宁波工程学院交通研究院

张水潮  杨仁法  郭璘 宛岩  张敏捷  姜冬冬

一、研究背景

城市公交信号优先的设置是为了在交通拥挤区域授予公交优先通行权，提高公交车的运行效率。对城市交通而言，公交专用道是地面常规公交系统的骨干通道，布置在城市的主要客运走廊，公交专用道+公交信号优先模式，为今后实施快速公交系统奠定基础，同时能够提高地面公交的覆盖范围和可靠性，避免机动车交通需求进一步增长导致地面公交运行条件的恶化，提高公交车的运行速度、准点率等，以吸引更多市民乘坐公交车，保持和提高地面公交相对于其他交通方式的出行吸引力。由此可见，公交信号优先是体现公交优先通行的主要措施之一，是吸引个体出行方式向公交出行方式转移的手段，是通过交通需求管理缓解城市交通压力的重要措施。

二、总体思路

首先，根据交叉口实际交通量，在不考虑公交优先的前提下采用韦伯斯特配时法计算出原有的信号周期以及各个信号相位的绿信比。之后采用该模型的目标函数评价初始方案。下一步开始修正信号周期，在绿信比不变的情况下，修改信号周期得到评价方案，若目标函数优于初始相位，则保持原有步长进行下一次迭代；若目标函数较初始相位延误增大，则减小步长在初始相位的基础上修改公交信号周期。在确定最佳信号周期的基础上，通过同样的方法来确定绿信比，在原有公交相位绿信比的基础上，通过修正绿信比得到评价方案，若目标函数优于初始绿信比，则保持原有步长进行下一步迭代；若目标函数较初始绿信比延误增大，则减小步长在初始绿信比的基础上修改公交相位绿信比，直到确定使目标函数达到最小的公交相位绿信比，同时按比例修改其他信号相位，最后所得到的信号方案即为所求的公交优先方案。具体流程图如图1所示。

图1 公交信号优先控制总体思路

三、公交信号优先控制关键问题

公交信号优先控制的研究对象为单交叉口信号配时，针对公交车辆实施主动信号优先控制。在此过程中，公交相位的绿灯补偿是关键。涉及到信号周期内公交响应的次数约束、信号相位时间的动态调整、相位相序的动态调整等。在现有研究中，并没有很好回应这些问题，同时在公交信号优先控制的评价方面，并未做到标准化。

因此，需要严谨针对单点公交优先控制进行全面分析和评估。主要回答两个问题：1）单点公交信号优先控制的绿灯补偿原则实施方法；2）单点公交信号优先控制的效果标准化评估。

（一）公交信号优先控制问题描述

如图2所示，交叉口具有公交专用道。公交专用道允许社会车辆借道右转。公交优先控制实现的场景为，通过布设在进口车道停车线前（位于交叉口上游公交站点的下游）的公交检测器，当检测器检测到公交车辆即将到达交叉口停车线，即与信号控制机进行实时通讯，检查目标时刻的信号状态，并根据状态动态调整信号相位或相位绿时，实现公交尽可能小延误通过该交叉口。

图2 公交专用交叉口示意图

定义交叉口信号状态为S(t)，记录第t时刻交叉口各进口道红绿灯状态。r_i(t)为第i相位第t时刻剩余的红灯（绿灯）时长，若第i相位为当前执行相位，则r_i(t)表征第i相位第t时刻剩余的绿灯时长；否则，表征第i相位第t时刻剩余的红灯时长。C为交叉口信号周期时长。N为总相位数。g_i为第i相位的计划绿灯时长。g_ik为第i相位第k周期的实际绿灯时长。

（二）针对相位绿灯时间补偿的分析

绿灯时间补偿是单点公交优先控制保障上下游交叉口协调控制的关键，对调整交通流恢复初始状态具有重要的意义。

图3展示临界饱和状态下的相位绿时补偿（后补偿）的基本原理与过程。假定第k周期时，当前执行相位（第i相位，非公交相位）响应公交优先控制，则对于第i相位而言，其绿信比降低，相位社会车流饱和度将增长，出现短暂过饱和现象。若在第k+1周期，不针对第i相位进行绿灯时间补偿（即后补偿），则第i相位社会车流始终将处于过饱和状态。通过相位绿灯时间补偿，其将可能恢复初始状态。

图3 临界饱和状态下的相位绿时补偿（后补偿）示意

图4则展示公交相位在后补偿过程中的社会车流状态变化。在实施非公交相位的后补偿（即公交相位后退还绿灯时间）后，公交相位的社会车流将由非饱和状态转变为过饱和状态。

图4 临界饱和状态下的相位绿时补偿（后退还）示意

因此，上述分析针对单点公交优先控制的启示在于：

1、尽可能不针对已处于最大信号周期、且处于临界饱和状态的交叉口实施公交优先控制。

2、存在上下游协调控制的交叉口场景中，尽可能不针对协调相位为非公交相位的关键交叉口实施公交优先控制。

3、实施公交优先控制的交叉口必须是处于非饱和状态、具有一定绿信比裕度的交叉口。

4、单周期内响应公交优先控制的次数受限于优先控制响应时长与交叉口总绿信比裕度的比值。

5、一般情况下，严格限制连续两个信号周期均响应公交优先控制的请求。

四、公交信号优先控制方案设计

采用信号控制交叉口主动公交优先控制方法。

（一）优先控制目标

该模型的控制目标为交叉口的总延误达到最小，且分为两个部分，一为社会车辆总延误，为社会车辆无阻碍通过信号交叉口时间与社会车辆实际通过信号交叉口的时间之差。二位公交车辆总延误，为公交车辆无阻碍通过信号交叉口时间与公交车辆实际通过信号交叉口的时间之差。二者可通过车均载客量加权得到总延误。社会车辆和公交车辆的延误可由vissim行程时间功能计算得出。即：

优先控制目标的决策变量为信号的周期和绿信比，通过改变信号周期和公交相位的绿信比来得到交叉口车辆总延误。在交叉口总延误最小时的信号周期和绿信比即为所求的交叉口信号控制方案。

（二）优先控制约束

本控制模型主要有两个约束条件，一为最小绿灯时间限制，为了保证车辆能够正常通过交叉口，最小绿灯时间通常为以一般车速通过交叉口所需要的时间加上启动损失时间，即。该信号控制方案的所有相位的绿灯时间必须大于这一值，若小于这一值，将导致车辆的正常通行得不到保障，且容易发生交通事故，形成交通隐患。即：

另一个约束条件是最小绿信比的约束，为了保证交叉口的通行效率，该模型限制了公交相位的最小绿信比，由于不连续的信号相位之间需要黄灯时间和全红时间的过渡信号，过于分散的公交相位绿灯信号会造成公交相位的绿信比降低，每次启动公交信号优先相位都可能会降低公交相位的绿信比，所以为保证通行效率，信号相位方案的公交相位绿信比不可低于最小绿信比。即：

（三）控制模型求解方法的选择

本模型需要求解信号方案的周期和公交相位的绿信比，需要定量求解。

考虑到信号动态控制的时效性，要求求解算法和过程速度快，否则误差过大公交信号优先将失去意义。以控制模型的约束而论，智能进化算法等随机搜索算法在可行解的产生方面运算量较大，且无效迭代无法抑制，不适合本模型的求解。为满足求解的快速性，采用可变步长迭代的方法，来求解本模型。

五、公交信号优先控制仿真评价

（一）通途西路与长宏路交叉口

措施：将该交叉口的通途西路进口最外侧车道设置为公交专用道；长宏路进口渠化两条车道，内侧车道为直左车道，外侧车道为直右车道。

按上述方案，交叉口高峰信号周期设置为90秒，平峰信号周期设置为70秒。单信号周期允许响应公交优先1次。通过微观交通仿真评价，实施前后公交与社会车辆延误对比见表5-2。

表1  实施前后交叉口平均延误对比（单位/秒）

通过设置公交专用道，该交叉口公交平均延误降低至30.8秒，较实施前降低了21.6%，社会车辆平均延误则增大至25.0秒，延误指标增大至24.4；通过设置公交专用道及主动公交优先控制，该交叉口公交平均延误降低至23.2秒，较实施前降低了41.0%，社会车辆平均延误则增大至28.4秒，延误指标增大至29.1。

（二）范江岸路与机场路交叉口

措施：将该交叉口的机场路、范江岸路进口最外侧车道设置为公交专用道。

按上述方案，交叉口高峰信号周期设置为128秒，平峰信号周期设置为90秒。单信号周期允许响应公交优先1次。通过微观交通仿真评价，实施前后公交与社会车辆延误对比见表2。

表2  实施前后交叉口平均延误对比（单位/秒）

通过设置公交专用道，该交叉口公交平均延误降低至33.3秒，较实施前降低了17.0%，社会车辆平均延误则增大至29.0秒，延误指标增大至27.8；通过设置公交专用道及主动公交优先控制，该交叉口公交平均延误降低至28.9秒，较实施前降低了27.9%，社会车辆平均延误则增大至32.4秒，延误指标增大至31.2。

（三）鄞州大道与宁南南路交叉口

措施：精准针对361路公交实施公交信号优先控制。

按上述方案，交叉口高峰信号周期设置为130秒，平峰信号周期设置为86秒。单信号周期允许响应公交优先1次。通过微观交通仿真评价，实施前后公交与社会车辆延误对比见表3。

表3 实施前后交叉口平均延误对比（单位/秒）

通过设置主动公交优先控制，361路在该交叉口的平均延误降低至17.9秒，较实施前降低了62.3%，社会车辆平均延误则增大至56.1秒，延误指标增大至58.0。