公交专用道绿波信号协调控制及仿真

公交专用道绿波信号协调控制及仿真
陈炯迪;姜桂艳;刘彬;黄正峰
【摘要】为了减少公交专用道在交叉口处的停车延误，基于干线交叉口绿波协调
控制原理和速度诱导原理，提出了一种可跨周期的公交专用道绿波信号协调控制方法，并以宁波市江南路的公交专用道为例，利用VISSIM软件对其进行了模拟验证。

结果表明，所提出的公交专用道绿波信号协调控制方法在不降低社会车道绿波控制效果的情况下，有效减少公交专用道在交叉口处的停车延误。

%A skip cycle modulation green wave coordinated control method based on green wave coordi‐nated control theory and speed guidance theory was presented which reduce the bus stopped delay at intersections .The method was compared with the results of VISSIM from a case study on bus lanes of Jiangnan Road in Ningbo .T he results show that the method reduces the bus stopped delay at intersec‐tions effectively in the condition of the maintenance of the social lanes’ green wave coordinated con‐trol .
【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】5页(P837-841)
【关键词】交通工程;绿波协调控制;速度诱导;公交专用道;跨周期
【作者】陈炯迪;姜桂艳;刘彬;黄正峰
【作者单位】宁波大学海运学院1 宁波 315211;宁波大学海运学院1 宁波315211; 国家道路交通管理工程技术研究中心宁波大学分中心2 宁波 315211; 现
代城市交通技术江苏高校协同创新中心3 南京 210096;宁波大学海运学院1 宁波315211;宁波大学海运学院1 宁波 315211
【正文语种】中文
【中图分类】U491.2
0 引言
已有的公交信号控制研究成果主要集中于2个方面.一是设置公交优先信号，如王殿海等建立了以干线协调控制为上层，以公交优先控制为下层的双层干线公交信号优先模型，并将延长或提前启亮公交通行信号作为公交优先的手段［1］.二是建立公交车流的干线绿波带，如汪健等基于绿波带优化基本模型，建立了公交信号绿波带宽度模型［2］.本文将干线交叉口绿波协调控制原理与公交专用道的排他性相结合，设计一种公交专用道绿波信号协调控制方法，并以宁波市江南路的公交专用道部分路段为例进行实证分析.
1 公交专用道绿波信号协调控制方法设计
1.1 公交专用道绿波信号协调控制方法基本思想
目前，关于公交专用道和社会车道的绿波信号控制研究基本上都是基于经典的干线交叉口绿波协调控制原理［3］开展的.然而，公交车辆的行驶速度通常低于社会车辆的行驶速度.以图1为例，若按公交车辆的行驶速度设计干线交叉口绿波协调控制，则社会车辆无法与同时通过交叉口1的公交车辆在交叉口2处同时获得绿灯通行信号.同理，在图2中，若按社会车辆的行驶速度设计绿波协调控制，则公交车辆无法获得本次绿灯通行信号.图中线段a，b为公交专用道的速度带，线段c，d为社会车道的速度带.
图1 社会车道延误示意图
图2 公交专用道延误示意图
因此，本文在社会车辆正常运行的前提下，提出了一种可跨周期的公交专用道绿波信号协调控制方法.其基本思想是先采用已有的成果对社会车道进行绿波信号优化设计，得到社会车道的干线交叉口绿波协调控制方案；然后在确保公交车辆行驶安全的前提下，通过速度诱导［4］适当改变公交车辆在公交专用道中的行驶速度，使公交车辆在下一交叉口的第m个周期内获得绿灯通行信号，从而实现公交专用道的绿波信号协调控制.
与社会车辆的行驶过程不同，公交车辆需在站点停靠.因此，本文所提出的方法不再强调公交车辆以恒定的绿波速度连续通过若干个交叉口，而是针对单个路段上下游2个交叉口之间的绿波信号反向推算路段上的最佳行驶速度，从而减少公交车辆在交叉口的停车延误.根据路段中是否有停靠车站，可将由相邻交叉口分割而成的公交专用道路段分成无停靠站路段和有停靠站路段.
1.2 无停靠站路段的公交专用道绿波信号协调控制方法
设公交车辆的最大安全行驶速度为Vmax，社会车辆的绿波速度为Vcar，根据二者之间的关系可将速度诱导模式分为2类：Vmax与Vcar相近；Vmax与Vcar 相差较大.这2种情况下所对应的限制条件也不完全相同.以图3为例进行分析.
图3 公交车辆运行速度限制条件说明图
当Vmax与Vcar相近时，公交车辆诱导后的速度Vbus需满足两个限制条件，才能实现绿波信号协调控制.一是由于公交专用道的绿波信号协调控制是基于社会车道的干线交叉口绿波协调进行设计的.因此，Vbus应不大于Vcar，否则公交车辆将在本次绿灯通行信号启亮之前到达交叉口，进行排队等待.
二是在确保不超过Vmax的前提下，对其进行速度诱导，使Vbus趋近于Vcar，从而使两者在下一交叉口处同时获得通行信号，即图3中所示的线段a′，b′，线段c，d.以上两个限制条件的公式为
当Vmax与Vcar相差较大时，则Vbus无法趋近于Vcar.因此，两者无法同时获
得通行信号.公交车辆将通过速度诱导，使其在下一交叉口的第m个周期内获得绿灯通行信号，即跨周期如图3中所示的线段a，b.跨周期的公交专用道绿波信号协调控制除需满足上述两个限制条件外，还需满足另外两个限制条件.
首先，从图3可知，要使公交车辆在交叉口2的第m个周期内获得绿灯通行信号，则其在交叉口1与交叉口2之间的行驶时间T应大于交叉口2信号周期C的整数
倍与初始交叉口绝对相位差Q之和.其中，C为社会车道干线绿波协调控制中的共
用周期.
其次，公交车辆在交叉口1与交叉口2的行驶时间T须小于交叉口2的周期C的
整数倍、绿灯时间G以及绝对相位差Q三者之和，否则，公交车辆到达交叉口时，交叉口显示的为红灯，需要排队等待.以上四个限制条件可表达为
式中：Ln为第n个交叉口与第（n＋1）个交叉口的间距，m；Rn＋1为社会车道干线交叉口绿波协调控制中的第（n＋1）个交叉口的绝对相位差，s；Gn＋1为第（n＋1）个交叉口公交车直行相位的绿灯时间，s；T1，T2分别为公交车辆通过
社会车道干线交叉口绿波协调控制系统中第一个交叉口时显示的最早和最迟绿灯时间，s.
1.3 有停靠站路段的公交专用道绿波信号协调控制方法
公交车辆的站点停靠以及所需要的减速和加速过程，都将使其在一定程度上损失在下一个路口的绿波通行时间［5］.因此，无停靠站路段的控制方法，无法完全满足有停靠站路段公交专用道的绿波需求.根据公交车辆在站点的实际停靠时间，在确
保安全的情况下，对其停靠后的速度进行适当诱导，使其在下一个交叉口赶上本周期或第m个周期的绿灯信号，如图4所示.
图4 公交车辆速度诱导示意图
当Vmax与Vcar相近时.公交车辆经停靠之后，根据停靠时间的长短，对停靠后
的速度进行诱导，可增加或减慢公交车辆的行驶速度，使其赶上本次周期或第m
个周期，即图中的线段a′，b′，线段a″，b″.同理，当Vmax与Vcar相差较大时，也可增加或减少行驶速度，使其赶上本次周期或第m个周期.诱导后的加速或减速的计算如式（3）和（4）所示.
在式（3）和（4）中，V″bus、V″bus分别为停靠站之前的速度和停靠站之后的
诱导速度，km／h；L为有停靠站的公交专用道中路段长度，m；Lstop为停靠站距上游交叉口的长度，m；T0为停靠时间，s.
2 仿真验证
2.1 实验路段选择
本文选取宁波市江南路部分路段为研究对象.实验路段由连续3个交叉口组成，分
别由杨木碶路、世纪大道、沧海路与江南路交叉形成，编号分别为1，2，3.各路
段的长度和停靠站的位置，见图5.其中停靠站1的停靠时间为20s，停靠站2为
30s，停靠站3为25s，停靠站4为35s，以上停靠站时间包括车辆的制动和启动的损失时间.
图5 江南路公交专用道设置情况
2.2 实验路段现有信号控制方案与效果评价
实验路段尚未实施绿波信号控制，采用的是多段定周期控制方案，3个交叉口都未设置右转专用相位，早高峰期间的交通量及信号控制参数实地调查结果见表1和
表2.
目前，用于评价交叉口信号控制效果的指标主要以延误为主［6］.本文选取人总延误作为评价指标，并采用VISSIM软件对目标路段的信号控制效果进行评价，结果
见表3.
由表3可知，实验路段在未实施绿波协调控制之前，社会车辆和公交车辆的人总延误都较大，公交专用道的优势也未成体现.
表1 实验路段交叉口早高峰各进口道交通量pcu·h－1?
表2 实验路段交叉口早高峰信号控制参数 s?
2.3 实验路段联合绿波方案生成与效果评价
本文基于经典的干线交叉口绿波协调控制原理，得到了交叉口1，2，3的最佳信号控制周期，依次为158，160，87s，取160s为系统共用周期.然而，高峰期的信号周期以不超过120s为宜，因此取其周期的一半作为共用周期，并对各交叉口的信号配时进行重新优化，与图解法结合，设计其绿波信号控制方案，结果见表4和图6.其中，杨木碶路与江南路的所有关键相位的最大流量比之和Y大于0.9，对其相位进行了调整，由目前的五相位调整为四相位，得到Y值为0.853 7.
表3 实验路段交叉口各进口道现状评价结果 s?
从图6可知，社会车辆的干线绿波行驶速度为54km／h.由于所得到的Vcar与Vmax相差较大.因此，运用所提出的跨周期公交专用道绿波信号协调控制方法和图解法，得到了公交专用道绿波信号协调控制方案.
如图7所示，公交车辆经过停靠站1后的诱导速度27km／h，停靠站3和停靠站4的后诱导速度为20km／h，停靠站2处不需要再次速度诱导.以上速度均满足速度诱导限制条件.对其进行模拟验证，结果如表5所示.其中，干线绿波为社会车道的绿波协调控制，差值为现状的人总延误与联合绿波下的人总延误之差.
图6 社会车道的干线交叉口绿波协调控制方案
图7 公交专用道绿波信号协调控制方案
表4 实验路段交叉口信号控制优化方案s?
表5 实验路段联合绿波方案效果评价表 s?
由表5可见，实验路段实施了社会车道的绿波协调控制之后，社会车道人总延误得到了较为明显的改善，而公交专用道的人总延误并未得到改善.在实施了联合绿波方案之后，公交专用道的人总延误也得到了明显的改善，而且社会车道的绿波信号控制效果并未受到影响.此外，由于本文优化得到的共用周期小于优化前的各交叉口周期，一定程度上减少了各进口道的车辆绿灯通行时间，从而增加了个别进口道的人总延误.
3 结束语
本文将干线交叉口绿波协调控制原理与速度诱导相结合，根据公交车辆最大安全行驶速度的不同，提出了一种可跨周期的公交专用道绿波信号协调控制方法，并以宁波市江南路公交专用道的部分路段为例进行了模拟验证.结果表明，所提出的公交专用道绿波信号协调控制方法能在不增加社会车道的延误下，减少公交专用道在交叉口的停车延误.但在设计时只考虑了沿直线行驶的公交车辆，未考虑其他相位.因此，对其他相位公交车辆信号绿波控制方法的研究将是今后工作的重点.
参考文献
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