智能网联公交信号优先技术决策前评价

闫常鑫，谢覃禹，郭劲松

(长沙市规划勘测设计研究院，长沙 410013)

近年来，中国大多数城市道路交通拥堵日趋严重，小汽车等载量有限的非公交车辆与公交车相比占用了更多的道路资源，大力发展城市公共交通、实行公共交通优先已成为许多城市缓解交通拥堵的重要手段。公交信号优先是公共交通优先战略的重要组成部分，随着智能网联技术的发展，将智能网联技术与公交信号优先相结合也成为智能网联技术的重要应用场景。智能网联汽车(Intelligent and Connected Vehicle)具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能[1]。智能网联公交信号优先技术依托车载设备、路侧设备与智能信号机，实现车辆与交叉口信号机之间的无线通信，将公交车辆的到达时间、实时位置传递给信号机，信号机动态调整信号优先配时方案，实现交叉口公交信号优先。

国内外对于智能网联公交的研究主要集中于车联网环境下的公交优先控制方法研究，研究侧重于如何将车联网技术与公交信号优先相结合[2-6]，提出了很多理想化措施，在智能网联化公交应用初期很难得到广泛应用，因此当前阶段有必要针对尚不成熟的智能网联公交提出一种决策前评价方法来评估实施该项技术的条件。国内外对于公交信号优先控制策略[7-10]和交叉口信号配时方案优化[11-12]的研究较多，对信号优先技术进行评估方法研究的很少，仅有Qiu等[13]基于公交信号优先技术实施对公交车通行效率提升和私家车延误的影响，对上海市西藏路公交客流走廊实施公交信号优先的效果进行了评估，但仅考虑了车均延误，缺少对人均延误的分析，也没有考虑过饱和车道延误计算的问题。

综上所述，对于智能网联技术和公交信号优先技术的研究主要针对控制方法，对于技术实施前决策的研究则较少。智能网联技术与公交信号优先相结合，属于新技术在交通领域的应用。在对道路交叉口应用智能网联公交信号优先技术前，评价实施智能网联公交信号优先技术所带来的影响，并反馈给决策部门，有利于减少后续工作推进的阻力。文中从人均总延误计算和综合指标评价两个方面，提出两种决策前评价方法，为管理部门决策具体城市道路是否适宜实施智能网联公交信号优先提供参考。

1 智能网联公交信号优先技术分析

1.1 公交信号优先技术

公交信号优先可以分为被动优先、主动优先和实时优先三种控制策略[14]。核心手段是通过提高公交车所在相位的信号优先级来提升公交车的运行速度。被动优先即不考虑公交车的到达情况，静态地提升公交车所在相位的绿灯时间，达到公交优先的目的。主动优先为通过设备检测公交车到达情况，当公交车到达时，即给予信号优先。实时优先则是在主动优先基础上，根据实时信号交叉口的运行情况，甚至是交叉口所在片区的运行情况，动态计算信号配时方案，实现区域配时方案最优。这三种策略代表了三种不同的发展阶段，目前国内公交信号优先策略主要还是停留在主动优先阶段。主动优先只要检测到公交车就会提供优先服务，由于没有从整体运行最优去考虑，因此也会给交叉口的运行效率带来不利影响，尤其是对非优先相位的影响较大。

1.2 智能网联公交信号优先技术概述

智能网联公交信号优先技术原理如图1所示，该技术是将LTE-V2X通信技术与公交信号优先技术相结合，通过公交车配备车载设备(On board Unit)，实现路侧设备(Road Side Unit)与车载设备的实时双向通信，结合全球导航卫星定位系统(GNSS)，路侧设备将公交车的高精度位置、速度等信息传输给路口信号机，信号机根据这些信息调整信号交叉口的配时方案，通过绿灯延长、红灯截断等方式减少公交车因信号控制而产生的延误。与利用地感线圈、地磁、视频进行公交车被动式检测的非智能网联公交信号优先技术相比，智能网联公交信号优先技术可以实现对公交车位置、速度的实时跟踪，从而使绿灯延长时间计算更为精准。但智能网联公交信号优先技术尚有不成熟之处，尤其是信号优先控制策略还未完善，目前所采用的优先策略仍属于主动优先策略，与其他公交信号优先技术的信号优先策略一样存在对交叉口非优先相位的干扰问题。因此在开展智能网联公交信号优先技术前期，有必要通过历史数据，对拟优先道路进行决策前评价，判断拟优先道路是否具备实施智能网联公交信号优先的条件。

图1 智能网联公交信号优先技术原理

2 评价方法

2.1 评价思路

经过对技术特点的分析，智能网联公交信号优先对城市道路的影响主要发生在各个信控交叉口，因此文中提出将对拟优先道路的评价拆解为对道路各个信控交叉口的评价，再将各个信控交叉口评价结果进行整合，最后形成拟优先道路的评价结果。对于信控交叉口的评价方法，文中提出两种策略:方法一为直接计算优先前后的人均总延误差值进行评价;方法二是将交叉口的数据形成多个评价指标，并利用组合赋权法进行综合评分。

2.2 人均延误法

智能网联公交信号优先的目的是为了提高公交出行者的出行效率，提升公交的吸引力，但在实际操作过程中，优先是有代价的。对交叉口某个方向进口道的优先，即意味着其他方向进口道的延误增加。文中提出以优先后交叉口人均延误减去优先前交叉口延误的差值为标准构建智能网联公交信号优先技术决策前评价方法。计算人均延误差值主要涉及三个方面的计算：一是车均延误的计算方法，二是人均延误的计算方法，三是优先配时方案的计算方法，计算流程如图2所示。

图2 人均延误计算流程

2.2.1 车均延误计算

车均延误计算目前已经有较多成熟方法，如适用于饱和度较低情况下的Webster模型和适用于过饱和情况下May的定数延误模型，但各有其局限性。论文基于高杨斌提出的思路[15]，梳理同时适用于欠饱和和过饱和情况下的车均延误计算流程：首先对进口道饱和度进行判定，当饱和度低于0.9时，即采用Webster模型；当饱和度大于0.9时，即采用Akcelik模型。

Webster车辆平均延误模型是使用比较多的延误模型，其在饱和度不高情况下具有较高的应用效果，如式(1)所示。交叉口进口道的控制延误主要受进口道通行能力(与车道数、车道宽度相关)、所在相位的绿信比的影响[16]。式(1)中，第一项表示车辆的到达率为恒定值时产生的正常相位延误，第二项和第三项则表示车辆的到达率随机波动时产生的附加延误时间。

(1)

Akcelik过渡函数延误模型由三部分组成，分别为均衡相位延误、随机延误和过饱和延误，如式(2)所示，式中第一项为均衡相位延误，第二项则包含了随机延误和过饱和延误。当采用Akcelik模型时，Ti值的选取对延误计算值有较大影响，当饱和度大于0.9但小于1时，可取为周期长度，当饱和度大于等于1时，Ti可取为观测到的持续饱和时间长度。在优先配时方案调整后，对于部分车道已经饱和的非优先相位，其车道排队长度将进一步提高，为了简化计算，在计算优先后的车均延误时，对于此类车道，可将车道的值增加一个信号周期，在此基础上计算配时方案调整后i方向进口道的车均延误。

(2)

(3)

式中：x0=0.67+sgi/600。

2.2.2 交叉口人均延误

(4)

2.2.3 优先配时方案计算

(5)

(6)

2.2.4 归一化计算

(7)

2.3 综合指标法

人均延误法通过直接计算得到交叉口延误情况，通过人均延误差值进行评价，缺少对城市优先发展公共交通的考虑。对于智能网联公交信号优先技术决策前评价，从倡导公交优先的角度考虑，宜赋予公交客流延误相对于小车延误更多的权重，仅计算人均延误还不能充分反映智能网联公交信号优先技术所带来的影响。综合指标法通过建立综合指标体系，加入了对公交客流、公交车流等指标的评价，并运用组合赋权法进行综合评价。

2.3.1 评价指标体系构建

智能网联公交信号优先技术的实施对优先相位和非优先相位都会产生影响，优先相位和非优先相位的车流量、绿信比、公交车流量、公交载客量是实施智能网联公交信号优先的重要考虑因素。基于此，文中依据指标体系的有效性、全面性、定量化及可行性的设计原则[18]，从3个方面建立如图3所示的智能网联公交信号优先道路决策前评价指标体系。

图3 智能网联公交信号优先道路决策前评价指标体系

1)优先相位公交优先效益。实施公交信号优先技术能够提升优先相位的公交客流在交叉口的通行效率，公交客流、公交车流越大，优先相位的公交优先效益也就越大。文中选取优先相位公交客流和优先相位公交车流两个指标来测度优先相位公交优先效益。两个指标均为效益型指标，即指标值越大，优先效益越高。

2)优先相位公交优先效果。优先相位公交优先效果是指实施公交信号优先技术能够提升优先相位公交通行效率的程度。比如优先相位车流量很小的情况下，公交车不需要在交叉口排队，能够比较快地通过交叉口，赋予公交优先能够提升的效果并不明显。文中选取优先相位车流量和优先相位绿信比两个指标，优先相位车流量为效益型指标，优先相位车流量越大，实施公交优先的效果越好。优先相位绿信比为成本型指标，指标值越大，说明该优先相位的公交车在该交叉口已经得到了很高的优先级，实施公交优先的效果将不会很理想。

3)非优先相位影响。实施公交信号优先将会降低非优先相位的社会车和公交车的通行效率。论文选取非优先相位车流量、非优先相位公交客流量、非优先相位公交车流量3个指标，3个指标均为成本型，指标值越大，则实施公交信号优先的负面影响越大。

2.3.2 指标权重分析

建立智能网联公交信号优先道路决策前评价指标体系后，运用AHP和熵值法相结合的组合赋权法对指标体系进行赋权。首先根据指标体系层次结构，在各层元素中进行两两比较，构建比较判别矩阵[19]。判断矩阵标识针对上一层次因素，本层次与之有关因素之间相对重要性的比较[20]。然后，通过方根法求解判断矩阵的最大特征值及其特征向量，并对判断矩阵进行一致性检验[19，21]，得到AHP赋权权重。其次，利用熵值法[22]计算各个指标的权重。在信息论中，熵反映了信息的不确定性，指标的信息熵越小，则该指标提供的信息量越大，权重越大，熵值法通过对原始数据样本进行无量纲化处理，计算各项指标的熵值，基于熵值计算各指标差异性系数，根据不同指标差异性系数占所有指标差异性系数之和的比重，即可得到各项指标的熵值法权重。最后利用拉格朗日乘数法[22]求解AHP赋权和熵值法赋权的组合权重。文中以长沙市金星路、银杉路共20个交叉口数据为样本，计算得到各个指标的权重,如表1所示。

表1 评价指标权重

比较AHP赋权法和熵值法赋权结果，可以看出，AHP赋权法为主观赋权，对优先相位公交优先效益权重赋值较大，熵值法根据不同指标的样本差异性大小进行赋权，由于公交客流走廊相交道路情况差异较大，因此对非优先相位影响权重赋值较大，组合赋权法则取两种方法的折中结果。根据组合赋权结果，在智能网联公交信号优先决策前评价指标体系中，权重较大的准则层为非优先相位影响和优先相位公交优先效益。其中C6非优先相位公交客流量权重最高，为0.35，其次为C7非优先相位公交车流量和C1优先相位公交客流量，分别为0.20和0.19。优先相位公交优先效果准则对决策前评价影响较小，两个指标优先相位车流量和优先相位绿信比的权重均为0.04。

3 实例分析

研究对象为长沙市区的金星路、银杉路两条城市道路。金星路和银杉路为长沙河西城区南北向主干道，也是重要的公交客流走廊，两条道路途经公交线路均为10条以上，高峰小时公交车流量双向180辆以上，高峰小时最大断面公交客流量超2 000人次。这两条道路在功能、走向、公交客流指标上具有一定相似性，较难通过主观判断哪条道路更适宜实施智能网联公交信号优先。金星路待评价路口共9个，银杉路待评价路口共11个。

金星路、银杉路各个交叉口各个相位的车流量、公交车流量现状情况如图4所示，图中相位一为拟优先相位。

图4 金星路、银杉路各个交叉口各个相位现状交通流量图

3.1 人均延误法计算结果

文中以延长优先相位绿灯时间30 s、减少其他相位绿灯时间30 s为公交信号优先措施，优先相位绿信比优先前后的变化如图5所示。计算实施优先措施前后各交叉口人均总延误变化，各交叉口人均延误法评估计算结果如图6所示。可以发现，银杉路北津城路口、银杉路佑姆塘路口、银杉路景秀路口、银杉路岳华路口、金星路佑姆塘路口、金星路含光路口、金星路银双路口7个交叉口得分较高，高于0.7。此外根据计算结果，这7个交叉口优先后人均延误差值较小，表示这7个交叉口实施智能网联公交信号优先后对交叉口延误影响较小或有利于整体延误减少。银杉路长望路口等13个交叉口优先后人均延误差值较大，其中银杉路长望路口、银杉路桐梓坡路口、金星路岳麓大道路口、金星路杜鹃路口、金星路咸嘉湖路口、金星路枫林路口人均总延误显著增加，评分不大于0.4。将两条道路交叉口优先前后人均延误变化差值归一化，结果取平均值，银杉路人均总延误变化归一化值为0.61，金星路为0.51。从人均延误总差值计算结果来看，银杉路与金星路相比更适宜实施智能网联公交信号优先技术。

图5 金星路、银杉路各个交叉口各个相位优先前后的有效绿灯时间

图6 金星路、银杉路各个交叉口人均延误法计算结果

3.2 综合指标法计算结果

根据各指标值和权重进行加权计算，各交叉口综合指标法评估计算结果如图7所示。根据图示结果，评分较高的交叉口为银杉路北津城路口、银杉路佑姆塘路口、银杉路茶子山路口、银杉路杜鹃路口、银杉路景秀路口、金星路佑姆塘路口、金星路岳麓大道路口、金星路银双路口，组合赋权法评分大于0.7。将两条道路各个交叉口分值取平均值，银杉路交叉口平均得分为0.68，金星路交叉口平均得分为0.54。根据综合指标法评价结果，银杉路得分高于金星路，更适宜开展智能网联公交信号优先技术。

图7 综合指标法计算结果

3.3 两种方法结果比较

可以看出综合指标法的评分结果与人均延误法趋势上有一定相似性，两种方法结果的相关系数为0.48，两种方法结果的相关性t检验p值为0.25，两种方法结果不具有统计学意义上的相关性。

两种方法对于银杉路长望路口、银杉路佑姆塘路口、银杉路景秀路口、金星路银双路口取得了较为一致的结果。但对于金星路杜鹃路口、金星路岳麓大道路口则存在分歧。其原因是人均延误法通过计算交叉口整体人均延误的差值来评价，计算过程中小汽车参与者延误和公交参与者延误是平等的，而综合指标法对公交车流量和公交客流量赋予了更高的权重，如杜鹃路和岳麓大道非优先相位车流量大，如果实施公交信号优先必然会对道路交通产生影响，根据人均延误法的评价结果，这两个路口不适宜开展公交信号优先。但是杜鹃路和岳麓大道非优先相位公交客流量小，开展公交信号优先对交叉口公交运行影响较小，因而根据综合指标法，这两个路口适宜开展公交信号优先。综合来看，如城市交通政策导向侧重于公交优先，则可以选用综合指标法，反之则宜选用人均延误法。

4 结 论

1)从道路层面看，人均延误法和综合指标法的评价结果较为一致，从交叉口层面看，则存在一些分歧，对于部分交叉口的评分差别较大，其差异主要是因为综合指标法对公共交通客流指标赋予了更大的权重。在实际操作中可以结合本地交通发展战略选择合适的评价方法。

2) 评价结果表明不同交叉口之间的智能网联公交信号优先实施影响差异较大，一条道路上不可避免会存在一些瓶颈节点制约智能网联公交信号优先技术的应用，为避免对整体交通系统产生较大影响，可只对道路中的部分交叉口实施智能网联公交信号优先。对于文中的实例，建议优先选取银杉路实施公交信号优先，考虑长沙为“国家公交都市建设示范城市”，建议决策以综合指标法评价结果为主，兼顾人均延误法评价结果，同时考虑公交优先的连续性，建议优先实施银杉路佑姆塘路口、银杉路茶子山路口、银杉路含光路口、银杉路杜鹃路口4个交叉口作为智能网联公交信号优先技术示范路口。

文中研究的前提是智能网联公交信号优先技术尚未发展成熟，开展智能网联公交信号优先可能存在正反两方面影响，因此需要进行决策前评估来明确是否需在具体道路应用该项技术，未来工作将进一步结合智能网联技术的特点对现阶段公交信号优先策略进行优化。