考虑停靠站影响的公交优先信号配时优化

陈悦新

（南通理工学院 建筑工程学院， 江苏 南通 226002）

随着城市道路拥堵程度的不断加深，公交优先信号控制成为交叉口公交车辆优先运行的重要手段。在单点交叉口公交优先方面，汤乾斌［1］为提高交叉口通行效率分析了公交优先信号控制；宋现敏等［2］以乘客通过率最大为目标，为公交车辆优先通行选取最优方案；赵天羽等［3］以公交车头时距偏差最小为目标，建立交叉口信号配时优化模型；罗浩顺等［4］以交叉口综合延误最小为优化目标，给予公交车先后通行进行排队。在停靠站对交叉口的影响方面，赵菲［5］以人均出行效率为优化目标，对上游交叉口进行信号配时优化；朱文韬等［6］建立停靠站影响下的公交延误模型；孙祥龙等［7］用VISSIM 仿真对固定信号配时与公交优先配时的车辆延误进行研究；陈璐［8］建立交叉口下游直线式公交站影响的多车道机动车交通流模型；李津等［9］结合预信号系统，对车辆和行人进行延误分析，以降低公交车辆延误。

上述文献分别对停靠站和交叉口的通行效率进行研究，本文在此基础上将停靠站和交叉口作为一个整体控制区域进行研究，将控制区域内的乘客总延误作为优化目标，构建交叉口公交优先绿灯延长时间计算模型，最终确定考虑下游停靠站影响的交叉口公交优先信号配时优化方案。

1 公交优先信号配时优化模型

1.1 交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型

交叉口公交优先绿灯延长将对交叉口、下游公交停靠站乘客的出行总延误产生影响。考虑到公交车辆在交叉口和下游停靠站的运行特征，选取乘客出行总延误作为优化控制指标，即以交叉口与下游公交停靠站乘客的出行总延误最小为优化控制目标，构建交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型，如式（1）所示。

式中：d表示乘客出行总延误，s；di表示交叉口i乘客出行总延误，s；ds表示交叉口i的下游公交停靠站乘客的出行总延误，s。

需要注意的是，公式（1）的公交优先绿灯延长优化模型是以交叉口各进口道车流饱和度不超过0.9为约束条件的。

1.1.1 交叉口乘客延误模型

由于公交车辆和社会车辆车均载客人数存在较大差异，因此在计算交叉口乘客出行延误时，需要结合信号控制交叉口各相位车均延误，分别计算社会车辆和公交车辆的乘客延误。下面借助美国道路通行手册［10］的方法，当车辆在交叉口进口道范围内不出现换道行为时，计算信号控制交叉口各相位的车均延误，如式（2）所示。

结合交叉口各进口道社会车辆和公交车辆的流量及载客数，根据交叉口车均延误公式和各相位车辆总数及平均载客数，计算交叉口i乘客出行延误di如公式（3）所示。

式中：J为交叉口i的信号相位总数分别表示交叉口i相位j的社会车辆和公交车辆的流量，部/h；ov、ob分别表示交叉口i范围内社会车辆和公交车辆的平均载客量，人。

1.1.2 停靠站乘客延误模型

根据调查分析可知，城市路网中所有乘客在公交停靠站范围内的出行延误ds如式（4）所示。

式中：ds1为停靠站处等待公交车到达的乘客候车等待延误，s；ds2为公交车辆停站后乘客上下车过程中车内乘客的等待延误，s。

为计算停靠站处等待公交车到达的乘客候车等待延误ds1，假设单位时间内乘客均匀到达停靠站，且公交车到站后乘客登车过程也服从均匀分布，则停靠站处等待公交车到达的乘客候车等待延误ds1如公式（5）［11］所示。

式中：M为停靠站服务的公交车辆线路总数；N为停靠站服务的某路公交车辆线路的总班次；h（t）为停靠站候车乘客到站人数的时间分布函数，s；为第m路公交车第n班次与该线路上一班次公交车离站的时间间隔，s；tmonn为第m路公交车第n班次乘客的人均上车时间，s。

公交车辆停站后乘客上下车过程中车内乘客的等待延误ds2，主要取决于公交车辆在停靠站的停站时间。假设公交车辆到达停靠站后便可供乘客上下车（前上后下），即同时到达公交停靠站的公交车辆数不大于停靠站的停车泊位数，也就是说公交车辆不需要在停靠站排队等待进入，则此时公交车辆在停靠站的停站时间为乘客上车时间ton与下车时间toff中的较大者。因此，单位时间内公交车辆停站后乘客上下车过程中车内乘客的等待延误ds2如公式（6）［11］所示。

式中：tmnoff为第m路公交车第n班次乘客人均下车时间，s；omn为第m路公交车第n班次载客量，人。

1.2 公交优先信号配时方案优化模型

利用之前优化确定的交叉口公交优先绿灯延长时间模型（公式1），在交叉口信号周期保持固定的前提下，结合现有的绿灯时间，对交叉口信号配时方案进行调整，则考虑下游停靠站影响的交叉口公交相位绿灯时间模型如式（7）所示。

式中：gp0、gp分别为优化前、后交叉口i的公交优先相位p的绿灯时间，s分别为优化前、后交叉口i相位j的绿灯时间，s；tge为交叉口i增加的公交优先绿灯延长时间，s；xp为交叉口i公交优先相位p的饱和度。

2 实例分析

2.1 交通基础数据资料

选取南京市汉中门大街—北圩路交叉口为公交优先信号配时优化交叉口，研究其下游350 m处汉中门大街—嫩江路公交停靠站对该交叉口公交优先信号配时的影响。汉中门大街—北圩路交叉口及下游汉中门大街—嫩江路公交停靠站空间布局如图1 所示，交叉口信号配时方案如图2所示。

图1 汉中门大街—北圩路交叉口及下游停靠站空间布局Fig. 1 Spatial layout of Hanzhongmen Street-Beiwei Road intersection and downstream stop

图2 汉中门大街—北圩路交叉口信号配时方案Fig. 2 Signal timing scheme for Hanzhongmen Street-Beiwei Road intersection

由于汉中门大街为公交优先通行主路，汉中门大街—北圩路交叉口公交优先信号将优先保证相位1 中直行公交车辆（9#路、82#路、552#路公交车）优先通过交叉口。

2021 年11 月15—17 日，对汉中门大街—北圩路交叉口各进口道及下游公交停靠站的晚高峰时段（17：30—18：30）社会车辆如小汽车、大型货车等进行调查，并按照车辆换算系数标准进行换算，得出11 月15—17 日晚高峰时段汉中门大街—北圩路交叉口各进口道连续3天的平均车流量数据，如表1所示，汉中门大街—嫩江路公交停靠站11 月15 日晚高峰时段公交车辆到站的相关数据如表2所示。

表1 汉中门大街—北圩路交叉口现状交通流量Table 1 Current traffic flow at the intersection of Hanzhongmen Street and Beiwei Road部

表2 公交车辆在汉中门大街—嫩江路停靠站的交通特征数据Table 2 Traffic characteristics data of public transport vehicles at the stop of Hanzhongmen Street-Nenjiang Road

通过实地观测和调查，得出区域内调查日期（2021 年11 月15—17 日）晚高峰时段社会车辆与公交车的平均载客分别约为1.8人/部、28人/部。

2.2 公交优先信号配时优化

借助前述交叉口公交优先信号配时优化方法，对汉中门大街—北圩路交叉口公交优先信号配时方案进行优化，得出优化后信号配时方案（公交优先绿灯延长时间为13 s），如图3 所示，优化前后汉中门大街—北圩路交叉口、汉中门大街—嫩江路公交停靠站乘客出行延误如表3所示。

表3 交叉口公交优先配时方案优化前后乘客延误分析Table 3 Passenger delay analysis before and after optimization of bus priority timing scheme at intersectionss

图3 汉中门大街—北圩路交叉口公交优先信号配时优化方案Fig. 3 Bus priority signal timing optimization scheme at the intersection of Hanzhongmen Street and Beiwei Road

由表3 可知，优化后交叉口范围内机动车乘客出行延误减少38 547 s、延误率减少8.47%，优化后停靠站处公交车乘客出行延误减少1 273 s、延误率减少6.22%，在整个优化控制区域（交叉口与下游停靠站），乘客总出行延误减少39 820 s、延误率减少8.38%。

2.3 仿真验证

借助VISSIM 仿真软件，将南京市汉中门大街—北圩路交叉口和汉中门大街—嫩江路公交停靠站的地形图导入仿真软件，结合表1、表2 中的数据，搭建仿真环境，构建仿真界面。经仿真，得到优化前后整个优化控制区域（交叉口与下游停靠站）乘客出行总延误，如表4所示。

由表4可知，优化前后整个优化控制区域乘客出行总延误分别为520 478.7 s、481 876 s，即基于VISSIM仿真软件，优化后的方案比优化前乘客出行总延误减少38 602.7 s、延误率减少7.42%，说明优化方案在交叉口公交优先信号配时优化方面富有成效。

3 结论

通过分析道路交叉口及下游停靠站乘客出行延误的相互作用特征，以控制区域内乘客出行总延误最小为目标，构建考虑下游停靠站影响的交叉口公交优先信号配时方案。结合南京市汉中门大街—北圩路交叉口及其下游汉中门大街—嫩江路公交停靠站晚高峰时段的乘客出行延误数据，得出优化后交叉口与下游停靠站乘客出行总延误比优化前降低了8.38%，优化作用显著。但是该方案只考虑控制区域内下游停靠站与交叉口的相互影响，没有将上游停靠站考虑在内，因此下一步的优化方案是将控制区域内上、下游停靠站与交叉口一起纳入城市路网中进行优化。