單點(diǎn)公交優(yōu)先感應(yīng)控制策略效益分析與仿真驗(yàn)證_圖文

1、第卷第期年月系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)單點(diǎn)公交優(yōu)先感應(yīng)控制策略效益分析與仿真驗(yàn)證馬萬(wàn)經(jīng)。楊曉光（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海）摘要：?jiǎn)吸c(diǎn)交叉口信號(hào)優(yōu)先可以降低公交車輛延誤且易于實(shí)現(xiàn)。研究了公交相位綠燈延長(zhǎng)，紅燈早斷和插入相位三種單點(diǎn)公交優(yōu)先感應(yīng)控制策略；應(yīng)用延誤三角形方法建立了以公交車輛豐均延誤變化量和非優(yōu)先相位車均延誤變化量為指標(biāo)的三種單點(diǎn)公交優(yōu)先策略效益計(jì)算模型以兩相位信號(hào)控制為對(duì)象，計(jì)算對(duì)比分析了三種公交優(yōu)先策略的正負(fù)效益及其影響因素，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證分析研究表明：公交相位綠燈延長(zhǎng)、公交相位紅燈早斷和插入公交相位三種策略都能夠降低公交車均延誤，與此同時(shí)也都會(huì)帶來(lái)非優(yōu)先相位車流延誤的

2、增加，但影響的程度不同公交相位綠燈延長(zhǎng)策略的效益略小于公交相位紅燈早斷策略，而相位插入策略的效益與插入時(shí)蒯等多因素相關(guān)。關(guān)鍵詞：公交信號(hào)優(yōu)先；信號(hào)控制交叉口：優(yōu)先控制策略；效益分析中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）似訛，尉卯煳，（柚！山“時(shí)铘，）：呲耐硎柚印鋤勰：辯：粵，私丁危如砂打甜跆口岱耐“比易淞如掣拋口以，中砌，毋伽如掣已如“蒯盯壢隱肥療一鈔、耐硒鋤山臼嬲艙山陀柚山吐嘶咖髓妯私小丁砑，），口，譬艦刪砌，括“，咖珈甜，膳跏眈地邶幻幾謝饑歷把，叼巧婦塒一伽協(xié)彤州冊(cè)觸舭叩沁砌矗口刎口，巧易淞口舶冊(cè)咖，如幻颶“：昀耐；嘶廿舀；引言公交信號(hào)優(yōu)先在改善公交服務(wù)，提高公交系統(tǒng)吸引力方面有非常大的潛力

3、。從（）等人對(duì)兩個(gè)信號(hào)控制交叉口通過(guò)手動(dòng)信號(hào)提供公交優(yōu)先的研究開始【】，公交優(yōu)先的研究已經(jīng)取得了一系列長(zhǎng)足的進(jìn)步圓。單點(diǎn)信號(hào)優(yōu)先控制策略因其邏輯簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)而得到了廣泛的研究和應(yīng)用。析。在公交車流量較小，一個(gè)周期紅燈到達(dá)車輛數(shù)較小（如輛）的情況下，這些策略并無(wú)明顯的缺陷。然而，當(dāng)公交流量較大，紅燈期間到達(dá)車輛較多時(shí)，特別是在為了降低公交優(yōu)先對(duì)非優(yōu)先相位的不利影響，一個(gè)周期只能執(zhí)行一種優(yōu)先策略的情形下，這種缺陷就會(huì)逐漸暴露出來(lái)【】，必須對(duì)優(yōu)先策略的可能效益進(jìn)行全面地分析。，本文首先分析了三種通用的單點(diǎn)公交優(yōu)先感應(yīng)控制策略：公交相位綠燈延長(zhǎng)、公交相位紅燈早斷和插入公交相位的適用范圍；進(jìn)而應(yīng)用延誤

4、三角形法建立了公交優(yōu)先策略下的公交車均延誤和非優(yōu)先相位社會(huì)車流車均延誤的計(jì)算模型，并以其為指標(biāo)，對(duì)比分析了不同情形下三種優(yōu)先策略的效率。同時(shí)，應(yīng)用的仿真對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。（）抽姐硒（），卸，（）嘲，眥曲（，），協(xié)酞姐柚卸粕（，）】等人先后提出了以降低延誤為目標(biāo)的優(yōu)先控制策略，并從優(yōu)先控制模型、檢測(cè)器布置、優(yōu)先控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)先控制約束等方面進(jìn)行研究。幾乎所有的單點(diǎn)優(yōu)先策略，都是建立在單一公交車輛優(yōu)先申請(qǐng)的。即優(yōu)先策略的選擇和實(shí)施時(shí)都是針對(duì)某一車輛，目標(biāo)為降低單車延誤，缺乏對(duì)之前到達(dá)或者之后可能到達(dá)車輛的考慮，也即缺乏優(yōu)先策略對(duì)整個(gè)周期車均延誤的影響分研究表明，在對(duì)非優(yōu)先相位效益降低量幾乎接

5、近的情況下，紅燈早斷的優(yōu)先策略明顯優(yōu)于綠燈延長(zhǎng)策略，而相位插入策略的效益則隨相位插入時(shí)間等因素的變化而變化。三種單點(diǎn)公交感應(yīng)優(yōu)先策略設(shè)代表車輛到達(dá)交叉口的時(shí)刻；如代表綠燈延長(zhǎng)時(shí)收藕日期回日期基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（）作者簡(jiǎn)介馬萬(wàn)經(jīng)（），男，內(nèi)蒙古赤峰講師，研究方向?yàn)槌鞘薪煌刂婆c交通仿真間；踟代表紅燈早斷時(shí)間；骺代表插入相位的長(zhǎng)度；如： 公交相位有效綠燈時(shí)間；：信號(hào)周期長(zhǎng)度（）。 第卷第期年月。、，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)。蹦匭二囝主巫二盈】至二圃陸酬嘶脅啪匭亙二二西匭丑【垂互二匾曼叵盈鹼妯由叭瑚哪由唧岫刪罩息仉無(wú)策陌緞磕分析單點(diǎn)優(yōu)先策略效益分析優(yōu)先策略下公交車均延誤變化量計(jì)算模型設(shè)公交車流飽

6、和流率為品，社會(huì)車流飽和流率為，刪公交車流率為函，社會(huì)車流流率為毋。通過(guò)為公交車輛提供優(yōu)先，可以降低公交車輛在交叉口的信號(hào)延誤，同時(shí)使公交同一相位的社會(huì)車流受益，這些構(gòu)成了單點(diǎn)公交優(yōu)先策略的正效益。如圖，圖所示，公交優(yōu)先前后公交車輛的延誤三角形發(fā)生了明顯變化。根據(jù)延誤三角形的幾何關(guān)系，三種策略下周期內(nèi)公交車均延誤的降低量計(jì)算公式推導(dǎo)如下。趾去（。）一缸盟）。公交相位紅燈早斷下的公交車均延誤變化量圖三種單點(diǎn)公交信號(hào)優(yōu)先策略綠燈延長(zhǎng)策略（璐）如圖所示，當(dāng)公交車輛到達(dá)時(shí)刻為公交相位紅燈且在最大延長(zhǎng)綠燈范圍之內(nèi)時(shí)，可以采取延長(zhǎng)公交相位綠燈的方法提供公交優(yōu)先，既其適用條件為：如乙。（）鞏去（一擊（卜譬）

7、廚。：去（一“一）生插入公交相位下的公交車均延誤變化量成功的綠燈延長(zhǎng)之后，公交車輛能夠在綠燈時(shí)間內(nèi)通過(guò)交叉口，其延誤為：“（）其中，以：綠燈延長(zhǎng)后車輛延誤（）。插入相位策略（辯）融瞰如果占。藝舶厶，即車輛在最后一個(gè)相位開始之前到達(dá)，則可以選擇插入公交專用相位進(jìn)行信號(hào)優(yōu)先。插入相位后，得到優(yōu)先的公交車輛延誤可以用下式計(jì)算：圖例口優(yōu)先后公交延誤臣勿優(yōu)先降低的公交延誤以：“膽綠燈間隔時(shí)間。（）其中，名：插入相位的開始時(shí)刻，（）；：相位的綠燈時(shí)間（）：交叉口的相位總數(shù)；，第相位與下一相位的圖公交車輛紅燈早斷策略（）如果瓢，則可以選擇紅燈早斷進(jìn)行優(yōu)先，紅燈早斷后，受益的公交車輛延誤可以由下式計(jì)算。：甩一

8、名：船（）（）（打翻通其中，：紅燈早斷時(shí)刻，一鼬。正如前面分析，式（）、（）和（）僅僅考慮了提出優(yōu)先申請(qǐng)車輛的延誤，而沒(méi)有考慮其他已經(jīng)到達(dá)和將要到達(dá)的車輛。同時(shí)，從時(shí)間順序上看，從公交相位綠燈結(jié)束開始優(yōu)先圖例口優(yōu)先前延誤刁優(yōu)先增加的延誤策略的選擇順序?yàn)椋汗痪G燈延長(zhǎng)插入公交相位公交紅燈早斷，在周期優(yōu)先響應(yīng)次數(shù)受限的情形下，按照時(shí)間順序選擇優(yōu)先策略未必是最優(yōu)的方式，特別是在考慮了所有紅燈期間到達(dá)車輛的運(yùn)行效益后，以下對(duì)此進(jìn)行深入分析。瓣墻五口圖非優(yōu)先相位社會(huì)車流延誤分析 第卷第期年月馬萬(wàn)經(jīng)，等：?jiǎn)吸c(diǎn)公交優(yōu)先感應(yīng)控制策略效益分析與仿真驗(yàn)證優(yōu)先策略下非優(yōu)先相位車均延誤變化量計(jì)算模型以兩相位信號(hào)控制為

9、例，公交優(yōu)先之后，非優(yōu)先相位的延誤三角形也發(fā)生了變化，即車輛延誤增加，三種策略下，非優(yōu)先相位車均延誤增加量可以用下式計(jì)算：公交綠燈延長(zhǎng)下的車均延誤增量：相位插入的時(shí)間越遲，上升速度越快。隨著公交相位飽和度的增加，不同插入時(shí)間對(duì)非優(yōu)先相位延誤的影響程度發(fā)生變化：飽和度較小時(shí)，相位插入時(shí)間越早，對(duì)非優(yōu)先相位的影響越大，而當(dāng)飽和度增加到一定程度之后，插入相位越早反而對(duì)非優(yōu)先相位的影響越小。公交紅燈早斷下的車均延誤增量恥去（咄）去（警舢饑去（¨赤（警舢去（。一屯）三生品一函一一坪。聘十馴¨兒。阻號(hào)螂舭插入公交相位下的車均延誤增量鬈鼎一，一：擴(kuò)一。：二一，一霹三種策略效益對(duì)比分析取兩

10、相位信號(hào)控制下，信號(hào)周期，公交車流飽和流率為，社會(huì)車流飽和流率為亂，周期損簇晶（了專爺母優(yōu)先時(shí)問(wèn)（）圖優(yōu)先時(shí)間影響分析失時(shí)間，公交相位綠燈長(zhǎng)度為。弓刪基爭(zhēng)咄捌霜取乳。，相同優(yōu)先時(shí)問(wèn)下綠燈延長(zhǎng)與紅燈縮短效益對(duì)比如下圖。隨著公交相位飽和度的升高，三種策略對(duì)公交延誤降低的程度隨之增加；可以認(rèn)為，優(yōu)先策略在飽和度高的情形下效益更加明顯。相比之下，插入相位和紅燈早斷要比綠燈延長(zhǎng)對(duì)公交車均延誤的降低隨飽和度變化敏感?？镆粓D非優(yōu)先相位延誤變化 一卜一一：醫(yī)夏至！蘭二二二二相位插入時(shí)刻對(duì)公交車流延誤和非優(yōu)先相位車流延誤的影響如圖所示?？梢钥闯?，隨著相位插入時(shí)刻的推移，公交車流延誤的增量成拋物線形式先增后降。即

11、在某一車流到達(dá)消散規(guī)律下，存在一個(gè)點(diǎn)，使得插入相位策略能實(shí)現(xiàn)最大效果。非優(yōu)先相位延誤增加量隨著相位插入時(shí)刻的推移呈非線性變化趨勢(shì)。在達(dá)到某一點(diǎn)之后，非優(yōu)先相位延誤增加圖公交相位延誤的變化量快速增長(zhǎng)。圖反映的是車均延誤增（減）量隨優(yōu)先時(shí)間（延長(zhǎng)綠燈時(shí)間或紅燈早斷時(shí)間的長(zhǎng)度）的變化情況。隨著優(yōu)先時(shí)間的增加，綠燈延長(zhǎng)和紅燈早斷兩種策略下，公交車均延誤減少量都呈增加趨勢(shì)，但增加幅度隨著優(yōu)先時(shí)間的增加漸趨緩和；同時(shí)，相同的優(yōu)先時(shí)間下，紅燈早斷策略對(duì)公交延誤的降低能力大于綠燈延長(zhǎng)策略，二者之間效率的差別隨著優(yōu)先時(shí)間的增加逐漸增大。同時(shí)，隨著優(yōu)先時(shí)間的增加，非優(yōu)先相位延誤增加量逐漸增加，增加的速度也隨之加快

12、。從計(jì)算模型可以看出，相同的優(yōu)先時(shí)間下（綠燈延長(zhǎng)和紅燈早斷時(shí)間），綠燈延長(zhǎng)和紅燈早斷對(duì)非優(yōu)先相位車流延誤的影響相同，圖也反映出這一點(diǎn)。由于優(yōu)先時(shí)間一致，綠燈延長(zhǎng)和紅燈縮短策略下，社會(huì)車流延誤不受公交相位飽和度變化影響，保持一致。而插入相位策略下，非優(yōu)先相位社會(huì)車流延誤增加量隨著公交飽和度的上升而顯著上升，且。刪制賬制窘之一“、一插入相位非優(yōu)先相位相位插入時(shí)刻圈相位插入時(shí)刻影響分析仿真驗(yàn)證以下通過(guò)交通仿真對(duì)上述結(jié)論進(jìn)一步分析。仿真模型使用微觀仿真軟件建立，是一個(gè)微觀的、時(shí)間離散、基于跟馳和換道運(yùn)動(dòng)模型?！笆褂谩㈣值诰淼谄谀暝隆ⅲ到y(tǒng)仿真學(xué)報(bào)岍開發(fā)的行為模型【】，公交優(yōu)先感應(yīng)控制的邏輯通過(guò)其語(yǔ)言實(shí)

13、現(xiàn)。仿真機(jī)動(dòng)車流量以實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)作為輸入，無(wú)影山東北園大街兩相位控制交叉口高峰實(shí)際調(diào)查流量見(jiàn)圖，東西直行方向設(shè)置一條公交專用道，專用道公交車流量為輛，、時(shí)。每次仿真時(shí)段取秒，其中包括秒路網(wǎng)車流初始化階段。分別對(duì)綠燈延長(zhǎng)策略、紅燈早斷策略和相位插入策略分笛孤垤；廠：一無(wú)優(yōu)先一。一、一一“紅燈早斷一插入相位一綠燈延長(zhǎng)仿真序列圖社會(huì)車流延誤仿真對(duì)比別進(jìn)行仿真。仿真中取髂島，插入相位的長(zhǎng)度“。由于仿真的隨機(jī)性，所以必須通過(guò)多次仿真來(lái)獲得統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在本次研究中每個(gè)控制方案取不同隨機(jī)數(shù)做次仿真，得公交車輛延誤和非優(yōu)先相位延誤對(duì)比如下圖和圖。降低公交流量為原來(lái)的，和，即，和，社會(huì)車流流量不變（如圖所示），重

14、新進(jìn)行仿真分析，取次仿真的平均值，結(jié)果如下圖所示。圖不同公交流量仿真對(duì)比對(duì)比圖和可以看出，不同公交需求下，三種優(yōu)先策略都能夠取得一定的效益。相對(duì)而言，隨著公交車流量的降低，三種策略效率的差異也降低。圖仿真驗(yàn)證案例改變社會(huì)車流的流量對(duì)比情況對(duì)三種策略的控制效果進(jìn)行分析。由于優(yōu)先相位機(jī)動(dòng)車流受到的影響與公交車流的基本一致，因而通過(guò)改變非優(yōu)先相位車流進(jìn)行對(duì)比分析，分增加和降低非優(yōu)先相位車流（即南、北向車流總體增加）共種情況進(jìn)行分析。從圖中可以看出，基本上紅燈早斷對(duì)降低公交車輛延誤的效果要大于綠燈延長(zhǎng)而相位插入策略波動(dòng)較大。次仿真綠燈延長(zhǎng)、紅燈縮短和相位插入策略下公交車均延誤平均值分別為、和。 仿真序

15、列圖不同非優(yōu)先社會(huì)車流量下控制策略仿真效果圖公交延誤仿真對(duì)比從圖可以看出，綠燈延長(zhǎng)策略和紅燈早斷策略對(duì)非優(yōu)先相位影響比較接近，相對(duì)而言，插入相位對(duì)非優(yōu)先車流的影響略小。叢圖可以看出，非優(yōu)先相位車流需求對(duì)控制策略效果有重要影響，當(dāng)非優(yōu)先車流流量較大時(shí)，公交優(yōu)先策略會(huì)引起非優(yōu)先車流延誤的迅速增長(zhǎng)。當(dāng)非優(yōu)先相位流量較小時(shí)，第卷第期、年月馬萬(wàn)經(jīng)，等：?jiǎn)吸c(diǎn)公交優(yōu)先感應(yīng)控制策略效益分析與仿真驗(yàn)證眥綠燈延長(zhǎng)的影響大于紅燈早段的影響，隨著非優(yōu)先相位流量的優(yōu)先策略效益相互關(guān)酬，將單點(diǎn)的信號(hào)優(yōu)先對(duì)車輛的效的增加，兩者產(chǎn)生的影響逐漸接近。益放在整個(gè)信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中進(jìn)行研究將是非常有意義通過(guò)不同公交需求下的仿真還發(fā)

16、現(xiàn)綠燈延長(zhǎng)時(shí)段和紅的后續(xù)研究。燈早斷時(shí)段的綠燈時(shí)間利用率不同，紅燈早斷期間車流基本參考文獻(xiàn)：以飽和流率駛出，而綠燈延長(zhǎng)時(shí)的車流駛出流率相對(duì)較低。【】盯巧研當(dāng)公交需求小時(shí)，這種差異也在減小?？梢?jiàn)綠燈時(shí)間利用率讎咖加【阿嘶哆傀嘲【】的不同也是紅燈早斷效率與綠燈延長(zhǎng)效率不同的因素之一。：侶時(shí)強(qiáng)：不同優(yōu)先策略下，與公交車輛同相位的社會(huì)車流同樣將【】（，吣“蛆，叩璐虹【齟：州髓從優(yōu)先策略中獲益（與公交車流同樣獲得優(yōu)先策略提供的綠她?；阂粺簦?，且不同優(yōu)先策略對(duì)其的影響與公交車流近似，在此不【】【，鯽伽【髂加衄衄做單獨(dú)分析。刪嘰矩吲州嗽【】腳嘣吐結(jié)論雒，：啪印士：一【鋤弘，“血蛆他綜合上述分析，可以總結(jié)

17、得出如下基本結(jié)論：趾峨伽【】叢咀，：鼬蚯衄）公交相位綠燈延長(zhǎng)、公交相位紅燈早斷和插入公交。，伽缸曲，相位三種策略都能夠降低公交車均延誤，與此同時(shí)也都會(huì)帶【】姐面刪呲鋤耐帥】來(lái)非優(yōu)先相位車流延誤的增加，但影響的程度不同：。勰：吼，【】曠吐咖咄：盯，兒盯皿蹦耐）隨著公交相位飽和度的增加，優(yōu)先策略的效益越明油瞄幣呷顯：孤廿蹦：勰。器吼：）相同的優(yōu)先時(shí)間（綠燈延長(zhǎng)或紅燈早斷時(shí)間）下，甩叫咒。：公交相位綠燈延長(zhǎng)策略的優(yōu)先效率小于公交相位綠燈早斷】刪翹，棚卸印脅咄衙策略。這種趨勢(shì)隨著公交相位飽和度的增加或者優(yōu)先時(shí)間的刪噼甜哼加岫弘【】叫嘲眥增加逐漸擴(kuò)大；船）相位插入的時(shí)間影響著插入相位策略的優(yōu)先效率?！尽狂R萬(wàn)經(jīng)，聶磊，楊曉光單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)最優(yōu)控制模型及仿真分析在特定的公交流量和到達(dá)消散規(guī)律下，存在一個(gè)最優(yōu)的相位【】系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，（）：（如，）（啪，【撕仙髂插入時(shí)間使得該策略的效益最大化。砸酣廿砒砷耐咖嘰叨岫）以單一公交車輛為控制對(duì)象，按照時(shí)間順序依次采，（）：）用相位綠燈延長(zhǎng)、插入相位和紅燈早斷策略并非最優(yōu)的優(yōu)先【】控制方式；特別是在公交相位飽和度較高的情形下，考慮整咖，（）】卻：嗍，如衄盯盯龍，一個(gè)紅燈期間到達(dá)車輛數(shù)及到達(dá)規(guī)律后，才能做出最優(yōu)決策。【】刪甜婚嗽：本研究?jī)H采用了公交車均延誤和非優(yōu)先相位車均延誤姐伽姐叩為指