陳 飛，朱從坤

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

考慮滯站調(diào)度的有軌電車信號優(yōu)先控制策略研究

陳 飛，朱從坤

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

在有軌電車主動式信號優(yōu)先控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出站臺控制方式（即刻離站或滯站調(diào)度）與交叉口信號優(yōu)先控制方式（綠燈提前、綠燈延長、相位插入等）組合的控制策略。并建立以整體延誤損耗為基礎(chǔ)的交叉口效益函數(shù)，分析比較各組合控制策略與滯站調(diào)度控制策略效益值的大小，選擇效益最優(yōu)的有軌電車優(yōu)先控制策略。最后針對組合控制策略在交叉口進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。該組合控制策略在保證有軌電車優(yōu)先權(quán)的同時，也降低了其在站臺的?？繒r間這一不確定因素對調(diào)度系統(tǒng)和信號優(yōu)先系統(tǒng)的影響。

有軌電車；信號優(yōu)先；滯站調(diào)度；組合控制策略

有軌電車信號優(yōu)先控制系統(tǒng)和站臺控制系統(tǒng)是保障其運(yùn)營效率的主要控制方法。目前，研究較多的主要集中在有軌電車信號優(yōu)先控制方面，而站臺控制模式的研究相對較少。李盛、楊曉光等學(xué)者考慮到有軌電車在交叉口與社會車輛混行的復(fù)雜性，提出了設(shè)置有軌電車專用信號燈，并考慮社會車輛和有軌電車兩種信號控制的協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)有軌電車在交叉口的優(yōu)先通行[1]。鐘吉林，王長林等研究了基于干線協(xié)調(diào)下的有軌電車信號優(yōu)先配時，利用遺傳算法優(yōu)化干線道口之間的相位差，實(shí)現(xiàn)有軌電車道口信號相對優(yōu)先控制[2]。在公共交通信號優(yōu)先方面對站臺控制模式的研究和應(yīng)用較多。Alexander等學(xué)者通過優(yōu)化交叉口的配時算法來判斷是否給予公交車輛優(yōu)先權(quán)[3]。Luiz等學(xué)者基于交叉口總體的延誤損失，考慮到公交車輛離開站臺的方式，并分析了這一離站方式下車輛信號優(yōu)先的控制方法，闡明了主動控制下離開站臺的優(yōu)勢[4]。

縱觀國內(nèi)外的文獻(xiàn)，有軌電車的信號優(yōu)先，多是在干線協(xié)調(diào)下的優(yōu)化配時或單點(diǎn)信號優(yōu)先控制的前提下，采用主動優(yōu)先、被動優(yōu)先或?qū)崟r優(yōu)先的方式實(shí)現(xiàn)的。文中在主動式優(yōu)先控制基礎(chǔ)上，考慮有軌電車從站臺行駛到交叉口這一時間段，將有軌電車的站臺控制模式和交叉口的信號優(yōu)先控制策略結(jié)合起來，提出一種基于信號優(yōu)先和滯站調(diào)度組合的控制策略。該組合控制策略將有軌電車的離站時間作為決策點(diǎn)，依據(jù)交叉口的整體效益函數(shù)對組合的方式進(jìn)行比較選擇，從而確定有軌電車的離站時刻和離站方式以及交叉口的信號優(yōu)先控制策略。

1 信控交叉口的延誤模型

假設(shè)交叉口各進(jìn)口道車輛的到達(dá)遵循基于歷史道路交通量數(shù)據(jù)統(tǒng)計而獲得的連續(xù)平均到達(dá)率[5]。且在一個信號周期內(nèi)，進(jìn)口道的到達(dá)車輛數(shù)明顯小于其最大可放行車輛數(shù)，交叉口處于未飽和狀態(tài)。各進(jìn)口道的車輛平均到達(dá)率與通行能力在整個周期內(nèi)穩(wěn)定不變，每次綠燈結(jié)束時進(jìn)口道排隊車輛都得以清空。當(dāng)不計信號損失時間以及黃燈時間時，進(jìn)口道的車輛到達(dá)與駛離情況可簡化為圖1所示?？梢罁?jù)Webster的均衡相位平均延誤模型[6]，求得交叉口總的延誤時間等于三角形OAB的面積。

式中，Di為交叉口相位i的總延誤時間，s·veh；Ri為信號相位i的紅燈時間，s；qij為信號相位i進(jìn)口道j的車輛到達(dá)率，veh/s；sij為信號相位i進(jìn)口道j的飽和流率，veh/s；mi為信號相位i的進(jìn)口道數(shù)。

考慮到有軌電車優(yōu)先等級和客載量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路面其他社會車輛，以交叉口所有車輛總延誤時間對應(yīng)的人員費(fèi)用損耗為指標(biāo)，建立效益函數(shù)[7]：

式中，TD為交叉口總的延誤損失費(fèi)用（￥/veh）；Dt為有軌電車的延誤時間（s）；Pc為社會車輛的平均車載人數(shù)（p/veh）；Pt為有軌電車的車載人數(shù)p/veh）；Cc為社會車輛中人均單位時間損失費(fèi)用（￥/s/p）；Ct為有軌電車中人均單位時間損失費(fèi)用（￥/s/p）。

圖1 非飽和流的交叉口延誤分析

2 考慮滯站調(diào)度的有軌電車信號優(yōu)先組合控制策略

在上述交叉口延誤模型的基礎(chǔ)上，以延誤變化和有軌電車離站時間（滯站調(diào)度）為決策變量，可將組合控制策略分為以下幾種：（1）有軌電車滯站調(diào)度；（2）有軌電車即刻離站+綠燈延長；（3）有軌電車即刻離站+相位插入；（4）有軌電車即刻離站+相位轉(zhuǎn)換；（5）有軌電車即刻離站+綠燈提前；（6）有軌電車即刻離站。

2.1 有軌電車滯站調(diào)度（情形一）

當(dāng)有軌電車到達(dá)交叉口時，在原有的信號配時下無法通過，故選擇有軌電車滯站調(diào)度的控制策略。滯站的時間可以增加乘客的上下車時間，同時，對于不符合既定時刻表運(yùn)營的有軌電車，可以糾正其離站時間，提高服務(wù)水平[8]。有軌電車滯站調(diào)度的延誤損失函數(shù)TD1為

式中，ta為有軌電車到達(dá)交叉口的時刻（以其相位紅燈開始時刻為ta的0時刻）。

2.2 有軌電車即刻離站+綠燈延長（情形二）

綠燈延長是指當(dāng)有軌電車在綠燈末期或紅燈初期到達(dá)，在正常信號下無法通過交叉口時，延長該方向綠燈信號時間。

圖2和圖3所示為延長綠燈時間時對有軌電車優(yōu)先相位和沖突相位的影響。綠燈時間的延長使其他車輛降低的延誤值為圖2中陰影部分的面積：

有軌電車減少的延誤值則為

式中，t'為有軌電車的制動延誤；當(dāng)有軌電車到達(dá)交叉口時刻為綠燈時，ta取負(fù)值。

圖2 綠燈延長對有軌電車優(yōu)先相位的延誤影響

圖3 綠燈延長對有軌電車沖突相位的延誤影響

沖突相位的紅燈時間增長，沖突相位車輛增加的延誤為圖3中陰影部分的面積：

（4）、（5）、（6）式中，t為優(yōu)先相位延長的綠燈時間，s；Ry為優(yōu)先相位y的紅燈時間，s；Rb為沖突相位b的紅燈時間，s；ρij為qij/sij的值。

故綠燈延長時，延誤損失的函數(shù)TD2為

當(dāng)TD2＜TD1時，采用即刻離站+綠燈時間延長控制，綠燈延長的時間為t；當(dāng)TD2＞TD1時，采用滯站調(diào)度方式，滯站的時間即為Ry-ta。

2.3 有軌電車即刻離站+相位插入（情形三）

相位插入的控制方式是指檢測到有軌電車在相位的紅燈時間段中部抵達(dá)交叉口時，為保證有軌電車的優(yōu)先通行而在當(dāng)前相位中直接插入綠燈信號。

相位插入后優(yōu)先相位社會車輛的延誤減少值為圖4中陰影部分的面積：

圖4 優(yōu)先相位插入綠燈信號對優(yōu)先相位的延誤影響

式中，t為優(yōu)先相位插入的綠燈時間，s。

有軌電車的延誤減少值為

針對一個四相位信控交叉口，在有軌電車優(yōu)先相位中插入綠燈信號時，對沖突相位的影響如圖5所示。插入綠燈時間t，直接導(dǎo)致了有軌電車沖突相位和的綠燈損失時間t1和t2，其中t=t1+t2。

圖5 優(yōu)先相位紅燈期間插入綠燈對沖突相位的影響

對于沖突相位b1，車輛增加的延誤值為圖6中陰影部分的面積：

對于沖突相位，車輛增加的延誤值為圖7中陰影部分的面積：

故當(dāng)在有軌電車優(yōu)先相位的紅燈中部插入綠燈時間時的延誤損失函數(shù)TD3為

當(dāng)TD3＜TD1時，采用即刻離站+插入綠燈時間的控制策略，插入的綠燈信號時長為t；當(dāng)TD3＞TD1時，采用滯站調(diào)度方式，滯站的時間即為Ry-ta。

圖6 相位插入對沖突相位的延誤影響分析

圖7 相位插入對沖突相位的延誤影響分析

2.4 有軌電車即刻離站+相位旋轉(zhuǎn)（情形四）

相位旋轉(zhuǎn)是當(dāng)有軌電車到達(dá)交叉口的時間處于優(yōu)先相位紅燈時間段的中前部時，此時將有軌電車優(yōu)先相位與其下一個沖突相位信號時間轉(zhuǎn)換過來，使得優(yōu)先相位能夠借助其下一個沖突相位的綠燈時間讓有軌電車優(yōu)先通過。

相位旋轉(zhuǎn)時優(yōu)先相位社會車輛的延誤減少值為圖8中陰影部分的面積：

式中，tr為沖突相位綠燈的開始時刻；t為沖突相位的綠燈時間，s。

有軌電車的延誤減少值為

相位旋轉(zhuǎn)時沖突相位社會車輛的延誤增加值為圖9中陰影部分的面積：

故采用相位旋轉(zhuǎn)后交叉口的延誤損失函數(shù)為

當(dāng)TD4＜TD1時，有軌電車采用即刻離站+相位旋轉(zhuǎn)的控制方式；當(dāng)TD4＞TD1時，有軌電車采用滯站調(diào)度方式，滯站的時間即為Ry-ta。

圖8 相位旋轉(zhuǎn)對優(yōu)先相位的延誤影響

圖9 相位旋轉(zhuǎn)對沖突相位的延誤影響

2.5 有軌電車即刻離站+綠燈提前（情形五）

綠燈啟亮提前是指當(dāng)檢測到有軌電車在優(yōu)先相位的紅燈末期抵達(dá)時，則提前結(jié)束沖突相位的綠燈信號，給予有軌電車相位通行信號。

綠燈提前時優(yōu)先相位延誤的減少值為圖10中陰影部分的面積：

有軌電車延誤的減少值為

綠燈提前時沖突相位增加的延誤值為圖11中陰影部分的面積：

故綠燈提前交叉口的延誤損失函數(shù)為

當(dāng)TD5＜TD1時，有軌電車采用即刻離站+綠燈提前啟亮的控制策略，提前的時間為t；當(dāng)TD5＞TD1時，有軌電車采用滯站調(diào)度方式，滯站的時間即為Ry-ta。

圖10 綠燈提前啟亮對優(yōu)先相位的延誤影響

圖11 綠燈提前啟亮對沖突相位的延誤影響

2.6 有軌電車即刻離站（情形六）

當(dāng)ta∈（R，C），即有軌電車正好在優(yōu)先相位的綠燈信號時間內(nèi)到達(dá)交叉口，考慮到有軌電車自身的長度It和交叉口寬度Iw,其安全的通過交叉口需滿足：

該情形下，有軌電車到達(dá)交叉口的時刻ta∈[R，C-（It+Iw）/v]時，即刻離站。但當(dāng)ta∈[C-（It+Iw）/v，C]時，無法保證有軌電車通過交叉口時不對其沖突相位的車輛造成影響，將此情況歸納到情形一考慮，采用即刻離站+綠燈信號延長的控制策略。

3 案例應(yīng)用

以蘇州市有軌電車一號線何山路與金楓路交叉口為例，對有軌電車優(yōu)先控制的方式選擇進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。交叉口的效益函數(shù)參數(shù)見表1，各進(jìn)口道流量及車道功能劃分見圖12。

表1 交叉口整體延誤的效益函數(shù)參數(shù)表

圖12 交叉口渠化及交通流量示意圖

將前述所有模型，利用Fortran語言編程計算，將有軌電車所有到達(dá)交叉口的可能時刻循環(huán)迭代到模型中，得出不同模型的大小并進(jìn)行比較。根據(jù)有軌電車自身的長度It和交叉口寬度Iw，為了使有軌電車不影響其沖突相位的車流安全的通過交叉口，所需要的最小時間為t=（It+Iw）/v≈14 s。同時為減少對交叉口其他相位社會車輛通行的干擾，一般改變的綠燈時長不超過紅燈時長的20%[9-10]，且各相位均滿足最小綠燈時間。文中取改變的綠燈時長t∈[0，20]。以優(yōu)先相位紅燈初始時刻為0，在四相位信號配時下采取組合控制策略的時間劃分見圖13，結(jié)果分析如下（見表2）：

（1）當(dāng)ta∈[0，20]時，即有軌電車在此區(qū)間的任意時刻到達(dá)交叉口，綠燈延長的時間t∈[0，20]，均有TD2＜TD1?？紤]有軌電車安全通過交叉口的14 s，即ta∈[0，6]時采用即刻離站+綠燈延長的控制策略（但當(dāng)ta=6 s時，綠燈延長的時間t≥14 s）；ta∈[7，20]時采取滯站調(diào)度策略。

（2）當(dāng)ta∈[13，42]時，即有軌電車在此區(qū)間的任意時刻到達(dá)交叉口，總有滿足t1∈[0，20]、t2∈[0，9]時，14≤t1+t2≤20，使得TD3＜TD1?？紤]有軌電車安全通過交叉口的14 s，即當(dāng)ta∈[13，28]時采用即刻離站+相位插入的控制策略；ta∈[29，42]時采取滯站調(diào)度策略。

（3）當(dāng)ta∈[33，66]時，有軌電車在此區(qū)間上的任意時刻到達(dá)交叉口時，當(dāng)采用即刻離站+相位旋轉(zhuǎn)的控制策略，均是TD4＞TD1，即有軌電車采取滯站調(diào)度策略。

（4）當(dāng)ta∈[83，103]時，有軌電車在此區(qū)間內(nèi)的任意時刻到達(dá)交叉口，和綠燈提前時間t∈[0，20]，均有滿足14≤t+ts≤20的組合（ts為紅燈的剩余時間，即ts=Ry-ta，使得TD5＜TD1。即采用有軌電車即刻離站+綠燈提前的控制策略。

（5）當(dāng)ta∈[104，135]時，有軌電車到達(dá)交叉口的時刻剛好處于優(yōu)先相位的綠燈時間，無需等待和改變信號配時，考慮有軌電車安全通過交叉口的14 s，ta∈[104，121]時采用即刻離站控制策略；ta∈[122，135]時采取即刻離站+綠燈延長控制策略，同情形一。

圖13 四相位信號配時下組合控制策略時間劃分示意圖

表2 有軌電車在交叉口信號區(qū)間內(nèi)組合策略的選擇

4 結(jié)語

該文將有軌電車的站臺控制方式（即刻離站、滯站調(diào)度）與其交叉口信號優(yōu)先控制方式（綠燈提前、綠燈延長、相位插入、相位旋轉(zhuǎn)）結(jié)合起來，對于任意時刻到達(dá)交叉口的有軌電車，選擇交叉口延誤損失最小的組合控制策略。并運(yùn)用實(shí)例交叉口的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，組合控制策略不僅給予了有軌電車優(yōu)先權(quán)，也將交叉口整體的延誤損失降至最低。同時也降低了有軌電車在站臺的?？繒r間這一不確定因素對有軌電車調(diào)度系統(tǒng)和信號優(yōu)先系統(tǒng)的影響。

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Research on the tram signal priority control method considering the holding strategy

CHEN Fei,ZHU Congkun
（School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

Based on the active signal priority control system,a combined control strategy based on the platform control mode（immediate departure or holding）and the intersection signal priority（early green,green extension, phase insertion,etc.）is established in this paper.And a benefit model with the total delay is proposed,the magnitude of the benefit value between the combined control strategy and the holding strategy for an optimum solution is compared.Finally,an example is given to make the tram get its priority,and the influence of the uncertainty of the tram's stop time is also reduced in scheduling system and signal priority system.

tram;signal priority;holding strategy;integrated control strategy

P315.9

：A

：2096-3270（2017）02-0031-06

（責(zé)任編輯：經(jīng)朝明）

2017-03-23

陳 飛（1991-），男，安徽天長人，碩士研究生。

朱從坤（1968-），男，教授，從事交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理的研究，Email：zhucongkun1968@126.com。