结合车速引导的相邻交叉口公交信号优先协调控制方法*
2020-08-26罗浩顺徐良杰陈国俊程加琪
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
公交优先信控方法合理优化交叉口原有信号配时，赋予公交车辆在交叉口处一定的优先通行权，从而减少公交车辆在交叉口因红灯拦截产生的减速和停车情况.根据公交优先信控方法的实施范围，可将其分为单点优先、干线优先和网络化优先[1].
针对单点交叉口的优先控制策略应用广泛，其中被动优先策略不考虑交叉口实际公交车到达情况，多基于已有数据对离线方案进行优化；主动优先策略通过处理检测装置收集的交叉口实测数据，进行红灯早断、绿灯延长，以及相位插入等信号方案调整；实时优先策略不断检测并采集数据以优化信号控制方案，从而给公交车辆提供实时信号优先[2-5].而在实际城市道路网络之中，各交叉口车辆运行特征存在一定关联而非完全独立，单个交叉口的优先控制策略未考虑交叉口群的整体性，可能对干线或者区域内的交叉口协调策略造成干扰或者破坏[6-8].之后，部分学者以交叉口群为研究对象，进行信号协调控制，其关键在于理想时差的确定，主要采用的方法为图解法与数解法.其中，图解法通过分析时空图上的几何关系，以带宽最大为优化目标建立数学模型，求解出协调控制系统的时差以确定理想绿波带.数解法则求解使协调系统中实际信号与理想信号位置之间的最大挪移量达到最小的相位差，以此获取最佳信号协调控制方案[9-11].
本文考虑上下游交叉口之间公交车队的运行特征，建立相邻交叉口公交信号优先协调控制方案，通过预指令车速信息引导公交车队产生集结，缩短车队通过交叉口所需的绿灯时长，使得社会车辆绿波带带宽达到最大，提高交叉口干线之间的通行效率.
1 交叉口协调信控方案
在干线交叉口信控方案中，若上游交叉口绿灯于0时刻启亮，绿灯时长为g1；下游交叉口绿灯时长为g2；基于协调控制基本原理，上下游交叉口周期时长C相同，相位差为Of.公交车辆在专用道上集结成车队，车队头车于tb时刻到达上游交叉口，公交车队最大车头时距为hb，交叉口干线间公交车辆、社会车辆在运行时长分别为Tb、Tv，协调控制绿波带带宽BW，见图1.
图1 协调控制时空图
采用Webster模型，计算协调控制中各交叉口的最佳信号周期，其中最大值为公共周期时长.
Cj=(1.5L+5)/(1-Y)
(1)
C=max(Cj)
(2)
式中：Cj为交叉口j的最佳信号周期时长，s；L为信号总损失时间，s；Y为各相位关键车道组流率比之和；C为协调控制公共周期时长，s.
各相位绿灯时长为
gEi=(C-L)yi/Y
(3)
gi=gEi+li-Ai
(4)
式中：gEi为相位i的有效绿灯时长，s；yi为相位i的关键车道组流量比；gi为相位i的绿灯显示时长，s；li为相位i的损失时间，s；Ai为相位i的黄灯时长，s.
调整非协调相位的饱和度，优化各相位绿灯时长.
(5)
(6)
(7)
为使社会车辆绿波带带宽最大，建模如下.
maxz(Of)=BW
(8)
式中：z(Of)为目标函数；w1为协调控制绿波的下限；w2为协调控制绿波的上限；nb为公交车队抵达时下游交叉口的当前周期，其他符号含义同前.
2 预指令车速信息
公交专用道检测器分别设置于上游交叉口出口道及下游交叉口停止线前ld处.公交车队从上游交叉口运行至下游交叉口的过程中，由于车辆之间产生离散，不断拉大公交车队首尾车辆车头时距htq，因此会造成社会车辆的绿波带缩减.由此，在上下游交叉口之间设置预指令车速信息，引导公交车队的队伍前方车辆适当减速，尾部车辆合理加速，预指令信息设置见图2.
图2 预指令信息设置
假设预指令信息推荐的引导速度为为v，则：
(9)
式中：t3n为公交车队中第n辆公交到达下游交叉口的时刻，s；t2n为第n辆公交到达预指令信息所在位置的时刻，s；v2n为第n辆公交到达预指令信息所在位置的速度，m/s；h2n为第n辆公交到达预指令信息所在位置时与前车的车头时距，s；a为公交车辆加速度，m/s2.
在预指令信息的引导下，公交车队到达下游交叉口时车队首尾车头时距为
(10)
为使公交车辆产生集结，以上游交叉口检测器获取的车队首尾车头时距hb作为车队到达下游的目标车头时距，求解预指令信息推荐的引导速度，即
(11)
结合道路限速要求，且行车过程中车速不宜剧变，预指令引导车速最终值为
(12)
式中：vmax，vmin为实际道路最大、最小车速，由实测标定；vn为公交车队中第n辆公交的速度.
3 试验设计
3.1 仿真建模
以武汉市中北路两连续信控交叉口为案例，公交专用道采用路侧式，并在交叉口进口设置公交专用道，平面示意见图3.
图3 案例路段平面示意
此路段早晚高峰时期实施公交专用道，实地调查得到上下游交叉口流量数据，见表1～2.
表1 上游交叉口交通流量统计 veh·h-1
表2 下游交叉口交通流量统计 veh·h-1
使用VISSIM9.0仿真软件并利用COM端口对其二次开发，优化交叉口信号配时方案并实现预指令车速信息对公交车队的引导功能.仿真试验共计4 800 s，剔除初期交通流不稳定所产生的噪声，仿真建模见图4.
图4 交叉口仿真模型
3.2 试验结果分析
1) 交叉口评价指标 协调控制方案评价参数见表3.表4、表5为优化结果.
表3 协调控制方案参数
由表4～5可知，相比原始信控方案，相邻交叉口协调控制方案中上游交叉口社会车辆与公交
表4 上游交叉口参数优化结果
表5 下游交叉口参数优化结果
车辆的平均延误与平均停车次数均明显减小.下游交叉口中社会车辆平均延误降低更显著，表明协调控制方案在保证公交优先效果的同时，有效减少对社会车辆的干扰.
2) 预指令车速信息作用效果 试验中仅于西向东方向设置预指令信息，得到交叉口进口道公交车辆排队情况见图5.
图5 交叉口进口道公交排队情况
西进口道公交排队情况明显优于未设置车速引导的东进口道，其中，上游交叉口公交最大排队长度由52.7 m下降至29.4 m，下游交叉口由56.1 m下降至27.8 m.因此，协调控制方案能有效改善交叉口干线之间车辆排队情况，缓解交通拥堵.
4 结 论
1) 在实施相邻交叉口协调控制方案后，上下游交叉口社会车辆与公交车辆的平均延误与平均停车次数均明显减小.
2) 该方案在确保公交优先通行的同时，有效减少对社会车辆的干扰.
3) 该方案能有效改善交叉口干线之间车辆排队情况，缓解交通拥堵.
