（通信与信息系统专业论文）公交信号优先控制及其在brt中的应用.pdf

摘要 随着社会经济和城市经济的发展，城市交通问题日趋严重。发展公 共交通是解决城市交通问题的有效途径。交叉口公共交通的优先通行 能够减少公交车在交叉口的延误，从而有效地保证公交车的准时性， 提高公交的服务水平，促进公共交通的发展，对缓解城市的交通压力 和保证城市未来的可持续发展都具有重大意义。本论文对普通公交优 先信号控制方法进行了研究，并应用于b r t ( b u sr a p i dt r a n s i t ) 信 号优先系统中。 本文在研究公交优先信号控制基本理论基础上，探讨和研究了公交 优先信号控制流程。从提前启亮绿灯、延长绿灯时间和增添公交相位 三种优先方式的角度，研究了公交优先信号控制交叉口车辆延误的计 算方法，分析了公交优先信号控制中所需要的控制参数，并采用了以 交叉口减少的人总延误最大为优化目标的方法建立了公交优先信号控 制模型。 在研究普通公交优先信号控制的基础上，本论文对b r t 交叉口信 号优先系统进行了研究。通过对b r t 交叉口信号优先系统的系统架构、 各子系统功能、控制策略等方面的设计，系统阐述了快速公交交叉口 信号优先系统。 关键词：公交优先，交叉口信号控制，优先策略，效益指数，b r t 交 叉口信号优先 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n du r b a n i s mi nc h i n a ，t h e u r b a nt r a n s p o r tp r o b l e m sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s a ne f f e c t i v e w a y t os o l v et h ep r o b l e mi st od e v e l o pp u b l i ct r a n s p o r t b u sp r i o r i t yo f i n t e r s e c t i o n sc a nr e d u c et h ed e l a yt i m eo fb u s e sa n di n c r e a s et h e i rs p e e di n o r d e rt oe f f e c t i v e l ye n s u r et h eb u sa r r i v i n go nt i m e ，e n h a n c et h el e v e lo ft h e b u ss e r v i c e sa n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f p u b l i ct r a n s p o r t a t i o n ，w h i c h i so fg r e a ti m p o r t a n c et oe a s et r a f f i cp r e s s u r eo nt h ec i t ya n de n s u r et h ec i t y t od e v e l o p c o n t i n u a b l y i nt h i sp a p e r , t h em e t h o d so f t h ec o m m o nb u s p r i o r i t ys i g n a lc o n t r o la r er e s e a r c h e d ，w h i c ha r eu s e di nt h eb r t ( b u s r a p i dt r a n s i t ) s i g n a lp r i o r i t ys y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s so ft h eb u sp f i o f i t ys i g n a lc o n t r o lo nt h eb a s i s o fs t u d i i n gt h eb a s i cb u sp r i o f i t ys i g n a lc o n t r o li se x p l o r e da n dr e s e a r c h e d f r o me a r l yg r e e n ，g r e e ne x t e n s i o na n dp h a s ei n s e r t i o no ft h et h r e ep o i n t s o fv i e w s ，t h ew a yo fc a l c u l a t i n gt h ev e h i c l ei n t e r s e c t i o nd e l a yo ft h eb u s p r i o r i t ys i g n a lc o n t r o li ss t u d i e d ，a n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r sr e q u i r e di nt h e b u sp r i o r i t ys i g n a lc o n t r o la r ea n a l y s e d ；b e s i d e s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s c o n t r o lm o d e l sb a s e do nt h eb u sp f i o r i t yw i t ht h et o t a lm i n i m u md e l a yo f p a s s e n g e r s b i 玎s i g n a lp f i o f i t ys y s t e mi na ni n t e r s e c t i o ni ss t u d i e di nt h i sp a p e ro n t h eb a s i cs t u d i e so ft h ec o m m o nb u sp r i o r i t ys i g n a lc o n t r 0 1 b r ts i g n a l p r i o r i t ys y s t e mi nt h ei n t e r s e c t i o ni se x p o u n d e dt h r o u g ht h ed e s i g no ft h e s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h es u b s y s t e mf u n c t i o n s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n ds o o n k e yw o r d s ：b u s p r i o r i t y ；, i n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o l ，p r i o r i t y s t r a t e g y , p e r f o r m a n c ei n d e x ，b r ts i g n a lp r i o r i t yi ni n t e r s e c t i o n i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：隘鬈 日期：_ 二塑l 年_ e _ , q 1e t 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过刚络向 社会公众提供信息服务。 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁v 匕 1 1 研究背景 随着国民经济的快速发展，城市建设规模不断扩大，大城市人口高度集中并 大幅度增长，交通需求迅速扩大，而道路交通基础设施建设的发展则相对滞后， 使得城市交通需求与供给之间的矛盾越来越突出，城市“乘车难 、“行车难”的 局面在加剧，交通阻塞呈现出由点到线、由线到面的扩展趋势。交通拥挤、交通 延误、交通阻塞以及由此引起的噪声、废气污染等问题严重影响着城市居民的正 常生活以及社会经济的持续、健康发展。即使一些大中城市的交通基础设施现状 能够满足交通需求，但由于经济的快速发展，机动化进程加快，私人小汽车逐渐 泛滥，也同样存在着交通隐患，城市的交通状况不容乐观【1 】。 我国城市交通的现状已引起了政府公众、社会各界的广泛关注，有关专家学 者和交通工程师们在吸取各国城市交通发展经验的基础上，找到了一条解决我国 城市交通问题的有效途径，即优先发展城市公共交通，以公共交通为杠杆降低城 市交通需求总量，实现道路交通基础设施发展与交通需求增长的均衡。在满足相 同交通需求的前提下，公共交通运能是私人交通的十几倍甚至几十倍，可以有效 减少道路交通流量，不但有助于控制交通需求，引导城市居民出行方式的选择， 缓解城市交通拥堵，而且可以节约道路资源，减少修建道路的投资，节省土地资 源，还可以减少能源消耗，保护自然环境，改善城市居住环境。 但从目前的状况来看，我国大部分城市的常规公共交通并不能满足人们对出 行的要求，公交服务水平普遍较低。主要表现在： 1 ) 运行速度不高。拥挤造成的交通阻塞现象r 益严重，已经严重影响了公交 车辆的营运速度。据统计，现在大多数城市的公交车辆营运速度已经从原来的每 小时3 0 公里下降到现在的每小时1 2 公里。在上下班高峰期情况更为严重，营运 速度有时还不及自行车，大大增加了乘客的出行时间，不能满足乘客出行对时间 的紧迫要求。 2 ) 准点率低。我国大多数城市公交车辆只是在公交车辆的首末站进行时间控 制，而在运行中途很少进行时间控制，完全由司机个人掌握，这样就很容易造成 车辆到达停靠站时间的不均衡，乘客很难确定下一趟公车究竟何时能够到达，自 己究竟要等多久，自己能否按时到达目的地，而只能焦急等待，从而给人们心理 上造成很大的压力。 3 ) 公交车型陈旧。目前我国很多城市运营中的公交车辆虽然已有部分更新， 但是仍存有很多车型过于陈旧，技术状况不好，维修率高。那种高底板、无空调、 硕士学位论文 第一章绪论 小开窗、大排量的“热狗式 公交车辆还占有不小的比例，已经满足不了人们对 乘车舒适性的要求。城市的发展和时代的进步也呼唤大型、低地板、环保的新型 公交车辆的出现。 4 ) 公交线路不合理。应该说我国很多城市的公交线路不合理在很大程度上是 由于城市道路网结构布局的不合理造成的。公交线路过多的集中于市中心的少数 主要道路上，次干道和支路的公交覆盖率偏低，致使居民出行步行距离过长并且 换乘很不方便。 5 ) 公交吸引力低。我国很多城市的公共交通由于服务水平低下、线路设置不 尽合理加之小汽车和白行车等私人交通工具的竞争，居民出行乘坐公交所占的比 例增长缓慢，甚至停止增长或出现负增长。这些都说明公共交通出行方式对于我 国城市的居民出行吸引力不高。要想吸引更多的居民出行，公共交通系统必须大 力改进，需要优先发展公共交通事业。 在过去的1 0 年中，中国的公交优先战略首先体现在大力发展轨道交通上，经 历了从地铁到轻轨的逐步转变。最近，中国交通界和各大城市又在热衷于研究和 建造快速公交系统( b u sr a p i dt r a n s it ，b r t ) ，而地铁和轻轨则作为参照物同快 速公共交通进行对比，其中建设造价的高低往往是最主要的考虑因素之一。 在功能上，快速公交系统可以与地铁配合使用，搭建公共交通网络：也可以作 为地铁的过渡方式，当一条轨道线路在短期不能实施的，完全可以通过先期快速 公共汽车交通系统的实施解决交通问题，并培养客流，当客流达到一定水平以后 及财政实力容许的前提下再改为地铁：快速公交系统也可以作为地铁的延伸，在客 流相对较少的地铁延伸线上采用。而在国内的一些大型和中型城市，快速公交系 统完全可以作为城市公共交通系统的主体，实现快速优质的公交服务。 由于交叉口是影响公共交通速度以及服务水平的一个重要因素，本文将主要 对普通公交在交叉口的信号优先控制方法的进行研究，从而进一步推广到b r t 的 信号优先系统中，以期能对中国的b r t 系统的建设与完善提供一些较好的建议。 1 2 研究的目的及意义 根据“木桶原理 ，某一事物性能的好坏不是取决于最优的条件，而是取决于 最差的条件。路网通行能力也是如此。在正常的道路交通条件下，交叉口通行能 力最小，车辆在城市道路中的延误也主要发生在交叉口，因此交叉口成为城市交 通的“瓶颈 。在信号控制交叉口，减少车辆延误最有效的方法是降低车辆的红灯 等待时间，而对于公交信号优先，为公交车辆提供优先信号的目的是降低公交车 辆在交叉口的红灯等待时间，提高公交车辆的路段行程时间稳定性，提高公交车 的行车准点率。 2 硕士学位论文第一章绪论 统计数据表明，如果不在道路交叉路口控制策略中体现公交优先，即使有公 交专用道，公交车运营节省的时间也十分有限，统计数据表明仅节省5 1 0 左右， 其平均行驶速度能提高2 5 3 0 左右。如果公共汽车优先车道成网，并采用公共汽 车优先通行信号，公共汽车在交叉口的停车时间会减少一半，其标定速度可提高 到2 0 2 5 k m h1 2 0 】。 基于公共车辆具有运量大、人均占用道路面积少、运行效率高、节省能源、 环境污染小等优点，在城市交通干道上合理、有效实施公交信号优先，根据城市 干道上交通流的分布特性、干道交叉口几何特性及公交路线设置形式，可以在不 同程度上获得如下效益： 1 ) 降低公交线路行程时间； 2 ) 降低公交车辆交叉口延误； 3 ) 减少公交车辆停车次数； 4 ) 提高公交车辆行车稳定性及准点率； 5 ) 提高公交服务水平； 6 ) 减少干线上社会车辆延误； 7 ) 减少干线上车辆的排队长度； 8 ) 节省车辆能源消耗； 9 ) 提高沿线空气质量； 1 0 ) 减少人力及运载设备： 1 1 ) 降低交叉口事故率； 在信号控制交叉口，公交信号优先策略和优先算法研究是公交优先通行的关 键技术环节，而合理规划、设计公交车辆在信号交叉口的优先通行方案，是实现 公交车快速、便捷的技术基础，从而吸引乘客出行，提高出行结构中公交的比例。 本文以提高公交车辆的运行速度，改善公交服务水平，减少乘客在交叉口的 平均延误，同时尽量减少由公交优先带来的社会车辆延误的负面影响为目的，提 出了基于公交优先思想的交叉口信号分析和设计方法，并分别对普通公交优先和 b r t 车辆优先进行了研究。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 ) 公交信号优先研究 由法国、意大利、罗马尼亚、英国等多个国家的交通组织及大学合作，进行 了一个长期的项目p r i s c i l l a ：b u sp r i o r i t ys t r a t e g i e sa n d i m p a c ts c e n a r i o s 3 硕士学位论文第一章绪论 d e v e l o p e do nal a r g eu r b a na r e a ，即大城市公交优先措施及其影响研究，该项 目致力于网络化公交优先系统的评估，发展和推广网络化公交优先成熟案例【4 】。 欧洲p r o m r t ：p r i o r i t ya n di n f o r m a t i c si np u b l i c t r a n s p o r t 项目中， h o u s e m a n 等在英国伦敦研究在s c o o t 系统中开发公交信号优先算法，它将车辆定 位技术( a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n ，a v l ) 技术引用到该系统的信号控制逻辑 中，通过延长绿灯时间缩短红灯时间为公交车辆提供信号优先【5 】，同时在s c o o t 系统中还提供了一种高等级的优先形式，它是一种即时响应优先形式，适合应急 车辆的优先 6 1 。 意大利u t o p i a ( u r b a nt r a f f i co p t i m i z a t i o nb yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n ) 系统是一种响应式交通控制系统，采用分层递阶控制形式。该系统通过车辆监控 ( a u t o m a t i cv e h i c l em o n i t o r i n g ，a v m ) 系统获取公交车辆到达交叉口的行程时 间、公交路线及出行时刻表等信息，并根据公交车辆的运行状态或公交车头时距 的变化情况来决定是否给予信号优先。当决定为到达的公交车辆提供优先信号时， 系统将在公交车辆到达信号交叉口前2 分钟内对信号进行优化调整，使公交车辆 到达时以绿灯顺利通过交叉口。最近p r o m p t 组织和都灵市一起对u t o p i a 的优先 系统进行升级，主要是在系统中增加公交行程时间预测算法，并在车队管理中应 用新技术来实施公交信号优先 7 - s 1 。 美国t r b ( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r d ) 与马萨诸塞州大学( u n i v e r s i t y o f m a s s a c h u s e t t s ) 联合开发的o p a c ( o p t i m i z e dp o li c i e sf o ra d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 系统是一种在线信号配时优化算法，它具有公交信号优先的功能，它通过a v i ( a 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 ) 系统来识别公交车辆，并赋予公交车辆 一定的权重( 如：1 辆优先车辆= 1 0 辆社会车辆) ，以人均延误最小化为目标进行 信号优化配时【9 】。美国亚利桑那州立大学( u n i v e r s i t yo f a r i z o n a ) 开发的实时、 递阶、最优化的、分布式、且可实施的交通信号控制系统r h o d e s ( 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 ) 通 过先进的信息系统获取公交车辆的运行状态信息( 位置、乘客数等) ，以此来决定 公交车辆应获的权重，在减少公交车延误，缩短公交行程时间的同时，降低了对 其他交通方式的影响【i o 】。 s p p o r t ( s i g n a lp r i o r i t yp r o c e d u r ef o ro p t i m i z a t i o ni nr e a l - t i m e ) 是 一种基于规则库的实时交通响应式信号控制模型，根据不同的交通条件实时产生 信号配时方案。一旦公交车辆被检测到，控制算法调用最近时间内交叉口的交通 流信息以及当前交叉口的信号配时参数，决定是否给予优先。从而根据这些信息， 基于自身的控制规则选择最优的信号配时方案。算法的控制流程为：估计延误( 公 4 硕士学位论文 第一章绪论 交车及社会车辆) ，确定控制规则、选择合适的信号配时方案、评估备选方案 1 1 - 1 2 】。 2 ) 信号控制理论研究 公交优先信号控制理论的研究重点包括控制策略、信号配时方法、公交信息 采集、行程时间预测模型、公交优先权重模型以及效果评价等方面。 在控制策略研究方面，y a g a r 等建立了确定性模型计算总延误，赋予车辆不同 的权重，最终生成信号配时方案。但模型并没有表示出公交车随车队行驶这部分 延误【l3 1 。y i n 等人在环形线圈检测器的基础上建立了自适应t s p 系统。提出了一 种启发式算法为公交车提供优先，并通过了模拟和实地检测的方法进行验证4 。 信号配时方法的研究集中在单点优先和线路优先。如b a l k e 等采用绿灯延长 和绿灯提前启亮等优先方式研究了单点公交优先控制算法川：m e e n a k s h y 等通过 优化绿波带宽度建立了主干线公交优先信号协调控制模型u 引；j i n w o ol e e 等研究 了交叉口附近有公交站点的线路控制算法u 。 在公交信息采集方面，加利福尼亚的p a t h ( p a r t n e r sf o ra d v a n c e dt r a n s i t a n d h i g h w a y s ) 研究小组正从事自适应公交优先的研究a b s p ( a d a p t i v eb u ss i g n a l p r i o r i t y ) ，利用公交g p s 信息，交通检测器数据，行程时间预测建立主动公交优 先模型。研究中建议用g p s 采集公交信息，用一套优秀的算法进行公交优先决定， 用现有的线圈检测器进行实时的交通数据采集，用微观仿真软件进行评价。我们 做的是考虑基于时刻表的公交车到达时间，发车间隔，当前位置，停靠站类型的 公交优先。优先策略有绿灯延长和提前启亮两种，此时还要考虑道路交通条件以 及公交车的速度和位置引。 在行程时间预测模型方面，国外主要利用实时车辆运行信息建立动态预测模 型。以s h a l a b y 为代表的一些学者利用诸如卡尔曼滤波、神经网络等智能算法动 态预测公交车行程时间 1 9 - 2 4 ；由于停靠时间具有很大的不确定性，传统的基于固 定检测器的时间预测效果不理想，w o n h ok i m 等利用最小排队权重模型来估计公交 站点停靠时间，减小不确定因素的干扰【2 5 】。 在公交权重模型方面，m i r c h a n d a n i 等学者考虑乘客数量、公交车时间表状态 ( 准时、延迟、早到) 的公交优先权重模型，并成功应用到r h o d e s 系统中，实现 了单个交叉口的实时公交优先信号控制【1 0 】。h e s h a mr a k h a 等研究了考虑公交发车 频率的公交优先权重模型【2 6 1 。 对于t s p 系统性能的评价目标主要集中在检验公交信号优先实施后的潜在效 益。检验方法有实地测试以及利用v i s s i m ，c o r s i m ，n e t s i m 等软件进行微观的 计算机模拟 1 7 2 8 - 3 0 。 在实地测试中，交通数据常常用来评价t s p 策略或者验证t s p 模型。s u n k a r i 5 硕士学位论文第一章绪论 等建立了单个信号交叉口实施公交信号优先策略后的影响评价模型。学者用1 9 8 5 年的道路通行能力手册中的信号交叉口延误方程确定公交信号优的影响。通过对 德克萨斯州的实测数据进行分析，得出公交车的延误与到达交叉口对应周期的时 刻以及公交是否得到信号优先有关 3 h 。 b e n e v e lli 等学者最先利用计算机模拟的方法进行t s p 研究。他们利用 u t c s b p s ( u r b a nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m b u sp r i o r i t ys y s t e m ) 和n e t s i m 等 软件对维吉尼亚等城市的主干道进行模拟。他们的研究主要集中在公交车辆的绝 对优先。利用比较简单的绝对优先算法编写模拟程序，通过比较公交车辆的延误 变化计算优先的效益。研究发现公交优先的效益受绝对优先算法结构以及公交停 靠站位置的影响【3 2 1 。 d r j o h nc o l l u r a ，h e s h a mr a k h a 等学者总结了美国部分城市交叉口采用公交 信号优先控制后的效果【3 3 1 。 综上所述，国外对公交优先信号控制已经进行了大量研究，提出了公交优先 控制系统并进行了工程验证，具有实用性，但并不完全适应中国复杂的道路交通 情况。国外检测系统比较发达，除了先进的g p s 、a v l 系统外，还有完善的检测线 圈、微波等检测器辅助检测公交数据。而对于我国大多数城市来说，硬件的实现 还有很大距离。 1 3 2 国内研究现状 我国对城市公交优先通行技术的研究起步比较晚。国内现有的公交优先系统 主要通过公交专用道、公交车停靠站等道路设施 3 4 - 3 5 】以及单个交叉口的公交优先 技术进行保障。如目前我国北京、成都、济南等城市已经开始建设的b r t ( b u sr a p i d t r a n s i t ) 系统，通过在城市道路上开辟公交车专用道，对线路、车流、停靠站及 枢纽进行优化，并对公交车进行实时监测，在信号交叉口采用公交优先通行技术 来保障公交车的快速通过。 在理论方面，杨晓光2 0 0 1 年 3 6 - 3 7 提出了以乘客总延误最小为优化目标函数的 交通控制信号配时方案。张卫华【3 8 】对城市公交优先技术进行了系统的阐述，针对 “交叉口公交优先通行的技术方法 及“公交优先通行的实施效果或效益预测与 评价方法”提出了独到的见解。陈绍宽【3 9 1 等人分析了用于计算延误的调查法、分 析法和仿真法。吉林大学的杨兆升教授、同济大学的杨晓光教授、北京交通大学 的关伟博士，东南大学的张卫华博士等对交叉口公交信号优先控制策略和控制算 法进行了研究，对公交信号优先在我国的实施具有一定的促进作用和指导意义。 6 硕十学位论文第一章绪论 1 4 论文主要内容 基于以上研究背景及研究目的，本文首先研究了公交优先信号控制的基本理 论，然后在此基础上研究了普通公交优先信号控制方法并将该方法在b r t 交叉口 信号优先系统中进行了应用。 第二章研究了公交优先信号控制的基本理论，主要包括公交优先的内涵、公 交优先信号控制策略、控制方式以及公交信号优先检测系统四个部分，这四方面 的研究为后续两章的研究奠定了理论基础。 第三章主要研究了单相普通公交优先信号控制方法，其中着重研究了控制流 程、控制参数、延误及控制模型、补偿模型等。 第四章主要阐述了b r t 交叉口信号优先系统的构成，概述了b r t 信号优先控 制的研究环境、研究思路以及控制原则等，提出并分析了b r t 三级信号优先控制 策略。 第五章为本论文的总结与展望，对论文所作的工作进行了系统的总结，并对 后续工作进行展望。 7 硕士学位论文第二章公交优先信号控制基本理论 第二章公交优先信号控制基本理论 城市交通问题日益突显的现实和公交系统高效率的特点为我国公共交通的发 展提供了机遇，同时在政策、技术及投资模式等方面面临很大的挑战。基于前人 的研究成果，本章对公交优先的基本理论进行归纳分析。 2 1 公交优先的内涵 “公交优先 是公共交通系统优先发展的简称，要明确它的具体涵义一般需 从广义和狭义两方面来进行阐述。从广义上讲，凡是有利于公共交通优先发展的 政策和措施均可称之为公交优先：从狭义上讲，则是指仅在交通工程范围内，采取 适当的交通管理和道路工程等措施优先公共交通车辆在道路上的通行e 4 0 - 4 1 】。 公交优先内涵一般包括以下三方面内容： l 、在经济政策上对公共交通实行倾斜。公共交通是一项社会服务性事业，它 所创造的经济效益体现在社会总出行时间减少和道路交通拥挤缓解上。但是，城 市公共交通为了吸引大量的中、低收入的乘客，只能收取较低的票价，这就产生 了公交企业处于微利甚至亏损的状态。世界上许多城市政府采取的是经济补贴的 政策，如美国、法国、英国等国家的城市公共交通均有政府的大量补贴。 2 、在城市交通规划中，要把优先发展公共交通作为一项重要内容，根据国家 技术政策的要求，公共交通是国家在具有全局性影响的先导产业中重点扶持的产 业之一。在交通规划中要把公共交通设施用地确定下来，予以保留。 3 、在道路交通管理中，可视需要与可能，开辟公共汽车专用道。在公共汽车 专用道上只允许公共汽车行驶，不允许其它机动车进入，这就保证了公共汽车运 行速度，提高服务水平。此外，在交叉口处，还可采用信号灯对公共汽车优先的 措施 4 2 1 。 2 2 公交信号优先控制策略 公交优先控制的优先策略主要分为被动优先和主动优先1 4 3 。 2 2 1 被动优先 被动优先控制策略的实施不依靠检测器获取公交车辆到达的数据，而是根据 公交线路公交车辆的发车频率、行车速度等历史数据设计、协调路网内交叉口的 信号配时，同时降低交叉口信号周期长度以减少公交车辆停车、延误【4 4 1 。由于被 动优先控制策略的实施以公交车辆的历史数据为依据，比较适合于公交发出频率 高，交通量小，乘客出行需求稳定的线路。被动优先控制策略一般有以下几种形 式。 8 硕士学位论文 第二章公交优先信号控制基本理论 ( 1 ) 网络化配时规划 网络化信号配时规划则是根据公交车辆通过路网的运行情况对交叉口信号配 时进行方案设计。方案设计一般有两种形式： 第一种是根据通过路网的乘客出行量而不是车辆数分配绿信比，由于公交车 辆的单车载客量明显大于社会车辆的单车载客量，因此这种相位绿灯时间分配方 式有利于公交车辆较多的相位，从而体现“以人为本”的交通理念。但是对于乘 客流量小的相位，计算的绿灯时间有可能小于最短绿灯时间，因此还必须对相位 绿灯时间进行条件约束。 第二种是根据公交车辆的运行速度或行程时间协调公交线网内的信号配时方 案，使公交车辆在路网内遇到的红灯数最少。由于公交站点公交车停靠时间的不 稳定性，这种技术实施的效率在很大程度上取决公交车辆交叉口之间行程时间预 测精度1 3 1 。 ( 2 ) 信号周期调整 在公交线路上减少信号周期长度意味着降低公交车辆的交叉口等待时间，获 得更高频率的信号服务。但是信号周期长度减少，交叉口的通行能力也随之降低。 因此，在实际应用中必须权衡公交车辆的出行效益与交叉口的通行能力损失。 ( 3 ) 增加相位时间 增加公交线路上相位绿灯时间，以增加公交车辆通过信号控制交叉口的可能 性，减少公交车辆的交叉口信号等待时间。 ( 4 ) 相位分割 在同一个信号周期内，将公交车辆的优先相位分割多个相位。从而在不减少 信号周期长度的条件下增加公交车辆的信号服务频率。但是由于相位数的增加， 信号损失时间也随之增加，从而降低了交叉口的通行能力1 4 5 。 2 2 2 主动优先 主动优先( a c t i v ep r i o r i t y ) 主要是依靠检测器对公交车辆运行情况进行识 别分析，当检测到公交车辆即将到达交叉口，采取延长、提前、增加或跳跃相位 实时调整交叉口信号控制方案，从而实现公交车辆的优先通行。 主动优先信号通过适时地、动态地调整信号设置克服了被动控制策略中信号 损失时间过多的缺点。相对于被动优先，主动优先控制策略具有更强的适应性。 当检测到公交车辆的同时，优先信号控制器能够根据特定的公交信息、当时的交 通状态以及信号控制逻辑做出不同的响应，为公交车辆提供相应的服务用何种响 应方式主要取决于公交车在周期内的哪一个时段到达。 随着科学技术的不断发展，主动优先可以达到实时优先( a d a p t i v e r e a lt i m e 9 硕士学位论文第二章公交优先信号控制基本理论 p r i o r i t y ) 的程度，通过g p s 和a v l 等先进的信息检测装置估计路网车辆的运行 现状，既考虑路网上所有的机动车，同时获取公交车的运行状况( 位置、乘客数、 时刻表等) 。基于实时的交通信息，在一定的性能指标函数指导下优化、调整交叉 口或干线的信号配时，为公交车辆提供优先信号。 主动优先策略适用于非饱和条件下的交叉口，此时该策略对其它车辆的影响 很小。在交叉口达到饱和或者是过饱和的情况下，实行公交优先会大大增加交叉 口社会车辆延误，减小其通行能力。即交叉口的流量达到饱和或者是过饱和的情 况下不适宜信号优先。 主动优先包括绝对优先、完全优先和部分优先三种策略。 ( 1 ) 绝对优先策略 绝对优先的公交信号控制类似于铁路列车通过交叉口时的独占式信号控制模 式。在这种模式下，当安装在交叉口上游的入口检测器检测到有公交车辆到达时， 交通信号控制器就会中断当前的信号相位，直接给予公交车辆通过信号；当交叉 口下游的出口检测器检测到公交车辆己经通过交叉口后，再恢复原来的信号相位。 这样当特定的公交车辆到达交叉口时就可以不减速直接通过。 在绝对优先信号控制策略的实施中，公交车辆的检测是一个重要的因素，为 保证控制系统的可靠运行，要求公交车辆检测器必须具有较高的准确性、灵敏性， 不能误检和漏检公交车辆。 绝对优先控制策略可以确保公交车辆在通过交叉口时不受任何延滞，但对横 向车流的影响非常严重。当交叉口的横向交通量较大时，这种控制策略很容易引 起交通阻塞。因此，通常在交通流量较低的交叉口才采用这种控制策略。 ( 2 ) 完全优先策略 与绝对优先类似，在完全优先控制策略中，也需要在交叉口设置车辆检测器， 通过检测公交车辆的位置确定是否给予其优先信号。但与绝对优先不同的是，该 策略并不是无条件地中断当前信号相位，而是通过调整一个信号周期内不同相位 出现的时间来达到公交车辆优先通行的目的。 公交车辆检测器的具体安装位置可根据公交车辆平均行驶速度、交叉口清理 时间及安全制动距离确定，信号优先过程包括四个阶段： 第一阶段：确定公共汽车位置。确定公共汽车到达的地点，以确定交叉口是 否要进行信号优先。这一功能也提供位置数据给公共汽车上的处理器以确定汽车 是否晚点。 第二阶段：公共汽车向交叉口的信号机提出信号优先请求。由公共汽车上的 处理器来执行，对汽车到达预定点后是否要提供信号优先做出决定。决定的因素 1 0 硕士学位论文 第二章公交优先信号控制基本理论 包括目前公共汽车所在的位置、公共汽车行驶的方向、公共汽车是否晚点以及汽 车上的乘客数等。 第三阶段：交叉口的信号机同意公共汽车提出的信号优先请求。是否给予信 号优先取决许多因素，例如，一天里的时间，手工强行使信号灯变绿的可能性， 当地的交通状况，信号机的状况。一旦收到公共汽车优先的请求后，需要有实时 的交通数据来确定到底如何行动。 第四阶段：实施信号优先。根据公共汽车和前方交叉口的相对位置，通过信 号机调整信号时相，使得信号灯提前变绿灯，或延长绿灯时间等方式，以便公共 汽车能够顺利地通过前方的交叉口。如果公共汽车到达时正好碰到绿灯，或者公 共汽车没有晚点，那么信号灯相位保持不变。 ( 3 ) 部分优先策略 在完全优先策略中，对每一辆公交车都试图提供优先通行条件。当公交车流 量较大时，可能会造成信号相位的频繁调整，对同向车流和横向车流造成干扰。 因此，一些城市的交通控制系统采取有选择地为公交车辆提供优先信号的策略， 即部分优先策略。依据具体情况的不同，选择的标准可以是下列中的一种或几种： 1 ) 对提前或准时的公交车辆不提供优先信号，仅对偏离时刻表的晚点车辆提 供优先信号； 2 ) 在高峰期为公交车辆提供优先信号，平时不提供优先信号； 3 ) 只对载客量超过一定数量的公交车提供优先信号； 4 ) 权衡公交车辆延误与机动车延误，确定是否为公交车提供优先信号。 与完全优先策略相比，部分优先策略的适用范围更广。但实现该策略需要信 号控制系统提供额外的附加信息，以确定何种车辆在交叉口能得到优先通行权， 因而系统的整体成本会有所增加。 2 3 交叉口公交主动优先控制方式 主动优先控制策略一般有以下几种控制方式： 1 ) 绿灯延长 绿灯延长( g r e e ne x t e n s i o n ) ，即延长相位绿灯时间。当公交车辆到达交叉 口时，若该相位的绿灯信号即将结束，这时采用延长该相位的绿灯时间，以使公 交车辆有足够的时间通过交叉口。公交车辆通过交叉口后，控制系统将恢复原有 的信号配时【4 7 1 。 2 ) 绿灯提前 绿灯提前( e a r l yg r e e n r e dt r u n c a t i o n ) ，即缩短车辆等待绿灯信号的红灯 时间，当公交车辆到达交叉口时，公交车辆通行方向所在的相位处于红灯状态， 硕士学位论文第二章公交优先信号控制基本理论 这时通过缩短交叉口当前相位的绿灯执行时间，使公交车辆到达交叉口时，可以 以绿灯信号顺利通过交叉口f 4 8 】。在这种控制策略下，在周期长度不变的情况下， 可以在后续执行相位相序方案中对前一相位进行绿灯补偿。 3 ) 相位插入 相位插入( p h a s ei n s e r t i o n ) ，即在j 下常的相位相序中为公交车辆增加一个 特定的相位【4 9 】。当公交车辆到达交叉口时，公交车辆通行方向为红灯信号，且交 叉口当前相位的下一个执行相位仍不允许公交车辆通过，这时要为公交车辆提供 信号优先，必须在当前相位和下一相位之间插入一个公交专用相位。在这种控制 策略下，公交专用相位的前一相位和下一相位进行调整，必要时可以对后续相位 进行调整。其中后续相位包括本周期或后续几个信号周期。 4 ) 跳跃相位 跳跃相位( p h a s es k i p p i n g ) ，即忽略某一相位的绿灯信号。当公交车辆到达 交叉口时，公交车辆通行方向的为红灯信号，且交叉口当前相位的执行绿灯时间 即将结束，而下一个执行相位仍不是公交车辆通行方向的相位，只有等到该相位 执行完毕后，才能允许公交车辆通过。由于交叉口下一个执行相位等待通行的社 会车辆较少，在权衡效益的基础上，跳过该下一个执行相位，直接执行公交车辆 通行方向的相位绿灯。从而使公交车辆以绿灯信号顺利通过交叉口。 5 ) 相位倒转 相位倒转( p h a s er o t a t i o n ) ：即改变信号周期的相位相序。当公交车辆到达 交叉口时，交叉口即将执行的相位并非公交车辆通行方向的相位，为使公交车辆 能够顺利通过交叉口，可以通过调整即将执行的相位相序，将公交车辆通行方向 的相位提到最前执行，将原本即将执行的相位置于公交车辆通行相位之后，它与 跳跃相位不同的是，跳跃相位不执行相位，而相位倒转则将相位置后执行。 6 ) 专用相位 专用相位( a c t u a t e dt r a n s i tp h a s e ) ，即专为公交车辆提供的信号相位。只 有当检测到公交车辆时，才会启动该专用信号相位。如对需要左转的公交车辆， 在正常的信号配时方案中，不存在左转专用信号。只有当检测到公交车辆进入车 道时，才启动左转专用相位，以保证公交车辆顺利安全通过交叉口。这种控制策 略与相位插入相似，区别在执行这种相位只允许公交车辆通行。 2 4 公交车辆检测系统 公交车辆检测系统是依托公交信号优先策略而存在的一个相对独立检测系 统。公交信号优先算法的实施需要获取更全面的交通信息，包括公交车辆的运行 状态。公交车辆检测系统的检测信息是针对公交车辆运行状况对交叉口交通状况 1 2 硕士学位论文第二章公交优先信号控制基本理论 进行补充，从而为信号控制逻辑进行交叉口信号优化或选择信号优先策略提供决 策依据。公交信号优先算法是一个相对独立的控制模块。在信号控制器存在公交 优先控制模块的条件下，公交信号优先控制模块可以移植至信号控制器的公交优 先控制模块，实现场地控制，但只能实现对单个交叉口的独立控制。当公交信号 优先控制模块集成于先进交通信号控制系统实现对公交车辆进行优先控制，称为 中心控制。公交信号优先检测系统检测的信息是否及时、可靠、全面直接影响到 实施公交信号优先对整个交叉口或者整个优先区域的控制效果。 根据信息的覆盖范围以及所采用的技术，将公交检测系统分为以下5 类，并 对各检测系统技术和应用的优缺点进行分析。 2 4 1 基于感应线圈的公交检测系统 该系统由三部分组成：异频雷达发射装置、感应线圈( 分为“检入 检测器 和“检出 检测器) 、接收装置。 异频雷达发射装置一般安装在公交车或应急车辆的车身底部，当它通过安装 在路面的环形线圈时，环形线圈感应到由异频雷达发射装置发射出的磁场，并将 检测到的公交信息通过通信网络传送到公交信息接收装置，该接收装置一般安装 在路口的信号控制器里面。根据公交信号优先的实施是基于中心控制的还是场地 控制的，接收装置接收的公交信息通过控制器传送到控制中心，由控制中心决定 是否对该车辆实施公交优先以及何时提供公交优先信号，或者直接送到信号控制 器里的逻辑控制单元，由该单元进行逻辑判断，并进行公交信号优先决策。 感应线圈根据其安装的位置可分为“检入”检测器和“检出 检测器。“检入 检测器的作用是告知控制器公交车辆到达，为信号控制逻辑进行交叉口的信号优 化、调整提供时间。“检出”检测器的作用是告知控制器公交车辆已离开交叉口， 信号控制器可以切断对公交车辆的优先信号，恢复到正常的信号配时方案【5 0 1 。 由于线圈检测器的技术成熟、检测精度高，广大交通工程师对线圈检测器的 操作、维护比较熟悉。因而该系统广泛应用于公交信号优先检测系统中。但是该 系统还是无法克服线圈检测器固有的缺点，即：安装过程对可靠性和寿命影响很 大；修理或安装需中断交通；影响路面寿命；易被重型车辆、路面修理等损坏 s h 。 这些情况都可能造成检测数据失真，从而影响信号优先系统的实施。这类产品的 主要代表为i d cl o o p c o m m ，该产品的优点是不依赖光线或视距，但该产品只能检 测和识别车辆的存在，无法传递车辆的状态信息。 基于感应线圈的检测系统只能提供公交车辆到达或离开交叉口的信息，在无 条件信号优先下，系统具有广泛的适用性。如果系统要提供更先进的信号优先控 制策略及算法，需要结合先进的检测系统才能获取到更全面的公交信息。同时， 1 3 硕士学位论文第二章公交优先信号控制基本理论 由于感应线圈自身的特性，若该检测系统应用于具有公交专用进口道的交叉口， 能够有效提高系统得可靠性和有效性。 2 4 2 基于光学的公交检测系统 该系统由三部分组成：红外发射装置、红外接收装置、相位选择器。 红外发射装置安装在公交车辆上，一般安装在公交车辆项部，该装置可由公 交车辆驾驶员激发，或由其他的自动装置激发，一旦激发，该装置向检测器( 即 红外接收装置) 发射红外信号。而红外接收装置安装在