基于VISSIM的有軌電車交叉口信號控制策略研究

章瑀, 陳榮武, 王堅強

(1.西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756; 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川 成都 610031)*

基于VISSIM的有軌電車交叉口信號控制策略研究

章瑀1, 陳榮武1, 王堅強2

(1.西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756; 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川 成都 610031)*

以半獨立路權下的有軌電車在交叉口的通行效率為研究對象，借助VISSIM對交叉口進行建模并通過感應信號控制模塊模擬信號優(yōu)先控制，分析了傳統(tǒng)絕對優(yōu)先策略的缺陷并對其進行了改進，比較不同信號優(yōu)先下有軌電車行程用時以及交叉口總平均延誤.結果表明:對交叉口信號采取一定優(yōu)先控制，可在對公路車輛不造成過多延誤影響的同時有效保障有軌電車在交叉口區(qū)域的順暢通行.

有軌電車；VISSIM；交叉口信號；控制策略

0 引言

現(xiàn)代新型有軌電車是一種介于快速公交與輕軌的交通方式，其運能高于快速公交而單位造價投入遠低于輕軌，并且具有節(jié)能環(huán)保、安全舒適等特點.與地鐵等具有完全獨立的路權形式不同，大部分有軌電車采用的是半獨立路權，即路段內(nèi)通過與其他車道設置物理隔離保障有軌電車通行完全獨立，而交叉口區(qū)域與社會車輛共享路權[1].為保證有軌電車在交叉口區(qū)域順利通行，需要對有軌電車道口信號以及公路交通信號進行協(xié)調(diào)控制，在給予有軌電車一定優(yōu)先的情況下最小化交叉口整體延誤，提高交叉口服務水平.

高翔[2]分析了不同交叉口類型下有軌電車信號優(yōu)先相位設計的方法；金建飛[3]歸納了有軌電車信號優(yōu)先的功能需求，并結合實際工程案例提出了設計原則；黃坤林[4]針對南京有軌電車這一實例，提出了路口優(yōu)先方案，并羅列了線路沿線交叉口所使用的信號優(yōu)先形式.目前針對有軌電車交叉口信號控制策略文獻眾多，但大多缺少具

體量化數(shù)據(jù)作為理論支撐，因而本文借助VISSIM對交叉口進行建模仿真，通過評價數(shù)據(jù)分析各策略的優(yōu)劣并做適當改進.

1 信號優(yōu)先分類

與公交信號優(yōu)先控制策略相類似，有軌電車道口信號優(yōu)先也可分為被動優(yōu)先、主動優(yōu)先與實時優(yōu)先[5].主動優(yōu)先根據(jù)有軌電車路段中鋪設的檢測器獲取電車通過信息，并結合公路交通信號時間給予其一定的通行優(yōu)先權.根據(jù)優(yōu)先條件，主動優(yōu)先又可分為絕對優(yōu)先與相對優(yōu)先.

絕對優(yōu)先策略下，當有軌電車預備接近交叉口時，將關閉公路交通中與電車通行沖突的信號相位，同時有軌電車道口信號機顯示綠燈，保證電車在道口前不停車的通過并確保有軌電車在道口的通行安全，當有軌電車通過道口后，公路交通信號繼續(xù)以原固定配時方案運行.而相對優(yōu)先策略還考慮了有軌電車通過檢測器時公路信號相位的運行情況，減少了交叉口區(qū)域公路交通的整體延誤，常見的控制方法有紅燈早斷，綠燈延長，插入通行相位等[6].

2 基礎仿真模型

2.1 路網(wǎng)模型

選取某有軌電車主次道路相交交叉口，有軌電車線路按照東西走向布置于道路中央，并在交叉口位置設置有軌電車道口信號機，如圖1所示.

圖1 交叉口路網(wǎng)模型

有軌電車上下行線路接近交叉口方向布設有檢測器，用于檢測電車通過信息.檢測器與交叉口停車線之間距離Ldet可根據(jù)以下公式計算[1]：

(1)

其中，tyellow為異相黃燈時間，vtram為有軌電車接近交叉口時的車速，根據(jù)有軌電車旅行速度并結合實際路口黃燈時間即可確定檢測器的布設距離.

2.2 交叉口流量調(diào)查

通過人工觀測法對選取的交叉口進行實際交通流量調(diào)查，調(diào)查時間段為工作日晚高峰(17∶00 ～18∶00).統(tǒng)計道路車輛組成為小汽車、中型公交、小貨車，未經(jīng)折算的總交通量數(shù)據(jù)見表1.限于人力及簡單起見，VISSIM中對三種車型按照7∶2∶1的比例設置車輛組成并在每一進口道設置對應的流量輸入.

表1 交叉口流量

2.3 有軌電車車輛模型

為保證最后的仿真評價結果更加準確的反應交叉口真實狀況，需要對有軌電車相關基本參數(shù)進行調(diào)查，以便在VISSIM中進行車輛模型參數(shù)的設置.

有軌電車關鍵參數(shù)[7]：車輛長度為20～45m；最高運行速度為70 km/h；平均起動加速度為1.0m/s2；常用制動減速度為1.1 m/s2；緊急制動減速度為2.5 m/s2

另外，有軌電車骨干線高峰運行速度不小于20 km/h，且發(fā)車間隔不大于3 min；一般線高峰運行速度不小于15 km/h，發(fā)車間隔不大于8min[8].在VISSIM中進行仿真時可據(jù)此編排有軌電車路線時刻表，將發(fā)車間隔控制在3～5 min之間，避免發(fā)車頻率過高對信號優(yōu)先交叉口整體通行能力造成影響[9].

3 信號控制方案

3.1 基本信控方案

由于公路車流在交叉口區(qū)域有轉向需求，不同方向的車輛合流分流時產(chǎn)生了眾多沖突點，若不進行有效的交通信號控制，在時間上分離沖突車流以減少或消除車流間的沖突點，則極易造成擁堵甚至事故[10].根據(jù)交叉口路網(wǎng)模型以及有軌電車車道布置，分析交叉口沖突點如圖2所示.

圖2 交叉口沖突點分布

有軌電車采用右側行車方式且車道布置于道路中央，根據(jù)沖突點分布圖示，若采用二相位信號為基礎對交叉口進行信號控制，有軌電車會與同向的公路左轉車流產(chǎn)生沖突，對有軌電車行車產(chǎn)生較大安全隱患，故電車通過時需要對左轉車流進行防護.結合實際車流量調(diào)查，南北方向車流較有軌電車所在主干道更少，此交叉口以三相位進行信號控制更為適宜.

采用交通信號協(xié)調(diào)配時軟件Synchro根據(jù)車流量進行三相位信號配時，各相位綠燈時長如圖3所示，公路交通信號基本運行順序為相位A-B-C，其中相位間切換的黃燈時間為3 s，總周期計時120 s.相位T為有軌電車道口信號專用相位，在檢測器未檢測到電車通過時，道口信號長亮紅燈；當檢測器檢測到電車通過，可在非沖突相位(相位A)開放的同時開啟相位T，或在沖突相位(相位B、C)間切斷沖突相位后插入相位T.

圖3 信號相位

若采取傳統(tǒng)的固定周期配時而不使用任何的感應優(yōu)先控制，有軌電車道口信號將與相位A同步開放或關閉，該種信號控制下有軌電車在道口將會停等較長時間，無法體現(xiàn)軌道交通的快速性與便捷性.

3.2 信號優(yōu)先控制

如圖1所示有軌電車檢測器位置距離交叉口出口距離為Ldet+Lc,m，有軌電車平均旅行速度為vtram,m/s，則從檢測器到交叉口出口的行駛時間為(Ldet+Lc)/vtram,s.另設ti_green為有軌電車通過檢測器時公路交通相位i的綠燈剩余時長，Ti_green為對應i相位的完整綠燈時長.

3.2.1 絕對優(yōu)先

當有軌電車通過檢測器時前方交叉口信號顯示為相位A，則道口信號開放，直至有軌電車完全通過交叉口后關閉.若tA_green≤(Ldet+Lc)/vtram，公路交通信號在電車通過后直接切換至B相位，即相位A-(A+T)-B-C；反之，繼續(xù)顯示A相位，直至滿足A相位的規(guī)定綠燈時長后再做切換.

當電車通過檢測器時交叉口信號為相位B，則切斷B相位后插入T相位，有軌電車通過后T相位關閉，公路交通信號繼續(xù)按照原有相序運行，順序為相位B-T-C-A；當電車通過檢測器時交叉口信號為相位C，則提前開放A、T相位，電車通過后關閉道口信號并繼續(xù)運行A相位，至滿足規(guī)定綠燈時長，即順序為相位C- (A+T)-A-B；

3.2.2 相對優(yōu)先

為減少絕對優(yōu)先策略執(zhí)行時可能過早的切斷異側通行相位，對南北向交通造成過多影響，相對優(yōu)先在絕對優(yōu)先的基礎上還綜合考慮了有軌電車通過檢測器時公路交通相位的剩余時間，避免B、C相位運行時間過短.

當有軌電車通過檢測器時前方交叉口相位顯示為B或C，若ti_green≤Ti_green/2,(i=B,C)，則切斷當前相位，插入或者提前有軌電車通行相位；反之，道口信號機保持顯示紅燈，待當前公路交通相位結束后再處理有軌電車通過請求.相對優(yōu)先減緩了公路方面車輛的擁堵，但是在某些情況下有軌電車需要停車等待，增加了行程時間.

3.2.3 含時間補償?shù)慕^對優(yōu)先

絕對優(yōu)先雖然可以保證有軌電車在交叉口不停車的連續(xù)通過，但是對南北方向的公路車流卻造成了產(chǎn)生了較大影響，特別是當高峰期時車流量增多，采用直接截斷沖突相位的絕對優(yōu)先所導致的車輛排隊長度將會是傳統(tǒng)固定周期配時下的2～3倍.所以一定條件下有必要在有軌電車通過之后返回原先的沖突顯示相位，對其進行一定的時間補償，以便疏解有軌電車異側的沖突車流.

該種優(yōu)先控制下為防止補償時間過短以及頻繁的相位間切換造成損失時間的增加，規(guī)定當有軌電車通過檢測器時前方交叉口相位顯示為B或C，若ti_green≥Ti_green/2,(i=B,C)，則有軌電車通過交叉口后需要返回原先被切斷相位繼續(xù)顯示，補償時間為Ti_green-ti_greens，補償時間過后繼續(xù)按照基本順序顯示下一相位；反之ti_green≤Ti_green/2,(i=B,C)時不再進行時間補償.

3.3 信號優(yōu)先時序分析

圖4描述了上述各信號控制方案下的信號相位變化時序圖，其中黑色三角箭頭代表了感應控制下有軌電車車頭經(jīng)過交叉口前檢測器的時間.

(a)固定周期配時

(b)絕對優(yōu)先

(c)相對優(yōu)先

(d)含時間補償?shù)慕^對優(yōu)先

采用絕對優(yōu)先下，圖4(b)中的相位C在運行18s時檢測器檢測到有軌電車通過，隨后即開放道口信號并同時切換到相位A允許東西方向直行的公路車輛通過.改進后含時間補償?shù)慕^對優(yōu)先則在有軌電車通過道口后繼續(xù)返回相位C，補償運行37s，使被切換前后的兩次綠燈時長之和與固定周期下一致，有效疏解南北方向的車流擁堵.采用相對優(yōu)先下，圖4(c)中的相位B在運行14s時檢測到電車通過，此時符合將當前相位提早切斷的條件，即在相位B后單獨開放有軌電車道口信號，待電車全部用過后再切換至下一相位.

4 運行仿真及評價

對交叉口進行3600s仿真，安排上、下行有軌電車班次各16對，仿真效果如圖5所示.圖5描述了在相對優(yōu)先下公路交通于相位B時檢測到

有軌電車通過，并滿足規(guī)則中的條件：tB_green≤TB_green/2，將相位B切斷后插入有軌電車通行相位T時的仿真情況.

圖5 仿真截圖

選取有軌電車在交叉口區(qū)域300m的平均行程時間、延誤時間，以及公路交通停車線前的排隊長度、總平均延誤為評價指標，對該交叉口運行仿真并進行評價，評價結果見表2.

表2 評價結果

由表2可知，采用了感應控制后，有軌電車延誤時間均有大幅減少，尤其是絕對優(yōu)先控制下，有軌電車在交叉口前不需停車，保證了通行效率.同時絕對優(yōu)先給公路交通帶來的則是較嚴重的擁堵，特別是南北向公路交通，由于過早切斷通行相位，停車線前的平均排隊長度相比于固定周期配時成倍增長，而對其改進增加了時間補償后，南北方向的擁堵有所減緩，交叉口總平均延誤也明顯降低.相對優(yōu)先下，部分有軌電車班次可能會在交叉口前停車等待，造成行程時間延誤，但對公路交通的影響較小，不會造成大規(guī)模的排隊擁堵.

綜上，對于該建模的主次道路交叉口，可以考慮采用相對優(yōu)先以及含有時間補償?shù)慕^對優(yōu)先，尤其是對有軌電車通行有較高要求不允許有過多停車的情況下可以優(yōu)先考慮后者，但需要注意的是相位間的頻繁切換將會導致?lián)p失時間的增加，進而造成交叉口通行能力與交通效率的下降.當相交道路為車流量較少的支路時，為保證有軌電車高效通行且不對公路車輛造成過多延誤，可考慮采用絕對優(yōu)先進行信號控制.

5 結論

本文對有軌電車在交叉口的信號控制策略進行了建模仿真，并對絕對優(yōu)先策略進行了改進，增加了時間補償，使改進后的交叉口總體延誤降低.從評價結果看出，相對優(yōu)先與改進后含有時間補償?shù)慕^對優(yōu)先能有效協(xié)調(diào)有軌電車與公路車流，前者對公路交通影響較小而后者更能保證有軌電車不停車的通過交叉口.上文只討論了有軌電車在交叉口直行通過的單一情況，對于在交叉口左轉、右轉的情形，本文討論的方法也具有一定借鑒意義.

[1]彭豐. 半獨立路權條件下有軌電車交叉口信號控制仿真優(yōu)化研究[D].北京:北京交通大學,2015.

[2]高翔.交叉口信號優(yōu)先技術在有軌電車系統(tǒng)中的應用研究[J].上海公路,2015 (2):69-72.

[3]金建飛.現(xiàn)代有軌電車信號優(yōu)先設計方案研究[J].交通企業(yè)管理,2013(10):47- 49.

[4]黃坤林,謝勇.有軌電車路口優(yōu)先問題研究[J].鐵路技術創(chuàng)新,2013 (6):60-63.

[5]馬萬經(jīng). 公交專用道信號優(yōu)先控制理論研究[D].上海:同濟大學,2007.

[6]李凱,毛勵良,張會,等.現(xiàn)代有軌電車交叉口信號配時方案研究[J].都市快軌交通,2013(2):104-107.

[7]北京市基礎設施投資有限公司，北京城建設計研究總院有限責任公司. 北京市現(xiàn)代有軌電車技術標準[S].北京：中國標準出版社，2010.

[8]湖北省交通運輸廳.現(xiàn)代有軌電車技術將統(tǒng)一標準[EB/OL]. http://www.hbjt.gov.cn/zwdt/hyjj/zgys/116465.htm.

[9]蔣宏.平面交叉口有軌電車車站位置對公交信號優(yōu)先策略的影響[J].交通與運輸(學術版)，2015 (1):78-81.

[10]王波. 城市道口交通組織與信號控制策略研究[D].吉林:吉林大學,2005.

下期待發(fā)表文章摘要預報

基于EEMD-JADE的單通道EP信號少次提取方法

彭雪嬋，張旭秀，姚鑫，李衛(wèi)東

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)

摘 要：生物醫(yī)學工程中診斷神經(jīng)系統(tǒng)損傷及病變的重要手段之一是檢測與分析誘發(fā)電位(Evoked Potential， EP)信號.現(xiàn)有的方法可以在混合信號中分離出經(jīng)過成多次刺激的EP信號，但丟失了其瞬時特性，因此EP信號的少次提取是當前生物醫(yī)學信號研究中的一個重點問題.給出了一種基于EEMD-JADE單通道盲源分離算法，只利用2個周期的EP與EEG信號隨機混合成的單通道觀測信號中分離EP信號，仿真實驗證明了EEMD-JADE算法的有效性.并與EEMD-PCA-ICA方法比較，結果表明EEMD-JADE算法從2個周期的單通道觀測信號中分離EP信號時性能優(yōu)于后者.

Research on Tram Intersection Signal Control Strategy based on VISSIM

ZHANG Yu1, CHEN Rongwu1, WANG Jianqiang2

(1.School of Information Science & Technology ,Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756,China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu 610031,China)

To ensure the tram at traffic mix intersection safety and effciency under semi-independent way rights, VISSIM is used to model the intersection, and induction signal control module is used to analog signal priority control. The defects of the traditional absolute priority strategy are analyzed and improved. The tram travel time and the total average delay of the intersection in different signal priorities are compared. Results show that certain priority control of the intersection signal would not cause excessive delays on the public traffic and meanwhile ensures the tram smooth passage in the intersection area effectively.

tram; VISSIM; intersection signal; control strategy

1673- 9590(2017)02- 0112- 05

2016-04-26 基金項目：四川省科技支撐計劃項目(2014GZ0081)

章瑀(1990-)，男，碩士研究生； 陳榮武(1971-)，男，高級工程師，博士，主要從事交通信息工程及控制方面的研究

A

E- mail:zhangyu@my.swjtu.edu.cn.