基于公交優(yōu)先的信號控制策略研究

基于公交優(yōu)先的信號控制策略研究

0信號優(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、舒適、安全的出行環(huán)境。公共交通(以下簡稱公交)優(yōu)先的概念應(yīng)包括兩方面的含義,即:對公交在通行空間和時間上給予優(yōu)先。所謂空間優(yōu)先,是通過設(shè)立公交專用道(路)或各類專用進口道加以實現(xiàn);時間優(yōu)先則體現(xiàn)在公交優(yōu)先信號控制上。如果不在交通信號管理中配以相應(yīng)的優(yōu)先控制策略,則公交專用道的作用不會得到充分發(fā)揮。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,如果不在道路交叉路口信號控制策略中體現(xiàn)公交優(yōu)先,即使有公交優(yōu)先道路,公交車運營節(jié)省的時間也十分有限(統(tǒng)計數(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控制中的公交優(yōu)先策略顯得十分重要。公共交通信號優(yōu)先策略的目的是減少公交車輛在信號交叉口的延誤,這種考慮的根本原因在于城市公共交通具有客運量大、相對投資小、占有資源少、效率高、污染相對較少、人均占有道路少等優(yōu)點。如果交叉口的延誤用經(jīng)過交叉口的全部出行者的總延誤來表示的話,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的延誤是不等價的。因此,讓公共交通在交叉口具有優(yōu)先權(quán),將會極大地減小交叉口的總?cè)司诱`。1公共交通信號優(yōu)先的物理結(jié)構(gòu)公共交通信號優(yōu)先控制的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1,系統(tǒng)主要由以下3部分組成。1.1檢入檢測優(yōu)先策略車輛檢測包括公交車輛檢測和普通車輛檢測。公交車輛的檢測過程如下:在公共汽車上安裝固定頻率的專用信號發(fā)射器,公交優(yōu)先信號交叉口上、下游分別設(shè)相應(yīng)頻率的信號檢入、檢出檢測器,信號檢測器與交通信號控制機相連。當檢入檢測器檢測到有公交車輛到達時,將到達信息迅速傳遞到信號機控制系統(tǒng),由控制系統(tǒng)決定優(yōu)先策略,然后發(fā)出指令給信號機,以便實現(xiàn)公交車輛無阻滯、優(yōu)先通過交叉口。設(shè)置檢出檢測器的目的是為了讓控制系統(tǒng)知道何時公交車輛離開交叉口,不再需要優(yōu)先權(quán)?？刂葡到y(tǒng)通過計數(shù)器記錄檢入和檢出檢測器之間的公交車輛數(shù),當檢入檢測器被激活時,計數(shù)器計數(shù)加1,當檢出檢測器被激活時,計數(shù)器計數(shù)減1。在檢測器正常工作情況下,僅當計數(shù)器的計數(shù)大于或等于1時才考慮公交優(yōu)先的問題。當入口檢測器出錯或計數(shù)器計數(shù)異常時對計數(shù)器進行復(fù)位。1.2信號控制決策公交信號優(yōu)先控制通信系統(tǒng)將檢測器的輸出信號傳輸?shù)奖镜亟徊婵诘男盘柨刂葡到y(tǒng)或地區(qū)的交通管理中心,作為信號控制決策的輸入?yún)?shù);同時將控制策略從本地或交通管理中心傳輸給信號控制器,來控制信號燈的顯示。1.3信號控制系統(tǒng)對于公交優(yōu)先信號控制而言,必須將交叉口的信號控制從簡單的定時控制改進為交通感應(yīng)控制。信號控制系統(tǒng)應(yīng)該具有系統(tǒng)控制、無電纜協(xié)調(diào)控制、感應(yīng)控制、優(yōu)先控制、緊急情況控制、手動控制等工作方式。具有燈泡損壞監(jiān)測、檢測器錯誤監(jiān)測、綠燈沖突監(jiān)測等自檢功能。通常情況下設(shè)在交叉口的信號機包含有一個電源單元、一塊CPU板、若干塊相位驅(qū)動板。2添加最短綠燈時間約束并按照最小綠燈持續(xù)時間為了有效地在路口信號控制系統(tǒng)中體現(xiàn)公交優(yōu)先策略,在控制過程中要采用實時算法,不能采用預(yù)案控制策略。將公交優(yōu)先作為信號控制的一個函數(shù),在考慮交通條件和駕駛員安全的基礎(chǔ)上,加入最短綠燈時間約束,并能根據(jù)不同情況自動更新。設(shè)定最短綠燈時間是基于如下的考慮,駕駛員對信號變化做出安全反應(yīng)需要有一個最短的綠燈持續(xù)時間;在每一個控制相位必須要放行一定的車輛,以減小平均等待隊長。最小綠燈持續(xù)時間Gimin由下式計算Gimintc+Δtb+max[Qim(k)](3600/qm)(1)式中,Gimin為相位i的最小綠燈時間;tc為普通車輛的起動延誤;Δtb為自行車干擾時間常數(shù);max[Qim(k)]為所有車道排隊車輛平均數(shù)中的最大值;qm為車道的飽和流量。3信號階段的控制在對交叉口公交優(yōu)先信號控制設(shè)計的時候,需要定義信號階段和確定信號顯示的邏輯。所謂信號階段就是信號燈不會改變的信號配時的間隔。換句話說,信號階段描述了在一個基本信號狀態(tài)下可組合的但又不會發(fā)生相互沖突的所有信號。依照邏輯交叉口的信號控制器控制不同階段的開關(guān)。以下在闡述各種優(yōu)先策略時正是按照這兩點來展開,為了表述的方便,作者采用示意圖來表示。3.1基于信號的信號轉(zhuǎn)換如果車輛檢測器檢測到在信號相位的綠燈結(jié)束時有公共汽車到達交叉口,這時采用的公交優(yōu)先策略是延長原有的綠燈時間,以使公共交通有足夠的時間通過交叉口。公共汽車通過交叉口后,控制系統(tǒng)將恢復(fù)原有信號配時。圖2示意了通過延長綠燈時間來實現(xiàn)公交優(yōu)先控制的策略。在圖2中,垂直軸代表時間,圖的左邊部分是檢入、檢出檢測器的時?空關(guān)系圖,從中可以看出檢測器的位置。圖的右半部分是受優(yōu)先權(quán)影響的兩組信號隨時間的變化。其中左邊是公交優(yōu)先信號,右邊是受公交優(yōu)先影響有延誤的信號組。理論上,只有公交車在C?D時間段內(nèi)到達交叉口時,才可以通過延長綠燈時間這種方式來實現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。時間C是正常綠燈信號結(jié)束的時刻,在時刻C之前到達交叉口的公交車輛在正常的綠燈時間通過交叉口,不需延長綠燈時間。時刻D是最遲綠燈結(jié)束時間,它由下一組信號最小綠燈時間來決定。在時刻D之后到達交叉口的公交車輛就不能再通過延長綠燈時間來實現(xiàn)優(yōu)先。實際上,由于檢入檢測器通常設(shè)在交叉口上游100~200m處,因此公交車輛被檢測器檢測到和到達交叉口有一個時間差,這個時間差代表了車輛在檢測器和交叉口之間的運行時間。正是由于這個時間差的存在,所以在時刻C之前被檢入檢測器檢測到的公交車輛也有可能在時刻C之后到達交叉口,因此適合這種優(yōu)先策略的公交車輛被檢入檢測器檢測到的時間段應(yīng)該比時刻C和時刻D提前一段時間(這段時間=公交車輛從檢測器到交叉口的運行時間),這個時間段對應(yīng)圖2中的A、B之間的時間段。3.2公交優(yōu)先的信號控制策略如果公交車輛在信號燈為紅燈時到達交叉口,這時可以通過縮短目前的相位使下一個綠燈相位提前的方式來實施公交車輛優(yōu)先。圖3示意了通過縮短目前相位的方式來實現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。圖的右半部分是受優(yōu)先權(quán)影響的兩個信號組,一個是優(yōu)先信號組,一個是被縮短相位的信號組。時刻C是讓公交車輛通行的綠燈開啟的最早時刻,它由縮短相位信號的最小綠燈時間來決定。時刻D是未實施公交優(yōu)先的正常的讓公交車輛通行的綠燈開啟時刻。由于公交車輛在檢測器和交叉口之間需要一段運行時間,所以對應(yīng)C、D時刻,相應(yīng)的只有檢入檢測器在圖3中的A?B時間段檢測到有公交車輛時才可以通過縮短目前相位的方式實施公交優(yōu)先的策略。如果檢入檢測器在時刻A之前檢測到有公交車輛的話,這時要采用3.3所述的公交優(yōu)先的信號控制策略。在B時刻之后到達檢測器的公交車輛,在交叉口將遇到正常的綠燈信號。3.3相位插入的影響如果公交車輛在信號燈為紅燈時到達交叉口,并且下一個相位仍然不允許公交車輛放行,這時要實現(xiàn)公交優(yōu)先必須在目前相位和下一個相位之間插入一個公交專用相位。圖4示意了通過插入公交專用相位來實現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。由于專用相位的插入,三個信號組受到影響:優(yōu)先信號組、被迫提前終止的信號組、被迫推遲的信號組,如圖4的右半部分所示。圖中C?D時間段是專用相位插入時間段,時刻C是公交專用綠燈相位開啟的最早時刻,它由前一個信號組的最小綠燈時間決定。時刻D是公交專用綠燈相位結(jié)束的最遲時刻,它由下一個信號組的最晚開啟時間和最小綠燈時間決定。相應(yīng)的檢入檢測器只有在圖4所示的A?B時間段內(nèi)檢測到有公交車輛時才可以通過插入公交專用相位的方式來實施公交優(yōu)先。在A時刻之前到達的檢測器車輛,需要采用3.4所述的策略。在時刻B之后到達檢測器的公交車輛則通過縮短相位或者在下兩個相位之間插入公交專用相位的方式來實施優(yōu)先,能否采用該策略要視最小綠燈時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燈綠燈已經(jīng)結(jié)束后到達交叉口,這時要采用綠燈重啟讓公交車輛通過交叉口而不等到下一個相位才允許它通過交叉口。圖5示意了通過綠燈重啟來實現(xiàn)公交優(yōu)先的策略。和綠燈延長策略相同,兩個信號組受到綠燈重啟的影響:優(yōu)先信號組和被迫延遲信號組,如圖5右半部分所示。只有公交車輛在C?D時間段到達交叉口才可以通過綠燈重啟來實施公交優(yōu)先,時刻C是讓公交車輛優(yōu)先通行的信號綠燈重啟的時刻,這里考慮到習(xí)慣采用綠燈?黃燈?紅燈信號次序,所以在綠燈結(jié)束后經(jīng)過黃燈?紅燈,然后綠燈重啟。對應(yīng)的檢入檢測器在A?B2時間段檢測到有公交車輛時,要通過綠燈重啟來實現(xiàn)公交優(yōu)先。在A時刻之前到達檢測器的公交車輛通過延長綠燈時間即可實現(xiàn)公交優(yōu)先,不需綠燈重啟。時刻B1是綠燈重啟的最遲時刻,也是下一個信號組的黃燈正常開始的時刻。如果綠燈在時刻B1還沒有被重啟的話,下一個周期將開始,綠燈重啟將不再成為可能。如果在B1時刻正在進行綠燈重啟,并且在B2時刻之前檢測器檢測到有公交車輛到達,則可以通過延長重啟的綠燈。在時刻B2之后到達檢測器的車輛,由于在重啟的相位被迫終止前不能到達交叉口,所以不采用延長重啟的綠燈。4交優(yōu)先策略的實施要復(fù)雜由于不存在信號控制器運行的外在約束,所以單個交叉口的公交優(yōu)先信號控制策略實施起來要相對簡單一些。而協(xié)調(diào)控制的各個交叉口在信號的顯示上有嚴格的相互約束,所以在這些交叉口的公交優(yōu)先策略的實施要復(fù)雜的多。例如,協(xié)調(diào)控制的各個交叉口采用固定的共同的信號周期長度,每個周期一致的綠燈時間,以便為車輛行駛提供一個綠波帶。此時實施公交信號優(yōu)先意味著將破壞原有的一些約束條件,改變原有的一些控制策略。公共交通優(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)可以對公交優(yōu)先控制子系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。實現(xiàn)公交優(yōu)先信號控制方案需要合理設(shè)計影響公共交通運行的各種參數(shù):包括車輛排隊長度、預(yù)計到達的車輛和預(yù)計通過的車輛、信號燈綠燈開放時間、道路渠化、車站設(shè)置、站點停車時間、車輛間隔時間設(shè)定等。5公共交通優(yōu)先信號控制系統(tǒng)人多地少,車多路少是城市固有的基本矛盾,也是交通問題的本質(zhì)所在。解決問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,大力發(fā)展高效率的公共交通系統(tǒng)