（交通信息工程及控制专业论文）基于规则的公交优先信号控制策略研究.pdf

摘要 摘要 交叉口公交优先通行技术是提高公交运行效率，落实公交优先的重要技术 环节。近年来在我国，各个城市均在有条件的道路开辟公交专用道，并陆续建 设快速公交系统( b r t ) ，公交优先基础设施建设得到大力发展，但公交车辆在 交叉口的信号优先却未能得到有效保证，信号优先控制理论的研究和实践应用 相对滞后。 论文提出的基于规则的单点多约束信号优先控制策略，以确保信号控制安 全、高效为前提，在给予公交车辆优先通行权的同时兼顾其他车辆的运行效益， 即有条件的优先。该策略包括三个核心规则：基于公交优先和车头时距检测的 相位切换决策规则，环间相位切换决策规则，基于公交优先的起始相位选择规 则。 论文对基于规则的信号优先控制策略的参数取值，相位结构、相位切换规 则和逻辑条件进行了系统的研究。通过微观仿真软件v i s s i m 4 3 0 及感应控制模 块v a p ，建立基于规则的信号优先控制策略仿真模型。分混合交通条件和有公交 专用道( 专用道沿中央分隔带设置) 两种情况，对不同流量条件下控制策略的 运行效益进行仿真测试评价，并与不同周期的固定信号配时方案的运行效益进 行了对比分析。 与以往围绕优化模型为核心的控制算法不同，本次研究把公交车辆的通行 需求作为信号相位切换的重要决策依据，提出基于规则的公交优先信号控制策 略，该策略的运行效益通过车辆平均延误及其加权值来评价，但控制策略的决 策规则不依赖于对交叉口延误的预测和分析，具有很强的可操作性。研究结果 表明，基于规则的信号优先控制策略在给予公交车辆优先的同时，提高了交叉 口的整体运行效益。 希望通过本次研究进一步推动信号优先控制理论的完善和实践的发展 关键词：单个交叉口，公交优先，信号控制策略，基于规则，交通仿真 摘要 a b s t r a c t b u sp r i o r i t ya ti n t e r s e c t i o n si sc r i t i c a lf o rt h ed e v e l o p m e n to fb u sp r i o r i t y i n r e c e n ty e a r s ，g i v i n gp r i o r i t yt ot r a n s i th a sb e e na c c e p t e da sab a s i c a lp o l i t i ci nm a n y c o u n t r i e si n c l u d i n gc h i n a ，b u sr a p i dt r a n s i ts y s t e mi sd e v e l o p e dr a p i d l yi nm a n y c i t i e s a n dl o t so fe x c l u s i v el a n e sh a v eb e e nb u i l tt oa m e l i o r a t eb u ss y s t e m ，b u ts i g n a l p r i o r i t yt ob u sh a sn o tb e e ng i v e ni nm a n yi n t e r s e c t i o n s s o i ti sn e c e s s a r ya n d i m p o r t a n tt os t u d y o nt h eb u ss i g n a lp r i o r i t y ar u l e b a s e db u sp r i o r i t ys i g n a lc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e di nt h ep a p e r ，w h i c h c a l lg i v eb u s e sp r i o r i t ya tt h es a m et i m ec o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to fo t h e rv e h i c l e s t h es t r a t e g yc o n s i s t so ft h r e ec o r er u l e s ：r u l e sb a s e do nb u sp r i o r i t ya n dg r e e n u t i l i z a t i o nf o rs i g n a ls w i t c h i n g ，r u l e sf o rp h a s et r a n s i t i o nb e t w e e nt i n g sa n dr u l e s b a s e do nb u sp r i o r i t yf o ri n i t i a lg r e e np h a s eg e n e r a t i o n t h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h er u l e - b a s e db u sp r i o r i t ys i g n a lc o n t r o ls t r a t e g yi s e v a l u a t e da n dt h es t r u c t u r eo fs i g n a lp h a s e ，p h a s et r a n s i t i o nl o g i cc o n d i t i o n s ，a n d s i g n a lc o n t r o lp a r a m e t e r sa g ea n a l y z e d s y s t e m l yb ys i m u l a t i o n i nt h ep a p e r t h e m i c r o s i m u l a t i o ns o t t w a r ev i s s i m 4 3 0a n dt h ee x t e r n a ls i g n a ls t a t eg e n e r a t o rv a p a r eu s e dt ob u i l tt h es i m u l m i o nm o d e l s c o m p a r e dt os t u d i e si nt h ep a s t ，t h er u l e - b a s e ds i g n a lc o n t r o ls t r a t e g yi s m o r e o p e r a b l ea n dr e l i e s l e s so nt h ef o r e c a s t i n gm o d e l h o p et h r o u g ht h er e s e a r c hc a n p r o m o t et h ed e v e l o p m e n t o fs i g n a lp r i o r i t yc o n t r o lt h e o r ya n dp r a c t i c e k e yw o r d s ：i s o l a t e di n t e r s e c t i o n ，b u sp r i o r i t y ，s i g n a lc o n t r o ls t r a t e g i e s ，r u l e 。b a s e d ， t r a f i cs i m u l a t i o n 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：式易锄 7 棚年1 月仍日 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：马 1 j 、) 留年年月谚日 第1 章引言 1 1 课题来源 第1 章引言 国家教育部博士点专项基金：基于规则的多约束公交优先信号控制及其仿 真优化方法研究，项目编号：2 0 0 7 0 2 4 7 0 6 8 1 2 研究背景 随着经济的发展和城市规模的扩大，城市交通需求与供给之间的矛盾越来 越突出，交通拥挤、交通阻塞及由此带来的居民出行不便、环境污染等问题日 益严重。公共交通作为一种社会群体型交通，人均占用道路面积少、运量大、 效率高、污染小，是促进城市可持续发展的首选交通方式。优先发展公共交通 已成为世界各国应对交通拥堵的战略选择。 在我国，从中央到各地政府都纷纷确立了公交优先的发展战略。除了政策 上的保证之外，如何在技术层面上保证公交优先通行是落实“公交优先”的重 要方面。相关数据表明，公共交通在交叉口处产生的延误占整个延误时间的5 0 ， 占公交整个行程时间的1 0 - 2 0 ，因此，交叉口公交优先通行技术是保证公交 优先的关键技术环节。 交叉口公交优先通行技术主要包括两个方面，即对公交在通行空间和时间 上给予优先。所谓空间优先，是通过设置公交专用进口道加以实现；时间优先 则是通过信号优先控制加以实现。在交叉口为公交车辆提供优先可以有效减少 公交车辆的运行延误，提高公交系统的运行速度和可靠性，增加公交系统的吸 引力，促进交通出行方式的转移，从而缓解交通拥挤。 目前，在我国针对公交专用道的研究和应用比较多，如北京、上海、广州、 深圳、杭州、济南等诸多城市都在有条件的道路上开辟了公交专用道，但针对 信号优先控制的研究和应用相对较少。部分城市的快速公交系统已建成并正式 运行，但公交车辆在交叉口的信号优先并未得到有效保证，使得公交专用道和 各类专用进口道的作用得不到充分发挥，公交车辆在交叉口处的延误亦得不到 第1 章引言 有效减少。 公交优先信号控制作为公交优先系统的关键和核心技术之一，国内外相关 研究已有很多，但无论是在理论还是在实践层面，都还有很多不完善的地方。 到目前为止，尚未有广泛接受的公交信号优先控制系统，这是由城市交通系统 及公交优先控制本身的复杂性所决定。公交优先控制需要兼顾公交车流与社会 车流的运行效益，协调信号优先与背景控制方案的关系，以实现交叉口运行效 益的最大化。多数已有的优先信号控制系统，信号控制策略的实施没有考虑对 社会车辆的影响，或者假设只在道路主要流向有公交车，在我国公交线路多， 背景交通流量大的情况下，这些控制策略的有效性得不到保证。 因此，无论是从公交优先信号控制的理论研究还是实际应用来看，都有必 要对公交优先信号控制的策略和方法进行系统、深入的研究。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究情况 “公交优先”最早于1 9 6 0 年由法国提出。随后，许多专家和学者对公共汽 车优先权的方法进行了研究。公交优先控制在欧洲实施得最早，并在德国、荷 兰、瑞士得到了普遍的应用。 1 9 7 5 年左右，美国和一些欧洲国家开始尝试各种控制方法以减小公交车在 交叉口的延误。在早期的控制策略中，主要采用短周期、公交专用相位等被动 式公交优先控制模式。一般而言，当公交车辆运行状态稳定，发车频率高，公 交流量大的情况下，被动优先比较有效。 y a g a r 曾对被动优先策略进行研究口1 ，并试图在t r a n s y t - 7 f 的周期优化模 型中考虑公交优先，但并未取得理想结果。1 9 9 5 年，s u n k a r i 、b e a s l e y 等提出了 基于有无公交到达两类周期加权延误的交叉口信号配时优化计算模型，但该研 究并未描述模型的稳定性口1 。 主动优先策略从早期l u d w i c k 对无条件优先控制策略的仿真研究h 1 开始，现 已取得很多有意义的研究成果。1 9 7 8 年，v i n c e n t 等人基于微观仿真，考虑不同 的流量、饱和度对五种优先控制策略进行了评价分析璐1 。1 9 7 9 年，r i c h a r d s o n 等 人引入p e r c e i v ed e l a y 和b u d g e t e dd e l a y 两个参数，提出了一种新的主动优先控制系 2 第1 章引言 统的评价方法1 。1 9 8 1 年j a c o b s o n 和s h e f f i 研究分析了公交优先条件下的延误解析 模型，研究指出，可以通过信号配时方案调整来提高公交优先的效益口1 。1 9 8 2 年，r o a r k 在研究中提出了实施公交优先控制的四个标准；总人延误降低，高峰 小段公交到达量至少为1 0 1 5 辆，一天的公交双向流量不小于1 0 0 辆，横向绿灯应 以满足最小绿灯时间为前提哺1 。2 0 0 0 年，s k a b a r d o n i s 利用被动优先策略和主动优 先策略相结合的方法进行干线协调控制，研究表明当公交流量较大且运行状态 稳定时，被动优先可以得到比较好的控制效果阻1 。同年，美国波士顿东北大学的 p e t e rc f u r t h 和荷兰代夫特大学的t h e oh j m u l l e r 研究了信号交叉口的有条件 公交优先，并己在荷兰的艾恩德霍芬实施。通过某一交叉口在三种不同条件下： 无优先、完全优先和有条件优先的交通影响实验，得出相对于无优先和完全优 先导致延误增加，有条件优先几乎没有影响n 引。 实时信号优先以1 9 9 4 年y a g a r 和1 9 9 5 年c h a n g , v a s u d e v a na n ds u 及l i n ，l i a n g ， s c h o n f e l da n dl a r s o n 的研究为标志性开端。y a g a r 等人研究的s p p o r t ( s i g n a l p 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 lt i m e ) 基于预先设定的优先级列表运 行，优先级越高越有可能获得更多的绿灯时间。l i n ，l i a n g ，s c h o n f e l da n dl a r s o n 在1 9 9 5 年首次将自适应的公交调度系统和自适应交通控制同时进行应用研究 n 。m e e n a k s h yv a s u d e v a na n dg a n g l e nc h a n g 对整合了公交优先的交通自适应 信号控制系统进行了研究n2 1 。美国亚利桑那州立大学的p i t u m i r c h a n d a n i 研究了 公交优先和交通自适应信号控制的综合运用，根据实时获得的乘客数量和公共 汽车是否发生延误来判断公共汽车应获得的权重，实施公交优先。该方法在减 少公共汽车延误和缩短乘客出行时间的同时，对其余交通方式的影响较少n 引。 y a n nw a d j a sa n dp e t e rg f u r t h 研究了基于提前检测器和到达时间的公交优先控制 算法n 引。f r a n c o i sd i o n 等对优先控制策略及s p p o r t 控制系统中的公交优先进行 了系统的研究u 5 1 。 随着公交优先控制理论研究和计算机技术的发展，各种考虑公交优先的交 通信号控制系统也应运而生，除了s c o o t 、s c a t s 以外，还包括s p p o r t 、 r h o d e s 、p r o d y n 及u t o p i a 等。 1 3 2 国内研究情况 我国对公交优先控制的探索相比国外起步较晚，目前也没有进行公交优先 控制的实践，但许多学者都弓致力于符合我国实际交通流特性条件下实施公交 3 第l 章引言 优先控制的探讨。 国内研究较多的是交叉口设有公交专用道或公交进口道的公交信号优先控 制。在理论研究方面，通常是建立相关算法或模型，提出以交叉口减少的人总 延误最大或满足车辆固有的行驶时刻表为公交优先控制的优化目标，以车头时 距、等待延误、排队长度等指标作为约束条件。采用的方法主要有系统最优的 线性规划模型、公交优先模糊控制方法等n 6 2 。 同济大学杨晓光教授等对城市信号交叉口公交专用进口道的设置方法和相 应的信号配时方案做了大量的研究，提出了系统最优的线性规划模型，并对部 分锯齿型的公交专用进口道的车辆的排队长度，车辆和行人延误进行了计算n 卜 t 8 0 东南大学陆建老师等对公交专用道的设置条件与效益进行了分析n 钔，张卫 华博士的学位论文对城市公交优先技术进行了系统的阐述，分别就“路段公交 优先通行措施及如何判断其实施条件 、“交叉口公交优先通行的技术和方法 和“公交优先通行的实施效果或效益预测与评价方法 这三个主要方面提出了 独到的见解乜0 2 ，季彦婕等对基于公交优先的信号相位设计进行了研究探讨2 1 。 北京交通大学吴建平教授对公交优先预信号控制技术进行了较多的研究， 提出了两种不设检测器的预信号公交优先方案乜铂：仅社会车辆受预信号控制，而 公共汽车不受预信号控制；社会车辆和公共汽车均受预信号控制，并给出了两 种方案的信号配时以及方案实施前后公共汽车和社会车辆的延误计算公式。系 统工程研究所关伟教授等对交叉口公交优先的信号控制策略进行了研究：模拟 路边设立公共汽车辆检测器的情况下，不同交通流量和公共汽车发车间隔的最 优控制策略，得出使交叉口公交优先有效的交通流量和公共汽车发车间隔。 1 3 3 综合评述 公交优先信号控制自上世纪6 0 年代，历经4 0 年的研究，从被动优先到实 时主动优先；从无条件优先发展到有条件优先；从不考虑对社会车辆影响发展 到综合考虑对社会车辆影响，不论是在公交优先控制的理论研究方面还是实践 方面所取得的成果是毋庸置疑的，但现有研究的不足主要表现在： 1 ) 多数基于数学模型的控制算法研究存在一定局限性； 交通系统的开放性和复杂性决定了基于数学模型的控制算法存在不稳定 性。很多研究都以人均延误、车均延误或社会车辆、公交车辆的加权和为目标 4 第l 章引言 进行信号控制的优化。基于数学模型的控制算法对数据的准确性，或者预测模 型的精度要求较高。在交通运行状态可靠性不高的情况下，很难取得理想的控 制效果。 2 ) 现有研究都集中在对目标函数或优先约束条件的改进，缺乏对优先信号 控制方案调整的基本原则和方法的系统研究； 信号优先控制在给予公交车辆优先的同时，会对社会车流带来不同程度的 影响。对于不同公交车流量、背景交通流量、交叉口饱和度、信号控制相位数 不同优先控制策略的运行效益各有不同。当前的研究多集中在多优化目标函数 或约束条件的改进，而缺乏对不同优先控制策略的运行效益、适用条件及信号 控制方案调整的基本原则和方法的系统研究，缺乏可操作性。 3 ) 过多强调实时优先控制策略，而忽略了与被动优先控制策略的结合使用； 车辆检测、定位系统及通信技术的快速发展使得信号控制由固定配时发展 到实时感应控制，但并非在任何情况条件下采用实时的感应控制都会取得好的 运行效果。对于交通流量比较大，且呈现出一定规律性时，采用定时控制可能 会取得更好的控制效果。公交车辆与社会车辆比更具规律性，在实时信号优先 控制策略中，考虑与被动优先策略相结合，或许会得到更好的控制效果。 4 ) 多数研究通常假设仅在主要道路主要流向有公交车，这与实际情况存在 很大差别； 我国公交优先控制的控制对象，运行特征、环境与国外比有很大差别。公 交线路多，流量大，不只在主要道路主要流向有公交车，而现有的研究多数只 考虑了在主要流向有公交车的情况，对于在同一交叉口相互冲突的相位同时发 出公交优先申请，且背景交通流量很大的情况下，还缺乏深入、系统的研究。 5 ) 考虑上、下游交叉口信号协调控制的公交优先尚未见有效的解决方法。 若不考虑上、下游背景交通信号的协调，会影响单个交叉口信号优先控制 策略的运行效益，甚至于完全失效。已有学者对信号协调控制中的公交优先， 及实施公交优先控制对路网交通的影响进行了研究，研究表明，信号优先会引 起路网流量的重新分配，但就如何在沿线信号协调中实现公交优先，并取得理 想的运行效益，尚未得到有效的解决方案。本文将侧重于单点优先控制策略的 系统研究，对此不作深入探讨。 以上是对信号控制理论现有研究成果的总结和分析。本文将以此为基础， 针对现有研究的不足，使用交通仿真分析及理论分析的方法，从我国交叉口实 5 第l 章引言 际运行情况出发，考虑有公交专用道及无公交专用道两种情况，提出基于规则 的单点多约束优先控制策略调整的基本原则和方法，对不同背景交通条件下( 背 景流量、饱和度等) 单点自适应中的优先控制策略进行系统仿真测试分析，以 其能够促进公交优先控制理论的进一步完善，并推动信号优先控制理论的实践。 1 4 研究定位 1 4 1 研究对象 从控制范围来看，信号优先控制策略包括单点信号控制中的优先和协调控 制中的信号优先；从公交运行物理环境来看，可以分为混合交通条件下和公交 专用道下的信号优先：从单点信号控制方式来看，分为定时控制和感应控制。 本论文的研究对象为基于规则的单点公交优先控制策略。针对我国典型交 叉口的公交运行环境，分有公交专用道和无公交专用道两种情况，如图1 1 所 示，对基于规则的单点多约束公交优先控制策略进行仿真测试分析。 图1 1 有公交专用道的交叉口与混合交通条件下的交叉口 在本文研究过程中假定： 1 ) 交叉口的交通设计是科学合理的； 2 ) 交叉口信号控制为感应控制； 2 ) 信号优先控制中所需数据，都是可检测的，而且是准确的，在此不对检 测手段和通信系统进行深入研究： 6 第1 章引言 3 ) 信号优先控制策略的运行效益与公交运行环境，及背景交通条件( 流量、 饱和度、信号控制参数取值等) 相关； 4 ) 交通仿真输出的评价指标是可靠的。 本研究中提到的“相位 ，是指一个信号周期内始终具有相同灯色显示的信 号灯的组合。 1 4 2 研究方法及技术路线 本论文主要利用v i s s i m 微观交通仿真软件及v a p 感应控制模块来展开研究 工作。 研究在总结现有相关研究成果的基础上，以确保信号控制安全、高效为前 提，结合我国交叉口交通运行状况，分有公交专用道和无公交专用道下两种情 况，进行自适应控制与公交优先相结合的应用研究。 本文的研究将结合使用理论分析和交通仿真分析的方法，对基于优先的自 适应控制关键参数、约束条件及控制策略调整规则进行研究分析，论文技术路 线，如图1 2 所示。 7 第1 章引言 国内外相关研究的同顾与展望 1 4 3 研究目标 图1 2 论文技术路线 本论文基于实验交通工程学的研究理念，结合我国公交运行实际状况，利 用交通仿真技术对单点自适应信号优先控制策略进行系统分析，以期实现以下 主要研究目标： 增强信号优先控制的可操作性 根据实时车辆检测进行控制策略调整，减少控制策略对预测模型的依赖 提出基于规则的公交优先控制原则和方法 在给予公交优先的同时，尽量减少对社会车辆的影响 以交通仿真为平台，为交叉口公交优先信号控制的实现提供决策支持 促进公交优先控制理论的完善，推动信号优先策略的实践应用。 8 第l 章引言 1 5 主要研究内容 本论文的研究内容包括5 个主要部分：相关研究成果的归纳总结，信号优 先基本控制策略概述，信号优先控制的关键参数，基于规则的优先控制策略， 仿真测试与分析。 论文回顾和总结了国内外公交优先控制理论研究成果，提出了现有研究的 不足和有待研究的问题，并以此为出发点确定了论文的研究对象、研究范围和 研究目标。论文的主体内容是对单点自适应控制中公交优先的研究，通过对各 进口道车流和公交信息的实时获取，建立信号优先控制逻辑规则。根据我国典 型交叉口的公交运行条件，分混合交通条件和有公交专用道两种情况，通过交 通仿真，对基于规则的优先控制策略进行测试评价。最后对论文的研究成果进 行总结，提出尚待解决的问题和后续研究的方向。 9 第2 章信号优先基本控制策略概述 第2 章信号优先基本控制策略概述 2 1 公交优先的定义 回顾公交优先控制理论的研究过程，p r i o r i t ya n dp r e e m p t i o n 两个名词都表示 “公交优先 ，早期研究倾向于将两者归为一个意思，随着优先控制理论的发展， p f i o f i t ) ，a n dp r e e m p t i o n 的区别逐渐明确。美国智能交通协会( i t s a m e r i c a ) 关于 公交优先控制的研究报告中指出，p d o f i t y 是对原有信号控制方案的调整和优 化，给予公交车相对的优先；p r e e m p t i o n 是打断原有的信号控制，给予轨道交通 ( 或其它特殊车辆) 绝对优先。 n t c i p 1 2 0 2 ( i t s 通信协议) 中将“公交优先”( p r i o r i t y ) 定义为，“在信号 控制交叉口，给予公交车相对与其他车辆的优先权，同时这种优先不应导致信 号机脱离正常运行状态”。对于“强制优先 ( p r e e m p t i o n ) 定义为，“交通信号 从正常状态切换到一个特殊状态，给予紧急救援车辆、轨道交通优先通行权， 即需要终止正常信号运行来为特殊车辆提供专用信号服务”。 本文的研究对“公交优先”的诠释并不局限于以上定义，给予公交车辆优 先通行权的同时，兼顾其他车辆的运行效益，即一般为有条件的优先；在特殊 情况下，比如，为提高公交运行的准时性和可靠性，结合公交车辆运行时刻表， 对于晚点的车辆提供强制性优先。 2 2 信号优先控制策略的分类 公交优先策略大体分为3 类：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 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 ) ，实时优先策略( a d a p t i v e r e a l t i m e p r i o r i t ys t r a t e g i e s ) 。这种分类方式已得到广泛接受。 被动优先：该优先策略不考虑交叉口公交车辆的实时到达状况，不需要车 辆检测与优先申请。当交叉口交通运行状态稳定，公交流量较大的情况下，被 动优先策略比较有效。 主动优先：为检测的特定车辆提供信号优先，包括绿灯延长、红灯早断、 相位插入等基本策略。 1 0 第2 章信号优先基本控制策略概述 实时优先：通过实时交通信息的采集，既包括公交车辆信息，也包括社会 车辆信息，确定基于实时信息的公交交叉口信号优化策略，在减少公交车延误 和缩短公交乘客出行时间的同时，最低对其余交通方式的影响。 表2 1 公交优先基本控制策略n 8 1 被动式优先策略( p a s s i v ep r i o r 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 f c y c l el e n g t h ) 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 n t ) 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 r t 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 f i v a f i o n ) 矽二 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 ) 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 f i o d t ys t r a t e g i e s ) 5 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 e t w o r kc o n t r 0 1 ) 2 2 1 被动优先 被动式优先主要是通过收集公交车辆运行的历史数据，以预测需要的优先 等级。被动优先主要控制策略包括： 减少周期长度在交叉口饱和度不增加( 拥挤程度不恶化) 的前提下， 采用短周期可以有效的减小车辆的延误及排队长度 重复绿灯在一个信号周期内，给予公交车辆多次通行时间，从而有 效的降低公交车辆的总延误 绿灯时间分配原则对公交车辆的进口方向，在分配绿灯时长时，应 考虑公交车辆的运行情况，以降低拥挤程度、减少车辆延误 相位设计方法一保证公交车辆优先通行的特殊相位设计 第2 章信号优先基本控制策略概述 公交运行的协调绿波以低车速的公交车辆为协调控制对象，设置合 理的相位差以减少公交车辆的运行延误 被动优先主要考虑了公交车辆和其它社会车辆平均通行情况的不同，虽然通 过上述基本方法可以部分减少公交车辆的信号控制延误，但无法适应实时交通 需求的变化，所以在实际应用中无法完全体现出应有的交通效益。 2 _ 2 2 主动优先 相对被动优先而言，主动优先控制策略相对复杂，它主要是依靠检测器对 公交车辆运行情况进行识别分析，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。 相位延长当有公交车到达交叉口停车线时，相位绿灯时间继续保 持，直到公交车辆驶离交叉口相位绿灯时间结束 提前激活相位当有公交车在红灯期间到达交叉口时，提前中断相位 的红灯时间，从而减小公交车辆在交叉口的延误时间 专用相位设置多相位控制交叉口，在非公交相位之间设置公交专用 相位能够显著的减少公交车延误 相位压缩在某些情况下，可以适当压缩非公交通行相位的绿灯时 长，以转到公交通行相位 插队控制设置锯齿形公交进口道和公交预先信号，以提供公交车在 交叉口处的优先排队，减少延误 由于采用了必要的公交车检测装置，主动优先控制更能适应交通流的动态 变化，控制方法与被动优先相比也更为灵活，但目前采用最多的仍是延长现行 相位或提前激活相位来为提供公交车辆优先通行权。 主动优先控制策略在单个交叉口已经得到了实际的应用，但在协调控制中 却很少使用，主要是由于其对其它交通流运行的不利影响。相位的忽略和红灯 时间的早断会中断其它车流的通行绿波而造成延误的增加，这样就会对协调方 向的车流正常通行产生很大的扰动。 2 2 3 实时优先 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 1 2 第2 章信号优先基本控制策略概述 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 3 控制系统中的公交优先 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，公共汽车交通优先控制已成为各系统功能升级 的重要方面。 1 ) t r a n s y i 中的公交优先 t r a n s y t 啪1 ，是1 9 6 7 年由英国t r r l 研究所的r o b e 埴 t s o n 提出，是目前应用 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 ) s c o o t 中的公交优先 s c o o t 咖 3 ，信号周期、绿信比、相位差优化技术，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( a v l ) 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； 1 3 第2 章信号优先基本控制策略概述 在南安普顿早晚高峰期公交车辆行程时间减少了3 0 以上。 3 ) s c a t s 系统中的公交优先 s c a t s 口2 1 ，悉尼协调自适应控制系统，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。 4 ) s p p o r t 系统中的公交优先 s p p o r t 3 叫1 ，实时优先信号优化程序，是一种综合响应式信号控制与公交 车流运行控制相结合的控制模式。它根据事先定义好的优先等级表分配绿灯时 间，优先级越高越有可能获得更多的绿灯时间。s p p o r t 实际上并不是一种优化 配时方案的算法，它主要依赖优先等级表。虽然这个系统的开发需要大量的前 期数据调查，但其控制策略和配时方法是非常有效的。最近研究表明，通过这 种方法公交延误时间减少了5 5 。 5 ) u t c s b p s u t c s b p s 口5 1 ，城市交通控制系统公交优先系统，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l o 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i = l 时，自动将相位绿灯时 1 4 第2 章信号优先基本控制策略概述 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。 6 ) r h o d e s r h o d e s 汹3 ，有效的实时分级分布式最优化系统，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， 这样根据乘客数以及公交车晚点情况给予公交车优先不同的权重。 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 4 本章小结 本章对公交优先控制的基本策略及当前主要控制系统中的公交优先进行了 系统介绍。随着车辆定位检测技术的发展，实时公交优先控制策略已成为国内 外研究的热点，并在不断深入中得到了完善。本文的研究与以往围绕优化模型 为核心的控制算法不同，将以基于规则的优先控制策略和方法为研究核心，针 对我国公共交通系统运行特殊性，提出切实可操作的信号控制策略和方法。 1 5 第3 章基于公交优先的自适应控制参数设计 第3 章基于公交优先的自适应控制参数设计 3 1 概述 单个交叉口的信号控制方式按照传统的分类方法，一般包括两大类：定时 信号控制( 预设时间控制) ，感应控制( 响应控制) 。随着车辆检测技术、通信 技术和计算机技术的应用和发展，单点控制策略的研究越来越灵活和多样化， 基于感应控制的实时公交优先策略也成为各国交通工程学者研究的热点。 单点自适应控制，通过实时交通数据检测，在线调整控制策略，以适应交 通状态的连续变化，是单点控制的高级形式，也是本文展开实时优先控制策略 研究的基础。根据相位切换决策方法的不同，将自适应控制策略分为三类： 1 ) 基于优化模型的控制策略 基于优化模型的控制策略选取车辆延误、停车次数等指标( 或其线性加权) 建立目标函数，根据实时采集的车辆到达信息进行在线优化计算，决定延长或 切断绿灯时间。 2 ) 基于规则的控制策略 基于规则的控制策略针对不同的交通事件建立一系列逻辑规则，根据实时 采集的车辆到达信息和逻辑判断结果，决定延长或切断绿灯时间。 3 ) 基于规则和优化模型的混合控制策略 此类控制策略将相位切换决策过程划分为2 个阶段：逻辑判断阶段，针对 不同的交通事件建立一系列逻辑规则，根据实时采集的车辆到达信息和逻辑判 断结果，决定是否进入优化计算阶段；优化计算阶段，选取车辆延误、停车次 数等指标( 或其线性加权) 建立目标函数，根据实时采集的车辆到达信息进行 在线优化计算，决定延长或切断绿灯时间。 以上三种控制策略各有优缺点，其中基于模型的控制算法对数据的准确性， 及预测模型的精度要求较高，在交通运行状态可靠性不高的情况下，很难取得 理想的控制效果；基于规则的控制算法核心是相位切换决策规则，该策略不依 赖于对交叉口延误的预测分析，且具有较强的可操作性：基于规则和优化模型 的混合控制策略是两者的结合。 1 6 第3 章基于公交优先的自适应控制参数设计 本文将以公交车辆的通行需求作为信号相位切换的重要决策依据，对基于 规则的公交优先控制策略进行系统研究。 3 2 时间参数 自适应控制的时间参数包括最佳绿灯时间、最小绿灯时间、最大绿灯时间、 单位绿灯延长时间、绿灯间隔时间、黄灯时间等，它们是控制策略的约束条件， 决定了相位切换的条件和作用时间。 3 2 1 最佳绿灯时间 最佳绿灯时间g o ，是采用w e b s t e r 方法，根据交叉口关键车流的等饱和度原 则，以车辆延误最小为目标，计算得到的各关键车流所属相位的有效绿灯显示 3 7 】 时间。采用公式3 1 3 3 计算机动车相位最佳绿灯时间。 式中， e 印过型 - ， 瓯= c o l c o - - 等 ( 3 2 ) ( 3 3 ) g o 第相最佳绿灯时间，s e c g ，信号周期总有效绿灯时间，s e c ，相位编号 y ，第相的流量比 】，构成信号周期的所有机动车相位关键车流的流量比之和 e 最佳信号周期时间，s e c 信号周期总损失时间，s e c 1 7 第3 章基于公交优先的自适应控制参数设计 3 2 2 最小绿灯时间 最小绿灯时间g 。缸是各机动车相位所显示的最短绿灯时间，即任何相位的 绿灯显示时间都不应小于该相位的最短绿灯时间。 设置最短绿灯时间应考虑以下几方面： ( 1 ) 保证行车安全，避免绿灯时间过短、后车刹车不及时造成的追尾事故， 记为g m i n ( s ) 。 ( 2 ) 保证行人安全过街所需时间，记为g r a m ( 一。 ( 3 ) 保证停在检测器和停车线之间的排队车辆完全通过停车线所需最短时 间，记为g i n = ( 招1 。 其中，g 曲体) 和g 咄( p ) 与道路几何条件、相位结构等相关，取值相对固定； g 曲1 称为饱和消散时间，与红灯期间的排队车辆数和车辆类型、各类型车辆 的饱和车头时距等相关，可根据公式3 4 计算机动车相位饱和消散时间。 g 曲( 拈) = m a x - 删掌h d w j ，恻宰h d w ( 3 4 ) jj