单点公交优先感应控制策略效益分析与仿真验证_图文

1、第卷第期年月系统仿真学报单点公交优先感应控制策略效益分析与仿真验证马万经。杨晓光（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海）摘要：单点交叉口信号优先可以降低公交车辆延误且易于实现。研究了公交相位绿灯延长，红灯早断和插入相位三种单点公交优先感应控制策略；应用延误三角形方法建立了以公交车辆丰均延误变化量和非优先相位车均延误变化量为指标的三种单点公交优先策略效益计算模型以两相位信号控制为对象，计算对比分析了三种公交优先策略的正负效益及其影响因素，并通过仿真进行了验证分析研究表明：公交相位绿灯延长、公交相位红灯早断和插入公交相位三种策略都能够降低公交车均延误，与此同时也都会带来非优先相位车流延误的

2、增加，但影响的程度不同公交相位绿灯延长策略的效益略小于公交相位红灯早断策略，而相位插入策略的效益与插入时蒯等多因素相关。关键词：公交信号优先；信号控制交叉口：优先控制策略；效益分析中图分类号文献标识码：文章编号：（）似讹，尉卯煳，（柚！山“时铘，）：呲耐硎柚印锄勰：辩：粤，私丁危如砂打甜跆口岱耐“比易淞如掣抛口以，中砌，毋伽如掣已如“蒯盯坜隐肥疗一钞、耐硒锄山臼嬲舱山陀柚山吐嘶咖髓妯私小丁砑，），口，譬舰删砌，括“，咖珈甜，膳跏眈地邶幻几谢饥历把，叼巧妇埘一伽协彤州册触舭叩沁砌矗口刎口，巧易淞口舶册咖，如幻飓“：昀耐；嘶廿舀；引言公交信号优先在改善公交服务，提高公交系统吸引力方面有非常大的潜力

3、。从（）等人对两个信号控制交叉口通过手动信号提供公交优先的研究开始【】，公交优先的研究已经取得了一系列长足的进步圆。单点信号优先控制策略因其逻辑简单且易于实现而得到了广泛的研究和应用。析。在公交车流量较小，一个周期红灯到达车辆数较小（如辆）的情况下，这些策略并无明显的缺陷。然而，当公交流量较大，红灯期间到达车辆较多时，特别是在为了降低公交优先对非优先相位的不利影响，一个周期只能执行一种优先策略的情形下，这种缺陷就会逐渐暴露出来【】，必须对优先策略的可能效益进行全面地分析。，本文首先分析了三种通用的单点公交优先感应控制策略：公交相位绿灯延长、公交相位红灯早断和插入公交相位的适用范围；进而应用延误

4、三角形法建立了公交优先策略下的公交车均延误和非优先相位社会车流车均延误的计算模型，并以其为指标，对比分析了不同情形下三种优先策略的效率。同时，应用的仿真对分析结果进行了验证。（）抽姐硒（），卸，（）嘲，眦曲（，），协酞姐柚卸粕（，）】等人先后提出了以降低延误为目标的优先控制策略，并从优先控制模型、检测器布置、优先控制系统结构和优先控制约束等方面进行研究。几乎所有的单点优先策略，都是建立在单一公交车辆优先申请的。即优先策略的选择和实施时都是针对某一车辆，目标为降低单车延误，缺乏对之前到达或者之后可能到达车辆的考虑，也即缺乏优先策略对整个周期车均延误的影响分研究表明，在对非优先相位效益降低量几乎接

5、近的情况下，红灯早断的优先策略明显优于绿灯延长策略，而相位插入策略的效益则随相位插入时间等因素的变化而变化。三种单点公交感应优先策略设代表车辆到达交叉口的时刻；如代表绿灯延长时收藕日期回日期基金项目：国家自然科学基金重点项目（）作者简介马万经（），男，内蒙古赤峰讲师，研究方向为城市交通控制与交通仿真间；踟代表红灯早断时间；骺代表插入相位的长度；如： 公交相位有效绿灯时间；：信号周期长度（）。 第卷第期年月。、，系统仿真学报。蹦匦二囝主巫二盈】至二圃陆酬嘶胁啪匦亘二二西匦丑【垂互二匾曼叵盈硷妯由叭瑚哪由唧岫删罩息仉无策陌缎磕分析单点优先策略效益分析优先策略下公交车均延误变化量计算模型设公交车流饱

6、和流率为品，社会车流饱和流率为，删公交车流率为函，社会车流流率为毋。通过为公交车辆提供优先，可以降低公交车辆在交叉口的信号延误，同时使公交同一相位的社会车流受益，这些构成了单点公交优先策略的正效益。如图，图所示，公交优先前后公交车辆的延误三角形发生了明显变化。根据延误三角形的几何关系，三种策略下周期内公交车均延误的降低量计算公式推导如下。趾去（。）一缸盟）。公交相位红灯早断下的公交车均延误变化量图三种单点公交信号优先策略绿灯延长策略（璐）如图所示，当公交车辆到达时刻为公交相位红灯且在最大延长绿灯范围之内时，可以采取延长公交相位绿灯的方法提供公交优先，既其适用条件为：如乙。（）巩去（一击（卜譬）

7、厨。：去（一“一）生插入公交相位下的公交车均延误变化量成功的绿灯延长之后，公交车辆能够在绿灯时间内通过交叉口，其延误为：“（）其中，以：绿灯延长后车辆延误（）。插入相位策略（辩）融瞰如果占。艺舶厶，即车辆在最后一个相位开始之前到达，则可以选择插入公交专用相位进行信号优先。插入相位后，得到优先的公交车辆延误可以用下式计算：图例口优先后公交延误臣勿优先降低的公交延误以：“胆绿灯间隔时间。（）其中，名：插入相位的开始时刻，（）；：相位的绿灯时间（）：交叉口的相位总数；，第相位与下一相位的图公交车辆红灯早断策略（）如果瓢，则可以选择红灯早断进行优先，红灯早断后，受益的公交车辆延误可以由下式计算。：甩一

8、名：船（）（）（打翻通其中，：红灯早断时刻，一鼬。正如前面分析，式（）、（）和（）仅仅考虑了提出优先申请车辆的延误，而没有考虑其他已经到达和将要到达的车辆。同时，从时间顺序上看，从公交相位绿灯结束开始优先图例口优先前延误刁优先增加的延误策略的选择顺序为：公交绿灯延长插入公交相位公交红灯早断，在周期优先响应次数受限的情形下，按照时间顺序选择优先策略未必是最优的方式，特别是在考虑了所有红灯期间到达车辆的运行效益后，以下对此进行深入分析。瓣墙五口图非优先相位社会车流延误分析 第卷第期年月马万经，等：单点公交优先感应控制策略效益分析与仿真验证优先策略下非优先相位车均延误变化量计算模型以两相位信号控制为

9、例，公交优先之后，非优先相位的延误三角形也发生了变化，即车辆延误增加，三种策略下，非优先相位车均延误增加量可以用下式计算：公交绿灯延长下的车均延误增量：相位插入的时间越迟，上升速度越快。随着公交相位饱和度的增加，不同插入时间对非优先相位延误的影响程度发生变化：饱和度较小时，相位插入时间越早，对非优先相位的影响越大，而当饱和度增加到一定程度之后，插入相位越早反而对非优先相位的影响越小。公交红灯早断下的车均延误增量耻去（咄）去（警舢饥去（¨赤（警舢去（。一屯）三生品一函一一坪。聘十驯¨儿。阻号螂舭插入公交相位下的车均延误增量鬈鼎一，一：扩一。：二一，一霹三种策略效益对比分析取两

10、相位信号控制下，信号周期，公交车流饱和流率为，社会车流饱和流率为乱，周期损簇晶（了专爷母优先时问（）图优先时间影响分析失时间，公交相位绿灯长度为。弓删基争咄捌霜取乳。，相同优先时问下绿灯延长与红灯缩短效益对比如下图。随着公交相位饱和度的升高，三种策略对公交延误降低的程度随之增加；可以认为，优先策略在饱和度高的情形下效益更加明显。相比之下，插入相位和红灯早断要比绿灯延长对公交车均延误的降低随饱和度变化敏感。匡一图非优先相位延误变化 一卜一一：医夏至！兰二二二二相位插入时刻对公交车流延误和非优先相位车流延误的影响如图所示。可以看出，随着相位插入时刻的推移，公交车流延误的增量成抛物线形式先增后降。即

11、在某一车流到达消散规律下，存在一个点，使得插入相位策略能实现最大效果。非优先相位延误增加量随着相位插入时刻的推移呈非线性变化趋势。在达到某一点之后，非优先相位延误增加图公交相位延误的变化量快速增长。图反映的是车均延误增（减）量随优先时间（延长绿灯时间或红灯早断时间的长度）的变化情况。随着优先时间的增加，绿灯延长和红灯早断两种策略下，公交车均延误减少量都呈增加趋势，但增加幅度随着优先时间的增加渐趋缓和；同时，相同的优先时间下，红灯早断策略对公交延误的降低能力大于绿灯延长策略，二者之间效率的差别随着优先时间的增加逐渐增大。同时，随着优先时间的增加，非优先相位延误增加量逐渐增加，增加的速度也随之加快

12、。从计算模型可以看出，相同的优先时间下（绿灯延长和红灯早断时间），绿灯延长和红灯早断对非优先相位车流延误的影响相同，图也反映出这一点。由于优先时间一致，绿灯延长和红灯缩短策略下，社会车流延误不受公交相位饱和度变化影响，保持一致。而插入相位策略下，非优先相位社会车流延误增加量随着公交饱和度的上升而显著上升，且。删制账制窘之一“、一插入相位非优先相位相位插入时刻圈相位插入时刻影响分析仿真验证以下通过交通仿真对上述结论进一步分析。仿真模型使用微观仿真软件建立，是一个微观的、时间离散、基于跟驰和换道运动模型。“使用、柚第卷第期年月、，系统仿真学报岍开发的行为模型【】，公交优先感应控制的逻辑通过其语言实

13、现。仿真机动车流量以实际调查数据作为输入，无影山东北园大街两相位控制交叉口高峰实际调查流量见图，东西直行方向设置一条公交专用道，专用道公交车流量为辆，、时。每次仿真时段取秒，其中包括秒路网车流初始化阶段。分别对绿灯延长策略、红灯早断策略和相位插入策略分笛孤垤；厂：一无优先一。一、一一“红灯早断一插入相位一绿灯延长仿真序列图社会车流延误仿真对比别进行仿真。仿真中取髂岛，插入相位的长度“。由于仿真的随机性，所以必须通过多次仿真来获得统计结果。在本次研究中每个控制方案取不同随机数做次仿真，得公交车辆延误和非优先相位延误对比如下图和图。降低公交流量为原来的，和，即，和，社会车流流量不变（如图所示），重

14、新进行仿真分析，取次仿真的平均值，结果如下图所示。图不同公交流量仿真对比对比图和可以看出，不同公交需求下，三种优先策略都能够取得一定的效益。相对而言，随着公交车流量的降低，三种策略效率的差异也降低。图仿真验证案例改变社会车流的流量对比情况对三种策略的控制效果进行分析。由于优先相位机动车流受到的影响与公交车流的基本一致，因而通过改变非优先相位车流进行对比分析，分增加和降低非优先相位车流（即南、北向车流总体增加）共种情况进行分析。从图中可以看出，基本上红灯早断对降低公交车辆延误的效果要大于绿灯延长而相位插入策略波动较大。次仿真绿灯延长、红灯缩短和相位插入策略下公交车均延误平均值分别为、和。 仿真序

15、列图不同非优先社会车流量下控制策略仿真效果图公交延误仿真对比从图可以看出，绿灯延长策略和红灯早断策略对非优先相位影响比较接近，相对而言，插入相位对非优先车流的影响略小。丛图可以看出，非优先相位车流需求对控制策略效果有重要影响，当非优先车流流量较大时，公交优先策略会引起非优先车流延误的迅速增长。当非优先相位流量较小时，第卷第期、年月马万经，等：单点公交优先感应控制策略效益分析与仿真验证眦绿灯延长的影响大于红灯早段的影响，随着非优先相位流量的优先策略效益相互关酬，将单点的信号优先对车辆的效的增加，两者产生的影响逐渐接近。益放在整个信号协调控制系统中进行研究将是非常有意义通过不同公交需求下的仿真还发

16、现绿灯延长时段和红的后续研究。灯早断时段的绿灯时间利用率不同，红灯早断期间车流基本参考文献：以饱和流率驶出，而绿灯延长时的车流驶出流率相对较低。【】盯巧研当公交需求小时，这种差异也在减小。可见绿灯时间利用率雠咖加【阿嘶哆傀嘲【】的不同也是红灯早断效率与绿灯延长效率不同的因素之一。：侣时强：不同优先策略下，与公交车辆同相位的社会车流同样将【】（，吣“蛆，叩璐虹【龃：州髓从优先策略中获益（与公交车流同样获得优先策略提供的绿她埽畸，：一灯），且不同优先策略对其的影响与公交车流近似，在此不【】【，鲫伽【髂加衄衄做单独分析。删叽矩吲州嗽【】脚嘣吐结论雒，：啪印士：一【锄弘，“血蛆他综合上述分析，可以总结

17、得出如下基本结论：趾峨伽【】丛咀，：鼬蚯衄）公交相位绿灯延长、公交相位红灯早断和插入公交。，伽缸曲，相位三种策略都能够降低公交车均延误，与此同时也都会带【】姐面删呲锄耐帅】来非优先相位车流延误的增加，但影响的程度不同：。勰：吼，【】旷吐咖咄：盯，儿盯皿蹦耐）随着公交相位饱和度的增加，优先策略的效益越明油瞄币呷显：孤廿蹦：勰。器吼：）相同的优先时间（绿灯延长或红灯早断时间）下，甩叫咒。：公交相位绿灯延长策略的优先效率小于公交相位绿灯早断】删翘，棚卸印胁咄衙策略。这种趋势随着公交相位饱和度的增加或者优先时间的删噼甜哼加岫弘【】叫嘲眦增加逐渐扩大；船）相位插入的时间影响着插入相位策略的优先效率。【】马万经，聂磊，杨晓光单点定时信号最优控制模型及仿真分析在特定的公交流量和到达消散规律下，存在一个最优的相位【】系统仿真学报，（）：（如，）（啪，【撕仙髂插入时间使得该策略的效益最大化。砸酣廿砒砷耐咖叽叨岫）以单一公交车辆为控制对象，按照时间顺序依次采，（）：）用相位绿灯延长、插入相位和红灯早断策略并非最优的优先【】控制方式；特别是在公交相位饱和度较高的情形下，考虑整咖，（）】却：嗍，如衄盯盯龙，一个红灯期间到达车辆数及到达规律后，才能做出最优决策。【】删甜婚嗽：本研究仅采用了公交车均延误和非优先相位车均延误姐伽姐叩为指