2019年4月
黑龙江工业学院学报Vol.19 No.4
Apr.2019JOURNALOFHEILONGJIANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
文章编号:2096-3874(2019)04-0078-06
多相位交叉口公交信号优先感应控制方法研究
许佳佳1ꎬ凤鹏飞1ꎬ2
(1.安徽三联学院交通工程学院ꎬ安徽合肥230601ꎻ2.国家车辆驾驶安全工程技术研究中心ꎬ安徽合肥230011)
摘 要:针对公交车到达交叉口时其通行方向相位所处的情况ꎬ提出相应的绿灯延长与红灯缩短两种公交信号优先感应控制策略ꎮ基于车辆到达与离去的车辆停车与消散原理ꎬ对两种信号优先策略实施前后的各相位车辆总延误变化情况进行分析ꎬ再结合公交车与社会车辆的平均载客量进行整个交叉口的人均延误变化情况分析ꎬ基于人均延误减小的原则ꎬ求出绿灯延长或红灯缩短的理论时长ꎬ综合考虑影响相位的最短绿灯时长ꎬ确定能够满足各相位通行需求又能实现公交优先的信号控制方法ꎬ最后通过案例进行计算验证ꎬ结果表明延误计算模型与公交优先时点判断模型均具有较好的适用性ꎮ
关键词:公交信号优先ꎻ绿灯延长ꎻ红灯缩短ꎻ延误变化
中图分类号:U491 文献标识码:A
引言
城市道路交叉口由于通行信号控制ꎬ公交车通过时会有较大的运行延误ꎬ可通过设置公交优先信号解决此问题ꎬ有利于提升公交运行效率ꎬ相关学者对城市道路交叉口公交信号优先也进行了诸多研究ꎬ柳祖鹏等设计了绿灯与红灯相位下的绿灯需求度计算方法ꎬ并在此基础上构建公交信号优先控制相位切换决策流程[1]ꎻ张鹏等将公交车延误与停车次数加权ꎬ基于其最小化的目标建立了公交车速引导和交叉口信号配时集成的ILP模型[2]ꎻ李凤等提出一种只考虑社会车流流量且不依赖公交检测信息的公交优先信号配时方法[3]ꎻ别一鸣等通过分析周期时长与交叉口人均和车均延误的关系ꎬ提出根据各相位乘客数量分配富余绿灯时间的绿信比优化方法[4]ꎻ刘昱岗等基于车辆延误和停车率最小的目标ꎬ建立公交优先多目标规划配时模型
[5]
车频率、信号周期与不同落点数目的关系模型ꎬ并分析了不同落点数目对信号优先控制效果的影响[7]ꎻ董玉璞等设计了一种在双环相位结构下基于相位优先度规则的单点公交优先信号控制策略[8]ꎻ张卫华等通过分析主信号处车辆到达和离开过程ꎬ对公交车与社会车辆在设置预信号前后的延误变化计算方法进行研究[9]ꎻ葛晓燕考虑环境因素ꎬ以降低燃油消耗和车辆尾气排放为目标进行公交优先信号配时优化[10]ꎮ上述研究中ꎬ主要是基于公交优先对交叉口的信号配时时间与相序进行优化以及对公交信号优先策略的研究ꎬ对于公交信号优先感应控制以及实施时点的计算方面研究较少ꎮ
本文针对公交车到达交叉口时的当前信号运行状态ꎬ提出绿灯延长和红灯缩短两种公交信号优先策略ꎬ并就实施后的延误变化情况进行分析ꎬ以人均延误减小为基本原则ꎬ针对公交优先时点进行建模求解ꎬ得出信号优先策略的最佳实施时刻和时长ꎬ即公交信号优先感应控制的最佳方法ꎬ
均延误基础上定义了延误偏差优度指数ꎬ并建立公交优先信号配时优化模型[6]ꎻ马万经等建立发
ꎻ崔笑川等在交叉口人
作者简介:许佳佳ꎬ硕士ꎬ讲师ꎬ安徽三联学院ꎮ研究方向:交通运输规划与管理ꎮ
基金项目:安徽省教育厅自然科学研究重点项目“基于无线传感器网络的混合型道路快速公交信号优先系统设计与应用研究”(编号:
KJ2016A890)ꎻ“基于短时交通状态预测的交叉口可变导向车道智能控制系统设计与应用研究”(编号:KJ2018A0607)ꎮ
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第4期 多相位交叉口公交信号优先感应控制方法研究 2019年
为交通管理者进行交叉口公交信号优先控制提供决策依据ꎮ
1公交信号优先感应控制策略
对于公交信号优先感应控制交叉口ꎬ当公交
1.1绿灯延长策略
如图1所示ꎬ公交车通行相位为相位1ꎬ公交
车从感应检测线到达交叉口的停止线的时间为1的绿灯时间ꎬ其绿灯所剩绿灯时间小于△Tꎬ则可以通过延长相位1的绿灯时间来实现公交优先的通行权ꎮ
△Tꎬ当公交车到达停止线时对应本周期内的相位
车通过检测线至到达交叉口ꎬ根据其所处的不同情况ꎬ可将公交信号优先分为公交通行相位绿灯延长和红灯缩短两种策略ꎮ
1.2红灯缩短策略
图1 相位1绿灯时长不足时公交到达示意图
时间ꎬ若本周期相位1红灯所剩红灯时间为大于△Tꎬ则可以通过缩短上一周期相位4的绿灯时间来实现公交优先通行权ꎬ即同时本周期相位1红灯时间缩短ꎮ
如图2所示ꎬ公交车通行相位为相位1ꎬ公交
车从检测线到达交叉口的停止线的时间为△Tꎬ当公交车到达停止线时对应上一周期相位4的绿灯
2公交优先下的延误变化分析
图2 相位4绿灯、相位1红灯时公交到达示意图
将公交车通行方向所对应的相位定义为位1ꎬ
2.1绿灯延长策略下的延误变化分析
公交车所在相位进行绿灯延长后ꎬ其所在相
公交专用道上公交车流率为qbꎬ单位cpu/sꎻ公交专用道饱和流率为sbꎬ单位cpu/sꎻ公交车所在相位的绿灯延长时长或红灯缩短时长为△Tꎬ单位sꎻ相位1、2、4的社会车辆流率分别为q1i、q2j、q4kꎬ其中相位1、2、4通行方向车道总数分别为m、n、zꎬ单位cpu/sꎻ相位1、2、4的饱和流率分别为s1i、s2j、s4kꎬ字母含义同前ꎬ单位cpu/sꎻ相位1、2、4的红灯时长分别为r1、r2、r4ꎬ单位sꎮ
i、j、k分别对应于相位1、2、4通行方向的车道数ꎬ
位的车辆延误变化如图3所示ꎬ图3(a)和图3(b)中外围大三角形的面积为未实施绿灯延长时的公交车总延误和各车道会车辆总延误ꎬ图3(a)中阴影部分面积对应于实施绿灯延长策略后公交车总延误的减少值△db和各车道社会车辆总延误的减少值△d1iꎬ图3(b)中阴影部分面积为实施绿灯延长策略后下一个相位各车道车辆总延误的增加值△d2jꎮ
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第4期 黑龙江工业学院学报 2019年
(a)相位1 (b)相位2
公交车公交车总延误的减少值Δdb为:
Δdb=
ç
ç
图3 绿灯延长策略下的交叉口车辆延误变化图
公交车通行相位社会车辆总延误的减少值Δd1为:
Δd1=
1æqΔt1æqbΔtöqΔtr1+ær1+b-ΔtööqbΔt=2r+-Δt12è2èèøøøbsbsb
÷÷
ç
÷
(1)
∑i=1
m
后续相位即相位2社会车辆总延误的增加值Δd2为:
Δd2=
1æq1iΔtöqΔt
2r+-Δt12èø1is1i
ç
÷
(2)
∑j=1
n
1
2
对应于以上策略ꎬ交叉口实施公交优先感应
Δdp=
式中:C为信号周期ꎬsꎻpb为公交车道1个当量小汽车平均单位载客量ꎬ人/pcuꎻp1、p2分别为相位1、2社会车辆1个当量小汽车平均单位载客量量ꎬ人/pcuꎮ
2.2红灯缩短策略下的延误变化分析
对于红灯缩短策略的公交优先ꎬ其所在相位
q2jΔt
(2r2+Δt)=q2j
1-
s2j
2j
∑j=12(s
n
qs2jΔt
(2r2+Δt)
2j-q2j)
(3)
pbΔdb+p1Δd1-p2Δd2qbpbC+q1p1C+q2p2C
控制策略后的人均延误的减小值Δdp为:
(4)
外围大三角形的面积为未实施绿灯延长时的公交车总延误和各车道会车辆总延误ꎬ图4(a)中阴影部分面积对应于实施绿灯延长策略后公交车总延误的减少值Δdb和各车道社会车辆总延误的减少值Δd1iꎬ图4(b)中阴影部分面积为实施绿灯延长策略后下一个相位各车道车辆总延误的增加值Δd4kꎮ
的车辆延误变化如图4所示ꎬ图4(a)和图4(b)中
(a)相位1 (b)相位4
图4 红灯缩短策略下的交叉口车辆延误变化图
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第4期 多相位交叉口公交信号优先感应控制方法研究 2019年
公交车公交车总延误的减少值Δdb为:
Δdb=
Δd1为:
公交车通行相位社会车辆总延误的减少值
Δd1=
Δd4为:
1j
∑i=12(sm
qbsbΔt
(2r1-Δt)
2(sb-qb)
3.1公交优先策略的实施依据
(5)
Δdp结果ꎬ可以分为两种情况ꎮ
针对前述两种公交信号优先控制策略下的(1)若Δdp>0ꎬ说明实施公交优先控制策略会
上一个相位4社会车辆总延误的增加值
Δd4=
4k
∑k=12(sz
qs1jΔt
(1r1-Δt)
1j-q1j)
减小交叉口的人均延误ꎬ则对于公交车到达交叉
(6)
口停车线处的相位情况ꎬ实施公交优先策略ꎻ增加交叉口的人均延误ꎬ此时公交车到达交叉口ꎬ应按常态配时情况通行ꎬ不实施公交优先策略ꎮ
(7)
3.2公交优先时点判断
令ΔDp=pbΔdb+p1Δd1-p2Δd2ꎬ当ΔDp⩽0ꎬ则(2)若Δdp⩽0ꎬ说明实施公交优先控制策略会
对应于以上策略ꎬ交叉口实施公交优先感应控制策略后的人均延误的减小值Δdp为:
pΔd+p1Δd1-p4Δd4
Δdp=bb
qbpbC+q1p1C+q4p4C
(8)
qs4kΔt
(2r4+Δt)
4k-q4k)
Δdp⩽0ꎬ实施公交优先策略ꎬ当ΔDp>0则Δdp>0ꎬ不实施公交优先策略ꎮ根据ΔDp⩽0ꎬ可计算出实施公交优先策略下的时间范围ꎬ即对对应的Δt区间范围ꎬ若公交车到达交叉口停车线处的时间处于此范围ꎬ实施公交优先策略ꎬ若不在此区间范围ꎬ则不实施公交优先策略ꎮ值范围为:
m
n
式中:C为信号周期ꎬsꎻpb为公交车道1个当量小汽车平均单位载客量ꎬ人/pcuꎻp1、p2分别为相人/pcuꎮ
3基于人均延误的公交信号优先控制方法
0⩽Δt⩽
p2∑
j=1n
位1、4社会车辆1个当量小汽车平均单位载客量ꎬ
绿灯延长策略下ΔDp⩽0对应的Δt的理论取
r2q2js2j(s2j-q2j)
红灯缩短策略下ΔDp⩽0对应的Δt的理论取值范围为:
q2js2j1q
-pbqbæb-1ö-
2(s2j-q2j2èsbø
ç
÷
pbr1qb+p1∑r1q1i-p2∑
i=1
j=1
∑i=1
m
1æq1iöq1i-12ès1iø
ç
÷
(9)
为保证交叉口信号控制周期的稳定ꎬ各相位绿灯时间不能低于规定的最短绿灯时间ꎬ即在相
mn
qbsbr1q1js1jr4q4js4j
pbr1+p1∑-p4∑(sb-qb)i=1(s1j-q1j)j=1(s4j-q4j)
0⩽Δt⩽mn
sbqbs1iq1iq4js2j
pb+p1∑+p4∑2(sb-qb)i=1(s1i-q1i)j=1(s4j-q4j)
(10)
以国内某一典型四相位十字交叉路口实际调
研数据为例ꎬ右转不设专用相位(即车辆右转不受信号控制)ꎬ故右转车辆延误不受公交信号优先的影响ꎻ直行车道的饱和流量为1650pch/hꎻ左转车道有专用相位则饱和流量[11]为1550pch/hꎮ车道宽度大于3米ꎬ道路无纵坡ꎬ无自行车影响ꎬ大车率为0.168ꎬ校正系数为0.832ꎬ校正后的直行车道饱1290pch/hꎬ交叉口的形式、流量流向及信号配时周期情况见表1ꎮ
和流量ST为1373pch/hꎬ左转车道饱和流量SL为
位1绿灯延长或者红灯缩短后ꎬ为保证周期稳定ꎬ相位2或相位4的绿灯时间需相应减少ꎬ但不能低于规定的最短绿灯时间ꎮ
式中:gi第i相位绿灯时间ꎬsꎻgimin为第i相位最短绿灯时间ꎬsꎻΔt为公交车所在相位的绿灯延长时长或红灯缩短时长ꎬsꎮ4实例应用
gi-Δt⩾gimin(i=2或4)
(11)
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第4期 黑龙江工业学院学报 2019年
表1 交叉口形式、流量流向及信号配时周期情况表
相序红灯时长s绿灯时长s单车道饱和流量pcu/h
方向到达率pch/h车道数
西进6183相位1(东西直行)
101
361373
东进5143
东进5221相位2(东西左转)
113
241290
西进1491
北进11724相位3(南北直行)
86
511373
南进11394
北进3822相位4(南北左转)
111
261290
南进3882
其中公交车通行为相位一西直行方向ꎬ有一策略使公交车不停车通过交叉口ꎮ
条公交车专用道ꎬ各个方向公交车到达率为9veh/h车载客单车载客人数即0.005veh/hꎬ公交车换算成当量小汽车平均单20人/车ꎬ相位1社会车辆当量小汽车平均单车载客量2.66人/车ꎬ相位2当量小汽车平均单车载客量2.66人/车ꎬ相位3当量小汽车平均单车载客量3.17人/车ꎬ相位4当量小汽车平均单车载客量2.66人/车ꎮ
(1)以上述交叉口为例绿灯延长策略的公交优先时点计算ꎬ根据公式(9)计算得知ꎬ当0⩽Δt⩽11.8s时ꎬΔDp灯延长策略后的相位2绿灯时长剩余均在⩾0ꎬ按此Δt范围实施绿13s以上ꎬ相位2为非人行相位ꎬ无需考虑行人过街ꎬ其最短绿灯时长取5s[12]求ꎬ因绿灯时间最小单位为ꎬ大于其最短绿灯时长1sꎬ则对应于Δtꎬ满足要的范围为0-11sꎬ即公交车在检测线时ꎬ相位1为绿灯状态ꎬ当其到达交叉口时ꎬ相位1将变成红灯状态ꎬ实施绿灯延长策略使公交车不停车通过交叉口ꎬ但相位1绿灯延长的时长不能超过11sꎮ
同时ꎬ根据公式(4)可知ꎬ当绿灯延长时长值为5.4s时ꎬ理论人均延误减小值最大ꎬ因绿灯时间最小单位为1sꎬ取整为5sꎬ且满足相位2最短绿灯要求ꎬ则当实施公交优先策略绿灯延长时长值为5s的提升最大化时ꎬ交叉口的人均延误减少量最多ꎮ
ꎬ交叉口效益(2)以上述交叉口为例红灯缩短策略的公交优先时点计算
ꎬ根据公式(10)计算得知ꎬ当0⩽Δt⩽38.8s时ꎬΔDp位ꎬ无需考虑行人过街ꎬ其最短绿灯时长取⩽0ꎬ相位4为非人行相5s[12]若按此范围实施公交优先则无法满足要求ꎬ且因ꎬ
绿灯时间最小单位为1sꎬ则对应于Δt的范围为0状态-18sꎬꎬ相位即当公交车到达交叉口时4处于绿灯状态5s以上ꎬꎬ相位实施红灯缩短1为红灯82
同时ꎬ根据公式(8)可知ꎬ当红灯缩短时长值为19.4s时ꎬ理论人均延误减小值最大ꎬ因绿灯时间最小单位为1sꎬ取整应为19sꎬ但超过相位4最短绿灯要求Δt处于0-18s的范围所以当实施公交优先策略红灯缩短时长值取18s时ꎬ交叉口的人均延误减少量最多ꎬ交叉口效益的提升最大化ꎮ结论
本文对于公交车到达信号控制交叉口面临的不同情况ꎬ制定了绿灯延长和红灯缩短两种信号优先策略ꎬ并对整个交叉口的车均和人均延误变化情况进行分析ꎬ基于人均延误减小的目标建立公交信号优先控制时点模型ꎬ并进行实例计算验证ꎬ得出以下结论:(1)实施公交信号优先感应控制策略时ꎬ随着绿灯延长或红灯缩短时长从0逐渐增大的情况ꎬ整个交叉口的人均延误减小程度是先增加后减小的趋势ꎻ(2)当所影响的相位车道数多或交通量较大时ꎬ绿灯延长或红灯缩短时长取值范围较小ꎬ当公交信号优先策略所影响的相位车道数少或交通量较小时ꎬ理论上绿灯延长或红灯缩短时长取值范围较大ꎬ但要满足被影响相位最短绿灯时长ꎬ则此时其范围主要受被影响相位最短绿灯时长决定ꎻ(3)公交信号优先策略存在一个最佳控制时点ꎬ即对应于最优的绿灯延长或红灯缩短时长ꎬ实施后交叉口人均延误值减小程度度达到最大值ꎮ
参考文献
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XuJiajia1ꎬFengPengfei1ꎬ2
hicleDrivingSafetyEngineeringTechnologyResearchCenterꎬHefeiꎬAnhui230011ꎬChina)
thecorrespondinggreenlightsignalextensionandredlightshorteningareusedtocontrolthebussignalprioritysensingstrategy.BasedonthevehicleparkinganddissipatingprincipleofvehiclearrivalanddepartureꎬTheto ̄taldelayofthevehicleineachphasebeforeandaftertheimplementationofthesignalprioritystrategyisana ̄lyzed.Combinedwiththeaveragepassengercapacityofthebusandthesocialvehicleꎬthechangeoftheperca ̄greenlightisobtained.Thetheoreticallengthoftheextensionorredlightreductionꎬcomprehensiveconsidera ̄pitadelayoftheentireintersectionisanalyzed.Basedontheprincipleofreducingthepercapitadelayꎬthetionoftheminimumgreenlightdurationaffectingthephaseꎬdeterminationofsignalcontrolmethodsthatcanmeetthetrafficdemandofeachphaseandbuspriorityꎬandcalculationverificationthroughcasearealldis ̄havegoodapplicability.
cussed.Theresultsshowthatthedelaycalculationmodelandbuspriorityꎬthetime-pointjudgmentmodelsall
Keywords:BussignalpriorityꎻgreenlightextensionꎻredlightshorteningꎻdelaychangeClassNo.:U491 DocumentMark:A
(责任编辑:蔡雪岚)
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