基于V/C比的有轨电车信号优先控制策略

张琦，杨梅，吴颂阳

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063009；2.同济大学 交通运输工程学院，上海 200092)



基于V/C比的有轨电车信号优先控制策略

张琦1，杨梅1，吴颂阳2

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063009；2.同济大学 交通运输工程学院，上海 200092)

有轨电车；V/C比；交叉口；信号优先；微观仿真；VisVAP

为了使有轨电车与城市道路更加契合，改进了停止线法计算通行能力模型，采用车道组计算形式并增加了有轨电车折减系数。同时提出了基于V/C比的有轨电车信号优先策略制定方法。为验证基于V/C比的信号优先策略制定方法的有效性，设立了对比项，采用基于VisVAP的信号优先控制实现方法进行了验证。仿真结果表明，实行有轨电车信号优先策略是很有必要的，并且基于V/C比的信号优先策略是行之有效的。

现代有轨电车作为一种清洁﹑快速的交通方式，对于解决交通拥堵和交通污染等问题具有明显的优越性。为了使有轨电车与城市道路更加契合，体现有轨电车运行优势，减少对城市道路影响，进行有轨电车的信号优先控制就显得尤为重要。目前对于有轨电车信号优先控制的研究已经非常广泛，孙吉良[1]、袁江波[2]等人主要介绍实现有轨电车优先控制的关键技术；李盛[3]、刘立龙[4]、Mariusz Kaczmarek[5]等人主要介绍有轨电车信号优先控制的实现逻辑。总体而言，目前研究主要集中在信号优先控制方式介绍、控制逻辑，实际技术以及仿真验证等，但对于信号优先方法选取的研究仍然很少。现代有轨电车的信号控制方法主要分为3种：无优先、条件优先和绝对优先，目前信号优先方法的选取主要是依据城市道路等级，例如主干道与主干道交叉口通常采用无优先常规定时式配时，主干道与支路交叉口采用有轨电车绝对优先形式等。然而单纯地依据道路等级制定优先策略很可能会产生误导，其问题在于等级高的道路V/C比可能并不大，等级低的道路V/C比相反可能非常大。因此，为更加合理制定有轨电车信号优先控制策略，本文针对有轨电车对道路的影响，改进了停止线法计算通行能力模型，并提出了基于V/C比的有轨电车信号优先控制策略制定方法，验证了其有效性。

1 算法逻辑

1.1 计算车道组通行能力

首先将交叉口进道口划分为车道组，然后根据改进公式分别计算与有轨电车有相位冲突的每个车道组的通行能力，最后根据停止线法，提出一种包含有轨电车干扰参数的通行能力计算公式，改进后车道组通行能力计算公式如(1)所示：

(1)

公式中：Ci为车道组i的通行能力(pcu/h)；T为信号周期时间(s)；tg为通行绿灯时间(s)；t0为首辆车启动时间(s)，一般取2.3 s；ti为平均通过停车线时间间隔(s)，一般取2.5 s；φ为折减系数，一般取0.9；N为车道组车道数；ft为有轨电车折减系数，其计算公式如(2)所示：

(2)

公式中：ft，T，tg同公式(1)；Tt为有轨电车运行时间间隔；tm为有轨电车最小通过时间(s)一般为10 s到15 s；n为存在相位冲突的有轨电车线路个数，一般取1或2。另外，ft小于0没有意义。

1.2 计算车道组V/C比

在获得交叉口与有轨电车有相位冲突的各车道组通行能力后，分别计算有相位冲突的各车道组V/C比，根据所得V/C比制定有轨电车信号优先策略。其车道组V/C计算公式如(3)所示：

(3)

公式中：Xi为车道组i的V/C比；Vi为车道组i的实际流量；Ci为车道组计算通行能力。

最后根据所得每个车道组的V/C比，选择有轨电车在该交叉口每个相位的优先形式，其范围推荐表如表1所示。另外，与有轨电车无冲突的车道组直接采用绝对优先形式。

表1 基于V/C比的优先形式推荐表

2 仿真验证

2.1 信号优先逻辑

信号优先逻辑的完整性直接影响仿真的合理性和准确性，因此，为使VisVAP的编程逻辑符合预期就需要完整的信号优先逻辑。本文采用信号优先逻辑如下：

(1)假设某一相位正在运行，首先确定该相位是否与有轨电车相位冲突。

(2)如果是不冲突相位，则当检测器检测到有轨电车到来，立即确定该相位绿灯剩余时间，如果绿灯剩余时间大于有轨电车最低通过时间，则直接运行有轨电车相位；如果绿灯剩余时间小于有轨电车最低通过时间，考虑相位转换后，下一相位是否与有轨电车相位冲突，如果冲突，则延长当前相位绿灯时间，至有轨电车通过；若无冲突，则无变化，直接运行有轨电车相位。

(3)如果是冲突相位，则分3种情况，第1种V/C比小于0.6，当检测器检测到有轨电车到来，停止当前相位，直接运行有轨电车相位，直至有轨电车通过路口；第2种V/C比在0.6～0.8之间，当检测到有轨电车到来，检测是否满足约束条件，若不满足，停止当前相位，直接运行有轨电车相位；若满足，继续运行当前相位；第3种当V/C比大于0.8时，继续运行当前相位，不运行有轨电车相位。

(4)循环以上3步。

信号优先逻辑流程图如图1所示。

图1 信号优先逻辑流程图

2.2 仿真条件

为了使仿真结果与实际情况相接近，该项目采用实际交叉口、实际流量作为所有仿真的不变条件。选取唐山市新华道与华岩路交叉口、新华道与建设路交叉口和建设路与西山道交叉口等3个交叉口组成的路段。该路段位于唐山市市中心，周围商业发达，属于CBD地段。该路段交通量十分庞大并且3个路口分别包含丁字路口、十字路口及转向路口，基本上包含了一般有轨电车通过路口的种类，对于仿真所需路段而言具有很好的代表性。实际流量为早高峰流量。另外，为了配合模拟，仿真路段不考虑土地因素、车站位置因素以及行人干扰，有轨电车线路统一采用中央式布置。

2.3 冲突相位车道组V/C比计算

以新华道与建设路为例，该交叉口周期140 s，南北直行和左转方向的绿灯时间分别为56 s和28 s；东西直行和左转方向绿灯时间分别为29 s和27 s。假设有轨电车运行时间间隔为10 min和1 min，最小通过时间为10 s。交叉口实际车道组布置如图2所示、实际流量如图3所示。从图2中可以看到，在该路口存在北进口直行及左转车道组、南进口左转车道组、东进口直行车道组与有轨电车冲突。根据公式1，公式2，公式3计算结果如表2所示。同理可计算另外两交叉口数据。

表2 新华道与建设路交叉口计算V/C比汇总表

图2 新华道与建设路车道组布置图

图3 新华道与建设路交叉口流量分配图

2.4 仿真结果

仿真过程分3组，分别是是全无优先策略、10 min时间间隔优先策略和1 min时间间隔优先策略。另外，由于在仿真开始时路网上并没有车辆，需要一段时间稳定状态，因此为获得更加准确的数据，仿真时间采用600 s到4 200 s。采集数据为能充分反映运行状况的平均延误，以新华道与建设路交叉口的数据结果为例，汇总结果如表3所示。

表3 新华道与建设路平均延误对比表

2.5 结果数据分析

从表3中可以明显看到,全无优先策略下在仅仅3个路口组成的短线路中有轨电车平均延误就能达到111.04 s，可以预见如果是一条完整的有轨电车线路，其延误时间还会大幅增加。在基于V/C比制定的优先策略下，10 min和1 min运行间隔有轨电车的平均延误分别下降了68.9%和55.6%。在交叉口进道口各方向延误对比中，10 min运行间隔相较于全无优先策略延误最大增加率为北进口直行的29.6%，最大减少率为东进口直行的0.02%；1 min运行间隔相较于全无优先策略延误最大增加率为南进口左转的13.3%，最大减少率为东进口直行的11.5%。

3 结论

(1)实行有轨电车信号优先策略是很有必要的。如果不实行有轨电车信号优先策略，有电车运行延误会明显增加，这样会明显削弱有轨电车运行优势造成资源浪费。

(2)基于V/C比的有轨电车信号优先策略制定方法是行之有效的。一方面该方法有效降低了有轨电车运行延误和对城市道路运行的影响。另一方面，针对不同V/C比所制定的不同信号优先策略均展现出良好的运行效果，对城市道路干扰较小。

[1] 孙吉良. 现代有轨电车信号系统及技术关键的研究[J]. 铁路通信信号工程技术，2013,10(4):55-59.

[2] 袁江波. 现代有轨电车路口信号优先控制的方案及比选[J]. 城市轨道交通研究，2016,(3):51-55.

[3] 李胜，杨晓光. 现代有轨电车与道路交通的协调控制方法[J]. 城市轨道交通研究,2005,(4): 43-46.

[4] 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.2014,(6):56-58.

[5] Mariusz Kaczmarek，Jeremi Rychlewski. TRAM PRIORITY TRAFFIC CONTROL ON COMPLEX INTERSECTIONS[A]. 11th IFAC Symposium on Control in Transportation Systems[C]. Delft.The Netherlands.2006:416-420.

Strategy of Tram Signal Priority Control Based on V/C Ratio

ZHANG Qi1, YANG Mei1, WU Song-yang2

(1.College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China; 2.College of Transportation Engineering, Tongji University,Shanghai 200092, China)

modern tram; V/C ratio; intersection; signal priority; micro simulation; VisVAP

In order to make the tram and urban road more suitable, the traffic capacity model calculated by the stop line method was improved by using the lane group and tram reduction factor added. The new method of the tram signal priority strategy based on V/C ratio was proposed. In order to verify the effectiveness of the method of the tram signal priority strategy based on V/C ratio. The contrast item was set up, and the implement method of signal priority based on VisVAP was adopted. The simulation results show that the strategy of tram signal priority is practical and necessary, and the strategy of signal priority based on V/C ratio is effective.

2095-2716(2017)01-0080-05

U491.5+1

A