基于VISSIM仿真的公交停靠时间对交叉口延误影响研究

2019-05-14孙祥龙冯树民

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年5期

孙祥龙，冯树民

(1. 东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040； 2. 哈尔滨工业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150090)

随着城市交通需求的快速增长，城市中交通阻塞呈现出了由点到线、由线到面的扩大趋势。优先发展公共交通对于减缓交通拥挤、能源紧缺都有重要意义。公交信号优先是优先发展交通的策略之一，在信号交叉口处为公交车辆提供优先通行权。

城市道路网中，公交停靠站常布设于交叉口上游且距交叉口较近位置，这类公交站点处的公交停靠时间改变会对通过交叉口车辆的延误产生影响。目前对交叉口公交信号优先研究主要集中在公交优先的控制方法，根据控制交叉口多少，分为多路口协调控制[1-4]和单路口控制[5-7]；根据行驶车道不同，分为公交专用道优先控制和非专用道优先控制[8-11]；根据优先对象多少，分为多公交线路优先和单线路优先[12-14]。

为探究公交停靠时间改变对公交信号优先系统的影响，笔者结合VISSIM仿真，设计了固定信号配时和公交优先信号配时两种方案，探交叉口上游公交停靠站公交车辆停靠时间改变对车辆延误的影响。

1 公交停靠时间模型

公交停靠时间是指公交车减速停靠站点至加速离开的时间。公交停靠时间一般包括：减速进站时间、打开车门时间、乘客上下车时间、关闭车门时间、加速出站时间。笔者研究的车辆采用前上后下方式，其停靠时间模型如式(1)：

z=max(x×t1,y×t2)+t3+t4

(1)

式中：x为上车乘客数；y为下车乘客数；t1为单位乘客上车时间；t2为单位乘客下车时间；t3为车辆减速进站和加速出站的时间之和；t4为车门打开和关闭时间之和。

2 仿真交叉口设计

2.1 交叉口平面设计

仿真拟采用一个单向三车道主路与单向双车道次路相交形成的平面交叉口，车道宽度均为3.5 m，主路东西走向，设计车速为60 km/h；次路为南北走向，设计车速为40 km/h。公交线路只有一条，沿主干路由西向东直行，公交停靠站设置在交叉口进口道上游。交叉口西进口道右侧有展宽增加车道，公交停靠站设置在展宽段之后20 m处，距离停止线130 m。设计15 m长公交站台。设计交叉口处布设的检入检测器位于西进口道距离停止线160 m处，检出检测器布设在停止线处。仿真交叉口平面设计如图1。

图1 仿真交叉口平面基本情况

2.2 交叉口信号控制方案设计

交叉口渠化方案为：主路设置1条专左车道，2条直行车道，1条直右车道；次路设置1条直行车道，1条直左车道，1条直右车道。交叉口采用三相位控制，设定信号周期为114 s，第1相位放东西向直行和右转，第2相位放东西向左转，第3相位放南北向直左右，信号配时如图2。

图2 信号相位配时方案

3 仿真参数标定与设计

3.1 从检入检测器到停止线之间行程时间的标定

公交车从检入检测器到停止线之间行程时间包括站点停车时间以及路段行驶时间。

1)站点停车时间：通过对哈尔滨市公交站点调查，公交车上下车乘客数大部分都在20人以内，单位乘客上车时间为2.3 s；单位乘客下车时间为1.4 s。当上下车乘客数在20人内时，公交车乘客上下车时间总体小于40 s。

2)检入检测器到停止线之间的行驶时间：这个时间与交通状态相关。鉴于检入检测器和停止线之间的距离只有145 m，故采用平均行驶时间来代替，该路段平均行驶时间为13 s。

3.2 绿灯亮后，车辆通过停车线时间的标定

根据道路通行能力调查方法，绿灯亮后，第1辆车启动、通过停车线的时间为2.3 s，直行车辆通过停车线的平均时间为2.5 s。

3.3 交通组成及通行能力分析

设定小型客车比例为95%，大型车比例为5%。东西主路左转车占进口车辆总和的5%，右转车辆占15%，其余均为直行，南北次路与主路相同。

在仿真固定停靠时间和可变停靠时间场景中，东西主路交通量按照0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的交通流量比来生成；次路交通量按照0.6的流量比来设定。交叉口通行能力计算方法如式(2)～(5)：

进口道直行车道通行能力：

Cs=(3 600/TC)×[1+(tg-t0/ti)]φ

(2)

直右车道通行能力：

Csr=Cs

(3)

直左车道设计通行能力：

(4)

进口应设专左车道而未设专右车道时的通行能力：

Cel=(Cs+Csr)(1-βl)

(5)

式中：Cs、Csr、Csl、Cel分别为一条直行车道、直右车道、直左车道、进口设有专用左转车道而未设专用右转车道的设计通行能力；TC为信号灯周期；tg为绿灯时间；t0绿灯亮后，第1辆车从启动到通过停车线的时间；ti为直行车辆通过停车线的平均时间；φ为折减系数，这里φ=0.9；β1′为直左车道中左转车所占比例；βl为左转车占本面进口道车辆比例。

由式(2)～(5)和车辆通过停车线时间(t0=2.3 s，ti=2.5 s)可计算出东西主路进口道的通行能力为1 983 pcu/h，南北方向一个进口道的通行能力为1 257 pcu/h，整个交叉口的通行能力为6 480 pcu/h。

根据仿真场景的需要，次干路南北方向的进口道的实际交通流量为754 pcu/h(即南北进口道通行能力的0.6倍)，车辆产生的位置到相应进口道停止线的距离为200 m；主干路东西进口道按照流量比实际的交通量为991、1 190、1 388、1 586、1 785 pcu/h。

3.4 公交在站点停靠时间

公交车从西至东驶入交叉口，发车位置在距离西进口停止线上游的450 m处，发车频率设定为5 min。根据实际调查，当上下车人数小于20人时，乘客上下车时间小于40 s，因此仿真假定停靠时间服从N(10,5)、N(15,5)、N(20,5)、N(25,5)、N(30,5)、N(35,5)、N(40,5)的正态分布。

公交信号优先场景中，信号优先逻辑首先需要根据检测器检测到的信息预估公交车到达停止线时间。根据实际标定结果，检入检测器检测到公交车后，将于23、28、33、38、41、46、51 s后到达停止线。公交优先采用绿灯延时和红灯早断策略。

4 仿真及结果分析

4.1 仿真场景及评价指标确定

论文共设计两个仿真场景，场景1为交叉口固定信号配时方案；场景2交叉口采用公交优先信号配时方案。每个场景仿真2 h，为尽可能消除初始条件带来的影响，前5 min内不采集数据。把距离各方向进口道停止线120 m的区域作为评价参数收集范围，分别收集主次路所有车辆延误的相关数据。

4.2 仿真结果分析

4.2.1 两种场景对公交车延误(图3)

图3(a)为固定信号配时条件下公交车辆延误情况。当交通量确定时，公交车辆延误随停靠时间的增加围绕一定值呈上下波动，这是因为停靠时间不同，公交车到达交叉口停止线所处的相位也跟着改变，位于绿灯时间概率也不同。

在图3(b)中，与固定配时交叉口不同的是，当停靠时间小于25 s时，公交信号优先场景中的公交车辆延误波动幅度很小；当大于25 s后，波动幅度较大。这是因为当停靠时间大于25 s后，因停靠时间增加，同向车辆对公交车辆的干扰变大，公交信号优先系统预估的到达停止线时间与实际存在偏差增大。

根据仿真结果可得到公交车辆平均延误时间，如表1。相对于固定信号配时的交叉口，公交信号优先配时的交叉口公交车辆延误时间减少了12.5%～16.5%；随着交通量增加，公交车辆延误时间减少幅度逐渐降低。

图3 两种场景对公交车延误

表1 公交车平均延误时间

4.2.2 两种场景对同向社会车辆延误(图4)

由图4(a)中可看出：主路车辆的延误与公交停靠时间无关；主路流量越大，其车辆延误也就越大。图4(b)为公交优先信号配时下主路车辆延误情况。当流量比相同，公交停靠时间为10～30 s时，主路车辆延误时间相差不大；当停靠时间为35、40 s时，延误明显降低。这是因为相位设计方案中，主路车辆通行时间增加，其延误自然减小。

公交线路同向社会车辆在公交信号优先配时的交叉口延误明显低于固定信号配时。这是因为主路上的社会车辆也随着公交优先信号得到了更多的通行权，其延误降低。

图4 两种场景对同向社会车辆延误

4.2.3 两种场景对相交道路社会车辆延误(图5)

图5分别为固定信号、公交信号优先下相交道路社会车辆的延误情况，固定信号下次路车辆延误明显低于公交信号优先方案。图5(a)中：车辆延误时间不随停靠时间的变化而变化，这是因为次路车辆在时间上的通行权已经确定，车辆延误不变。图5(b)中：当停靠时间为10～30 s时，次路车辆延误基本一样；停靠时间为35、40 s时，次路车辆延误显著增加。在交通量一定，停靠时间为35、40 s时，公交信号优先带来的主路通行时间大幅增加，次路通行时间相应减少，从而使得次路车辆延误增加。