结合车速引导的单点交叉口公交优先信号控制方法*

罗浩顺 徐良杰 陈国俊 程加琪

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

公交优先信号控制是保障“公交优先”发展战略，提升公交服务质量的常用手段.在公交通过交叉口时，调整当前信号配时方案，给予其一定优先通过权，降低交叉口处延误.被动优先、主动优先，以及实时优先是公交优先信控的主要方法[1].其中，被动优先主要优化已有的离线配时方案，适用于公交线路较多，车辆车流行驶稳定的情况.主动优先和实时优先主要依托传感器数据及车路通信等技术，动态优化信控方案，多运用于网络控制优化与干线协调控制[2].部分学者考虑交叉口通行安全等因素，结合驾驶员心理及行为特征，建立相应信控模型[3-4].随着智能交通的发展，公交优先信控结合车路协同技术，控制参数的标定也逐渐趋于精细化[5].

此外，有研究将车速引导方法与公交优先信号控制相结合，通过车载设备或者路侧车速信息引导驾驶人控速，以期避开红灯，降低延误并减少停车次数[6].王宝杰等[7]针对交叉口信号管控特征，结合BRT系统运营特性，提出了基于卡尔曼滤波行程时间预测的BRT速度诱导模型.张鹏等[8]为解决交叉口高饱和等问题，建立考虑车速引导和信号配时集成优化的控制模型.上述国内外信号控制方法大多仅从信号配时单方面体现公交优先，难以保障信号控制策略按预期有效实施.且考虑车速引导方法的公交优先信号方案较少探究公交专用道上公共汽车的运行特性与信号控制之间的相互影响机理.

因此，本文考虑公交以车队形式通行的需求，结合公交车速引导思想，构建单点交叉口信控优化方案，并通过预指令车速信息的引导使得公交车辆集中到达交叉口后不停驶通过，减少车队截尾，从而降低交叉口延误，提高交叉口通行效率.

1 公交车队通行原则

当公交被交叉口红灯拦截时，车辆停车等待会产生较大延误，降低交叉口通行效率.因此，考虑公交车辆集结成车队的形式，集中连续通过交叉口，充分利用有效绿灯时间.

基于此公交车队的车速引导思想，本文构建单点交叉口信控优化方法，针对车队不同的到达情况，设置预指令提示信息引导车队调整车速，使车队提前或延后到达交叉口以实现不停驶通过.

2 单点交叉口信控优化方案

2.1 最小综合延误模型

Webster模型是进行信号配时的常用方法，其中第i相位的车均延误计算表达式为

(1)

式中：C为周期时长，s；gi为第i相位的有效绿灯时间，s；qi为第i相位关键车道组流量，veh/h；Si为第i相位关键车道组饱和流量，veh/h；di2，di3为随机过饱和延误.

考虑交叉口公交优先，基于公交车辆与社会车辆载客数、运营性质等差异，对两者的延误分别求解，之后加权平均，建立交叉口综合延误模型.

(2)

以交叉口综合延误最小为目标建立信号控制优化模型，表达式为

(3)

式中：gb为公交相位绿灯时长，s；htq为车队首尾车辆间车头时距，s；gmin，gmax分别为最短、最长绿灯时长；其余符号含义同前.

由模型优化信号周期和绿灯时长，为保障此信控方案有效实施，使公交车队不停驶通过交叉口，需采用公交专用道预指令信息进行车速引导.

2.2 预指令车速信息

公交专用道上设置检测器用于检测公交车辆运行状态，为信控方案采集基础数据.检测器设置于交叉口停止线前ld处，预指令车速信息牌位置与检测器相同.ld应满足公交车辆排队长度且应保障车队在接收引导信息后，车速调整期间所驶过的距离.

绿灯期间预指令车速信息见图1.

图1 绿灯期间预指令车速信息

设绿灯于Tg时刻启亮，绿灯时长为g.车队总车数为N，Ti为车队中第i辆车到达预指令信息牌所在位置的时刻，第i辆车速度为vi.Tg≤T1表示车队到达交叉口时绿灯已经启亮.

(4)

式中：a为公交车辆加速度.

车队尾车需在绿灯结束前到达交叉口，方能保障车队完全通过，因此：

(5)

求解满足式(5)的引导车速取值区间v≥vmin.

考虑实际道路限速要求，且行车过程中的车速不宜剧烈变化，最终引导车速设置为

V=min(v,vR,1.5vN)

(6)

式中：V为预指令引导车速；vR为道路限速；其余符号含义同前.

红灯期间预指令车速信息见图2.

图2 红灯期间预指令车速信息

设红灯于Tr时刻启亮，红灯时长为r.Tr≤T1为车队到达交叉口时红灯已经启亮.

车队头车需在红灯结束后到达交叉口，且尾车到达时绿灯未结束，即：

(7)

求解满足式(7)的引导车速取值区间v≤vmax.

考虑交通流运行状况，且行车过程中的车速不宜剧烈变化，最终引导车速设置为

V=max(v,vR,0.5v1)

(8)

式中：vR为道路最低车速，由实测标定；其余符号含义同前.

3 试验设计

3.1 基础数据

实地调查武汉市中北路上两个连续信号交叉口，采集实测交通数据.该路段主路双向六车道，于交叉口展宽，路侧设置公交专用道.两个交叉口之间停车线间距550 m，基于调查数据与经验做法，仿真模型中ld设置为70 m.

原始交叉口采用三相位信号控制方案，主路直行相位与公交车辆通行相位一致，且公交通行相位的绿信比为0.26.各信号控制相位绿灯时长见表1.

表1 各信号相位绿灯时长 s

在实施公交专用道时段(07:00—09:00,16:00—19:00)进行实地调查，分别统计交叉口社会车辆与公交车辆流量.结合高峰期间公交车辆实际载客情况，取公交车辆权重η=55[9].此外，调查知该路段社会车辆与公交车辆平均车速分别为45和30 km/h.上、下游交叉口处交通流量见表2～3.

表2 上游交叉口处交通流量 veh/h

表3 下游交叉口处交通流量 veh/h

3.2 仿真试验与结果

利用COM端口对VISSIM仿真软件进行二次开发，利用信号机控制接口优化信号配时方案，利用车辆控制接口完成预指令信息对车速的速度引导.模型中预指令信息仅设置于西向东方向行驶的公交专用道上.将公交车辆生成起点设置于目标交叉口所在路段的远端，并设置信号控制，以模拟初始公交车队的集结.仿真实验结果如下.

单点交叉口信控优化方案具体参数见表4.

表4 信控优化方案各参数

最短、最长绿灯时长体现了信控优化方案中公交通行相位的优先度，单点交叉口信控优化方案中公交通行相位绿信比区间为[0.35，0.44]，较原始方案有较大提高.

上、下游交叉口参数优化结果见表5～6，单点交叉口信控优化方案有效降低社会车辆与公交车辆在交叉口的车均延误与平均停车次数，较大程度优化了交叉口评价指标.

表5 上游交叉口参数优化结果

表6 下游交叉口参数优化结果

上下游交叉口进口道公交车辆排队长度见图3.

图3 交叉口进口道公交排队长度

由图3可知，上游交叉口处公交车辆最大排队长度下降44%，平均排队长度下降42%；下游交叉口处公交车辆最大排队长度下降50%，平均排队长度下降54%.因此单点交叉口信控优化方案能有效降低公交车队停车和截尾车辆数目，提高单点交叉口通行效益.

4 结 束 语

本文基于交叉口综合延误最小的优化目标，针对不同信号时期车队到达交叉口的情况，设置预指令信息引导公交车队提前调整速度，使车队在绿灯期间不停驶通过交叉口，建立结合车速引导的单点交叉口信控优化方案.①该优化方案能有效提高单点交叉口绿信比，为公交车辆提供较好的条件优先通行条件；②减少社会车辆与公交车辆交叉口车均延误与停车次数，降低交叉口进口道公交排队长队，提升有效绿灯时间的利用率，优化交叉口公交车辆的通行效率；③后续研究可进一步探讨相邻交叉口间信号协调机理，并考虑行人过街等因素对交叉口信控方案的影响.