基于公交優(yōu)先的信號(hào)控制策略研究

基于公交優(yōu)先的信號(hào)控制策略研究

0信號(hào)優(yōu)先策略公共交通的優(yōu)先順序是指大城市的公共交通主要由大型公共交通系統(tǒng)組成，以補(bǔ)充其他交通工具。它是一種交通發(fā)展策略,它依靠工程、管理措施以及相應(yīng)政策、法規(guī)的支持,為市民提供快速、方便、經(jīng)濟(jì)、舒適、安全的出行環(huán)境。公共交通(以下簡(jiǎn)稱公交)優(yōu)先的概念應(yīng)包括兩方面的含義,即:對(duì)公交在通行空間和時(shí)間上給予優(yōu)先。所謂空間優(yōu)先,是通過(guò)設(shè)立公交專用道(路)或各類專用進(jìn)口道加以實(shí)現(xiàn);時(shí)間優(yōu)先則體現(xiàn)在公交優(yōu)先信號(hào)控制上。如果不在交通信號(hào)管理中配以相應(yīng)的優(yōu)先控制策略,則公交專用道的作用不會(huì)得到充分發(fā)揮。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,如果不在道路交叉路口信號(hào)控制策略中體現(xiàn)公交優(yōu)先,即使有公交優(yōu)先道路,公交車運(yùn)營(yíng)節(jié)省的時(shí)間也十分有限(統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明僅節(jié)省5%~10%左右),因此研究在有公交專用道路條件下交通信號(hào)控制中的公交優(yōu)先策略顯得十分重要。公共交通信號(hào)優(yōu)先策略的目的是減少公交車輛在信號(hào)交叉口的延誤,這種考慮的根本原因在于城市公共交通具有客運(yùn)量大、相對(duì)投資小、占有資源少、效率高、污染相對(duì)較少、人均占有道路少等優(yōu)點(diǎn)。如果交叉口的延誤用經(jīng)過(guò)交叉口的全部出行者的總延誤來(lái)表示的話,那么一輛滿載乘客的公共汽車在交叉口30s的延誤和一輛小轎車在交叉口30s的延誤是不等價(jià)的。因此,讓公共交通在交叉口具有優(yōu)先權(quán),將會(huì)極大地減小交叉口的總?cè)司诱`。1公共交通信號(hào)優(yōu)先的物理結(jié)構(gòu)公共交通信號(hào)優(yōu)先控制的系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1,系統(tǒng)主要由以下3部分組成。1.1檢入檢測(cè)優(yōu)先策略車輛檢測(cè)包括公交車輛檢測(cè)和普通車輛檢測(cè)。公交車輛的檢測(cè)過(guò)程如下:在公共汽車上安裝固定頻率的專用信號(hào)發(fā)射器,公交優(yōu)先信號(hào)交叉口上、下游分別設(shè)相應(yīng)頻率的信號(hào)檢入、檢出檢測(cè)器,信號(hào)檢測(cè)器與交通信號(hào)控制機(jī)相連。當(dāng)檢入檢測(cè)器檢測(cè)到有公交車輛到達(dá)時(shí),將到達(dá)信息迅速傳遞到信號(hào)機(jī)控制系統(tǒng),由控制系統(tǒng)決定優(yōu)先策略,然后發(fā)出指令給信號(hào)機(jī),以便實(shí)現(xiàn)公交車輛無(wú)阻滯、優(yōu)先通過(guò)交叉口。設(shè)置檢出檢測(cè)器的目的是為了讓控制系統(tǒng)知道何時(shí)公交車輛離開(kāi)交叉口,不再需要優(yōu)先權(quán)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄檢入和檢出檢測(cè)器之間的公交車輛數(shù),當(dāng)檢入檢測(cè)器被激活時(shí),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)加1,當(dāng)檢出檢測(cè)器被激活時(shí),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)減1。在檢測(cè)器正常工作情況下,僅當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)大于或等于1時(shí)才考慮公交優(yōu)先的問(wèn)題。當(dāng)入口檢測(cè)器出錯(cuò)或計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)異常時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位。1.2信號(hào)控制決策公交信號(hào)優(yōu)先控制通信系統(tǒng)將檢測(cè)器的輸出信號(hào)傳輸?shù)奖镜亟徊婵诘男盘?hào)控制系統(tǒng)或地區(qū)的交通管理中心,作為信號(hào)控制決策的輸入?yún)?shù);同時(shí)將控制策略從本地或交通管理中心傳輸給信號(hào)控制器,來(lái)控制信號(hào)燈的顯示。1.3信號(hào)控制系統(tǒng)對(duì)于公交優(yōu)先信號(hào)控制而言,必須將交叉口的信號(hào)控制從簡(jiǎn)單的定時(shí)控制改進(jìn)為交通感應(yīng)控制。信號(hào)控制系統(tǒng)應(yīng)該具有系統(tǒng)控制、無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制、感應(yīng)控制、優(yōu)先控制、緊急情況控制、手動(dòng)控制等工作方式。具有燈泡損壞監(jiān)測(cè)、檢測(cè)器錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)、綠燈沖突監(jiān)測(cè)等自檢功能。通常情況下設(shè)在交叉口的信號(hào)機(jī)包含有一個(gè)電源單元、一塊CPU板、若干塊相位驅(qū)動(dòng)板。2添加最短綠燈時(shí)間約束并按照最小綠燈持續(xù)時(shí)間為了有效地在路口信號(hào)控制系統(tǒng)中體現(xiàn)公交優(yōu)先策略,在控制過(guò)程中要采用實(shí)時(shí)算法,不能采用預(yù)案控制策略。將公交優(yōu)先作為信號(hào)控制的一個(gè)函數(shù),在考慮交通條件和駕駛員安全的基礎(chǔ)上,加入最短綠燈時(shí)間約束,并能根據(jù)不同情況自動(dòng)更新。設(shè)定最短綠燈時(shí)間是基于如下的考慮,駕駛員對(duì)信號(hào)變化做出安全反應(yīng)需要有一個(gè)最短的綠燈持續(xù)時(shí)間;在每一個(gè)控制相位必須要放行一定的車輛,以減小平均等待隊(duì)長(zhǎng)。最小綠燈持續(xù)時(shí)間Gimin由下式計(jì)算Gimintc+Δtb+max[Qim(k)](3600/qm)(1)式中,Gimin為相位i的最小綠燈時(shí)間;tc為普通車輛的起動(dòng)延誤;Δtb為自行車干擾時(shí)間常數(shù);max[Qim(k)]為所有車道排隊(duì)車輛平均數(shù)中的最大值;qm為車道的飽和流量。3信號(hào)階段的控制在對(duì)交叉口公交優(yōu)先信號(hào)控制設(shè)計(jì)的時(shí)候,需要定義信號(hào)階段和確定信號(hào)顯示的邏輯。所謂信號(hào)階段就是信號(hào)燈不會(huì)改變的信號(hào)配時(shí)的間隔。換句話說(shuō),信號(hào)階段描述了在一個(gè)基本信號(hào)狀態(tài)下可組合的但又不會(huì)發(fā)生相互沖突的所有信號(hào)。依照邏輯交叉口的信號(hào)控制器控制不同階段的開(kāi)關(guān)。以下在闡述各種優(yōu)先策略時(shí)正是按照這兩點(diǎn)來(lái)展開(kāi),為了表述的方便,作者采用示意圖來(lái)表示。3.1基于信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換如果車輛檢測(cè)器檢測(cè)到在信號(hào)相位的綠燈結(jié)束時(shí)有公共汽車到達(dá)交叉口,這時(shí)采用的公交優(yōu)先策略是延長(zhǎng)原有的綠燈時(shí)間,以使公共交通有足夠的時(shí)間通過(guò)交叉口。公共汽車通過(guò)交叉口后,控制系統(tǒng)將恢復(fù)原有信號(hào)配時(shí)。圖2示意了通過(guò)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先控制的策略。在圖2中,垂直軸代表時(shí)間,圖的左邊部分是檢入、檢出檢測(cè)器的時(shí)?空關(guān)系圖,從中可以看出檢測(cè)器的位置。圖的右半部分是受優(yōu)先權(quán)影響的兩組信號(hào)隨時(shí)間的變化。其中左邊是公交優(yōu)先信號(hào),右邊是受公交優(yōu)先影響有延誤的信號(hào)組。理論上,只有公交車在C?D時(shí)間段內(nèi)到達(dá)交叉口時(shí),才可以通過(guò)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。時(shí)間C是正常綠燈信號(hào)結(jié)束的時(shí)刻,在時(shí)刻C之前到達(dá)交叉口的公交車輛在正常的綠燈時(shí)間通過(guò)交叉口,不需延長(zhǎng)綠燈時(shí)間。時(shí)刻D是最遲綠燈結(jié)束時(shí)間,它由下一組信號(hào)最小綠燈時(shí)間來(lái)決定。在時(shí)刻D之后到達(dá)交叉口的公交車輛就不能再通過(guò)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先。實(shí)際上,由于檢入檢測(cè)器通常設(shè)在交叉口上游100~200m處,因此公交車輛被檢測(cè)器檢測(cè)到和到達(dá)交叉口有一個(gè)時(shí)間差,這個(gè)時(shí)間差代表了車輛在檢測(cè)器和交叉口之間的運(yùn)行時(shí)間。正是由于這個(gè)時(shí)間差的存在,所以在時(shí)刻C之前被檢入檢測(cè)器檢測(cè)到的公交車輛也有可能在時(shí)刻C之后到達(dá)交叉口,因此適合這種優(yōu)先策略的公交車輛被檢入檢測(cè)器檢測(cè)到的時(shí)間段應(yīng)該比時(shí)刻C和時(shí)刻D提前一段時(shí)間(這段時(shí)間=公交車輛從檢測(cè)器到交叉口的運(yùn)行時(shí)間),這個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)圖2中的A、B之間的時(shí)間段。3.2公交優(yōu)先的信號(hào)控制策略如果公交車輛在信號(hào)燈為紅燈時(shí)到達(dá)交叉口,這時(shí)可以通過(guò)縮短目前的相位使下一個(gè)綠燈相位提前的方式來(lái)實(shí)施公交車輛優(yōu)先。圖3示意了通過(guò)縮短目前相位的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。圖的右半部分是受優(yōu)先權(quán)影響的兩個(gè)信號(hào)組,一個(gè)是優(yōu)先信號(hào)組,一個(gè)是被縮短相位的信號(hào)組。時(shí)刻C是讓公交車輛通行的綠燈開(kāi)啟的最早時(shí)刻,它由縮短相位信號(hào)的最小綠燈時(shí)間來(lái)決定。時(shí)刻D是未實(shí)施公交優(yōu)先的正常的讓公交車輛通行的綠燈開(kāi)啟時(shí)刻。由于公交車輛在檢測(cè)器和交叉口之間需要一段運(yùn)行時(shí)間,所以對(duì)應(yīng)C、D時(shí)刻,相應(yīng)的只有檢入檢測(cè)器在圖3中的A?B時(shí)間段檢測(cè)到有公交車輛時(shí)才可以通過(guò)縮短目前相位的方式實(shí)施公交優(yōu)先的策略。如果檢入檢測(cè)器在時(shí)刻A之前檢測(cè)到有公交車輛的話,這時(shí)要采用3.3所述的公交優(yōu)先的信號(hào)控制策略。在B時(shí)刻之后到達(dá)檢測(cè)器的公交車輛,在交叉口將遇到正常的綠燈信號(hào)。3.3相位插入的影響如果公交車輛在信號(hào)燈為紅燈時(shí)到達(dá)交叉口,并且下一個(gè)相位仍然不允許公交車輛放行,這時(shí)要實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先必須在目前相位和下一個(gè)相位之間插入一個(gè)公交專用相位。圖4示意了通過(guò)插入公交專用相位來(lái)實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。由于專用相位的插入,三個(gè)信號(hào)組受到影響:優(yōu)先信號(hào)組、被迫提前終止的信號(hào)組、被迫推遲的信號(hào)組,如圖4的右半部分所示。圖中C?D時(shí)間段是專用相位插入時(shí)間段,時(shí)刻C是公交專用綠燈相位開(kāi)啟的最早時(shí)刻,它由前一個(gè)信號(hào)組的最小綠燈時(shí)間決定。時(shí)刻D是公交專用綠燈相位結(jié)束的最遲時(shí)刻,它由下一個(gè)信號(hào)組的最晚開(kāi)啟時(shí)間和最小綠燈時(shí)間決定。相應(yīng)的檢入檢測(cè)器只有在圖4所示的A?B時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)到有公交車輛時(shí)才可以通過(guò)插入公交專用相位的方式來(lái)實(shí)施公交優(yōu)先。在A時(shí)刻之前到達(dá)的檢測(cè)器車輛,需要采用3.4所述的策略。在時(shí)刻B之后到達(dá)檢測(cè)器的公交車輛則通過(guò)縮短相位或者在下兩個(gè)相位之間插入公交專用相位的方式來(lái)實(shí)施優(yōu)先,能否采用該策略要視最小綠燈時(shí)間能否得到保證而定。3.4基于綠燈增重的公交優(yōu)先如果公交車輛在信號(hào)燈綠燈已經(jīng)結(jié)束后到達(dá)交叉口,這時(shí)要采用綠燈重啟讓公交車輛通過(guò)交叉口而不等到下一個(gè)相位才允許它通過(guò)交叉口。圖5示意了通過(guò)綠燈重啟來(lái)實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。和綠燈延長(zhǎng)策略相同,兩個(gè)信號(hào)組受到綠燈重啟的影響:優(yōu)先信號(hào)組和被迫延遲信號(hào)組,如圖5右半部分所示。只有公交車輛在C?D時(shí)間段到達(dá)交叉口才可以通過(guò)綠燈重啟來(lái)實(shí)施公交優(yōu)先,時(shí)刻C是讓公交車輛優(yōu)先通行的信號(hào)綠燈重啟的時(shí)刻,這里考慮到習(xí)慣采用綠燈?黃燈?紅燈信號(hào)次序,所以在綠燈結(jié)束后經(jīng)過(guò)黃燈?紅燈,然后綠燈重啟。對(duì)應(yīng)的檢入檢測(cè)器在A?B2時(shí)間段檢測(cè)到有公交車輛時(shí),要通過(guò)綠燈重啟來(lái)實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先。在A時(shí)刻之前到達(dá)檢測(cè)器的公交車輛通過(guò)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先,不需綠燈重啟。時(shí)刻B1是綠燈重啟的最遲時(shí)刻,也是下一個(gè)信號(hào)組的黃燈正常開(kāi)始的時(shí)刻。如果綠燈在時(shí)刻B1還沒(méi)有被重啟的話,下一個(gè)周期將開(kāi)始,綠燈重啟將不再成為可能。如果在B1時(shí)刻正在進(jìn)行綠燈重啟,并且在B2時(shí)刻之前檢測(cè)器檢測(cè)到有公交車輛到達(dá),則可以通過(guò)延長(zhǎng)重啟的綠燈。在時(shí)刻B2之后到達(dá)檢測(cè)器的車輛,由于在重啟的相位被迫終止前不能到達(dá)交叉口,所以不采用延長(zhǎng)重啟的綠燈。4交優(yōu)先策略的實(shí)施要復(fù)雜由于不存在信號(hào)控制器運(yùn)行的外在約束,所以單個(gè)交叉口的公交優(yōu)先信號(hào)控制策略實(shí)施起來(lái)要相對(duì)簡(jiǎn)單一些。而協(xié)調(diào)控制的各個(gè)交叉口在信號(hào)的顯示上有嚴(yán)格的相互約束,所以在這些交叉口的公交優(yōu)先策略的實(shí)施要復(fù)雜的多。例如,協(xié)調(diào)控制的各個(gè)交叉口采用固定的共同的信號(hào)周期長(zhǎng)度,每個(gè)周期一致的綠燈時(shí)間,以便為車輛行駛提供一個(gè)綠波帶。此時(shí)實(shí)施公交信號(hào)優(yōu)先意味著將破壞原有的一些約束條件,改變?cè)械囊恍┛刂撇呗浴９步煌▋?yōu)先控制要與原有的交通控制系統(tǒng)配套集中管理,中央交通控制系統(tǒng)可以對(duì)公交優(yōu)先控制子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先信號(hào)控制方案需要合理設(shè)計(jì)影響公共交通運(yùn)行的各種參數(shù):包括車輛排隊(duì)長(zhǎng)度、預(yù)計(jì)到達(dá)的車輛和預(yù)計(jì)通過(guò)的車輛、信號(hào)燈綠燈開(kāi)放時(shí)間、道路渠化、車站設(shè)置、站點(diǎn)停車時(shí)間、車輛間隔時(shí)間設(shè)定等。5公共交通優(yōu)先信號(hào)控制系統(tǒng)人多地少,車多路少是城市固有的基本矛盾,也是交通問(wèn)題的本質(zhì)所在。解決問(wèn)題的出路是在具備了必要的道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí),大力發(fā)展高效率的公共交通系統(tǒng)