有轨电车优先的固定信号配时优化模型

有轨电车优先的固定信号配时优化模型 陈玉江;王敏;罗聪 【摘 要】为确保现代有轨电车在道路交叉口能够优先、安全通行,对有轨电车的信号优先理论进行了研究。首先,在传统信号配时方法TRRL的基础上,对现代有轨电车信号配时的关键参数进行了分析,并对交叉口各相位的信号时长进行优化。然后,鉴于现代有轨电车通过交叉口时会形成离散交通流,研究并提出了其特定的延误公式,构建以人均延误最小为目标函数的固定信号配时优化模型;同时,还提出了该优化模型的求解思路。最后,以武汉东湖新技术开发区现代有轨电车T1线为例,用优化模型与传统信号配时模型进行了仿真分析与对比,从而对优化模型进行了验证。结果表明,采用有轨电车优先的固定信号配时优化模型后,尽管车均延误有所增加,但人均延误却有明显的减小,交叉口整体运行效益最大,验证了固定信号优化模型的有效性。

【期刊名称】《交通运输研究》 【年(卷),期】2016(002)001 【总页数】9页(P8-16) 【关键词】现代有轨电车;交叉口;信号优先;配时参数;人均延误 【作 者】陈玉江;王敏;罗聪 【作者单位】[1]武汉光谷交通建设有限公司,湖北武汉430075;[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉430063

【正文语种】中 文 【中图分类】U491.123 第2卷第1期| 2016年2月 近年来，随着经济的高速发展、城市化进程的加快，交通拥堵已经成为很多城市面临的严峻问题。为保证城市健康、稳定地发展，大力推广公共交通已成为大势所趋。而在许多大城市大力修建地铁的同时，也亟需一种适用于中小城市或大城市边缘地带的具备运量适中、舒适便捷、节能环保等优点的新型公共交通方式。 有轨电车以其容量大、成本低、舒适快捷、机动灵活等特点，已逐渐成为缓解城市交通压力的一大新方向［1］。纵观国内外，有轨电车在法国、意大利等国家的多个城市投入运营，我国的天津、沈阳等多个城市也开通了多条有轨电车线路。此外，北京、广州、深圳、武汉等多个城市正逐步开始进行有轨电车线网的规划或建设。 一般来说，有轨电车多采用半独立路权，在交叉口处实施信号优先控制［2］。但是，交叉口信号优先势必会对交叉口的社会车辆通行造成一定影响［3］，因此，如何在两者之间找到一个合理的优先值，在交叉口确保有轨电车优先的同时，尽可能地减小其对社会车辆的影响，是目前亟待解决的一大难题。 由于国外有轨电车的建设较早，建成的有轨电车线路较多，因此，对有轨电车的研究也相对较多［4-6］。这些研究不仅对有轨电车优先的策略进行了详细分析，而且还考虑了有轨电车优先的实现技术。但是，主动优先、多路口协调控制等优先策略的定量模型却多运用于快速公交系统BRT的信号优先控制中。相比之下，由于国内近几年才开始大力发展现代有轨电车，所以有关有轨电车信号优先的文献相对较少，多为对方法和策略的定性分析，关于定量模型算法和具体实施技术的研究比较缺乏［7-10］。 由于现代有轨电车发车频率较低，且其通过交叉口会形成离散交通流，其延误的计算方法不能与社会车辆进行类比。本文在传统的信号配时法TRRL法（也称Webster法）的基础上，对有轨电车通过交叉口的相关参数进行分析，通过改进社会车辆信号配时参数的计算公式，提出了有轨电车特定的延误公式，并以交叉口的人均延误为参考指标，构建有轨电车固定信号配时优化模型，旨在为构建有轨电车主动优先控制策略的定量模型提供理论基础。 有轨电车定时信号配时是指根据交叉口的车流量及其几何条件，确定一套固定不变的信号配时方案，使交通信号控制机按该固定方案运行［11］。纵观国内外研究，最早、最基础的信号配时方法为英国的TRRL法（也称Webster法），其以车均延误最小为目标优化周期时长，以等饱和度原则分配绿信比。 1.1 最佳周期时长 以车均延误最小为参考原则，Webster法信号延误计算公式如下［12］： 式（1）中：d为车辆平均延误；C为周期时长；λ为绿信比；q为进口道的交通流量；x为饱和度。 为使车辆平均延误最小，对式（1）求偏导数，用近似法求解，即可得到定时控制最佳信号周期时长，其计算公式如下： 式（2）～式（4）中：C0为最佳信号周期时长；L为信号总损失时间；l为起动损失时间；I为绿灯间隔时间；A为黄灯时长；Y为交叉口组成周期的全部相位的最大流率比之和；yij为第i相位第j流向的流率比。 1.2 信号配时 根据上述所得最佳周期时长，可计算每个周期内各相位的有效绿灯时长，计算公式如下： 式（5）中：gi为第i相位的有效绿灯时间。 2.1 有轨电车通过路口时间 一般而言，每个有轨电车相位只能通过一组列车，由于有轨电车列车较长、起动较慢，计算其通过交叉口所需的最短时间意义重大。其通过交叉口所需时间计算公式如下［12］： 式（6）中：gp为有轨电车通过路口的时间；tr为司机的反应时间，一般可取1s；tb为列车实际通过交叉口的时间；te为清空时间，一般可取10s。 列车实际通过交叉口的时间tb的计算公式如下： 式（7）中：lt为交叉口的宽度；li为列车长度；aa为列车的平均加速度；vi为列车通过交叉口的最大速度。 2.2 起动损失时间 起动损失时间包括两部分：绿初损失时间和黄末损失时间。由于绿灯刚亮时，司机不能立刻作出反应，且列车由静止加速至匀速运动会行进一定距离，绿初损失时间计算公式如下［12］： 黄末损失时间一般通过实测获得，由于有轨电车的制动性能比社会车辆要差，其黄末损失时间会比社会车辆的要长。起动损失时间计算公式如下： 式（9）中：lt为有轨电车的起动损失时间；lf为有轨电车的绿初损失时间；le为有轨电车的黄末损失时间。 2.3 黄灯时间 黄灯时间设置的目的是使驾驶员在看到黄灯时不会感到犹豫：到底是继续前行通过交叉口，还是减速等待下一个绿灯相位？故其平衡点应该是匀速前行的距离与减速至停车的距离相等，其表达式如下［12］： 式（10）、式（11）中：At为有轨电车的黄灯时间；ad为有轨电车的平均减速度。 对于共用同一相位的有轨电车和社会车辆，应选取较大的黄灯时间，以确保有轨电车和社会车辆均能安全通过交叉口，其公式如下： 式（12）中：A0为有轨电车和社会车辆共用相位的实际黄灯时间；As为社会车辆黄灯时间。 2.4 绿灯间隔时间 按照传统的绿灯间隔时间的计算方法，有轨电车的绿灯间隔时间计算公式如下［12］： 式（13）中：I0为绿灯间隔时间；ti为前一相位尾单元的清空时间；tj为后一相位尾单元的进入时间。 为了考虑快车和慢车的不同情况，本文对公式进行了改进：ti取其累积频率分布函数85%位值，对应速度最慢的清空交通流；tj取其累积频率分布函数15%位值，对应速度最快的进入交通流。对于某些特殊情况，I0的取值可能小于0，此时则会出现两个相位同时出现绿灯的情况，这是由于清空距离、进入距离以及车速等多方面因素引起的。 有轨电车驶过交叉口时，由于其进入交通流比同一相位的社会车辆慢，故前一相位和有轨电车相位之间的绿灯相隔时间与社会车辆的计算过程相同。同时，清空交通流也比同一相位的社会车辆慢。因此，有轨电车相位与后一相位的绿灯间隔时间需特别计算，其计算公式如下： 式（14）中：It为列车绿灯间隔时间；Zt为停车线到冲突点的距离；vt为列车在进口道上的行驶速度；Zc为后一相位社会车辆停车线到冲突点的距离；ac为社会车辆的平均加速度；vc为社会车辆通过交叉口的最大速度。 与黄灯时间相同，对于共用同一相位的有轨电车和社会车辆，应选取较大的绿灯间隔时间，以确保有轨电车和社会车辆均能安全通过交叉口，其公式如下： 式（15）中：I0为有轨电车和社会车辆共用相位的实际绿灯间隔时间；It为有轨电车绿灯间隔时间；Is为社会车辆绿灯间隔时间。 2.5 发车间隔 考虑在最不利的情况下，每个信号周期最多只能通过一个方向的有轨电车，则信号周期与交叉口通过能力的关系如下： 路口最小列车间隔=2Ct （16）式（16）中：Ct为有轨电车线路上交叉口的最大信号周期。 在不受路口影响的单一站台情况下，车站通过能力主要考虑前一列车顺利出站后，后一列车方可准备进站，考虑列车减速进站、列车停站和列车加速出站这三部分。计算公式如下： 式（17）中：tr为司机的反应时间，可取5s；vm为列车运行最大速度；tw为列车停站时间。 3.1 模型的建立 由于社会车辆和现代有轨电车的平均载客量有较大差别，考虑到现代有轨电车的平均载客量很大，不能单纯地只考虑车均延误，应更多地考虑并降低人均延误。传统的交叉口信号配时主要考虑车均延误，而本文则是从人均延误的角度，构建交叉口的固定信号配时优化模型，同时与传统的考虑车均延误的信号配时模型进行对比，分析模型的实用性。 3.1.1 传统信号配时模型 首先计算传统信号配时的车均延误。一般情况下，每个周期内只能通过一组有轨电车，故计算其车辆延误意义不大，不作考虑，仅考虑社会车辆的车均延误。本文采用的车均延误计算公式如下［12］： 式（18）中：dij为第i相位第j流向的车均延误；λi为第i相位的绿信比；xij为第i相位第j流向的饱和度；qij为第i相位第j流向的进口道交通量。 交叉口社会车辆平均延误计算公式如下： 目标函数为： 式（20）中：gi为第i相位的有效绿灯时间；L为交叉口信号总损失时间；Cmin为交叉口最小周期时长；Cmax为交叉口最大周期时长；gimin为第i相位的最小有效绿灯时间；xp为交叉口的最大饱和度。 3.1.2有轨电车优先的信号配时优化模型