（交通运输规划与管理专业论文）快速公交BRT对信号控制交叉口影响仿真研究.pdf

中文摘要 摘要：快速公交( b l 玎) 车辆在交叉口的信号优先是其快速、准点的可靠保障。如 果不在道路交叉口信号控制策略中体现公交优先，即使有b r t 专用道路，其运营 节省的时间也十分有限，然而信号优先必然影响到整个交叉口的运行效率。因此 研究b r t 信号优先对交叉口的影响就显得十分必要。 b r t 交叉口主动信号优先方式一般分为两种：绿灯延长和红灯早断。本文主 要立足于单个交叉口，基于元胞自动机模型对快速公交信号优先的红灯早断和绿 灯延长优先控制策略进行仿真研究，探讨b r t 信号优先对交叉口交通运行特性的 影响。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 回顾了国内外关于b r t 信号优先的研究成果，进而分析了绿灯延长和红 灯早断两种b r t 交叉口信号优先策略。在介绍经典元胞自动机模型的基础上，构 建了绿灯延长和红灯早断两种b r t 交叉口信号优先的元胞自动机仿真模型，从而 为后续仿真奠定基础。 ( 2 ) 构建了b r t 信号优先对交叉口影响的评价指标。为了全面有效地评价 b r t 信号优先对交叉口的影响，分别从交通流特性和交叉口交通运行特性建立了 评价指标，并重点阐述了指标在仿真中的实现方法。交通流特性评价指标由车辆 密度、平均车速和流量三个指标组成；交叉口交通运行特性评价指标由车均延误、 平均排队长度和平均停车次数组成。 ( 3 ) 基于调查数据，对北京市快速公交l 号线的和义农场站交叉口信号优先 进行了仿真。首先，利用交叉口现状信号数据对仿真模型进行了参数标定和模型 校核；然后，基于调查数据分别对绿灯延长、红灯早断信号优先以及绿灯延长和 红灯早断组合三种信号优先策略进行了模拟；最后，对不同的模拟情景，从交通 流特性和交通运行特性两个方面的相关评价指标分析了b r t 对信号交叉口的影 响，并得出了相应结论。 下一步的研究，将基于元胞自动机模型就b r t 系统实施交叉口联控、b r t 系 统停靠站对交叉口的影响、b r t 信号分配方式等方面进行仿真研究。 关键词：快速公交；信号优先；交通仿真；交通流；元胞自动机 分类号：u 4 9 1 j 匕塞交道叁堂亟堂位i 金塞昌竖丛盟 a b s t ra c t a b s t r a c t ：t h eb r ts i g n a lp r i o r i t yc a nr a i s et h es p e e do fb r ti nt h ei n t e r s e c t i o n t h es a v et i m eo fb r ti sv e r yl i m i t e dw i t h o u ts i g n a lp r i o r i t yi nt h ei n t e r s e c t i o n ，e v e n t h e r ea r eb r t s p e c i a ll a n e s b u t ，t h ew h o l et r a f f i cs i t u a t i o nw i l lc h a n g ew i lt h eb r t s i g n a lp r i o r i t y s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ee f f e c t so fb r ts i g n a lp r i o r i t yi nt h e i n t e r s e c t i o n t h e r ea let w of u n d a m e n t a lb r ta c t i v es i g n a lp r i o r i t ys t r a t e g i e s ( e a r l yg r e e na n d e x t e n d e d 伊e e n ) w eh a v es t u d i e dt h ee f f e c t so fb r ts i g n a lp r i o r i t yi nt h ei n t e r s e c t i o n t h r o u g ht r a f f i cs i m u l a t i o n t h em a i n l ya s p e c t si n c l u d i n ga r ea sf o l l o w s ( 1 ) r e v i e wt h er e s e a r c ho ft h eb r ts i g n a lp r i o r i t ys t r a t e g i e sa th o m ea n da b r o a d ， a n da n a l y z et h eb r ts i g n a lp r i o r i t yo fe a r l yg r e e na n de x t e n d e dg r e e nd e e p l y t h e t r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e li sb a s e do nt h ec e l l u l a ra u t o m a t a ( 2 ) e s t a b l i s ht h er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n c ea n de f f e c t i v ec r i t e r i o n so fb r ti nt h e i n t e r s e c t i o n t h r o u g ha n a l y z i n g t h e r e l a t i o n s h i p o ft h e e v a l u a t i n g c r i t e r i o n sa t i n t e r s e c t i o n ，a n df o c u s e so nt h er e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o nm e t h o d s t h ec r i t e r i o n s s y s t e mi n c l u d e st r a f f i cf l o wa n dt r a f f i cr u n n i n g t h et r a f f i cf l o wc r i t e r i o n si n c l u d e v e h i c l ed e n s i t y , a v e r a g es p e e da n dt r a f f i cf l o w t h et r a f f i cr u n n i n gc r i t e r i o n si n c l u d e a v e r a g ed e l a y , a v e r a g eq u e u el e n g t ha n da v e r a g ep a r k i n gf r e q u e n c y ( 3 ) s i m u l a t et h es i g n a lo ft h eh e y i n o n g c h a n gs t o po nt h en o 1o fb r ti nb e i j i n g b a s e do nt h es u r v e yd a t a f i r s t l y , f i xt h ep a r a m e t e r so ft h es i m u l a t i o nm o d e l s e c o n d l y , s i m u l a t et h eb r t s i g n a lp r i o r i t ys t r a t e g i e sf r o mt h r e es i t u a t i o n s t h e ya r ee a r l yg r e e n ， e x t e n d e dg r e e na n db o t h f i n a l l y , a n a l y z et h ed i f f e r e n ti m p a c t sa n d g e tt h ec o n c l u s i o n s t h en e x ts t u d yw i l lb em o r ed e e p l yi n c l u d i n gb r t s i g n a ls y s t e mc o n t r o li nt h e i n t e r s e c t i o n ，t h ee f f e c t so fb r ts t o p sa n ds i g n a ld i s t r i b u t i o np a t t e r n sb a s e do nt h e c e l l u l a ra u t o m a t a k e y w o r d s ：b r t ；s 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 ；t r a f f i cf l o w ；c e l l u l a ra u t o m a t a c l a s s n o ：u 4 9 1 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 5 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：o 鬈翌码 签字日期：2 w 侔f j - f i 导师签名： 彬彩 签字日期：文习年彭月日 签字醐议7 钏用佣 致谢 值此论文完成之际，谨向我的恩师杨肇夏教授致以最真诚的敬意与最衷心的 感谢! 感谢杨老师两年来对我的悉心指导和热情帮助! 在论文的研究过程中，杨 老师倾注了大量心血，从选题、写作、修改到最后定稿都给予了我独到的见解和 清晰的思路，让我深刻体会到科学研究的艰辛和魅力。另外，要感谢我的第二导 师孙全欣教授，研究生两年的学习中，孙老师不仅教给我做学问的方法，也教给 了我做人的道理，对我以后的成长、发展起着重要的影响。孙老师严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助，我将永远牢记孙老师的谆谆教导，在以 后的工作学习中一丝不苟、勤奋上进。 特别感谢毛保华教授在学习和生活上对我莫大的支持和帮助，两年来在毛老 师、孙老师团队项目研究中，是毛老师、孙老师引导我进入科研，并不断有所进 步。感谢杨静、陈振起、黄荣、高利平、刘明君、柏赞、杨玲玲、杨远舟、谢美 全等师兄师姐对我的帮助和鼓励，特别要感谢杨远舟师兄，在论文的写作过程中， 通过交流和探讨给了我很多非常中肯的意见。感谢李学东、张政、田照丰、梁肖、 柴茜、李倩、李彦陶，他们既是我的同学也是我的朋友，在共同的学习生活中， 给了我很多欢乐，一起走过的日子留下了很多美好的回忆，成长中有你们的陪伴 是我今生最大的幸福。感谢黄宇、李金海、张笑杰、李昂、马琳、钱垫、李枭、 张增勇、王冬博等众师弟、师妹，你们的青春活力让我感动，感谢你们在学习和 生活中的交流以及在项目中的合作! 本文是在北京交通大学城市交通复杂系统理论与技术教育部重点实验室完成 的，研究过程中得到了国家9 7 3 计划项目课题( 2 0 0 6 c b 7 0 5 5 0 7 ) 、国家自然科学基 金项目( 7 0 5 7 1 0 0 5 ，7 0 6 3 1 0 0 1 ) 和北京市科委项目( d 0 7 0 2 0 6 0 1 4 0 0 7 0 2 ) 的资助。作者 在此表示忠心感谢。 在此，还要感谢贾斌、李克平老师，课堂上他们的精心授业让我受益匪浅， 在论文建模仿真过程中我深深体会到了把知识学扎实的重要性。 特别感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。 1 绪论 1 1 背景及意义 随着世界各国城市化进程的加速，城市交通问题已经成为当今世界上许多城 市所面临的难题之一。各国专家学者纷纷献计献策，来应对这世界难题。快速公 交( b l 玎) 这一被称为“轨道式公共交通”的形式作为成功的解决方案，在国际许多 大城市中得到了快速发展。中国作为世界上人口最多的发展中国家，三十年改革 开放的发展使国内很多城市也遇到了交通问题，尤其作为首都的北京其交通拥堵 状况更加严重。借鉴国外的成功经验，大力发展公共交通、公交优先逐渐为国内 专家学者所重视，成为解决城市交通问题的共识。作为大容量公交系统的b r t ， 近年来在我国很多城市如雨后春笋般纷纷兴起。我国已建、在建、拟建b r t 线路 的城市有北京、杭州、昆明、合肥、济南、深圳、大连、常州、厦门、西安、重 庆、广州、天津、郑州、青岛、沈阳、武汉、上海、南京、苏州、福州、太原、 海口等。“十一五”期间，全国相关城市建设b r t 的线路总长预计为5 0 0 公里， 在2 0 1 5 年内预计将发展到1 0 0 0 公里【l 】。 公交优先的概念应包括两方面的含义，即：对公交在通行空间和时间上给予 优先。所谓空间优先，是通过设立公交专用道路或各类专用进口道加以实现；时 问优先则体现在公交优先信号控制上。快速公交系统是一种新型的公共交通发展 模式，其目标在于提高公共交通的服务水平，实现大批量、高效率的运载乘客。 而要实现这一目标，尽量减少快速公交车辆在交叉口的延误、节省行程时间非常 重要【2 1 。如果不在交通信号管理中配以相应的优先控制策略，则公交专用道的作用 不会得到充分发挥。统计数据表明，如果不在道路交叉路口信号控制策略中体现 公交优先，即使有公交专用道路，公交车运营节省的时间也十分有限( 统计数字 表明仅节省5 l o 左右) 1 3 1 。 公交延误最主要为路段延误与交叉口延误，作为拥有专用路权的b r t 系统， 路段延误很小，主要受交叉口延误影响。因此，研究其在交叉口的延误具有十分 重要的意义。公共交通信号优先策略的目的是减少公交车辆在信号交叉口的延误， 这种考虑的根本原因在于城市公共交通具有客运量大、相对投资小、占有资源少、 效率高、污染相对较少、人均占有道路少等优点。如果交叉口的延误用经过交叉 口的全部出行者的总延误来表示，那么一辆满载乘客的公共汽车在交叉口3 0 s 的延 误和一辆小轿车在交叉口3 0 s 的延误是不等价的【孤。因此，让公共交通在交叉口具 有优先权，将会极大地减小交叉口的总人均延误。 b r t 系统研究的几个重点领域包括专用b r t 车道的设置、交叉口如何给予 b r t 车辆信号优先及其停靠站和智能收费问题。其中，交叉口如何给予b r t 车辆 信号优先是充分发挥b r t 效率的关键，也是现实中亟需解决的问题。这是因为在 城市道路中不可避免的会遇到各种各样信号控制的交叉路口。目前很多专家学者 在这方面作了积极的探索，如提出交叉路口公交预信号及其信号优先方案等，但 从根本上来说，主要是绿灯延长和红灯早断的思想。研究清楚这两种b r t 信号优 先方式的机理和作用对于采取相关策略将有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前，国外的许多学者已经对b r t 系统的实施运营做出了大量切实可行的研 究。一直致力于快速公交系统开发的美国联邦交通部公共交通署( f t a ) 制定了快 速公交系统项目的评价标准如表1 1 所示【4 1 。 表1 1 快速公交系统的评价指标体系 评价标准指标 出行时间平均每次出行总时间( 分钟) 准点平均每次出行时间耽误( 分钟) 乘客数( 定量)平均每辆公车每次出行的乘客数 出行者交通工具的换转， 乘客数( 定性) 乘客的社会经济特征 沿线交通情况汽车数量和行驶速度 横向交通情况 横向车辆在交叉口的停车时间 空气污染污染排放量 土地使用及城市设计车站周围的用地特征 公交系统形象公众对b r t 的认知 成本系统成本，各组成部分的成本 每分钟节省时间的效益， 投资效益 每个新增乘客的效益 德国的g t z 在“p l a n n i n gg u i d e ：b u sr a p i dt r a n s i t ”中对德国b r t 系统的定义、 2 选择因素、项目规划等各个方面进行了详细的探讨【4 1 。 此外，其他一些国家和城市，例如巴西的库里蒂巴、澳大利亚的悉尼、法国 的罗恩等等都对b r t 的实施进行了一系列的研究，为b r t 的发展提供了理论和技 术支撑。 1 2 2 国内研究现状 b r t 在信号交叉口的优先策略，引起了国内大量学者的关注。目前，研究方 法主要是数学解析和仿真。 利用数学解析的方法，刘启强在假设信号控制交叉口b r t 车辆信号优先策略 为主动优先信号控制、交叉口进口道b r t 车辆不受公交车停靠站的影响和每辆 b r t 车辆在交叉口具有同等优先通行权的前提下，以主动优先中的绿灯延长为研 究对象分别导出了设置b r t 信号优先后的b r t 车辆和社会车辆的延误解析式，并 给出了没有二次排队现象的计算实例【5 】。吉林大学的刘红红详细阐述了实施公共交 通信号优先的硬件系统和具体的实现策略，并将公交优先作为信号控制的一个函 数，给出了交叉口公共交通优先策略的实时最小绿灯持续时间估计p j 。他们建立的 基本解析式主要是利用国外的研究成果，相关参数并没有经过国内交通状况的检 验。 因为公交信号优先数学解析十分复杂，目前，更多的学者试图用仿真的手段 对信号优先进行研究，取得了丰厚的成果。李盛春和孔令江等采用改进的n a s c h 模型分析了智能交通灯对于十字交叉路口的交通流的影响，研究表明主干道车辆 较多时，智能交通灯控制下的主干道车辆平均速度和流量都比普通交通灯控制下 高，并可减少车辆的无谓等待时间 6 1 。彭麟和谭惠丽等采用多速元胞自动机交通流 模型，研究了主干道中车站的设置、交通灯绿信比对车流量和车流速度的影响【7 。 梅超群和黄海军等利用非线性映射模型，系统地刻画了信号灯和公交车站对t 形 路口交通流的影响，研究表明，路段出现的串现象，其斜率和宽度可再现流量的 大小，流量与信号灯周期、绿信比和车站位置之间存在一定的依赖关烈引。张昆构 造了一个简单的单车道十字路口，利用元胞自动机模型对采用普通信号灯控制的 通行规则效用进行了研列9 】。广州市交通规划研究所的伍建国通过对城市交叉口的 路口环境及车流到达、排队、跟驰、冲突、拐弯、驶离等各种运行状态的分析， 建立了城市交叉口路口形状、信号控制方法及车辆各种运行规律的数学模型，并 基于此模型对仿真系统进行了开剔旧】。 由于交通系统的复杂性和随机性，相对于数学解析，仿真更容易得到接近现 实的结果。随着仿真研究的日趋完善，其在交通研究和规划管理当中受到越来越 3 多的关注。道路交通仿真分为宏观仿真和微观仿真两大类。所谓宏观仿真是用描 述交通运行宏观规律的参数来设计模型进行仿真，而微观仿真则是用描述交通运 行微观规律的参数来设计模型进行仿真【1 0 1 。由于b r t 信号交叉口的实际运行情况 较复杂，对其仿真应以微观为主，这样更符合实际的交通状况。 1 3 本文的工作 1 3 1 研究的主要内容 本文在借鉴国内外已有研究成果的基础上，针对b r t 信号优先对交叉口影响 的相关问题进行了仿真研究，整个仿真过程在m a t l a b 软件上实现。论文着重构建 b r t 信号优先的元胞自动机模型，并建立了相应的评价指标，分五章对上述研究 工作进行详细论述。 第一章回顾国内外关于b r t 信号优先的研究成果，提出研究思路和方法。 第二章详细介绍b r t 交叉口信号优先的方式、基于元胞自动机的交叉口仿真 模型和点样本法。点样本法调查主要用于仿真模型参数的标定和仿真结果的校验。 第三章给出b r t 对信号控制交叉口影响的仿真评价指标，分交通流评价指标 和交叉口交通运行评价指标两部分进行介绍，并给出了计算机仿真实现方法。 第四章结合北京市快速公交1 号线的和义农场站交叉口的实际调研成果，对 现状信号进行了仿真。并在现状基础上，通过设置不同的b r t 信号优先方式，来 分析b r t 单独采用绿灯延长信号优先、单独采用红灯早断信号优先及两者同时采 用这三种信号优先策略，交通流和交叉口交通运行评价指标的变化情况。 第五章给出结论和展望。 1 3 2 研究技术路线及结构安排 本文的重点是在元胞自动机模型的基础上建立信号交叉口仿真模型，通过 m a t l a b 仿真研究b r t 信号优先对信号控制交叉口的影响。全文各章节的具体结构 关系如图1 1 所示。 4 图1 1 论文结构框图 f i g 1 1s t r u c t u r eo ft h i sp a p e r 5 2b r t 对信号控制交叉口影响仿真模型 2 1b r t 交叉口信号优先 公交信号优先控制策略大体分为3 类：被动优先、主动优先和实时优先【l l j 3 1 。 在信号主动优先中主要有：在b r t 车辆中间的门上安装一个异频雷达收发机 ( t r a n s p o n d e r s ) ，结合车辆自动定位( a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n ) 技术预测b r t 车辆通过交叉口停车线时刻，估算其抵达前方b r t 车站所需时间，公共汽车向交 叉口的信号机提出信号优先请求提供信号优先服务；在车辆上安装传感器后，车 辆可以通过移动通信技术可靠地向数据接收存储设备报告其位置、速度和其他信 息。这样在采用交通信号控制的地方感应线圈检测器可以省掉，等待排队的车辆 可以把它们的位置信息直接传输给信号控制系统【1 4 1 。 b r t 信号优先控制系统的结构如图2 1 所示【l 5 1 。 图2 1b r t 信号优先控制系统 f i g 2 1t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eb r ts i g n a lp o r i 够 b r t 信号控制技术方案： ( 1 ) 基本控制方案 用专门的公交车辆检测器作为大容量公交车的检测设备，采用监控系统下的 公交信号优先模式或系统控制下的公交信号优先模式，实现全线路、全时段的信 号优先控制。 ( 2 ) 公交检测器定位 交叉口进口附近无公交车站时，检测器设定在进口方向距离路口停车线1 5 0 6 米处。交叉口进口附近有公交车站时，检测器设定在公交站前方1 0 米处。 ( 3 ) 公交检测器选型 组合使用感应线圈检测器、无线识别检测器以及驾驶员操作装置。采用招标 方式选择检测器设备。 ( 4 ) 信号系统和信号机选型 选用现有信号系统及其配置t 型机或新建信号系统及其配套机型【l5 1 。 在实际操作过程中，往往都是对几个交叉口的交通信号进行联合控制，保证 车辆能够实现线控。因此，在对b r t 系统进行信号优先控制与设计时，应保持各 个交叉口之间交通控制信号的协调，几个交叉口的信号周期配置一般是统一的， 为了不破坏路网的一致性，交叉口的信号周期一般应是固定的。b r t 交叉口主动 信号优先方式一般分为两种：绿灯延长和红灯早断。 2 1 1 绿灯延长 假设交叉口入口公交车辆检测器所处的位置距离路口停车线米，b r t 车辆 在该路段行驶的车速为v 米秒，则b r t 车辆到达交叉口所需时间为叫1 ，秒。 当b r t 车辆到达入口检测器处时，行进方向为绿灯。在该信号周期内，b r t 车辆到达入口检测器处时该方向的绿灯剩余时间为g 秒。 ( 1 ) 当g 。z v 时，b r t 车辆可以直接通过该交叉口。 ( 2 ) 当g z , 1 ，时，考虑是否对该相位的信号灯红灯时间早断，给出红灯最 大早断时间为a t 秒。 当，一a r 叫，时，该信号周期红灯早断，一叫v 秒，b r t 车辆通过交叉口， 否则监控中心给驾驶员发出信号，停车等候【4 】。 7 2 2 元胞自动机 近年来，道路交通流模型受到很多学者的关注，其中包括车辆跟驰模型、元 胞自动机模型，交通流连续模型等。特别是上个世纪9 0 年代以来，计算机技术的 迅猛发展使元胞自动机模型广泛应用于交通流的模拟。在交通流理论研究中，最 简单的元胞自动机模型是w o l f r a m 在1 9 8 3 年提出的1 8 4 号模型，1 9 9 2 年n a g e l 和 s c h r e c k e n b e r g 将1 8 4 号模型推广到考虑随机慢化影响的更一般情况，提出著名的 n s 模型。n s 模型的规则虽然简单，但是可以模拟出一些实际交通现象，该模型 为元胞自动机的应用与发展打下了坚实的基础【l6 1 。 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t o n ，简称c a ) 交通流模型采用离散的时空和状 态变量规定车辆运动的演化规则，通过大量的样本平均来揭示交通规律。由于交 通元素从本质上来说是离散的，用元胞自动机理论来研究交通，就避免了离散连 续离散的近似过程，因此有其独特的优越性。 在元胞自动机交通流模型中，道路被划分为等距格子，每个格点表示一个元 胞。在某个时刻，元胞或者是空的，或者被一辆车占据。在t 专t + l 的时间步里， 根据给定的规则对系统的状态进行更新。元胞自动机模型的计算效率要优于车辆 跟驰模型，它适用于在线仿真模拟。这是因为：( 1 ) 每个元胞只有有限个状态；( 2 ) 离散的时空和状态参量都是整数，而整数运算要优于浮点数运算；( 3 ) 其更新的 时间步长( 一般采用1 秒) 大于车辆跟驰模型计算时间步长( 一般在0 1 秒左右) ； ( 4 ) 绝大多数元胞自动机模型使用并行更新规则【l 。7 1 。 与其他模型相比，元胞自动机模型在保留交通流这一复杂系统的非线性行为 和其它物理特征的同时，更易于在计算机上进行操作，并能灵活地修改其规则以 适应各种真实交通条件【埔】。 本文所采用的元胞自动机模型为v d r ( v e l o c i t y - d e p e n d e n t r a n d o m i z a t i o n ) 模 型，即依赖于速度的随机慢化模型。在经典的n s 模型基础上，需要添加一条规则 来确定随机慢化概率。 f l a g 为一个标示变量，用于区分哪些车辆遵循慢启动规贝t ( f l a g = 1 ) ，哪些车 辆不遵循慢启动规贝j j ( f l a g = o ) 。在每次更新前首先确定f l a g 的取值： i f 巧，j ( f ) = 0 f l a g = 1 e l s e i f 巧，f ( f ) 0 f l a g = 0 其中，y ，( f ) 表示歹车道上第i 辆车在t 时刻的速度。 车辆的运行规则如下： 8 1 ) 加速， y 埘( f + 1 ) = m i n ( v j ，j ( f ) + l ，) ； 对应于现实中司机期望以最大速度行驶的特性。 2 ) 减速，f ( f + 1 ) = m i n ( v j j o + 1 ) ，g a p ，j ( f ) ) ； 对应于驾驶员为了避免和前车发生碰撞而采取减速的措施。 3 ) 随机慢化， i f f l a g = 1 y “( f + 1 ) = m a x ( v j ，f ( f + 1 ) 一1 , 0 ) ，以概率风 e l s e i f f l a g = 0 f ( f + 1 ) = m a x ( v j 。f ( f + 1 ) 一1 , 0 ) ，以概率p 由各种不确定因素( 如路面状况不好、驾驶员的不同心态等等) 造成的车辆减 速。p o p ，p o 对应于遵循慢启动规则的车辆，p 对应于不遵循慢启动规则的车 辆。 4 ) 运动， x ，f ( f + 1 ) = x j , i o ) + 巧，o + 1 ) 对应于车辆按照调整后的速度向前行驶。 以上各式中，x j , i ( f ) ，一。；( f ) 分别表示j 车道上第f 辆车在t 时刻的位置和速度； g a p ( f ) = x + l ( f ) 一x ( f ) 一，车表示歹车道上第i 辆车在f 时刻与前车f + 1 的间距， 即两车之间的空元胞格数，红表示车辆长度。 慢启动规则的引入不仅可以模拟出亚稳态和回滞现象，而且在高密度区还可 以模拟出相分离的现象。信号控制交叉口的车辆受信号影响，不停地停车、启动， 慢启动规则正好可以反映这一信号影响，对于模拟b r t 信号交叉口更贴近实际【1 8 】。 2 3 信号控制交叉口模型 信号控制交叉口模型主要由车辆运行、信号控制和红灯停车处理三个模块组 成。它们在仿真运行过程中的相互关系如图2 2 。车辆运行模块用来控制系统中车 辆正常的行驶，包括加速、减速、随机慢化和运行四个阶段。信号控制模块用来 控制交叉口信号变化，由于对b r t 实行信号优先，在检测到b r t 到来时，如果满 足信号优先条件就需要改变本周期相关相位，这是本文研究的重点。红灯停车处 理是车辆运行与信号控制的纽带，当车辆运行遇到绿灯信号时，只进行车辆运行 模块；当遇到红灯信号时，不仅要进行车辆运行模块，而且需要对行驶到进口停 车线的车辆进行停车处理。 9 图2 2 仿真程序示意图 f i g 。2 2t h ed r a w i n go ft h ee m u l a t i o np r o g r a m ( 一) 车辆运行 车辆的运行规则如下： 1 ) 加速，巧，f o + 1 ) = m i n ( v j j ( f ) + l ，) ； 2 ) 减速，巧f o + 1 ) = m i n ( v j ，j ( f + 1 ) ，g a p j a ( f ) ) ； 3 ) 随机慢化， i f f l a g = l ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 巧，fo + 1 ) = m a x ( v j ，j ( f + 1 ) 一1 , 0 ) ，以概率p o e l s e i f f l a g = 0 巧，fo + 1 ) = m a x ( v j 。i o + 1 ) 一1 ，o ) ，以概率p ( 2 - 3 ) 其中，p o p ，p o 对应于遵循慢启动规则的车辆，p 对应于不遵循慢启动规 则的车辆。 4 ) 运动， x j a ( f + 1 ) = x i a o ) + 匕。f ( f + 1 ) ( 2 - 4 ) 以上各式中，x j a ( f ) ，巧，( f ) 分别表示_ ，车道上第f 辆车在f 时刻的位置和速度； g a p 川( f ) = x + l ( f ) 一x ( f ) 一表示歹车道上第f 辆车在t 时刻与前车i + 1 的间距， 即两车之间的空元胞格数，k 表示车辆长度。 f l a g 为一个标示变量，用于区分哪些车辆遵循慢启动规贝j j ( f l a g = 1 ) ，哪些车 辆不遵循慢启动规贝1 ( f l a g = 0 ) 。在每次更新前首先确定f l a g 的取值： l o i f ，f ( f ) = 0 f l a g = 1 e l s e i f ，f ( f ) 0 f l a g = 0 ( 2 - 5 ) ( 二) 信号控制 信号周期由r 个时步组成，g r e e n ，和r e d ，分别表示j f 车道信号周期的绿灯时 长和红灯时长，即t = g r e e n ，+ r e d ，。x 研j 表示b r t 车道交叉口进口停车线位置， 入口检测器所处的位置为x 铆，即两者的距离为l = x 研。，一x 砌f o 1 ) 绿灯延长控制措施 当b r t 车道第f 辆车在t 时刻到达入口检测器处时信号为绿灯，即 s i g 刀b n ( t ) = g r e e n ，计算该方向的绿灯剩余时间为g ，g 表示最大允许绿灯延长 时间。 i f g 。 影，f ( f ) a n d ，一纠j ( f ) a r r e d j = r e d j 一( ，一l f o ) ) ( 2 8 ) e l s e 正常信号 b r t 车道双向设置，因此会遇到两条b r t 车道同时需要采取红灯早断信号优 先的情况。假设两条b r t 车道分别标记为b r t l 和b r t 2 ，检测器到交叉口的距离 同为。在t 时刻，b r t i 车道第m 辆车到达入口检测器处经计算红灯早断时间为 ，一叫l 辨( f ) ，b r t 2 车道第n 辆车到达入e l 检测器处经计算红灯早断时间为 ，一：。( f ) ，它q n 时满足不大于最大允许红灯早断时间a r ，则本周期红灯信 号调整为 r e d ，= r e d 一m a x r 一叫圪孵l 。( f ) ，厂一叫町2 ，。( f ) 】 ( 2 9 ) 同时，绿灯信号相应调整为 g r e e n = t r e d ， ( 三) 红灯停车处理 车辆运行到交叉口遇到红灯时，需要停车等待。 i f s i g n 歹o + 1 ) = r e da n d x j j ( f + 1 ) 一j a n d x j j o ) 厶谢，那么这辆车将从道路的另一端进入系统， 变为道路上的尾车，并且x ，m r ( t ) = x j , 删( f ) 一删，巧细( f ) = 巧删( f ) 。这里， x j ，翮( f ) ，x _ ，姗( f ) ，删( f ) ，巧，蛔( f ) 分别表示f 时刻车道歹上头车和尾车的位置 与速度，厶刎表示路长。 ( b ) 开口边界条件：假设道路最左边的元胞对应于x = l ，并且道路的入口 端包含个元胞，也就是说，车辆可以从元胞( 1 ，2 ，) 进入到道路中。 在t 时刻道路上的车辆更新完成后，监测j 车道上的头车和尾车的位置x ，删( f ) 和 x j 细( f ) 。如果x ，蛔( f ) ，则一辆速度为的车将以概率口进入元胞 m i n x j ，妇( t ) 一，】。在道路的出口处，如果x ，删( f ) 三删，那么道路上的 头车以概率驶出路段，而紧跟其后的第二辆车成为新的头车【1 9 1 。 1 2 2 4 点样本法 交叉口延误的调查方法主要有点样本法和抽样追踪法两种，点样本法的容错 性较好【2 0 1 。因此，本文用点样本法获取实际数据，将调研结果作为模型参数标定 的依据，并验证仿真结果的真实性。 点样本法最早由美国加利福尼亚大学伯克利分校提出，方法简单，且不需要 专门仪器，因此被广泛用于交叉口的停车延误调型2 1 1 。 ( 一) 调查时间 交叉口延误调查应在天气良好、交通正常的条件下进行，一般均选择在高峰 时段进行延误调查。 ( 二) 样本容量 在进行引道延误调查时，需要调查的最少车辆数按下式确定： n ( s k l 3 2 式中，s 为引道延误的估计样本标准差，通常取1 0 2 0 s ；e 为引道延误的容 许误差，根据要求的精度，通常取2 5 s ；k 相应于要求的置信度的常数。对于典 型情况，置信度取9 5 ，足为1 9 6 。 所取样本量不少于3 0 v e h 。经验表明，观测6 0 v e h 可获得满意的结果。 ( 三) 调查方法 点样本法就是观测在连续时间间隔内交叉口入口引道上停车的车辆数，进而 得到车辆在交叉口入口引道上的排队时间( 停车时间) 。交叉口每一引道需要3 4 名观测员，其中1 人为报时员按照预先规定的时间间隔通知其它观测员。预选时 间间隔一般取1 5 s ，根据引道交通量大小，可取5 s 、1 0 s 等。对于定周期信号交 叉口，选择观测时间问隔应避免能被信号周期长整除而使数据抽样失去随机性。 同时调查启动时间应避开周期开始时间。1 名观测员负责清点停在停车线后的车辆 数，每到1 个预定的间隔时刻就要清点1 次。1 名观测员负责清点经过停车通过停 车线的车辆数( 停驶车辆数) 和不经过停车通过停车线的车辆数( 未停驶车辆数) 。 当引道交通量较大时，可由两个观测员分别清点，每分钟一小计。 ( 四) 调查结果分析 交叉口延误调查结果，通常提供以下指标成果： 总延误= 总停车数观测时间间隔( v e h s ) 每一停驶车辆的平均延误= 总延误停驶车辆总数( s ) 交叉口入口引道上每辆车的平均延误= 总延误引道总交通量( s ) 其中，总停车数为各间隔时刻停在入口引道上的车辆数之和。原则上该值应 大于或等于停驶车辆数之和【2 2 1 。 1 3 2 5 小结 作为理论基础部分，本章首先详细介绍了b r t 交叉口信号优先控制策略，重 点介绍了b r t 主动信号优先中的绿灯延长和红灯早断这两种控制策略。其次，介 绍了元胞自动机理论及其经典模型。再次，基于v d r 模型构建了信号控制交叉口 模型，重点给出了各模块在仿真中的实现方法。最后介绍了点样本法，作为常用 的延误调研方法，其结果将作为后续模型参数标定的依据，进而验证和校核仿真 模型，详细参数标定将在第四章中介绍。 1 4 3b r t 对信号控制交叉口影响仿真评价 计算机仿真技术可以动态、直观、逼真地模拟交叉口交通运行的各种交通现 象，分析交通流各要素之间的交通特性，仿真交叉口交通运行。为了反映仿真系 统模拟的准确性和控制结果的有效性，需要选取合适的仿真评价指标1 2 引。本节旨 在针对信号控制交叉口计算机仿真系统，分析b r t 对信号控制交叉口影响的评价 指标，建立有效的评价指标体系，并提出在m a t l a b 编程中评价指标的具体实现原 理和计算方法。 3 1 交通流特性评价指标 选取交通流的三个常用变量作为本文的基本评价指标。包括车辆密度、平均速 度和流量。 ( 1 ) 车辆密度 定义t 时刻第，条车道的车辆密度为 户，( f ) = n j ( f ) 三删， ( 3 1 ) 式中，n j ( t ) 表示f 时刻第条车道上的车辆总数，三删，表示车道的总长。 在计算机仿真模拟中，t 时刻_ ，车道的车辆总数n j ( t ) 是一个基本变量，因此 在每一时刻可以按定义直接获取。演化时步取5 0 0 0 0 步长，从3 0 0 0 0 步开始取数 据进行统计，即对后f = 2 0 0 0 0 步长内的值作统计平均。即 夕，= l d z i p j ( t ) ( 3 2 ) ( 2 ) 平均速度 定义t 时刻第，条车道的车辆平均速度为 v j ( t ) = ( 1 m ( f ) ) 篓“巧( f ) ( 3 3 ) 式中，( f ) 表示t 时刻第歹条车道上的车辆总数，匕，( f ) 表示t 时刻车道，上第 f 辆车的速度。 在计算机仿真模拟中，t 时刻车道的车辆总数以) 和该车道第f 辆车的速度 ；( f ) 是一个基本变量，因此在每一时刻可以按定义直接获取。演化时步取5 0 0 0 0 步长，从3 0 0 0 0 步开始取数据进行统计，即对后f = 2 0 0 0 0 步长内的值作统计平均。 v j = l r z i v j ( t ) ( 3 - 4 ) ( 3 ) 流量 定义t 时刻第j 条车道的流量( f ) = p ，( f ) y ( f ) ( 3 - 5 ) 1 5 在计算机仿真模拟中，车辆密度和平均速度可以由以上分析得到，流量值也就 相应给出。演化时步取5 0 0 0 0 步长，从3 0 0 0 0 步开始取数据进行统计，即对后 f = 2 0 0 0 0 步长内的值作统计平均。 一= i l , - x 嚣f j ( t ) ( 3 6 ) 以上仿真结果，均采用开放性边界条件，为了消除随机性影响，每次取3 0 个 样本的平均值。 3 2 交叉口交通运行特性评价指标 交叉口交通运行特性评价指标应反映本文研究问题多方面的综合。因为在城 市交通网络中，延误是间断交通流的一个关键运行性能指标，是车辆在通过交叉 口的过程中所造成的时间损失，它不仅反映了交叉口的通畅状况，也反映了交叉 口的服务水平，是所有指标中最重要的指标【2 4 】。排队长度是所有指标中最能形象、 直观地反映交叉口拥堵情况的数据，故采用。停车次数也是延误方面的指标，由 于停车次数是体现交叉口交通运行效果的指标，并且仿真系统对此指标也能较准 确实现，故采用【2 5 1 。 因此，选用的交叉口交通运行特性评价指标为车均延误、平均排队长度和平 均停车次数。 ( 1 ) 车均延误 延误是间断交通流的一个关键运行性能指标，是使用者最关心的一项指标【2 3 】。 信号交叉口延误比较复杂，涉及因素多，主要与信号周期、配时以及交通量 相关，此外还与随机因素有关。对于单独路口进口道的车辆信号延误计算，国际 上经典的交通工程著作介绍的是w e b s t e r 发表在 t r a f f i cs i g n a ls e t t i n g s ”( r o a d r e s t e c h p a p e r , n o 3 9 ，r o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y , l o n d o n , 1 9 5 8 ) 中的公式。除此以外， 没有见到新的或更成熟的方法和公式，1 9 9 2 年日本出版的交通工程学，还是引 用推荐了该计算公式【2 6 1 。 w e b s t e r 交叉口进口车道延误的计算公式如下 广一i d ：_ c ( 1 - 2 ) 2 + 土一o 6 5 l ； 3 x f 2 + s a ) ( 3 7 ) 2 ( 1 一缸) 2 q ( 1 一曲 i9 2i 式中，d 为每辆车的平均延误，s ；c 为信号周期时长，s ；兄为绿信比，即 有效绿灯时间与信号周期时长的比率；g 为车流量，p c u s ；s 为饱和流量，p