基于感应信号的公交优先控制策略研究

林丽 朱泳旭 蔡云鹏

摘 要：公共交通是提高城市出行效率，缓解城市拥堵的手段。提高公交车的使用率，要提高公交车辆的服务水平，最直接有效的方法便是提高公交运行效率、减少延误。本文主要对公交优先感应信号的设置方法进行研究，提出公交车在通过检测器时可能遇到的5种情况，然后详细分析了3种优先方式的基础，对感应线圈的布设位置进行探讨与建模，以此达到既能实现公交优先，又能满足尽量减少对其余社会车辆影响的要求。最后结合VISSIM，绿灯延长模型进行仿真，检验模型的有效性。结果显示，绿灯延长能够缓解交叉口的拥堵，并提高了交叉口的通行效率。

关键词：公共交通;公交优先;公交专用道;感应信号控制

中图分类号：U491.1文献标识码：A文章编号：1006-8023（2018）06-0062-05

Research on Bus Priority Control Strategy Based on Inductive Signal

LIN Li， ZHU Yongxu， CAI Yunpeng

（College of Automotive and Transportation Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract：Public transportation is a means of improving the efficiency of urban travel and alleviating urban congestion. To improve the utilization rate of buses， the most direct and effective way to improve the service level of public transportation vehicles is to improve the efficiency of public transportation operations and reduce delays. This paper mainly studies the setting method of bus priority sensing signal， and proposes five situations that the bus may encounter when passing the detector. Then it analyzes the basis of three priority modes in detail， and discusses the location of the induction coil. It can achieve the priority of public transport， and meet the requirements of minimizing the impact on the rest of the social vehicles. Finally， combined with VISSIM， the green light extension model is simulated to verify the validity of the model. The results show that the green light extension can alleviate the congestion at the intersection and improve the traffic efficiency of the intersection.

Keywords：Public transit; bus priority; bus lane; induction signal control

0 引言

交通擁堵是目前城市发展的通病，缓解拥堵成为城市需要解决的首要问题。发展大运量的公共交通出行方式是缓解拥堵的重要办法，并且随着“公交优先”发展政策的提出，公交发展成为城市优先发展的目标。公交专用道、BRT等相继建设，却很少能够做到真正的公交优先。当遇到交叉口时，公交车与社会车辆共同等待，所以在信号优先才能真正做到公交优先，减少公交的延误。

在对公交信号的研究中，双层规划模型优化了交叉口与下游优先公交站台乘客的排队延误，与单一的规划模型相比，减少了车辆通行效益的损失[1]。对干线公交进行研究时，设置检测器并结合VISSIM，在同一时间段内，公交车流量越小，干线公交优先控制效益越明显;在同一公交车流量下，交叉口较低、较高流量比中等流量干线公交优先效益明显[2]。应用遗传算法，分析人均延误、相位清空可靠度、周期时长及车辆到达率的方差之间的关系[3]。当交叉口拥堵或过饱和时，利用模糊控制方法，确定排队公交车的优先策略，实现交通信号的协调[4-6]。

为了控制信号，在公交车到达交叉口之前设置检测器，而国外对于车辆检测器数据的应用较为深入，主要有SCOOT、SCATS等。以SCATS系统为例，将检测器设置在离进口道停车线不远处，可检测出入口的饱和度，并根据实际通过交叉口的车辆，确定出信号周期时长和各相位的有效绿信比[7]。从SCOOT入手，将其引入GPS中，设计出一项新的公交优先信号控制算法，将采集到的车辆定位信息输入到系统控制逻辑中，主要通过压缩红灯和延长绿灯的方式来实现公交优先[8]。对公交优先方面的研究，Der-Horng Lee提出了一种多级公交优先控制方法[9]，多重考虑公交线路重要程度、公交车辆到达时刻、载客量和公交站点所处位置等因素，从而提高了单点公交优先控制的效果和灵活性。

本文将从感应信号控制出发，研究公交优先的策略。

1 感应信号控制策略分析

公交信号优先可分为主动优先、被动优先以及实时优先。主动优先包括相位延长、提前激活相位以及公交车辆专用相位;被动优先包括调整周期长度、绿灯时间分配、相位设计等;实时优先包括延误优化、交叉口控制和网络控制[10]。本文主要从主动优先方法研究，且以公交专用道为前提，设置检测器，检测公交车到达交叉口停车线时信号灯的状态。

假设公交车通过检测器的时间为t0，观测此时公交相位信号灯的状态，公交车到达停车线的时间为t1，并观测此时信号灯的状态，可以分为以下5种情况：

（1）t0为绿灯，t1时仍为绿灯，则无需任何信号控制变动。

（2）t0为绿灯，t1时为红灯，则需要延长绿灯时间，保证公交车顺利通过交叉口。若在该相位连续检测到有公交车到达，则绿灯信号时间继续向后延长Δt，直至总绿灯时长超过最大绿灯时间，此时强制切换到下一相位。

（3）t0为红灯，t1时为绿灯，则无需任何信号控制变动。

（4）t0为红灯，t1时仍为红灯，且下一相位为公交相位，就需要压缩红灯时间，保证公交车顺利通过交叉口。

（5）t0为红灯，t1时仍为红灯，且下一相位不是公交相位，就需要插入一个公交专用相位，以实现公交车辆的优先通行。

2 感应信号模型建立及求解

公交信号研究中，有单点公交优先控制策略以及考虑绿时损失均衡的配时方案[11-15]。本文以四相位信号为研究对象，并将公交相位放置于第一相位中，且只有東西或南北方向上设有公交专用道。在通行能力计算中，以人为目标单位，计算通行能力增量，求出检测器布设的最优值。绿灯时间延长是缩短下一相位的绿灯时间，而红灯时间缩短是缩短上一相位的绿灯时间，实施策略上有些相似，所以本文对第2种以及第5种可以出现的情况进行分析。

假设当公交车辆触碰到检测器时，公交相位剩余绿灯时长为T，设检测器与停车线间距离为l2，交叉口大小（即两停车线的距离）为l2，公交车行车速度为v0，则到达停车线所需时间为t1 = l1/ v0，通过交叉口需要t2  =  l2  / v0。

2.1 绿灯时间延长模型建立

公交优先绿灯时间延长策略的控制模式如图1所示。所需延长的绿灯时间为t1（t1 + t2 - T），即下一非公交相位需要再等待（t1 + t2 -T）时长才能通过交叉口。

（1）公交通行能力的增量

式中：为以人为单位的公交车通行能力，人;TC为交叉口信号周期长度，s;Δt为最终延长绿灯时间，s;为直行车道前后公交车连续通过停车线的时间，s;为直行公交专用车道数;为假设公交车的载客量，人/辆。

（2）公交相位社会车辆通行能力变化

式中：为以人为单位的社会车辆通行能力，人;为第i个直行车道社会车辆连续通过停车线的时间间隔，s;Pc为假设社会车辆的载客量，人/辆。

（3）非公交相位社会车辆通行能力变化

式中：为以人为单位的社会车辆通行能力，人;为第二相位上第i条左转车道社会车辆连续通过停车线的时间间隔，s。

（4）交叉口整体通行能力变化

（5）约束条件

①在实行绿灯时间延长控制时，下一公交相位绿灯时长不小于其最小绿灯时长要求，即g2 - ?t≥g2min。

②公交相位最大绿灯时长需控制在30 ～ 60 s之间，在一般情况下，绿灯延长时间不超过周期总时长的10%，即?t≤10%TC。

（6）检测器位置求解

通过约束条件，可以推导出：

假设公交车在通过检测器后，信号灯就变成红灯，那么T = 0。此时需要延长的绿灯时间最大，满足此种情况时，则可以满足其他任何情况。根据公式（5）可以得出t1的取值范围为，得到检测器距离停车线的最优位置为：

2.2 相位插入模型建立

公交优先相位插入策略的控制模式如图2所示。需要插入的公交相位时间为（t1 + t2）。在插入公交相位时，一般需在执行完当前相位的最小绿灯时长后，因此当前公交相位有效绿灯时间减少了（g0 - g0min），而剩余的绿灯时间需要压缩下一相位的有效绿灯时间，需要压缩的绿灯时间为（t1+ t2 - g0 + g0min）。

（1）公交通行能力及公交相位社会车辆通行能力变化

公交通行能力增量按公式（1），公交相位社会车辆通行能力变化按公式（2），其中。

（2）当前相位社会车辆通行能力变化

式中：为受到公交优先相位的影响，当前相位第i进口道社会车辆通行能力的减少量;为当前相位第i条左转车辆相邻社会车辆连续通过停车线的时间间隔，s。

（3）下一相位社会车辆通行能力变化

（4）交叉口整体通行能力变化

（5）检测器位置求解

根据之前提到的约束条件，最短绿灯时间应满足：Δt - （g0 - g0min）≤ g1 - g1min（g1为下一周期公交相位绿灯时间），可以得到（ g1 - g1min ）+ （g0-g0min）≤20%TC =  t1≤20%TC - t2

由此求得检测器距离停车线的最大距离为：

l1 = vx（ 20% TC - T2 ）。

3 对绿灯时间延长策略进行仿真检验

根据对现状交叉口数据进行调查，东西方向设有公交专用道，交叉口东西向距离为50 m，公交车通过交叉口的行驶速度为6.7 m/s，平均车头时距3.5 s，直行社会车辆通过交叉口的行驶速度为9.8 m/s，平均车头时距为2.6 s，左转社会车辆通过交叉口的行驶速度为7 m/s，平均车头时距为3.3 s。各相位信号配时见表1。

根据计算得出结果，检测器布设在离停车线35 m处，绿灯延长时间为5 s。假设公交车平均载客量为20 人/辆，社会车辆平均载客量为2.5人/辆，由此计算得第一相位公交车辆及相关相位社会车辆通行能力效益增值见表2。

由此可见，将本文提出的检测器位置模型应用于公交优先控制策略后，整体交叉口以车辆为单位和以人为单位的通行能力均有所增加，即公交优先设置方式下的通行能力效益目标函数值大于零，因此理论上该模型确定的检测器设置距离可行。

对交叉口延误的计算，是分析方案是否有效的一种手段，得到该策略的可行性[16-18]。使用VISSIM对方案的可行性进行仿真，得出车辆的平均延误，如图3所示。从图3中可以看出，東西直行的延误都有所降低，而东西左转的延误都所有提高，由于南北通行相位的信号时间未发生变化，延误并未改变。结果显示，总体延误略有降低，比原先信号配时延误降低了0.14 s。并结合表2的通行量增益，得到绿灯时间延长模型是可行的。

结合以上计算及仿真测试分析，如图4所示。检测器距离模型能实现公交车辆的优先通行，减少公交车在交叉口处的停车等待时间，提高公交车辆的通行能力，同时能够提高与公交处于同一相位的其余社会车辆的通行能力，但必然也会给相应的其他相位的社会车辆造成一定的影响。但综合整体交叉口通行能力来讲，基于本文模型下的优先措施能满足在尽量减少对其余社会车辆影响的条件下，实现公交车辆的优先通行，实现整体交叉口以车和以人为单位的通行能力的增加，因此通过本次仿真判定所提出的距离模型具有可行性。

由于相位插入模型中当前信号配时与下一周期信号配时有所不同，无法在VISSIM仿真软件中进行交叉口延误的计算，所以本文中未对该模型进行检验。

4 结论与讨论

优先发展公共交通是缓解交通拥堵、减少行车延误、提高交叉口通行能力、充分体现以人为本的关键。通过对国内外学者的研究，对几种常见的公交优先主动控制措施，即绿灯延长措施、红灯缩短措施、插入相位措施进行探讨。并以整体交叉口（以人为单位）的通行能力变量作为效益指标，在以停车线法作为通行能力计算方法的基础上，建立实施各公交优先方案下交叉口整体通行能力增量的目标函数，在控制目标函数值最大的前提下，求得应给予公交车辆的优先绿灯时长，从而确定公交车辆检测器的最优布设位置模型。结合VISSIM软件，对提出的公交优先的感应信号控制进行模拟，得到的结果显示：绿灯时间延长策略具有可行性，并且总体延误有略微的减少，提高交叉口的通行能力。

由于只考虑了东西向有公交专用道的情况，若两条主干道相交，且四个方向都有公交专用道，那么需要考虑的因素更多，这也将作为后续研究的方向。

【参 考 文 献】

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