行需求，使有轨电车完全不受延滞地通过交叉口。其控制逻辑见图4。

2 案例仿真

对采取有轨电车固定信号配时优化模型、主动优先感应控制模型、绝对优先感应控制模型选择相应的相交路口，假设有轨电车线路呈东西走向，采用“路中直行”的敷设形式，东西向道路为双向8车道，其中有轨电车的车道宽度为4米，位于道路最内侧2条车道，其他社会车道宽度均为3.75米；南北向道路为双向6车道，车道宽度均为3.75米。设置计算好相应参数，在软件VISSIM中进行仿真验证，得到采取本文的优先控制策略后结果，见表1。

本文有轨电车优先策略不仅考虑了城市道路现状、交通运行特性，而且使有轨电车的运输能力得到了最大的利用，取得了较好的运营效果。随着我国交通运输水平、管理水平的提高以及有轨电车的良好發展，现代有轨电车与城市传统交通领域协调同步将是一项重要而有意义的课题。

参考文献：

[1] 卫超. 现代有轨电车的适用性研究[D]. 上海：同济大学（硕士学位论文），2008.

[2] 赵雅秀，陆佰川. 交叉口公交优先技术现状与问题[J]. 重庆交通大学学报（社科版），2010，10（1）：32-34.

[3] 郝斌斌. 多通道感应信号控制优化模型研究[D]. 兰州：兰州交通大学（硕士学位论文），2014.

[4] 张飞舟，范耀祖. 交通控制工程[M]. 北京：中国铁道出版社，2002.

[5] 张卫华，石琴，刘强. 公交优先信号交叉口延误计算与配时优化方法[J]. 华中科技大学学报（城市科学版），2004，21（4）：30-33.

[6] 张宇. 基于延误的单个交叉口公交优先信号控制方法研究[D]. 长春：吉林大学（硕士学位论文），2008.

[7] 刘立龙，李建成. 基于VISSIM的现代有轨电车交叉口信号优先控制策略研究[J]. 公路与汽运，2005（6）：56-58.

[8] 张春. 基于公交优先的单点交叉口信号控制改进方法研究[D]. 北京：北京交通大学（硕士学位论文），2011.

[9] 张春. 沈阳市浑南新城现代有轨电车一期工程可行性研究报告[R]. 北京：北京城建设计研究总院有限责任公司，2012.

[10] 季彦婕. 交叉路口公共交通优先通行方法研究[D]. 南京：东南大学（硕士学位论文），2003.