（交通运输规划与管理专业论文）公交信号优先仿真评价方法研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国社会，经济发展，城市化、机动化水平的进一步提高，城 市人口的急剧膨胀，由此引发日益严重的城市交通拥堵问题。在城市交通拥堵状 况日益严重的背景下，优先发展公共交通成为全世界大多数城市的战略选择。但 是单纯的设置公交专用道的方式对提高公交运行效率的作用有限。于是，公交信 号优先成为公交优先研究的热点，但是公交信号优先系统的复杂性和多样性，牵 扯面广，涉及的技术较多，理论和技术更新也较快，而公交信号优先评价方法必 须适应公交信号优先系统的变化，所以非常有必要对公交信号优先仿真评价方法 进行研究。 本文从建立公交信号优先仿真评价方法为研究方向，主要研究了以下内容： 提出了公交信号优先仿真系统的逻辑和物理结构、定义了系统的主要功能。 并就公交信号优先仿真系统的四个层面：运行层、监测层、记录层和输入层的功 能及子模块进行了详细的定义。 提出了建立基于道路交通微观仿真软件v i s s i m 的c o m 接口的公交信号优 先仿真系统( b s p s s ，b u ss i g n a lp r i o r i t ys i m u l a t i o ns y s t e m ) 的方法，并就以下 两种结构的系统：1 ) 算法自定义的b s p s s ；2 ) 基于外部算法的b s p s s ，提出 了系统的结构和系统的流程以及系统的类结构定义和数据流图。研究了几种常见 的检测技术及其仿真方法。 将公交信号优先算法分成基于规则( r u l e b a s e d ) 和基于最优化( o p t i m i s a t i o n - - b a s e d ) 的两种类型分别研究，研究了算法的参数标定、目标函数，约束条件、 信号切换规则。同时提出了一种组合公交信号优先算法。 提出了利用v i s s i m 的c o m 接口实现公交信号优先算法的方法，并将几种 常见的公交信号优先算法：绿灯时间延长，相位插入，绿灯早启进行了仿真实现。 并同时给出了几种算法的实现流程图。 最后以上海市闵行区的沪闵路为研究对象，在仿真系统中选择不同的公交信 号优先算法加以仿真，并提出了推荐的公交信号优先算法。 最后就论文的不足以及研究的展望进行了简要的讨论。 关键词：公交信号优先，交通仿真、评价，算法、v i s s i m ，c o m a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hc h i n e s es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，u r b a n i z a t i o na n d m o b i l i z a t i o n ，t h er a p i de x p a n s i o no fu r b a np o p u l m i o n ，t h ep r o b l e mo fu r b a nt r a f f i c j a m si si n c r e a s i n g l ys e r i o u s u n d e rt h eb a c k g r o u n do fu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o n ，g i f i n g p r i o r i t yt ot h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o nb e c o m et h es t r a t e g i cc h o i c eo ft h em a j o r i t yo f u r b a na l lo v e rt h ew o r l d b u t t h ee f f i c i e n c yo fb u so p e r a t i o ni sl i m i t e di m p r o v e di f s i m p l ys e t t i n gt h eb r t s ob u s - s i g n a l p r i o r i t yb e c o m eah o tr e s e a r c ho f b u sp r i o r i t y b u ss i g n a lp r i o r i t yr e s e a r c h e sa r ec o m p l e x i t ya n d d i v e r s i t y ，r e l a t e dw i t hm a n y a r e a e sa n dt e c h n o l o g i e sa n dm o d i f yq u i c k l y , s oi ti sn e c e s s a r yt od o t h er e s e a r c ho f t h ee v a l u a t i o nm e t h o do fb u ss i g n a lp r i o r i t y t h i sp a p e ri st r y i n gt ob u i l dac o m m o n t r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e mt oe v a l u a t eb u ss i g n a lp r i o r i t ys t r a t e g i e s t h em a i ns t u d i e s i n c l u d e di nt h i sp a p e ra r ef o l l o w i n g ： t h el o g i ca n dp h y s i c a ls t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n so fab u ss i g n a lp r i o r i t y s i m u l a t i o ns y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h es y s t e mi sd e s c r i b e dt of o u rl a y e r s ： o p e r a t i o nl a y e r , m o n i t o r i n gl a y e r , r e c o r d i n gl a y e ra n di n p u tl a y e r t h ef u n c t i o no f l a y e r sa n ds u b - m o d u l e sa r ed e t a i ld e f i n e d h o wt ob u i l dab u ss i g n a lp r i o r i t ys i m u l a t i o ne v a l u a t i o ns y s t e m ( b s p s s ) b a s e do n t h ec o mi n t e r f a c eo ft h et r a f f i cm i c r o s i m u l a t i o ns o r w a r e 刈i s s i mi sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，d e f i n i t i o no fc l a s s e s ，d a t af l o wa r ed i s c u s s e d b yd i v i d i n gi n t ot w oc l a s s e s ：1 ) b a s e do nc u s t o ma l g o r i t h m ；2 ) b a s e do ne x t e r n a l a l g o r i t h m s o m ed e t e c t i n gt e c h n o l o g i e sa n dt h e i rs i m u l a t i o nm e t h o da r es t r u d i e di n t h i sp a p e r r u l e - b a s e da n do p t i m i s a t i o n b a s e db u ss i g n a lp r i o f i t y a l g o r i t h m s a r e d i s c u s s e d a tt h es a m et i m e ，c a l i b r a t i o np a r a m e t e r s ，f u n c t i o n s ，c o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，s i g n a ls p l i tr u l e so ft h ea l g o r i t h ma r es t u d i e d ac o n t r i b u t e db s pa l g o r i t h mi ss t u d i e d i nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nm e t h o d so fb u ss i g n a lp r i o r i t ya l g o r i t h mb yu s i n gt h ec o m i n t e r f a c eo f s s i ma r es t u d i e d s o m eo ft h ec o m m o nb u ss i g n a lp r i o r i t ya l g o r i t h m s ： g r e e ne x t e n s i o n ，p h a s ei n s e r t i o n ，e a r l yg r e e na r ei m p l e m e n t e di nt h eb s p s s a tl a s t ，b yu s i n gt h es a m p l eo fh u m i nr o a d ，m i n h a n gd i s t r i b u t e ，s h a n g h a i ， d i f f e r e n tb s pa l g o r i t h m sa r eu s e dt of i n das u i t a b l ea l g o r i t h mf o rt h ec e r t a i ns c e n e f i n a l l y , t h el a c ka n df u t u r eo ft h i sp a p e ra r eb r i e fd i s c u s s e d k e yw o r d ：b u ss i g n a lp r i o r i t y , t r a f f i cs i m u l a t i o n ，e v a l u a t i o n ，a l g o r i t h m ，v i s s i m ， c o m 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：囊霪p 自 为1 年v 月工日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：多秀p 国 沁勺年v 月j2j 日 ，一j -v jh 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着我国社会，经济发展，城市化、机动化水平的进一步提高，城 市人口的急剧膨胀，由此引发日益严重的城市交通拥堵问题。虽然，我国在城市 交通基础设施建设上投入大量的人力，物力，财力，但这并没有解决困扰城市交 通发展的顽疾。甚至出现了“路修到哪堵到哪”的现象。在城市交通拥堵状况日 益严重的背景下，优先发展公共交通成为全世界大多数城市的战略选择。 单纯的设置公交专用道的方式对提高公交运行效率的作用有限。城市交通中 车辆的延误包括路段延误和交叉口延误两部分，根据理论计算和调查分析可知， 其中交叉口延误所占比例要远远大于路段延误【l 】。而公交信号优先可以降低公交 车辆在交叉口的延误，因此成了一个公交优先的研究热点。 同时因为公交信号优先系统的复杂性和多样性，以及其影响广泛性，所以在 公交信号优先系统实施以前对其进行评价就显得非常重要，很有必要对其评价方 法进行研究。 1 1 研究背景 1 1 1 现实背景 公交信号优先越来越广泛被采用。目前，世界各国、各大城市饱受交通拥堵 之困，交通拥堵带来的损失是巨大的。在这一严峻的形势下，越来越多饱受交通 拥堵困扰的国家转而将优先发展公共交通作为重要的交通战略选择。我国正进入 城市化进程的加速发展阶段，随之而来的城市，特别是特大城市的交通拥堵问题 的挑战将越来越严重。我国政府明确表示将优先发展公交交通。而随着公交优先 战略的落实，特别是近年来b r t 在我国的发展，以及在我国很多大中城市的广 泛应用，公交信号优先将越来越广泛的应用于城市交通控制系统中，这就迫切需 要对公交信号优先进行评价，而目前公交信号优先评价方法又存在诸多不足和不 适应新技术发展的地方，所以有必要对公交信号优先仿真评价方法进行研究。 1 1 2 理论背景 公交信号优先及其仿真评价技术不足和发展。公交信号优先从上世纪6 0 年 代发展至今，已有6 0 年的历史，但无论是理论层面，还是实践层面，仍然有不 公交信号优先仿真评价方法研究 少需要完善地方。这是由于公交信号优先事物本身具有复杂性，涉及到领域较广， 牵扯利益较多。公交信号优先仿真评价方法几乎伴随公交信号优先同时产生，旨 在实施前对优先方案进行评价，论证可行性，降低风险性。但是，目前的评价方 法仍然存在诸多需要完善的地方。 我国城市交通和公共交通的特性。与国外发达国家相比，我国的公交优先控 制所处的公共交通特征不一样，我国的公共交通系统主要有以下特征：公交线路 多、发车效率高、总体流量大、公交网络复杂、调度水平不高，服务水平偏低、 非机动车和行人干扰较为严重、不遵守交通规则现象比较普遍。这些决定了以公 交需求较小等为典型特征的国外的先进的公交信号优先策略及其评价方法不能 在中国直接应用，如何使国外先进的公交信号优先策略及评价能适应我国的交通 和公共交通特征是我国的公交信号优先研究者急需解决的问题。 i i 3 技术背景 相关技术的进步为公交信号优先的实现提供了技术可能性。公交信号优先控 制的实现对交通信号控制机，公交及社会车辆检测技术、计算和通讯设备、信息 技术都有较高的要求。公交车辆检测技术不足，通讯设备落后是许多早期公交优 先控制系统难以实现的重要原因之一。伴随着计算机及网络技术、车辆检测技术 的进步，特别是车辆自动定位识别系统( a v l ，a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n s y s t e m a v ia u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ) 、公交车辆技术、乘客自动 计数系统( a p c ，a u t o m a t i cp a s s e n g e rc o u n t i n gs y s t e m ) 、全球定位系统( g p s ， g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 等技术的进步以及交通信号控制相关设备功能加 强，为公交信号优先提供了基础保障。同时，交通微观、宏观仿真技术的发展( 特 别是像v i s s i m 、a i m s u n 、p a r a m i c s 、t r a n s m o d e ll e r 、s y n c h r o 等交通仿真软件) 为公交信号优先的仿真及评价提供了一个重要的手段。使公交信号控制策略的顺 利具备可能性。同时许多交通信号控制系统都开发了公交信号优先模块，比如 t r a n s y t 、s c o o t 、s c a t s 、u t c s b p s 、r h o d e s b u s b a n d 都对公交优先控制进行考 虑。交通信号控制系统中引入了公交优先控制功能为公交信号优先控制提供了便 利性。 相关技术的发展为公交信号优先仿真评价带来新的挑战。相关技术的发展为 公交信号优先的实施带来了机遇，同时也带来了挑战。公交信号优先算法的发展、 公交检测技术的进步都增加公交信号优先系统实施的复杂性，同时也将增加仿真 评价的难度。同时，还必须适应公交信号优先方面的新技术的出现。仿真方法必 须对现实情况进行准确的表述，这就要求仿真评价方法能够适应各种不同的场景 2 第一章绪论 以及软、硬件条件。比如，以g p s 为检测器的公交信号优先的仿真评价，必须实 时获取公交车辆运行状态信息，这就对仿真系统的时效性，提出了更高的要求。 1 2 研究范围和目标 1 2 1 研究范围 公交信号优先系统涵盖了从政策、规划、设计、实施、运营、评价、反馈、 管理等多方面的因素。它不是一个简单的公交信号优先算法的问题，也不是一个 单纯的信号控制问题。同时公交信号优先系统的实施的影响也是巨大的，它可能 影响人们的出行方式，减少居民的出行时间，对路权的重新分配，以及对于o d 的改变都将产生影响，所以，对于公交信号优先系统的实施应该是相当慎重的。 在实施一个公交信号优先系统，必须对系统进行相应的评价和可行性研究。减少 不合理的公交信号系统给整个城市交通带来负面影响。交通微观仿真是一种在项 目实施之前对项目进行评价的一种行之有效的方法。本文从公交信号优先的仿真 评价角度出发，对公交信号优先系统的仿真方法、公交信号优先仿真系统搭建以 及公交信号优先算法的仿真实现进行研究。 1 2 2 研究目标 本文的研究目标是为了建立一种公交信号优先系统的仿真评价方法，从而使 公交信号优先系统实施前有一个仿真方法来进行评价。同时，旨在开发一个较为 实用的公交信号优先仿真评价软件。 1 3 研究目的及意义 目前国内对公交信号优先起步较晚，成功的案例为数不多，而公交信号优先 系统的仿真评价方法也存在诸多不足之处。目前的方法对使用者的专业水平要求 较高：参数的调整极为不方便；通用性不足。本文在总结前人和国内外相关研究 的基础上，提出了基于v i s s i m 的c o m 接口的公交信号优先仿真系统的方法、 并研究了基于最优化和基于规则的两类算法，并初步开发了一个基于v i s s i m 的 c o m 接口的公交信号优先仿真系统，对公交信号优先系统的评价有着现实的意 义。对于今后相关的研究可以起到铺垫作用。 3 公交信号优先仿真评价方法研究 1 4 研究技术路线及内容 1 4 1 研究技术路线 本文从目前的现实、理论、技术背景及目前公交信号优先仿真评价方法的不 足出发，阐述了公交信号优先仿真方法研究的重要性和必要性，提出了问题。分 析了国内外研究的发展历程以及公交信号优先的基本概念和分类，并研究了已有 主要控制系统的公交信号优先，分析问题。提出了公交信号优先仿真系统的构建 方法，同时提出了基于v i s s i m 的c o m 接口的公交信号优先仿真系统的设计， 并对公交信号优先算法进行了仿真实现，解决问题。最后以闵行区沪闵路中环与 外环之间的路段为实例，将实验数据加以分析，得出结论，如图1 一l 所示。 。l 血才q 爿警旦 7 j 研九同泵 提出阔题一绪论 技术路线 ，l研究内容 。l 从赤唐且伴出甘士妞企 7 i 公父1 - 芎7 叽尢莓伞僦芯 、r 公交信号优先分类 分析问题一相关 问题研究综述 i 控制系统的公交信号优先 。l 从赤牌n a - p - 止佬古磐同匿 f l a 7 l 公父1 _ 了仉尢仞具反腱刀住 - i公交信号优先仿真系统研究 1 - i公交信号优先算法研究 解决问题一方法 研究基y - v i s s i m 的c o m 接口的b s p 算法实现方法 - l 以闵行区沪闵路为实例进行仿真 1 i 论文的创新点 l l二八1 r - v ，rr - t 结论7 i 比 口v 7j c ，l展望 图1 1 研究技术路线图 1 4 2 研究内容 论文主要是对公交信号优先仿真评价方法进行研究，主要包括以下内容： 4 第一章绪论 第一章：阐述了本文的研究背景，即公交信号优先系统的理论、现实以及技 术背景：同时介绍了本文的论文结构，技术路线及主要研究内容等。 第二章：阐述了公交信号优先以及公交信号优先评价方法以及仿真评价的发 展历程。同时介绍了主要控制系统中的公交信号优先，以及主要仿真软件中的公 交信号优先。同时重点介绍了公交信号优先仿真应用的发展情况。 第三章：介绍了公交信号优先及其仿真系统的研究，提出了公交信号优先系 统的物理、逻辑结构及实施方法，同时设计了公交信号优先仿真系统的结构。另 外提出了一种基于v i s s i m 的c o m 接口的公交信号优先系统的开发方法以及流 程，并分析了利用v i s s i m 的c o m 接口开发的优点和缺点。最后介绍了各种不 同的用于公交信号优先系统的检测器技术和基于不同检测器的公交信号优先系 统的结构及仿真方法。 第四章：公交信号优先算法，本章从在线的的角度提出了公交信号优先算法 及其参数的标定和约束条件。提出了一种新的基于人均延误经济成本的评价指 标，同时介绍了绿灯时间延长，绿灯早启，红灯早断等三种不同的方法，并通过 分析得出，结合三种方法同时使用的方案更有利于公交车辆优先通行，并提出了 绿灯时间延长，绿灯早启，红灯早断组合的方法，并对相关的参数进行了标定。 第五章：基于v i s s i m 的c o m 接口的公交公交信号优先算法的仿真实现方 法及流程。本章详细介绍了算法的实现流程和注意事项，并实际编写了程序来实 现了不固定周期时长的绿灯时间延长、固定周期的绿灯时间延长、不固定周期时 长的相位插入、固定周期时长的相位插入、绿灯早启以及组合的公交信号优先算 法。 第六章：实例分析，以闵行区沪闵路位于中环和外环之间的路段为研究道路， 对研究对象采用不同的策略，最好分析不同的策略的适用性。并在基于v i s s i m 的c o m 接口的t s p s s 上进行仿真，得出结论。 第七章：总结与展望，总结了论文的研究成果以及不足，提出了未来的研究 方向，对将来相关的研究提供参考作用。 1 5 小结 本章总结了本次研究的背景、范围和目标以及研究意义，并介绍了论文的研 究的丰要内容和相关的技术路线，这为研究的全面展开提供了一个清晰的思路和 良好的铺垫。 本章参考文献 【l 】关伟，申金升，葛芳公交优先的信号控制策略研究 j 】系统工程学报，2 0 0 1 6 ：1 7 6 - 1 8 0 5 公交信号优先仿真评价方法研究 2 1 概述 第二章国内外相关研究综述 随着小汽车保有量的持续增长，城市机动化水平的不断提高，城市道路的受 空间资源限制，远远跟不上交通需求的发展。各大城市都饱受交通拥堵之困。公 共汽车作为一种大容量的交通工具，相对于私人小汽车来说运量是它的几倍，甚 至几十倍，因此，提倡公交优先是从交通上解决拥堵问题的最直接和最有效的方 法。根据理论计算和调查分析可知，其中交叉口延误所占比例要远远大于路段延 误。因此，如何降低公交车辆在交叉口的延误，提高交叉口的效率是实施公交优 先战略的关键，最近几年，世界各国研究者在这方面做了很多研究。本章将总结 国内外相关研究的历史、现状、以及未来的发展动态。 本章结构为： 图2 1 研究综述主要内容 2 2 公交信号优先基本概念 公交优先始于上个世纪6 0 年代的法国巴黎1 1 ，它很快被饱偿交通拥堵 6 第二章国内外相关研究综述 之苦的欧洲其它发达国家大城市所接受并逐步完善，现已证明其对解决日益严重 的交通拥堵问题是一种十分有效的方法。 在早期的公交信号优先控制过程中，研究人员将公交相对优先与强制优先 ( p r i o r i t ya n dp r e e m p t i o n ) 归结为同一类问题。早期关于公交优先控制的论文多以 t r a n s i t b u ss i g n a lp r e e m p t i o n 。然而，随着研究的深入，二者的区别逐渐被相关的 研究人员指出( i t sa m e r i c a ，2 0 0 2 ：j a n i c ed a n i e l ，e d w a r dl i e b e r m a n ，r a g h a v a n s r i n i v a s a n ，2 0 0 5 ) 2 引。在n t c i p1 2 0 2 中指出：强制优先( p r e e m p t i o n ) 的定义为为 了服务于铁路交叉口，紧急车辆，批量公交车辆和其它特殊任务的车而将正常信 号控制模式切换到特殊信号控制的模式，这需要中止正常信号控制来为特殊的任 务服务：而且相对优先( p r i o r i t y ) 的定义为优先服务于某一类车辆( 就像公交车辆， 紧急服务车辆等) 而不使得交通信号控制器与协调控制脱离【4 】。同时文中给出了公 交信号优先的定义：公交信号优先是一个使公交车辆更加方便的通过信号控制交 叉口的可实施策略。从本质上讲，这两个定义都体现了优先级的思路。对于一般 的公交车辆，其优先级大于普通车辆，而紧急车辆，轨道交通等车辆处于最高级。 2 3 公交信号优先的分类 在t c r p 的研究报告中【5 】，将公交信号优先策略分为被动优先策略( p a s s i v e p r i o r i t ys t r a t e g i e s ) 、主动优先策略( a c t i v ep r i o r i t ys t r a t e g i e s ) 和实时自适应优先策 略( r e a l - t i m e a d a p t i v ep r i o 订t ys t r a t e g i e s ) ( t c r pp r o j e c t a - 1 6 ，1 9 9 8 ) ，如下表2 1 所示。这一分类方法得到了广泛的接受。在i t sa m e r i c a ( 2 0 0 4 ) t 5 】进一步将 对被动优先、主动优先和实时自适应优先做出了如下定义： 被动优先：被动优先在运行的过程中不管是否有公交车辆到达，并且不需要 检测器和优先请求系统，一般来说，当公交车辆数量及运营可以估计，并且公交 车频率比较高并且交通流密度比较低的情况，被动优先可以取得较好的效果。 主动优先：主动优先策略根据检测器和公交优先请求系统为一个特定的公交 车辆提供优先报务。其具体措施包括：绿灯延长，红灯早断，相位插入等。 实时自适应优先：实时自适应优先策略在不断的对某一指标进行优先的基 础上提供优先。指标包括人均延误，公交延误，车辆延误或者是这其中几项的组 合。这些策略需要已经存在的自适应控制系统不断的检测交通状态并调整交通控 制系统。 表2 1 公交信号优先策略分类表 被动式优先策略( p a s s i v ep f i o f i t ys t r a t e g i e s ) 调整周期长度( a d j u s t m e n to fc y c l el e n g t h ) 7 公交信号优先仿真评价方法研究 重复绿灯( t r a n s i tm o v e m e n tr e p e t i t i o ni nt h ec y c l e ) 绿灯时间分配原则( g r e e nt i m eb i a st o w a r d st r a n s i tm o v e m e m ) 相位设计方法( p h a s i n gd e s i g nb i a st o w a r d st r a n s i tm o v e m e n t ) 公交运行的协调绿波( l i n k i n gf o rt r a n s i tp r o g r e s s i o n ) 主动式优先策略( a c t i v ep r i o r i t ys t r a t e g i e s ) 相位延长( p h a s ee x t e n s i o n ) 提前激活相位( e a r l yp h a s ea c t i v a t i o n ) 公共汽车专用相位( s p e c i a lt r a n s i tp h a s e ) v ， 相位压缩( p h a s es u p p r e s s i o n ) 实时优先策略( r e a l t i m ep r i o r i t ys t r a t e g i e s ) 延误优化( d e l a yo p t i m i z i n g ) 交叉口控制( i n t e r s e c t i o nc o n t r 0 1 ) 网络控制( n c t w o r kc o n t r 0 1 ) 2 3 1 被动优先策略( p a s s i v ep r i o r i t ys t r a t e g y ) 被动优先主要通过收集交叉口公交车辆以及社会车辆、行人、非机动车辆的 历史数据，作为优先的依据，对相应的信号进行优先控制。被动优先往往采用以 下主要措施： 信号周期优化在交叉口饱和度不断增加的前提下，采用信号周期优 化，求得最优的信号周期来减小车辆的延误和及排队长度。 相位相序优化通过调整交叉口的相位相序来减少公交车的延误。 绿信比优化通过调整交叉口各个相位的绿信比，来保证公交车辆的优 先通行 相位差优化通过调整信号协调系统中的相位差，来保证系统中的公交 车辆的优先通行权。 被动优先主要考虑了公交车辆和社会车辆的历史平均通行情况，显然可以通 过历史数据的分析可以达到减少公交车辆延误的目标，但是被动优先是建立在对 历史数据的统计的基础上的，无法适应交通需求的变化，所以在实际应用中不够 灵活。 2 3 2 主动优先策略( a c t i v ep r i o r i t ys t r a t e g y ) 相对于被动优先控制，主动优先控制更加灵活，实现起来也更加团难。它主 要是依靠检测器对公交车辆、社会车辆运行情况以及非机动车和行人的历史统计 数据( 非机动车和行人的检测技术尚未成熟) 进行识别分析，实时调整交叉口的 8 第二章国内外相关研究综述 信号控制方案，从而达到给予公交车辆优先通行的目标，主动优先主要有以下几 种措施： 绿灯时间延长( g r e e ne x t e n s i o n ) 绿灯时间延长是指当具有公交优先请求的公交车辆到达交叉口的停车线时， 将相应相位的绿灯时间延长，绿灯延长只有在当公交优先请求车辆接近停车 线所在的相位是绿灯时才使用。绿灯时间延长是最有效的公交信号优先策略 之一，因为绿灯时间延长不需要额外的清除间隙，但却可以较大程度的减少 公交车辆的延误。 提前激活相位( e a r l yg r e e n ) 提前激活相位是指公交车辆在红灯时间到达停车线的情况下，提前中断当前 红灯相位，从而减少公交车辆在交叉口的延误。 专用相位 在多相位的控制系统中，设置公交专用相位可以，显著地减少公交车辆的延 误 相位压缩 在某些情况下，适当的减少非公交相位的绿灯时间，并将相应的时间转到公 交相位上，可以减少公交车辆的延误。 相位插入( p h a s ei n s e r t i o n ) 在设置了锯齿形进口道的和公交预信号，以提供公交车在交叉口的排队优 先，减少延误。 主动优先策略是早期公交优先控制的研究重点，也得出了众多非常有意义的 研究成果。 2 3 3 实时自适应优先策略( r e a l - t i m e a d a p t i v ep r i o r i t ys t r a t e g y ) 实时策略通常以优化性能指标函数为目标，进行方案优化，为公共汽车提供 优先权。优化性能指标以延误为主。延误指标可以包括乘客延误、车辆延误或这 些指标的组合。实时优先策略用实际观测到的车辆数( 包括社会车辆和公交车辆) 作为模型的基本输入参数，通过模型或者通过对几个候选配时方案的评价来选择 其中最优的方案，或者根据相位时长和相序来优化配时。同时它可以结合公交车 辆运行时刻表，提高公交车辆运行准时性。 2 4 主要控制系统中的公交信号优先 随着计算机技术的出现，交通信号控制也从交叉口单点控制发展到区域协调 9 公交信号优先仿真评价方法研究 控制系统，1 9 6 7 年英国交通与道路研究实验室t r r l 开发的离线优化交通控制 软件t r a n s y t 可视为第一代的交通信号控制系统。而以s c o o t 和s c a t s 为 代表的信号控制系统标志着第二代实时自适应控制系统的形成，他们主要根据实 时的交通流量变化对控制方案进行调整。目前，t r a n s y t 经过不断的发展已经 升级到1 2 0 版本，s c o o t 和s c a t s 也分别发展到4 2 版和7 0 版。作为各系统 重要新增功能的公共汽车交通优先控制方法已成为各系统控制的特色之一，并得 到刁断完善。 2 4 1 t r a n s y t 中的公交优先 t r a n s y t ，交通网络研究方法1 ，( t r a 伍cn e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) ，是1 9 6 7 年由英国t r r l 研究所的r o b e r t s o n 提出的，是目前各国应用最为广泛的固定配时 控制系统设计方法。在t r a n s y t8 0 中为模拟公共汽车的运行情况，采用了“合 用停车线”和公共汽车专用离散系数计算方法，并以乘客延误最小确定最佳的信 号配时方案。英国格拉斯哥的经验证明，以乘客延误作为配时方案优化目标函数， 可比传统的优化目标( 以车辆延误为目标函数) 所得的配时方案提高运行效率 8 左右，而对其它车辆的运行几乎没有什么明显的影响。 2 4 2 s c o o t 中的公交优先 s c o o t ，信号周期、绿信比、相位差优化技术r ，( s p l i tc y c l eo f f s e t o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y ) ，由英国t r r l 研究所在1 9 7 5 年开发完成并在1 9 8 1 年 得到了实际的应用。在3 1 版本中引入了公共汽车和其他公共交通工具的主动优 先控制策略，其采用被动优先与主动优先的基本模式。s c o o t 中的被动式公交 优先主要是在确定相位差中考虑公交车的运行情况。主动优先则主要是通过选择 式车辆检测系统( s v d ) 或自动车辆定位( 越仡) 系统对公共汽车位置进行定位， 并采用绿灯延长和红灯早断的控制策略，同时以交叉口饱和度大小作为公交车辆 优先的约束条件，只有在交叉口饱和度小于用户事先确定的饱和度时，才实施优 先控制策略。根据在伦敦1 9 9 6 年实际的运行结果检验，每周期公交车延误降低 了5 1 0 秒，而其并不会对其他车流产生影响；在南安普顿( 1 9 9 4 1 9 9 5 ) 早晚高 峰期公交车辆行程时间减少了3 0 以上。 2 4 3s c a t s 中的公交优先 s c a t s ，悉尼协调自适应控制系统幻，( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i c s y s t e m ) ，由澳大利亚道路交通局在7 0 年代开发的控制系统。系统中对于公交优 1 0 第二章国内外相关研究综述 先提供了两种优先的策略：被动优先和主动优先。在被动优先中，通过有关公交 车运行状况的历史数据分析是否应当进行公交优先，在这个层次中，控制的主要 目标在于减少主要方向的公交车辆运行延误，它常常使用小周期、为公交车提供 特殊通行相位和提供公交绿波带等方法。主动优先则是在交通流中检测公交车辆 并且为它们直接调节信号灯。实际上，为了提供高质量的公交服务，主动优先通 常采用以下的策略：绿灯延长、红灯早断；多相位下的特殊相位设计；压缩非公 交相位以转到公交相位。在系统中通过选择式检测器对公交车辆进行定位，并作 为相位绿灯时间延长、红灯时间早断调整的依据。同时系统中也考虑到不同时间 段、交叉口流量的潮汐现象和交叉口的饱和度情况下，公交优先策略的变化。 2 4 4u t c s 1 3 p s u t c s b p s ，城市交通控制系统公交优先系统眇1 ，( u r b a nt r a m cc o n t r o l s y s t e m sb u sp r i o r i t ys y s t e m ) ，是由美国联邦道路委员会开发的中心控制系统。 该系统包括两种控制策略：一种是在不影响其他车辆的前提下尽量减小延误增大 以人为单位的通过量；另外一种是对第一种策略的修正，对申请优先通行的公共 汽车资格进行重新的界定。 在第一种控制模式中，如果检测到一辆公交车需要延长1 0 秒绿灯时间，此 时这辆公交车被认为具有优先的资格，然后计算交叉口总体效益。系统中假定2 分钟是交叉口效益的衡量指标，如果交叉口效益大于等于2 分钟，则对绿灯时间 进行延长。 第二种策略主要是对第一种策略中的不足进行了相关的修正。在绿灯期间， 当公交车到达交叉口上游检测器而无法正常通过交叉口时，自动将相位绿灯时间 延长；而在红灯期间，当满足次要道路的最小绿灯时长后，可以提前中断相位红 灯时间。 2 4 5r h o d e s b u s b a n d r h o d e s ，有效的实时分级分布式最优化系统眇1 ，( r e a l t i m e ，h i e r a r c h i c a l ， o p t i m i z e d ，d i s t r i b u t e d , a n de f f e c t i v es y s t e m ) ，是由美国亚利桑那州立大学开发的 交通自适应信号控制系统，其通过“b u s b a n d ”优先模块对公交车实施了优先 控制。在优先模型中，假定公交车位置及乘客数可以实时的统计，这样根据乘客 数n ，以及公交车晚点情况研给予公交车优先不同的权重。 公交车的权重w 沩： w f = 刀，( 1 + z ) 式中： ( 2 1 ) 公交信号优先仿真评价方法研究 公交车晚点因鼽具体含义为：f i = 0 ，如果d i 0 ，k 为常数 2 4 6 各系统综合评价 虽然上述系统中均对公交优先控制进行了考虑，但由于核心技术开发的保密 性，无法得到其中公交优先控制的算法模型，进而也无法对其进行评价分析。以 目前在我国部分大城市使用的s c o o t 和s c a t s 系统为例，实际上并未实施对 公共汽车的优先控制，所以这些系统中的公共汽车交通优先控制是否适合我国特 定的交通流特性就受到了很大的置疑，特别是这些系统与实际的道路及公共汽车 交通特征之间有机关系如何也还有诸多问题需要研究。 2 5 公交信号优先仿真技术 2 5 1 道路交通微观仿真技术 道路交通微观仿真模型是指通过计算机模型对道路网络中的单个车辆行驶 的跟车，车道切换和车距等一些行驶规律的模拟。道路交通微观仿真模型越来越 普遍应用于评价和发展的道路交通管理和控制系统。 国外： 国外的交通微观仿真研究发展阶段大致经历了2 0 世纪6 0 年代、7 0 年代到 8 0 年代以及8 0 年代末以及9 0 年以来3 个发展阶段【l o 】： 2 0 世纪5 0 6 0 年代 国外的微观交通仿真发展始于上世纪6 0 年代，其中，t r a n s y t 交通仿真软 件是当时最具代表性的。计算机仿真的应用始于1 9 5 5 年d l g e d o u g h 发表了他的 一篇名为”s i m u l a t i o no ff r e e w a yt r a f f i co nag e n e r a l p u r p o s ed i s c r e t ev a r i a b l e c o m p u t e r 的论文。从此计算机仿真才开始在交通领域的广泛的应用。1 9 6 3 年， 英国道路运输研究所的d i r o b e r t s o n 提出的脱机优化网络信号配时的一个在当 时具有代表性的成果t r a n s y t 。作为第一代交通控制软件的优秀代表，经过十 几年的实践，d i r o b e r t s o n 领导的研究小组对t r a n s y t 不断改进，到1 9 8 0 年 t r a n s y t ( 8 ) 公诸于世。目前该软件已经更新到t r a n s y t ( 1 3 ) 。它是一种 宏观仿真模型，用以确定定时交通信号参数的最优值。这一时期的交通仿真系统 主要以优化城市道路的信号设计为应用目的，模型多采用宏观模型，模型的灵活 性和描述能力较为有限，仿真结果的表达也不够理想，这也是由当时的计算机性 能所决定的。 第_ 章国内外相关研究综述 2 0 世纪7 0 一8 0 年代 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，由于计算机的迅速发展，交通仿真模型的精度也迅 速提高，功能也更加多样。这期间出现了交通微观仿真模型，被人公认的最早的 交通微观仿真方法研究是基于遗传算法的跟车模型，在这些模型中，用微分方程 来表示分析中的每个车辆。 ( g e r l o u g ha n dh u b e r1 9