论文部分内容阅读
摘要：随着我国国民经济的快速发展，城市化进程越来越快，机动车保有量也在迅速增加，由此引发的城市交通拥堵问题愈发严重。为了缓解这个问题，我国提出了优先发展公共交通的对策。交叉口作为城市道路的瓶颈，对公交车延误影响最大，本文在对公交信号优先策略学习的基础上，将被动优先控制策略实际应用于威海一交叉口。并通过VISSIM仿真对比前后延误，具有一定现实意义。
关键词：公交优先;被动优先;VISSIM仿真
1引言
公共交通作为一种大容量、低能耗的交通方式，实施公交优先是优化城市交通结构，保障城市可持续发展的必要措施。交叉口作为城市交通的瓶颈，在发展非快速公交时，应尽量保证公交车能快速、平稳的通过交叉口。信号优先正是保障公交优先的一种技术手段。本文正是在前人研究的基础上，将被动优先中的配时优化方法实际应用于交叉口，并通过仿真对比前后差异，并分析该方法所适用的交叉口类型。
2公交信号优先策略
公交信号优先（transit signal priority，TSP）是指在道路运行层面给予公交车辆通行时间优先的信号控制策略。公交信号优先控制的理念是在不严重影响交叉口社会车辆的前提下给与公交车一定的优先通行权，达到公交车延误降低、行程时间降低、准点率提高、运行效率上升的目的 [1] 。
2.1被动优先
被动优先控制策略是通过研究交叉口历史交通流数据或者依据公交车的发车情况等运行特性，预先设定信号配时方案来实现公交优先，而不会直接响应公交优先请求。该策略的主要实现方法有下面几种：
（1） 调整绿信比，为公交线路集中的车道增加有效绿灯时间。这种方式可以降低公交车到达时遇红灯的概率，减少公交车辆的等待时间。后面将对该方法做具体研究。
（2） 缩短信号周期长度，减少公交车等待绿灯启亮的时间。但这种方式会以减小交叉口通行能力为代价，如果交叉口已接近饱和，这种策略甚至会造成延误增加。通常缩短周期的方式在交叉口通行能力很富余的情况下效果较好。
（3） 公交车所在道路绿灯相位分离策略。该方式在实现上类似于缩短周期。其原理是周期长度不变的情况下，将公交车所在道路的绿灯相位分开，用相交道路相位插入其间的方法。
（4） 绿波带设计中的公交优先考虑。该方法是在确定绿波带的时候，以公交车的路段平均运行速度代替一般车辆的平均运行速度作为线控参数确定的标准。由于公交车停靠的原因，会造成公交车辆运行速度不均匀且不易确定。这就决定了用静态的协调方法在应用中的局限性。
2.2主动优先
主动优先主要是在进口道设置车辆检测器以达到对公交车运行情况识别的目的，当预知公交车车辆即将到达交叉口时采取一定的措施，使得公交车无需等待顺利通过交叉口。通常采用的策略包括：
（1） 延长绿灯时间。信号控制器在正常绿灯相位结束后为公交车辆延长绿灯时长。当公交车辆在绿灯相位结束时到达交叉口，这种策略可以使其通过而不用停车。
（2） 提前启亮绿灯。在红灯相位期间，有公交车辆发出公交优先请求时，信号控制器就会将非公交优先相位的持续时间缩短为最小绿灯时间，以此来提前公交优先相位的绿灯启动时间。这种策略可以有效降低在红灯期间到达交叉口的公交车辆的等待时间，也可以消散在公交车辆到达前而产生的排队车辆。
（3） 插入专用相位。相位插入即在现状相位相序中为公交车专门增加一个相位。当公交车辆到达交叉口进口道时，公交车辆所在相位为红灯信号状态，且该相位的下一个相位仍是红灯相位，为实现公交车辆优先，可以在当前相位和下一个执行相位之间插入一个公交专用相位。
2.3实时优先
实时优先是近年来受到人们广泛关注的公交信号优先控制方式，该种方式更为先进。被动和主动信号优先控制策略都是在没有考虑实际交通流运行状态下，对信号配时方案进行調整。自适应优先策略是基于一些交通影响因素，例如延误、停车次数等，建立实时优化模型，更加强调对这种实变交通流的考虑。
实时优先情形下，信号控制机能够获取公交车辆信息、社会车辆流量信息、车辆位置、乘客数以及时刻表等信息，通过一些优化性能指标函数不断地优化信号控制方案，使整个路网系统运行最优。而对于单点信号控制交叉口，也通过实时数据，调整信号配时参数诸如信号周期，相位方案，绿信比，相位差等。该方法能实现交通效益的最优化，在公交车辆优先控制的同时，能将其它车辆的影响降到最低。
正是由于实时优先的功能如此强大，带来的问题是其控制机理复杂，对信号控制系统的各方面要求都较高，受实现条件的限制较为严重，此方法仍处在理论研究中。
3被动优先信号配时方法分析及实例验证
被动优先策略为定时控制策略，不需要在路口设置车辆检测装置，适用于公交车比重大，交通流饱和度小的交叉口，因为被动优先控制策略通常会使交叉口的总体运行效率降低，在交通流饱和度较高的交叉口采用短周期策略以及增加公交车流绿时可能加剧交叉口的拥堵，所以被动优先控制策略在现在的城市交通状况下（交通量大，交通流饱和度高，交通工具多样化等）具有很大的局限性，但是现在还是被广泛的应用，因为其控制方式投资最为节省（不需要检测、预测装置等），同时也不需要公交专用道配置，这在一定程度上减少了给社会车辆带来的影响。
3.1配时方法的确定
3.11基于公交优先通行的交叉口相位设计方法
在传统的信号配时过程中，是以每个相位中流量比最大的车流来计算信号周期时间和绿灯时间。这样只要流量比最大的车流能够获得足够的通行能力，相位中的其他车流所需要的通行能力也就都能够得到满足。如果在某一相位中，流量比最大的车流的客流量也最大，则这种方法是可行的。但如果流量比最大的车流的客流量不是最大，则无法体现公交优先的思想。 按我国右行交通规则，交叉口任何一个右转向机动车流量不会与其它机动车流向发生冲突，如果不考虑与行人和非机动车的冲突，交叉口右转机动车流量是可以不受信号控制的[2]。
交叉口车流运行示意图如图3-1假设各个直行和左转流向的车流量和客流量存在如下关系：
车流量：A2>B2>D2>C2>B3>A3>D3>C3
客流量：A2>A3>B2>D2>C2>B3>D3>C3
首先各个流向中流量比最大的流向为A2，如果不考虑非机动车和行人的影响，与流向A2无冲突的左转和直行流向有：A3、B2、C3。则可与流向A2置于同一相位的流向有以下组合：① A2、A3;② A2、B2;③ A2、C3。由于按照一般相位设计原则，应选用组合② ，即将流向A2和B2置于一个相位中。但是考虑到以人为本的设计思想，A3、B2和C3三个流向中A3的客流量最大，因此，选用组合①，将A2和A3置于同一相位中。继续在余下的流向中选出流量比最大的流向B2，在与流向B2无冲突的两个流向B3和D3中，B3的客流量较大，为此将B2和B3置于一个相位中。余下各个流向继续按上述方法组合，将D2和C2置于一个相位中，D3和C3置于一个相位中。由此可得各相位车流流向示意图如图3-2。
3.12确定配时参数
相位方案设计完成后，即根据相位进行配时参数的计算：
（1）
式中：
C——最佳周期时间（s）;
L——每个周期的总损失时间（s）;
Y——组成周期的全部信号相位的各最大流量比yi的和。
（2）
（3）
式中：
——启动损失时间（取3s）;
A——黄灯时长（取3s）;
I——绿灯间隔时间（s）;
K——一个周期内绿灯间隔数。
周期时长确定后，下面就是各相位绿灯时间的确定，传统的交叉口信号配时方法中的绿灯时间是按照流量比来分配的，这种分配方法可以确保各进口道方向具有相同的饱和度，但不利于公交车辆的通行。为减少交叉口的人总延误，本模型认为，绿信比的确定应由乘客流量比和机动车饱和度两个因素来共同决定。具体地说就是将绿信比正比于相位乘客流量比，而不是相位车辆流量比。但对客流量较少的相位来说，按相位乘客流量比计算出的绿灯时间可能出现小于最小绿灯时间的情况，或者使得一些相位（通常为社会车辆比例较大的相位） 出现接近饱和或过饱和的情况[3]。为避免这种情况带来交通恶化，本方法将相位饱和度不大于某一给定值xm和相位绿灯时间不小于最小绿灯时间gmin作为确定绿信比的约束条件，最短绿灯时间以及各相位流量的饱和度，相应计算公式如下：
（4）
式中：
Lp——行人过街道长度（m）;
Vp——行人过街步（取1.0m/s）。
（5）
式中：
q——小时交通流量（pcu/h）;
S——饱和流量（pcu/h）;
——该相位绿信比。
由公式4及公式5可得：
（6）
（7）
由此可得i相位的最小绿信比 为：
（8）
根据下式判断交叉口在满足各相位最小绿信比的前提下是否有过剩的绿灯时间：
（9）
当ΔG<0时，表示交叉口通行能力不能满足现有交通需求，没有过剩的绿灯时间;当ΔG=0时，表示交叉口通行能力恰好满足现有交通需求，没有过剩的绿灯时间;当ΔG>0时，表示交叉口通行能力能满足现有交通需求，且有过剩的绿灯时间。
当交叉口有过剩绿灯时间时，将过剩绿灯时间按照各相位客流量在交叉口总的客流量中所占的比例分配给各相位。
（10）
式中：
Pi——i相位客流量（人）;
Pt——交叉口总的客流量（人）。
（11）
3.13适用范围
该配时方法实际是给予公交车所占比重较大的方向较长的绿灯时间，从而体现公交优先。故本方法对于两主干路相交的交叉口并不适用。
通过上述分析及配时方法本身的确定过程不难看出，该配时方法适用于主干路与次干路相交的交叉口或者是某一方向上的公交车所占比重较大的交叉口。像威海市青岛北路上的各交叉口及新威路上除世昌大道外的交叉口可以通过该方法实行公交优先，因为青岛北路方向公交车所占比重较大而且与青岛北路相交的道路的交通量与青岛北路相比有明显差别。
考虑威海市的交通情况及生活节奏，并且交叉口本身就没有出现拥挤情况，所以，该配时方法可以取得这样的效果，说明该方法确实有效。
4結论
本文先是介绍了公交优先中信号优先的各种策略，然后在对实际交叉口进行调查的基础上利用被动优先控制下的固定配时方法对该交叉口进行了重新配时，并通过VISSIM对配时结果进行了仿真，结果表明该配时方法对于该交叉口减少公交车延误具有一定作用。但该策在应用范围上具有一定的局限性，且调查数据不够充分，存在一定误差。
参考文献
[1] 吴兵，李晔.交通管理与控制[M].人民交通出版社.
[2] 季彦婕.基于公交优先通行的交叉口相位设计方法研究[J].公里交通科技， 2004，21：119-122
[3] 张卫华.公交优先的信号交叉口配时优化方法[J].交通运输工程学报， 2004，4（3）：49-53.
作者简介：李水富（1993-），男，汉族，湖南郴州人，助教，工学硕士，西南交通大学希望学院轨道交通学院交通运输系，研究方向：交通规划、交通经济。
关键词：公交优先;被动优先;VISSIM仿真
1引言
公共交通作为一种大容量、低能耗的交通方式，实施公交优先是优化城市交通结构，保障城市可持续发展的必要措施。交叉口作为城市交通的瓶颈，在发展非快速公交时，应尽量保证公交车能快速、平稳的通过交叉口。信号优先正是保障公交优先的一种技术手段。本文正是在前人研究的基础上，将被动优先中的配时优化方法实际应用于交叉口，并通过仿真对比前后差异，并分析该方法所适用的交叉口类型。
2公交信号优先策略
公交信号优先（transit signal priority，TSP）是指在道路运行层面给予公交车辆通行时间优先的信号控制策略。公交信号优先控制的理念是在不严重影响交叉口社会车辆的前提下给与公交车一定的优先通行权，达到公交车延误降低、行程时间降低、准点率提高、运行效率上升的目的 [1] 。
2.1被动优先
被动优先控制策略是通过研究交叉口历史交通流数据或者依据公交车的发车情况等运行特性，预先设定信号配时方案来实现公交优先，而不会直接响应公交优先请求。该策略的主要实现方法有下面几种：
（1） 调整绿信比，为公交线路集中的车道增加有效绿灯时间。这种方式可以降低公交车到达时遇红灯的概率，减少公交车辆的等待时间。后面将对该方法做具体研究。
（2） 缩短信号周期长度，减少公交车等待绿灯启亮的时间。但这种方式会以减小交叉口通行能力为代价，如果交叉口已接近饱和，这种策略甚至会造成延误增加。通常缩短周期的方式在交叉口通行能力很富余的情况下效果较好。
（3） 公交车所在道路绿灯相位分离策略。该方式在实现上类似于缩短周期。其原理是周期长度不变的情况下，将公交车所在道路的绿灯相位分开，用相交道路相位插入其间的方法。
（4） 绿波带设计中的公交优先考虑。该方法是在确定绿波带的时候，以公交车的路段平均运行速度代替一般车辆的平均运行速度作为线控参数确定的标准。由于公交车停靠的原因，会造成公交车辆运行速度不均匀且不易确定。这就决定了用静态的协调方法在应用中的局限性。
2.2主动优先
主动优先主要是在进口道设置车辆检测器以达到对公交车运行情况识别的目的，当预知公交车车辆即将到达交叉口时采取一定的措施，使得公交车无需等待顺利通过交叉口。通常采用的策略包括：
（1） 延长绿灯时间。信号控制器在正常绿灯相位结束后为公交车辆延长绿灯时长。当公交车辆在绿灯相位结束时到达交叉口，这种策略可以使其通过而不用停车。
（2） 提前启亮绿灯。在红灯相位期间，有公交车辆发出公交优先请求时，信号控制器就会将非公交优先相位的持续时间缩短为最小绿灯时间，以此来提前公交优先相位的绿灯启动时间。这种策略可以有效降低在红灯期间到达交叉口的公交车辆的等待时间，也可以消散在公交车辆到达前而产生的排队车辆。
（3） 插入专用相位。相位插入即在现状相位相序中为公交车专门增加一个相位。当公交车辆到达交叉口进口道时，公交车辆所在相位为红灯信号状态，且该相位的下一个相位仍是红灯相位，为实现公交车辆优先，可以在当前相位和下一个执行相位之间插入一个公交专用相位。
2.3实时优先
实时优先是近年来受到人们广泛关注的公交信号优先控制方式，该种方式更为先进。被动和主动信号优先控制策略都是在没有考虑实际交通流运行状态下，对信号配时方案进行調整。自适应优先策略是基于一些交通影响因素，例如延误、停车次数等，建立实时优化模型，更加强调对这种实变交通流的考虑。
实时优先情形下，信号控制机能够获取公交车辆信息、社会车辆流量信息、车辆位置、乘客数以及时刻表等信息，通过一些优化性能指标函数不断地优化信号控制方案，使整个路网系统运行最优。而对于单点信号控制交叉口，也通过实时数据，调整信号配时参数诸如信号周期，相位方案，绿信比，相位差等。该方法能实现交通效益的最优化，在公交车辆优先控制的同时，能将其它车辆的影响降到最低。
正是由于实时优先的功能如此强大，带来的问题是其控制机理复杂，对信号控制系统的各方面要求都较高，受实现条件的限制较为严重，此方法仍处在理论研究中。
3被动优先信号配时方法分析及实例验证
被动优先策略为定时控制策略，不需要在路口设置车辆检测装置，适用于公交车比重大，交通流饱和度小的交叉口，因为被动优先控制策略通常会使交叉口的总体运行效率降低，在交通流饱和度较高的交叉口采用短周期策略以及增加公交车流绿时可能加剧交叉口的拥堵，所以被动优先控制策略在现在的城市交通状况下（交通量大，交通流饱和度高，交通工具多样化等）具有很大的局限性，但是现在还是被广泛的应用，因为其控制方式投资最为节省（不需要检测、预测装置等），同时也不需要公交专用道配置，这在一定程度上减少了给社会车辆带来的影响。
3.1配时方法的确定
3.11基于公交优先通行的交叉口相位设计方法
在传统的信号配时过程中，是以每个相位中流量比最大的车流来计算信号周期时间和绿灯时间。这样只要流量比最大的车流能够获得足够的通行能力，相位中的其他车流所需要的通行能力也就都能够得到满足。如果在某一相位中，流量比最大的车流的客流量也最大，则这种方法是可行的。但如果流量比最大的车流的客流量不是最大，则无法体现公交优先的思想。 按我国右行交通规则，交叉口任何一个右转向机动车流量不会与其它机动车流向发生冲突，如果不考虑与行人和非机动车的冲突，交叉口右转机动车流量是可以不受信号控制的[2]。
交叉口车流运行示意图如图3-1假设各个直行和左转流向的车流量和客流量存在如下关系：
车流量：A2>B2>D2>C2>B3>A3>D3>C3
客流量：A2>A3>B2>D2>C2>B3>D3>C3
首先各个流向中流量比最大的流向为A2，如果不考虑非机动车和行人的影响，与流向A2无冲突的左转和直行流向有：A3、B2、C3。则可与流向A2置于同一相位的流向有以下组合：① A2、A3;② A2、B2;③ A2、C3。由于按照一般相位设计原则，应选用组合② ，即将流向A2和B2置于一个相位中。但是考虑到以人为本的设计思想，A3、B2和C3三个流向中A3的客流量最大，因此，选用组合①，将A2和A3置于同一相位中。继续在余下的流向中选出流量比最大的流向B2，在与流向B2无冲突的两个流向B3和D3中，B3的客流量较大，为此将B2和B3置于一个相位中。余下各个流向继续按上述方法组合，将D2和C2置于一个相位中，D3和C3置于一个相位中。由此可得各相位车流流向示意图如图3-2。
3.12确定配时参数
相位方案设计完成后，即根据相位进行配时参数的计算：
（1）
式中：
C——最佳周期时间（s）;
L——每个周期的总损失时间（s）;
Y——组成周期的全部信号相位的各最大流量比yi的和。
（2）
（3）
式中：
——启动损失时间（取3s）;
A——黄灯时长（取3s）;
I——绿灯间隔时间（s）;
K——一个周期内绿灯间隔数。
周期时长确定后，下面就是各相位绿灯时间的确定，传统的交叉口信号配时方法中的绿灯时间是按照流量比来分配的，这种分配方法可以确保各进口道方向具有相同的饱和度，但不利于公交车辆的通行。为减少交叉口的人总延误，本模型认为，绿信比的确定应由乘客流量比和机动车饱和度两个因素来共同决定。具体地说就是将绿信比正比于相位乘客流量比，而不是相位车辆流量比。但对客流量较少的相位来说，按相位乘客流量比计算出的绿灯时间可能出现小于最小绿灯时间的情况，或者使得一些相位（通常为社会车辆比例较大的相位） 出现接近饱和或过饱和的情况[3]。为避免这种情况带来交通恶化，本方法将相位饱和度不大于某一给定值xm和相位绿灯时间不小于最小绿灯时间gmin作为确定绿信比的约束条件，最短绿灯时间以及各相位流量的饱和度，相应计算公式如下：
（4）
式中：
Lp——行人过街道长度（m）;
Vp——行人过街步（取1.0m/s）。
（5）
式中：
q——小时交通流量（pcu/h）;
S——饱和流量（pcu/h）;
——该相位绿信比。
由公式4及公式5可得：
（6）
（7）
由此可得i相位的最小绿信比 为：
（8）
根据下式判断交叉口在满足各相位最小绿信比的前提下是否有过剩的绿灯时间：
（9）
当ΔG<0时，表示交叉口通行能力不能满足现有交通需求，没有过剩的绿灯时间;当ΔG=0时，表示交叉口通行能力恰好满足现有交通需求，没有过剩的绿灯时间;当ΔG>0时，表示交叉口通行能力能满足现有交通需求，且有过剩的绿灯时间。
当交叉口有过剩绿灯时间时，将过剩绿灯时间按照各相位客流量在交叉口总的客流量中所占的比例分配给各相位。
（10）
式中：
Pi——i相位客流量（人）;
Pt——交叉口总的客流量（人）。
（11）
3.13适用范围
该配时方法实际是给予公交车所占比重较大的方向较长的绿灯时间，从而体现公交优先。故本方法对于两主干路相交的交叉口并不适用。
通过上述分析及配时方法本身的确定过程不难看出，该配时方法适用于主干路与次干路相交的交叉口或者是某一方向上的公交车所占比重较大的交叉口。像威海市青岛北路上的各交叉口及新威路上除世昌大道外的交叉口可以通过该方法实行公交优先，因为青岛北路方向公交车所占比重较大而且与青岛北路相交的道路的交通量与青岛北路相比有明显差别。
考虑威海市的交通情况及生活节奏，并且交叉口本身就没有出现拥挤情况，所以，该配时方法可以取得这样的效果，说明该方法确实有效。
4結论
本文先是介绍了公交优先中信号优先的各种策略，然后在对实际交叉口进行调查的基础上利用被动优先控制下的固定配时方法对该交叉口进行了重新配时，并通过VISSIM对配时结果进行了仿真，结果表明该配时方法对于该交叉口减少公交车延误具有一定作用。但该策在应用范围上具有一定的局限性，且调查数据不够充分，存在一定误差。
参考文献
[1] 吴兵，李晔.交通管理与控制[M].人民交通出版社.
[2] 季彦婕.基于公交优先通行的交叉口相位设计方法研究[J].公里交通科技， 2004，21：119-122
[3] 张卫华.公交优先的信号交叉口配时优化方法[J].交通运输工程学报， 2004，4（3）：49-53.
作者简介：李水富（1993-），男，汉族，湖南郴州人，助教，工学硕士，西南交通大学希望学院轨道交通学院交通运输系，研究方向：交通规划、交通经济。