BRT线路沿线交叉口信号灯协调控制设计 - 图文

BRT线路沿线交叉口信号灯协调控制设计

摘要：在我国大力发展公共交通优先战略之际，BRT作为一种高效、经济、安全、环保的公共交通模式已得到了大众的认可和普遍接受。BRT交叉口优先通行是BRT优先中的重要环节之一，也是其运营与运行过程中的重要通行控制节点。但目前，BRT交叉口优先通行控制技术在很大程度上还停留在单点固定配时优化，感应控制等诸多被动与主动控制策略层面上，这些控制方法机械、实时性差、误差大，尤其是无法对服务要求不同的BRT车辆区别对待。针对这些控制问题，课题引入多模式、智能控制技术对BRT交叉口优先通行进行灵活、实时的控制。 关键词：BRT；信号控制

Design on Trffic Signal Control for BRT’s Priority

Abstract : In our country the development of public transportation priority strategy, BRT as an effective mode of economic, security, public transportation, environmental protection has been popular and widely accepted. BRT intersection priority is one of the important links in BRT priority, important traffic control node is the operation and the operation process of the. But at present, the BRT intersection priority control technology is still largely stay optimization in single point fixed timing control, induction and other passive and active control strategy level, machinery, the control method of poor real-time, big error, especially not on service requirements of different treatment of BRT vehicle. In view of these problems, introduced a multi mode, intelligent control technology of BRT intersection priority for flexible control, real-time. Keywords: BRT; signal control

BRT是解决城市拥堵的有效方式。自2005年以来,我国先后有北京、杭州、常州、厦门、济南、大连、重庆、深圳、合肥、武汉、郑州、乌鲁木齐相继开通运营BRT。以乌鲁木齐市为例，乌鲁木齐市存在的公共交通出行的方式主要有常规的公交、BRT快速公交以及出租车3种方式，其中公交线网135条，公交车辆3732辆，3条BRT快速公交通道。这3种交通出行方式，在2011年共计完成乘客出行74386万人次，其中BRT日均运客量高达29.9万人次，由此可见BRT在公共交通中的重要性，所以目前我国的许多城市都采用了BRT ,但是很多城市没有BRT信号优先控制系统, BRT车辆在信号交叉口延误很大,从而导致BRT系统快速、高效、准确的特点没有很好的体现。本文主要针对此种情况,提出BRT信号优先,充分体现BRT的优越性。 1. BRT优先通行技术

1.1 BRT交叉口优先通行控制方法总结

BRT交叉口优先通行控制方法分为空间优先与时间优先，空间优先不属于本文的研究范畴，本文研究BRT的时间优先控制方法。BRT车辆在交叉口的时间优先通行控制技术通过为BRT车辆提供优先通行信号实现，在为BRT提供优先通行信号之前必须掌握BRT车辆在交叉口处的行车情况或直接对BRT车辆进行检测。目前，BRT的优先通行方法可分为三类：被动优先控制，主动优先控制和实时优先控制。

1.2被动优先控制技术

被动优先控制策略的实施不需要任何形式的车辆检测设备获取BRT车辆的到达情况，而是根据BRT线路车辆的发车频率、行驶速度以及交叉口的历史交通量等数据利用车辆的延误模型、最优控制理论等数学解析算法对交叉口进行信号配时，降低交叉口的BRT停车时间、延误时间。由于被动优先在运作上是独立于BRT实际运行特征的，无需任何车辆传感检测设备，因此被动优先是基于固定配时的非感应式BRT信号优先，该方法比较实用于BRT发车频率较高，交通量较小且流量稳定的线路。但是，该方法的鲁棒性较差，易受交通环境变化等的影。 1.3主动优先控制技术

主动优先控制策略是依赖于车辆检测器的BRT优先控制策略，依靠车辆检测器对BRT车辆进行识别分析，当检测器检测到BRT车辆到达交叉口时，采取绿灯

延长、提前等相位改变方式，调整交叉口的信号配时，从而实现BRT车辆的优先通行。主动优先策略动态的调整信号相位降低了被动优先准确性差、信号损失时间过多的缺点，具有更强的适应性。但由于车辆检测设备无法对BRT车辆区别对待，只是一味的给予BRT车辆优先通过，反而会降低交叉口总的通行效率，使交叉口总延误增加。 2交叉口信号控制一般方法

交叉口是道路交通系统网络中的瓶颈，对交叉口施以科学、高效的管理手段和控制策略，是保障交叉口交通运输安全和充分发挥交叉口道路通行能力的重要举措。无论交叉口采用何种信号控制管理措施，都需要针对交叉口的几何特征、交通流量、车辆组成等条件确立合理的相位设计方案及合适的信号配时参数，相位设计方案和信号配时参数的合适与否直接影响着交叉口的通行安全及通行能力。

2.1交叉口相位设计

交叉口信号相位是对车辆进行放行与停止的直接控制信号，影响着交通运输的安全性和交叉口的通行能力。信号控制设计中最为关键的问题就是根据交叉口的地理几何环境选取一个合适的信号相位方案。 2.2相位设计基本概念

交通信号相位是指，在一个通行信号周期内，交叉口内某一支或者多支交通流所获的通行权。在一个信号周期内出现了几组获得通行权的交通流，就定义该信号相位系统为几相位系统。确定了信号相位之后，信号控制器根据事先安排的相位方案，轮流给该交叉口的某些流向上的车辆或行人分配通行权。交叉口信号相位确定之后即确定了该信号周期内各个信号相位的切换顺序，即信号相序。为一个交叉口的通行安全考虑，希望设置尽量多的信号相位，但是信号相位越多，在一个周期内信号切换的就越频繁，从而导致损失时间增多，通行延误增加，因此需合理设计信号相位。 2.3基于检测器的控制方法研究

基于检测器的控制方法分为：无条件优先控制与有条件优先控制。无条件优先控制是利用BRT车辆上安装的发射器或者用于检测BRT车辆的地感线圈检测BRT车辆的到达情况，将信号传至交通信号控制器中，控制器给出一种信号配时

方案，优先使BRT通过交叉口。有条件优先信号控制在检测到BRT到达交叉口的同时还获取BRT车辆的运营信息，如载客量和延误时间，将信息传到信号控制模块中，经综合处理得出BRT交叉口优先通行权，根据通行权重的不同，改变信号控制方法。在无条件优先控制下，当BRT接近交叉口时，车辆检测设备检测到BRT接近交叉口并给交通控制器发送信号，若此时为相位绿灯状态，则延长绿灯时间，使BRT通过交叉口，若此时为相位红灯状态，则缩短红灯时间，使BRT车辆不停车或者经过一次不完全停车，通过交叉口。 3 BRT交叉口交通模型及基本方法 3.1交叉口交通模型

首先从物理维度对交叉口交通模型进行描述，选取具有代表性的交叉口。交叉口的模型如图3.1所示。在道路中央设置BRT专用道的优点是：（1）将专用道设置在路外侧容易受到非机动车和行人的干扰，而设置在路中间则来源于非机动车和行人的干扰较小；（2）由于BRT车辆车身较长，将专用道设置在路外侧不利于社会车辆右转，同时社会车辆右转也会干扰BRT运行，而将BRT设置在路中央就与右转车辆在路权上分离了。

图3.1交叉口交通模型图 图3.2 信号相位图

3.2主动优先控制基本方法

主动优先控制是感应控制的一个应用。感应控制是根据特定的信息利用检测设备完成交叉口的信号控制，一般不具有固定的信号周期。在交通流波动较大时，合理的使用感应控制可以提高交叉口的通行效率。由于感应控制设备能够良好、

准确的检测车辆、区分车型，因此可以将感应控制方法应用在BRT交叉口优先通行上，这种利用感应控制设备给予车辆优先通行的方法称为主动优先控制。主动优先是当BRT车辆接近交叉口时采用的优先控制方法，该方法依赖于车辆感应传感设备。依靠车辆检测器，如地感线圈、地磁检测器等检测手段对到达交叉口影响区域的BRT车辆进行检测和识别，完成对BRT车辆的优先放行控制。主动优先控制策略主要有以下5种方法。 3.2.1绿灯延长

绿灯延长就是延长BRT相位绿灯的时间，当BRT到达交叉口时，若BRT相位的绿灯信号时间即将结束，则延长该相位的绿灯时间，以使BRT车辆能够有富裕的绿灯时间通过交叉口,但是绿灯时间必须限制在相位最大绿灯时间下。当BRT通过交叉口后，系统继续原有信号配时。 3.2.2绿灯提前

绿灯提前就是缩短BRT车辆等待绿灯信号的红灯时间，当车辆到达交叉口时，BRT相位处于相位红灯状态，此时通过缩短交叉口当前相位绿灯执行时间，减小BRT在交叉口的等待时间。 3.2.3跳跃相位

跳跃相位就是跳过一个或者多个相位信号。当BRT车辆到达交叉口时，BRT车辆通行方向为相位红灯，且下一个绿灯执行相位仍不是BRT相位，只有等该相位及一个或者多个后续相位执行完之后才能给与BRT车辆通过。此时跳过下一个或者多个后续执行相位，直接执行BRT相位绿灯。使BRT车辆通过交叉口。跳跃相位信号控制相位图如图3.5所示。相位插入相位插入就是在原始的固定运行的相位相序中为BRT车辆增加一个相位。当BRT车辆到达交叉口时，BRT通行方向为相位红灯，且交叉口当前相位的下一个或者多个绿灯执行相位仍不是BRT相位，那么为使BRT车辆优先通过交叉口，则在两个相位之间插入一个BRT相位。相位插入信号控制相位图如图3.6所示。与跳跃相位不同的是，相位插入控制方法在插入的BRT信号相位执行完之后，继续执行之前的跳过的相位，而跳跃相位控制方法在跳转至BRT相位之后，不对之前跳过的相位进行信号补偿。 3.3多模式控制模型 3.3.1控制思想

经研究表明：在空间资源一定时，交叉口交通流饱和时（或者交通流量较大），采用感应控制会造成非BRT相位的排队长度过长，总延误增大，交叉口的通行效率降低，因此在饱和交通流的情况下采用优化的固定配时控制，以人均延误为优化控制目标，合理使BRT优先通过交叉口。当交叉口交通量较轻或者交通流强度中等时，固定配时控制不能够充分的利用交叉口的时间资源，从而造成交叉口延误的增加。为提高交叉口的时间利用率，在非饱和交通流下采用依赖于感应控制设备的主动优先控制策略，并且在交通量区别明显时，使用不同的主动优先控制方法。利用主动优先，在BRT到达交叉口时，使其能够获得较大程度的通行权。基于以上描述，根据交叉口的通行能力和实时的交通流量采用多模式控制模型给予BRT车辆的优先通行权。多模式控制模型如图3.8所示。

图3.7 BRT交叉口多模式控制模型

3.4优化的固定配时模式

优化的固定配时模式属被动优先的使用范畴。在2.3.1小节中曾对基于固定配时的优先通行控制方法做过原理解释与适应性分析，可以将其中的理论方法、延误模型直接的应用于此处设计BRT优先通行方法。但是对于上一节中给出的交叉口交通模型，BRT仅在东西向设有物理隔离的道路上行驶，通行模式比较特别，此处使用针对性较强的遍历搜索法求取最优配时。在使用遍历搜索法之前先要先对固定配时的主要控制参数周期时长和绿信比

周期时长应选择在最长和最短周期限制下使交叉口人均延误相对最小的周期。绿信比在选择上要正比于各相位的客流辆，而非车流量，但每个相位的绿灯时间不应小于最短绿灯时间。根据遍历搜索法的原理，按照一定的步长，如5s，向上搜索确定信号周期时长和绿信比，选取各种方案中所产生的社会车辆的平均

延误和BRT车辆的平均延误加权最小的方案作为优化的固定配时控制方案。

图3.8绿灯延长和绿灯提前控制算法流程图

4 乌鲁木齐的公共交通现状

随着人民生活水平的不断提高，近年来，乌鲁木齐的机动车保有量在不断的增加，城市道路的交通拥堵情况日益严重，为此乌鲁木齐市政府引进了BRT快速公共交通系统。到目前为止，乌鲁木齐一共开通了4条BRT线路：BRT1号线（机械厂-火车南路）、BRT2号线（银川路-红桥）、BRT3号线(儿童公园-县水泥场)、BRT号线（南湖东路-骑马山）。据乌鲁木齐交通建设部门透露，在未来几年内还将增开两条BRT线路，以方便市民的出行，这也从很大程度上缓解了乌鲁木齐城市交通拥堵的现状。

图4.1 BRT线路线

4.1乌鲁木齐BRT信号优先的分析及优化

目前，乌鲁木齐很多的平面交叉口都出现了拥堵和长时间排队状况，延误现象十分严重，特别是在上下班高峰期该现象尤为明显。在有BRT公交沿线的平面交叉口出行车辆的拥堵与延误现象也十分严重。因此对BRT沿线的信号的优化控制，对于市民的工作出行有重要意义。

为了说明本文提出的BRT优先通行控制技术算法模型能够有效的应用于实 际道路背景下的交叉口以及交通干道，本章以乌鲁木齐市友好路主干道为研究对象，对西虹西路-友好南路交叉口进行研究为例，调查交叉口调查BRT及其他机动车的交通特性，并考察BRT连续通过交叉口的延误情况，分析BRT沿线交叉口的的信号优化配时。目前乌鲁木齐市友好路已经处于BRT线路正常运营阶段，其建设的站点类型、BRT通行车道以及交叉口的渠化方案与本文研究的物理背景吻合，可以使用本文提出的优先控制方案。在搜集、调查了友好路各主要交叉口的车流情况下，对西虹西路-友好南路路交叉口进行信号配时分析。 4.2调查方案及目的

调查地点选择了西虹西路-友好南路的十字交叉口，在早、晚高峰时段对该路口的各种车型的各个方向的流量以及延误统计和处理分析，通过这些数据的统计，分析和处理，了解BRT十字交叉口的拥堵情况并分析产生的原因（主要是在信号配时方面）为后面的信号优化配时提供依据。

4.3 调查方法

对于交叉口车流量的调查，本人采用人工观测的方法。在平面交叉口的各个路口分配观察人员每人一个进口相位，每5分钟记录一次数据。

表4-1 城市道路车辆换算系数

交通环境/车型 环形平面交叉口 小客车 1.0 8

信号灯管制交叉口

1.0

表4-2西虹西路-友好南路高峰小时交通量/pcu/h

进口道

左转

东 西 南 北

根据表 ，表数据可以得出北进口高峰小时的流量最大，其次是南进口，然后是西进口，最小的是东进口，而东西进口的交通量，在一定程度上影响了该进口BRT的通行，因此可以对该路口进行信号优化配时以保证该交叉口通行畅通。 4.4 交叉口BRT信号优化配时

交叉口的信号配时设计从原理上可以分为：定时控制、感应控制和自适应控制。根据交通流历史数据，利用合适的优化算法离线计算各种信号控制参数，然后将控制方案参数（周期、相位、绿信比）设置到信号控制器中，对交叉口进行稳定控制。定时控制稳定可靠，适用于流量大，车流变化规律明显的交叉口。感应控制是依赖于车辆检测设备的信号配时方法。感应控制是一种绿灯追加控制策略，在检测相位的最小绿灯结束之前，检测该相位是否有车辆到达，如果有则追加一个绿灯时间，否则信号切换至下一相位，当最大绿灯时间到来，无论该相位

109 327 159 99

方向 直行 393 216 462 438

右转 165 135 183 471

667 678 804 10008 合计交通量/pcu/h

普通客车 1.4 1.0 1.6

说明 中小城市适用

是否有车辆到达均切换至下一相位。感应控制在一定程度上适应了交通流的变化，适用于交通量变化明显且流量不规则的交叉口，感应控制方法实时性好，适应性强。感应控制的不足之处在于只能检测到路面上是否有车辆，不能获知车辆的运行信息，无法对车辆的通行迫切度进行充分的匹配。自适应控制是指能根据交通需求的变化而自动更新信号运行方式的信号控制方法，比感应控制更加智能。

图4.2 西虹西路-友好南路高峰小时流量对比

图4.3 西虹西路-友好南路交叉口

我选择了该交叉口的高峰流量作为调查目标，调查选择周一至周五正常工作日，避开节假日等大型庆典活动，具体时间为早高峰9:45-10:15和晚高峰18:50-19:20经调查。通过本次调查，获得了西虹西路-友好南路交叉口各进口道2min的流量数据各60组。交叉口的高峰流量数据和各种车型的车辆占有率祥见附录1。

乌鲁木齐BRT2号线的客流在现有的几条线中属于比较大的，但是2号线的专用道路为BRT的高速安全通行提供了有力的保障。我们这里采用的是最佳信号配时的方法，这个方法的前提是BRT能有自己的专用道路，在下面的调查数据中我们就能看到多模式模型控制下的乌鲁木齐西虹西路-友好南路十字交叉路口的车辆延时的延误数据。该方法通过采用均匀到达的延误模型，首先对周期C或绿信比λ进行求导，并令其等于0，最后基于人均延误最小得到最佳信号周期时长。适应性分析传统的配时方法比较易于操作，相对比较保守，在整个优先通行计算过程中是以目标函数的期望值的改变来改变配时方法的。将车均延误最小的设计目标改变为人均延误最小的设计目标，体现了“实现人与物的移动”这一交通根

本理念。但是各种参数之间是相互矛盾的，当BRT得到优先的同时，势必会导致其他社会车辆的延误，因此在设计之初必须充分考虑交叉口各进口道的道路等级，研究与实验表明：当BRT相位为交通主干道，或者BRT相位的交通流量较大，且非BRT相位交通流量较小时，使用该控制方法能够取得较好的控制效果。图4.4 西虹西路-友好南路十字交叉口平面图。同时在做信号灯优化配时的时候应充分考虑以下基本原则： （1）安全原则

交叉口最基本的设计原则是安全，减少交通事故。因此在进行相位设置时应考虑到机动车与非机动车、车辆与行人、运行速度与心理忍受能力等影响因素，合理分离转弯车与直行车，车辆与行人。 （2）简单原则

相位设计应做到简单易行，相位数目繁多，通行安全性提高但通行损失时间增大。相位数目少，冲突点增多但通行时间损失小。因此合理的优化相位数，做到简单易行，即可提高交叉口安全性又可以降低损失时间提高通行能力。目前在十字交叉口普遍采用直行与左转车流分离的四相位信号控制系统。

图4.4 西虹路-一友好南路十字交叉口平面图

交叉口信号配时方法中的主要设计参数是信号周期和绿信比。在一般的配时方法中，信号周期时长是以车总延误最小为设计目标来确定的，绿信比是按照相位车辆比分配的。由于BRT单车的载客量明显大于其他社会车辆的单车载客量，

因此，传统的信号配时方法直接应用于含有BRT车辆的道路上对含有BRT的相 位是有失公平的。此处在进行信号周期参数的配置时，以人总延误最小为设计目 标，在绿信比的优化配置上，根据调查的流量与车辆的占有率，按照人数比对各 相位进行时间分配。在进行干道多交叉口的信号配时时还应该合理设置交叉口之间的相位差，通过调整各交叉口之间的相位差，可以使主干线上各交叉口的信号灯形成一条绿波带，使车队通过这些路口时不受红灯影响。同时在主干道绿波控制下，能满足BRT优先通过交叉口的需求。

图4.5 调查交叉口位置图

图4.6 西虹路-友好南路交叉路口东进口交通流

图4.7 西虹路-友好南路交叉路口西进口交通流

图4.8 西虹路-友好南路交叉路口南进口交通流

图4.9 西虹路-友好南路北进口交通流

根据西虹路-友好南路交叉口东进口，西进口，南进口，北进口交通流量调查数据分析可以看出：该路口四个方向的进口流入量都在600-1000pcu/h之间，从整体看来每小时的交通流入量随时间的变化不太大，但整体却高于一天中其他时段，主要原因是上下班高峰期这也对BRT的高速通行能力带来一定的压力。

通过实验观测，并对统计数据加以处理可以得到各车辆通过交叉口的延误时间，根据社会车辆以及BRT车辆通过交叉口的平均延误时间，可以确定多模式控制模型与干线绿波协调控制之间的优缺点，社会车辆与BRT车辆连续通过西虹路-友好路交叉口的平均延误时间数据如表4.3所示

表4-3 交叉路口多模式模型时间延误数据

固定配时 多模式控制

流量 轻 中等

社会车辆平均BRT车辆平均社会车辆平均BRT车辆平均

延误（S） 延误(S) 延误(S) 延误(S)

28.6 39.9

30.5 32.5

28.5 35.6

9.0 24.4

图4.10 交叉路口多模式模型时间延误对比图

如果车辆是以车队的形式到达交叉口，则绿波控制效果较好。如果车辆到达离散，则控制效果较差。

图4.11十字交叉口的BRT公共交通

根据设置规则，经优化计算给出友好路-光明路交叉口的信号周期为125s。

由表4.3可以看出相比于绿波固定配时控制，多模式控制模型能够降低交叉口的平均延误，尤其是对BRT车辆的延误减小较为明显。在汇入交叉口的交通流量较轻或者流量中等时，多模式控制模型能够有效的减小BRT车辆通过交叉口的延误时间，而且其所造成的社会车辆的延误相比于固定配时没有增加。而当交通流较重或者在饱和交通流下，由于多模式控制模型所运行的控制模式正是绿波固定配时模式，因此延误时间相同。从而可以得出结论：在实际道路背景中合理的运用多模式控制模型能够使BRT车辆优先通过交叉口，且其他社会车辆的正常通行不受影响。该模型的不足之处在于，其仅适合用于次干道或者支路交通量不大的交叉口上，如果次干道或者支路交通量过大，使用该方法时会造成支路上车辆的延误增加。

5 结论

本文通过对目前一些公交优先设计方法的分析总结，在对信号优先通行控制技术研究的基础上，研究了各种信号优先手段的适应性，综合考虑多种因素的影响，对BRT在不同环境下实施不同的信号优先控制策略。

通过对乌鲁木齐市西虹西路-友好南路平面交叉口交通流的统计研究，出于对改善该交叉口拥堵排队现象，提出多模式控制模型对BRT交叉口优先通行控制，针对西虹西路-友好南路交叉口交通模型，充分考虑交叉口的交通流特性，采用多模式优先控制方法，提高了交叉口的时间利用率，解决了BRT优先通行下对社会车辆通行所带来的负面影响。

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附录1： 统计的交叉口高峰流量数据

西虹西路-友好南路路早高峰流量

交叉口名称 进口名称 时间段 东进口 西虹西路-友好南路 西进口 南进口 北进口 左 直 右 左 直 右 左 直 右 左 直 右 9:45-9:50 9:50-9:55 2 3 18 5 13 6 6 5 15 5 1 16 20 35 33 17 11 24 23 12 5 23 17 27 13 6 21 6 6 31 11 7 3 9:55-10:00 3 22 9 16 10 27 35 32 21 19 29 26 10:00-10:05 14 25 7 10:05-10:10 5 10:10-10:15 3 汇总

11 34 11 6 5 5 36 13 3 38 11 0 21 7 27 8 12 12 8 22 12 7 30 131 55 119 72 45 53 163 54 33 146 157 西虹西路-友好南路晚高峰流量

交叉口名称 进口名称 时间段 东进口 西虹西路-友好南路 西进口 南进口 北进口 右 左 直 右 左 直 右 左 直 右 左 直 18:50-18:55 2 18:55-19:00 5 19：00-19:05 2 14 3 14 7 6 4 6 1 27 5 4 3 1 16 36 23 27 24 10 24 25 17 21 6 19 11 2 27 6 8 31 13 24 7 18 19 19:05-19:10 13 31 6 11 32 10 11 36 28 19:10-19:15 4 17 7 25 8 28 8 8 4 26 8 3 16 20 36 37 19:15-19:20 10 23 8 汇总 10 2 14 18 3 35 130 40 137 65 51 28 165 61 28 168 154

西虹西路-友好南路车型占有率

车型 友好南路 车型 西虹西路 小客车 70.3% 小客车 71.4% 大客车 0.3% 大客车 0.2%

BRT 2.2% 大货车 2.6% 公交车 18.7% 公交车 11.5% 小货车 9% 小货车 14.3%

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4ub.html