信息交互环境下公交信号优先控制仿真与评估*

周 莉 暨育雄 王一喆

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

信息交互环境下公交信号优先控制仿真与评估*

周 莉 暨育雄 王一喆

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

在信号控制交叉口，公交车需要与社会车辆竞争通行权.为提升公交车辆的服务质量，交通控制系统会在交叉口给予公交车辆一定的优先通行权，以保障其准点率.本研究在信息交互环境下建立单点交叉口公交车信号优先控制策略，以交叉口总体人均效益最大化为目标，兼顾公交车辆能耗、舒适性等因素，根据不同到达模式提出了公交车单点交叉口信号实时优先控制方法.并借助VISSIM仿真软件进行信号优先控制方案的验证，在不同背景交通流条件下，可以使交叉口人均延误降低13.21%，20.06%和25.27%，公交车车辆运行速度分别提升11.15%，12.16%和13.94%.

信号主动优先控制；信息交互技术；城市公共交通；仿真与评估

0 引 言

公交车辆行程时间较长、服务水平较低等问题成为制约公交车出行分担率提升的重要因素，利用新技术、新方法提高公共交通的准点率和服务水平极具现实意义.

信息交互技术(V2X environment)为提高公交的运行效率带来新思路.信息交互环境是指交通控制及其关联系统的各个对象之间可实时交互其当前状态、控制指令与请求的通信环境，使得控制方能够获得车辆速度、车辆位置、车辆路径等更为细粒的交通控制信息，并据此生成最合适的控制方案[1].但信息交互技术在公交信号优先的应用上尚有不成熟之处，特别是公共交通交叉口信号优先的控制理论和方法尚需完善，例如单纯的公交信号优先控制难以均衡对向道路的通行效益，容易造成交叉口总体通行效益的下降.另一方面，单纯的信号优先控制无法区分“早点”与“晚点”的公交车辆，一概而论的控制方式容易造成时刻表的进一步偏移，反而对整个交通系统起到不利的影响.因此本文针对具有公交专用车道的常规公交，基于信息交互技术精准获取车辆位置和速度信息，预测公交车辆行程时间的同时，根据公交到达时间窗在信号周期中的定位设计单点交叉口信号实时优先控制方案，进而实现公交精准化优先控制.

马万经等[2]在洛杉矶进行的公交信号优先控制实验，自此，公交信号优先成为了一个新的交通研究领域.公交信号优先是指在交叉口为公交车辆提供优先通行信号，在保证不对整个交叉口或干线车辆运行产生严重影响的前提下，使公交车辆顺利通过交叉口，减少公交车辆的延误，降低公交车辆的路线行程时间，提高公交车辆的准点率和运行效率，进而提升公共交通系统的服务可靠性[3-5].汪健等[6]综合考虑社会车流绿波带和公交车流绿波带,分析上游交叉口到达下游交叉口的时刻对绿波带的影响情况,建立了基于绿波带宽度的优化目标，以社会车流和公交车流能够获得的绿波带宽度之和最优为原则的公交优先方法.马万经等[7]基于公交车发车频率，研究信号周期与公交车到达信号交叉口周期的落点数量分布，提出以公交车均延误最小的落点最优位置模型和多申请下的优先控制模型，能够降低车头时距波动和公交车车均延误.尚春琳等[8]选取人均延误作为效益指标来衡量路口通行效率,采用谱聚类的方法确定公交车与社会车辆之间的加权比重，据此选用PAA方法进行交叉口的多时段划分.Zeng等[9]考虑公交车辆到站时间的随机性进行实时公交优先策略生成.Dion等[10]将自适应公交调度策略和自适应交通控制策略同时进行应用研究，并以公交车辆时间节约、社会车辆延误费用和社会车辆停车费用组合为目标函数优化控制方案.Ekeila等[11]针对常规优先控制策略其对背景车流有较大影响以及不能对实时车流做出动态调整的缺点，基于公交车辆预测到达时间窗口，提出了动态优先策略.陈炯迪等[12]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.

通过文献综述可见，集中于研究公交优先实现的逻辑或算法的相关文献较多，然而这些理论仅通过数值解析方法进行信号优先控制，尚未形成系统性的成果，无法直接运用于公交的实际运营.与此同时公共交通和社会车辆的协调研究的还不够充分，即公交优先可能会对社会车辆造成负影响，甚至可能会引起交通事故.

1 单点交叉口公交信号优先控制逻辑

1.1 单点交叉口公交信号优先控制假设条件

1) 道路条件 设置有公交专用道，假设公交车辆均行驶在公交专用道上，其运行不会被社会车辆干扰.

2) 信息采集 本文研究均建立在可以准确且即时获取相关信息的基础上，例如公交车位置信息、车速信息和信号优先请求信息等；另外公交配置的车载GPS，当公交驶离上一停靠站时即判断其运行正点情况，对于晚点公交在交叉口给予信号优先控制，以保证其运行的可靠性.

3) 信号优先控制 基于信息交互技术可以实时获取信号灯状态、周期及时长，并在系统判定给予优先后根据公交车辆到达时间窗的预测结果实施优先控制.

1.2 单点交叉口公交信号优先控制思想

1) 降低公交车辆延误与能耗 通过公交信号优先可以增加公交车辆的通行权，降低公交车延误和行程时间的同时，节约乘客的出行时间成本.另一方面，由于公交频繁地停车启动会造成大量的能源消耗，同时也不利于乘客乘坐的舒适性.因此，本文考虑对于部分运行正点，但是到达停车线的时刻位于红灯初期或红灯末期的公交给予优先控制，既不会对社会车辆造成较大的影响，又可起到节能和提高乘坐舒适性的作用.

2) 考虑交叉口整体效益 当背景交通流量较大时，仅考虑公交的交通效益可能会对交叉口整体效益产生不利的影响.因此，本文在执行公交单点交叉口优先控制之前，会进行以人均延误为单位的优先控制前后交叉口整体交通效益对比，仅当整体效益的变化在可接受的范围内时，才执行公交单点优先控制.

1.3 公交单点交叉口在线优先控制模块

1) 信息检测模块 公交优先在线控制策略的生成需要大量的交通运行信息，包括公交车辆的实时运行信息及其既定运行计划，公交车位置信息、车速信息，交通流量、各相位饱和度等背景交通信息，及现有的信号控制方案等几方面的信息.

2) 优先申请模块 根据公交车辆的运行状态，预测其到达交叉口的时间窗，与既定运行计划相对比，若公交车晚点，或虽未晚点，但是属于提升交叉口整体效益的优先控制的范围，则进入优先申请，否则优先控制判断逻辑结束，保持原有控制方案不变.若有多个优先请求，则按照一定的方法设定优先权重，优先满足权重较大的公交车辆.

3) 策略实施模块 通过系统协调和单点感应控制两个层次实时实施相应优先措施.系统协调控制通过对公交车辆和背景交通在网络中的整体运行状况的把握和预测，优化基础控制方案;单点控制针对公交优先申请，根据公交车到达时段在周期中的相位分布情况分为若干种到达模式，每一种模式均对应着相应的优先控制方案，包括绿灯延长、红灯早断、相位插入三类，最终对单个交叉口的信号配时进行调整，保证公交优先通行.

2 单点交叉口信号优先控制方案

2.1 公交到达时刻在信号周期中的定位

根据公交车到达交叉口停车线的时间段，需要对其下界、中值、上界进行在周期中的定位，从而得知预测时间段的下界、中值、上界各处于周期中的哪个相位[13].具体步骤为：①将以s为单位的预测行程时间段加到现在的时刻上；②去除①中时间周期的整数倍；③余下的时间段即为预测时间段在周期中的定位；④判断下界、中值、上界各处于哪个相位.

将其用数学表达，则为

mod([tnow+tTTA-σ,tnow+tTTA+σ],C)

(1)

式中：tnow为检测到公交车的时刻，s；C为控制周期时长，s;σ2为行程时间预测模型方差；tTTA为公交车预测到达停车线时段的中值.

得知公交车预测到达时间段在周期中的定位及所属相位后，可将其到达模式分为若干种情况，每一种情况时间段的下界、中值、上界均处于不同的相位，相应的公交车优先控制方案也有所不同.

2.2 公交车绿灯相位插入

该类到达模式为公交车到达时段的上界、中值、下界均位于公交车红灯相位，且三者没有全部位于公交车绿灯相位上一相位.针对这种模式，采取公交车绿灯相位插入,见图1.

图1 公交车绿灯相位插入控制策略

假设公交车到达时段下界位于第m相位(非公交车上一相位)的绿灯期间，则公交车绿灯相位插入时刻应满足第m相位的最小绿灯时间.公交车绿灯相位的插入时刻为

式中：tins为公交车绿灯相位插入时刻，s；m为公交车到达时段下界位于的相位；gm min为第m相位的最小绿灯时间，s.yi为第i相位社会车辆流量比；其他参数含义同上.

2.3 公交车红灯早断

1) 红灯早断模式一 该种模式下对应的优先控制方案为公交车红灯缩短.红灯缩短的时长应当满足公交车前一相位的最小绿灯时间，见图2.红灯缩短的时长为

(3)

式中：Δtred为公交车红灯缩短的时长，s；σ为公交车到达时段下界与中值的偏移，s；r为公交车相位红灯时长，s；n为除公交车相位外的相位总数；gi为公交车绿灯相位之外其他相位的原方案绿灯时长，s；Ii为公交车绿灯相位之外其他相位的绿灯间隔时间，s；gn min为公交车绿灯相位前一相位的最小绿灯时间，s.

图2 公交车红灯早断控制策略一

2) 红灯早断模式二 该种模式下对应的优先控制方案为公交车红灯缩短.红灯缩短的时长应当满足公交车前一相位的最小绿灯时间，见图3.红灯缩短的时长为

Δtred=min[r-(tTTA-σ),

(4)

式中：各参数含义同上.

图3 公交车红灯早断控制策略二

2.4 公交车绿灯延长

1) 绿灯延长模式一 该种模式下对应的优先控制方案为公交车绿灯延长.绿灯延长的时长应当满足公交车的通行需求并保证该相位绿灯时长不超过最大绿灯时长,见图4.绿灯延长的时长为

Δtgre=min[σ,gt max-gt]

(5)

式中：Δtgre为公交车绿灯相位绿灯延长的时长，s；gt max为公交车绿灯相位最大绿灯时间，s；gt为公交车绿灯相位原方案时长，s；其余参数含义同上.

图4 公交车绿灯延长控制策略一

2) 绿灯延长模式二 该模式下对应的优先控制方案为公交车绿灯延长.绿灯延长的时长应满足公交车的通行需求并保证该相位绿灯时长不超过最大绿灯时长，见图5.绿灯延长的时长为

Δtgre=min[2σ,gmax-g]

(6)

式中：参数含义同上，2σ的取值是为了满足公交车的通行需求.

图5 公交车绿灯延长控制策略二

3 优先控制方法验证与仿真分析

为了复现较为复杂的公交优先控制算法并评估其运行效果，需要在VISSIM中借助COM Server接口实现二次开发.公交优先控制模型的数据与仿真均可通过COM界面得到.VISSIM的COM界面支持Microsoft Automation,用户能够应用各种编程语言调用COM Server接口，本文即根据公交车单点交叉口信号优先控制核心算法，基于c#环境进行信号优先控制系统软件程序的开发.

分别在交叉口背景社会车辆流量为低流量500 pcu/h、中流量900 pcu/h和高流量1 300 pcu/h的条件下进行系统控制结果的验证.

1) 在交叉口同一周期不同社会车辆流量条件下，在对于公交车进行信号优先控制，得到交叉口的人均延误.通过仿真得出，在交叉口社会车辆流量分别为500，900和1 300 pcu/h的条件交叉口人均延误绝对值分别降低5.8，6.8和6.9 s，延误降低百分比分别为13.21%，20.06%和22.05%，具体结果参见表1.

2) 在交叉口社会车辆流量为低流量500 pcu/h，中流量900 pcu/h和高流量1 300 pcu/h的条件分别做60次仿真实验分析，得出公交车平均运行速度.结果显示，公交车的平均运行速度分别提升11.15%，12.16%和13.94%，具体结果参见表1.

表1 优化前后人均延误及运行速度

3) 选取社会车辆流量为中流量900 pcu/h的情况下进行195次仿真实验，具体结果见表2.

表2 优先控制模式出现次数及频率

由表2可知，优先控制方案为相位插入的模式出现频率仅5.13%，说明相位插入对于交叉口正常交通运行会产生较大影响，会导致额外的延误增加和安全问题，因此较少采用.优先控制方案为绿灯延长的优先控制方案为红灯早断的优先控制方案总出现频率分别为34.35%和34.36%，说明绿灯延长方案和红灯早断方案出现频率比较接近，但红灯早断方案出现次数略多于绿灯延长方案出现次数.

通过仿真分析得出本文所提出的城市公共交通信号优先控制方案可以在降低交叉口人均延误的同时，提升公交车的运行速度，具有较好的应用价值和前景.

4 结 论

信息交互是城市交通控制的发展趋势，其对整个城市交通系统的影响和作用日益显现，信息交互环境的城市交通控制研究不是一蹴而就的，对其规律的认识和把握是一个漫长的过程，本文以公交车单点交叉口信号优先控制为着眼点，对信息交互环境影响下的优先控制机理进行探索，设计单点交叉口公交车信号优先控制系统的工作流程及核心算法，根据公交车在信号周期中到达时刻的不同模式，分别提出了公交车单点实时条件优先控制方法，该方法可以有效降低交叉口人均延误，提高公交车的运行速度和效率.

本文存在如下不足：①多交叉口信号优先控制策略研究.本文所提出的信息交互环境下公交信号优先控制模型的建立只针对公交车行驶过程中即将到达的单一交叉口，没有考虑路段交叉口相互之间的信号联动情况.由于路段信号绿波设计对公交信号优先策略的整体效益有影响，因此在未来需要对这方面的研究进行补充.②多辆公交车信号优先控制策略的研究.本文的公交车信号优先控制策略针对的是单线路一辆公交车的情况，在后续的研究中，需要考虑更为符合实际的多线路多辆公交车的情况，在考虑多辆公交车相互作用的情况下，如何通过合理的公交信号优先策略实现公交系统高效、稳定、舒适的多目标优化.

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Simulation and Evaluation of Bus Signal Priority Control in Information Interaction Environment

ZHOULiJIYuxiongWANGYizhe

(TheKeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineering,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Buses usually have to compete their right of way with city cars at intersections. To promote the service quality of bus, the signal control system may provide a signal priority to bus at intersections so as to ensure the punctuality of bus. Based on the information interaction environment, this paper researches on the model of signal priority of bus in isolated intersection. This method aims at benefit maximization per capita of bus and other road users, and provides different signal priority control scenarios which are red truncation, green extension and green light phase insertion for different bus arrival modes. The lateness, energy efficiency and passengers’ comfort of bus, and community vehicles’ efficiency are also considered. Finally, a numerical simulation is conducted by modeling in VISSIM a representative signalized intersection with bus. The results indicate that the proposed method reduces average passenger delay by 13.21%,20.06%,25.27% and improves travel speed of bus vehicles by 11.15%,12.16%,13.94% comparing to existing signal control scenarios.

signal priority control method; information interaction environment; public transportation system; simulation and evaluation

U491

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.021

2017-08-12

周莉(1992—)：女，硕士生，主要研究领域为交通数据建模与分析、智能交通系统工程

*国家自然科学基金重点项目(51238008)、上海市科委科研计划项目(15DZ1204402)资助