交叉口公交优先预信号感应控制策略仿真实现

第23卷第9期 系统仿真学报?

V ol. 23 No. 9 2011年9月

Journal of System Simulation

Sep., 2011

交叉口公交优先预信号感应控制策略仿真实现

何必胜1,2，宋 瑞1,2，何世伟1,2，郑 锂1,2，高奎红3

（1.北京交通大学交通运输学院，北京 100044；2.北京交通大学城市交通复杂系统理论与技术教育部重点实验室，北京 100044；

3.江苏省交通科学研究院股份有限公司，南京 210017）

摘 要：为实现公交优先预信号感应控制策略，采用交通仿真软件VISSIM 中逻辑控制语言V AP 编写其程序，并结合软件进行仿真分析。从空间和时间两个方面对预信号设置进行了研究，提出具

有“要”、“抢”、跳相功能的公交优先预信号感应控制的方法，并将基于此三种控制方法的VAP 控制程序应用于北京市幸福大街交叉口的仿真实例中。结果表明：预信号绿灯提前启亮时间为4s 、

预信号红灯提前启亮时间为5s 时公交优先预信号感应控制效果最优。公交优先预信号感应控制较无公交优先固定控制和公交优先预信号固定控制方式能大大降低主干道直行公交车和社会车辆延误，保证了交叉口主干道直行车流的顺利通行。

关键词：交通仿真；公交优先；预信号；感应控制；VISSIM

中图分类号：U 491 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2011) 09-1909-06

Simulation of Transit Priority based

Pre-signal Actuated Control in Intersection

HE Bi-sheng 1,2, SONG Rui 1,2, HE Shi-wei 1,2, ZHENG Li 1,2, GAO Kui-hong 3

(1. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;

2. MOE Key Laboratory for Transportation Complex Systems Theory and Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;

3. Jiangsu Transportation Research Institute Co., LTD, Nanjing 210017, China)

Abstract: In order to implement the transit priority based pre-signal actuated control (TSPbPAC) at signalized intersection, the program of TSPbPAC was formulated via V AP, which is a logic control language embedded in traffic simulation software VISSIM to analysis the results. The temporal and spatial measures of pre-signal setting were studied, then three approaches of TSPbP AC (that is phase requirements, phase steel and phase skipping) were put forward . These three TSPbP AC approaches were used in the simulation case of Xingfu Street intersection in Beijing. The results of simulation show that the performance of TSPbPAC is the best when the pre-signal green time starts ahead 4 seconds and the pre-signal red time starts ahead 5 seconds. TSPbPAC is better than transit priority based pre-signal fixed control and no-priority fixed control in reducing the delay of buses and no-priority vehicles of straight traffic flow on major leg. It guarantees the smoothness of the traffic flow on the major legs of signalized intersection.

Key words: traffic simulation; transit priority; pre-signal; actuated signal control; VISSIM

引 言

目前，公交优先策略已经成为众多城市解决城市交通拥挤的一个重要手段，城市交叉口的信号控制是整个公交优先系统中重要的组成部分。在国内外各城市大力建设公交专用道等公交优先设施的同时，交叉口公交优先的信号控制策略引起许多学者的关注。由于工程建设的不可重复性，如果交

收稿日期：2009-04-13 修回日期：2009-06-29

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划，2006AA11Z203）；霍英东基金（104007）；北京交通大学重点基金（2006XZ004）；中央高校资助项目（2009JBM042）。

作者简介：何必胜(1986-)，男，湖北孝感人，博士生，研究方向为城市交通运输规划与管理；宋瑞(1971-)，女，山西太原人，博士，博士后，教授，研究方向城市交通运输规划与管理。

叉口公交优先信号的引入不能达到预期效果，便会造成经济和社会成本的极大浪费；固定信号控制方法不利于交叉口有限资源的充分利用，会增加车辆在交叉口的延误。因此，对低效率的固定信号控制方法进行改进和对交叉口信号控制方案进行评价是必要的。

在国外，英国于1991年首先提出预信号控制方式的公交优先信号控制[1]，之后美国、日本都对公交优先信号控制进行了推广。Wu （1998）[2]分析交叉口公交优先预信号对于公交车辆和非公交车辆所带来的效益与不利影响；Balke

（2000）

[3]

通过预测公交车辆到达公交车站和交叉口的时间来选择公交优先控制策略；Ngan

（

2004

）

[4]

通过实例研究了不同流量比、公交车达到率、公交车站地点、左转情况和信

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号条件下交叉口公交车辆延误情况，得出公交优先信号在公交车流量较大、左转车流少、低流量比的情况下最为适用的结论；Shalaby（2006）[5]综合加拿大安大略湖区的各大城市相关部门都对公交优先信号设计方法，改进公交优先信号设计的框架及相关指标；Zhou（2008）[6]研究在右转车辆较少的交叉口采用右转车道为直行公交车通行道路，配合信号控制策略使公交车辆绕过社会车辆候驶车流通过交叉口的公交优先方法，并通过VISSIM软件仿真验证该方法。国内学者对交叉口公交优先信号控制也提出了很多策略。张卫华（2004）[7]研究了公交优先信号控制的交叉口预信号设置、配时优化方法和延误计算，提出了主信号停车线和预信号停车线之间距离的确定方法以及分析主信号与预信号之间的协调关系；马万经（2008）[8]对于单点公交优先感应控制策略效益进行分析，并应用于实例进行了仿真验证。

以上研究表明，公交优先预信号研究已经很成熟，但是结合全感应控制的公交优先预信号研究较少，没有文献对于感应控制的公交优先预信号交叉口进行微观仿真。因此，本文提出具有全感应控制功能的公交优先预信号感应控制策略，并应用VISSIM软件进行仿真，评价了预信号感应控制的时间参数和分析交叉口的各进口道车流对设置为具有优先通行权公交车延误影响。

1 公交优先预信号感应控制

公交优先预信号感应控制策略是通过交叉口的公交优先设置、公交优先预信号设计和感应控制方法的配合使用来实现的。目前国内公交专用道多为单线，设有公交专用道的道路多与未设公交专用道的道路相交。定义设有公交专用道的道路为“主干道”，在交叉口具有优先通行权；未设公交专用道的道路为“次干道”，通行权较“主干道”次之。1.1 公交优先预信号感应控制交叉口设置

将设有公交专用道的道路全部直行进口道设置双停车线，在预信号红灯期间到达的全部社会车辆在预信号控制候驶区排队等待，而公交车辆在主信号控制候驶区排队等待。交叉口形式如图1所示。

车线

车线

图1 预信号公交优先交叉口设置图

为确保主信号控制候驶区能得到充分利用，公交车辆进入主信号候驶区应遵循如下规则：当主信号红灯启亮时，先到的公交车辆必须进入靠近左转候驶区的进口道停靠，只有在该进口道没有剩余空间时才停靠其相邻进口道，以使公交车候驶区得到充分利用。另外，当预信号与主信号变为红灯时，容许部分未能通过公交车辆停车区的社会车辆在侯驶区内排队等候。主信号停车线与预信号停车线之间的距离L 参考文献[7]方法设定。

1.2 预信号的设计

预信号是为了保证在车辆到达交叉口时，通过预先设置的公交专用停车区保证公交车辆停在候驶车流的前面，绿灯启动后公交车优先通过交叉口，减少在交叉口的延误。

预信号控制有两个重要的时间参数需要确定：

t1—预信号绿灯提前启亮时间。主要用于东西直行相位绿灯启动时，预信号绿灯提前启动，社会车辆驶入主信号控制候驶区空闲的候驶空间，等待主信号绿灯启亮通过交叉口，充分利用交叉口空间；

t2—预信号红灯提前启亮时间。为保证公交车辆顺利进入主信号控制候驶区，减少社会车辆停在候驶区域内的候驶，预信号红灯应提前启亮。

t1、t2与预信号和主信号之间的关系如图2所示。图中：r p是预信号红灯时长，g p是预信号绿灯时长，r m是主信号红灯时长，g m是主信号绿灯时长，t1、t2分别为预信号与主信号的红灯、绿灯启亮时间差（单位为s）。

图2 直行方向主信号与预信号配时协调关系图

1.3 感应控制的方法

为保证公交车优先通行权，设置具有“要”、“抢”及跳相功能的全感应控制[9]，其基本工作原理如下：

(1) “要”信号：若已达到最小绿灯时间后本相位无车辆到达，而下一相位又有车辆等待，则进入下一相位，即下一相位要了本相位的通行权，本相位就跳过；

(2) “抢”信号：若当前相位已达到最大绿灯时间，仍有车辆不断到达，而下一相位又无车辆等待通过交叉口，则继续给本相位通行权，即本相位抢了下一位的通行权，下一相位就跳过；

(3) 跳相：若当前相位已达最大绿灯时间，下一相位没有车辆等待同时本相位也无车辆到达，而其它相位有车辆通行需求时，直接跳过下一相位，执行有车辆等待通行的相位，相当于动态相位控制，即相位之间的顺序是可变的。

2 仿真实现

仿真平台为AMD5200+、2.7GHz双核CPU，2G RAM

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的计算机上运行VISSIM 3.70版交通仿真软件。VISSIM 3.70

仿真软件由德国PTV公司开发，是一种微观、基于时间间

隔和驾驶行为的仿真建模工具，用于建模和评价各种交通条

件下（车道设置、交通构成、交通信号、公交站点等）城市

交通的运行状况。V AP（Vehicle Actuated Programming）是

用于交通感应控制逻辑语言，可以嵌入VISSIM中实现交通

感应控制。基于V AP语言的感应控制策略可以通过可视化

的VISV AP操作平台来生成并编译[10]，V AP与VISV AP的

关系如同C++语言与Visual C++的关系一样。

575 1379 219

304

2035

479

253

142

158

430

299

438

北

东

南

西

图3 高峰小时交叉口车流量

选取北京市幸福大街交叉口为应用实例。该路口的晚高峰小时交通量如图3所示。仿真中均不考虑行人对交叉口的影响。为实现公交优先，将现有的交叉口东西进口道进行如下改造：（1）在东西道路的最右侧设置一条公交专用道。（2）设定东西向为主干道，南北向为次干道，在东西进口道直行车道上，设主信号停车线和预信号停车线。根据幸福大街交叉口现状各种参数，采用参考文献[7]计算，可以得到预信号停车线和主信号停车线之间的距离L = 20m。改造后如图1所示。信号周期时长为120s。

图4 交叉口信号灯与检测器的设置

假设预信号感应控制下路口信号灯与检测器的布局如图4所示。K i（i = 1,2…n）表示信号灯灯组，即相位组。DK ij（i = 1,2…n，j = 1,2…n）表示检测相位组K i的第j个检测器。检测器主要分为：相位要求检测器（Request Detector），用于检测检测器上方是否有车辆；空闲状态检测器（Abortion Detector），用于记录路段两辆车经过检测器的时间间隔，即可视为空闲状态时间；使用拥挤状态检测器（Congestion Detector），主要检测车辆连续通过检测器的时间，即可视为拥挤状态时间[11]。

公交优先预信号感应控制策略的VISV AP框架图如图5所示。在图5中各控制函数及逻辑语句如下：

Headway(DK ij)用于判断连续两辆车经过检测器DK ij 车头时距，表示该检测器DK ij上方路段的空闲状态时长；Occupancy(DK ij)用于判断检测器DK ij上路段连续有车辆经过的时长，由此可以得出该路段的车辆排队情况，表示路段的拥挤状态；Presence(DK ij)表示判断检测器DK ij上方是否有车辆；Interstage(p i, p j)表示从相位p i向相位p j转换[10]。

L i(i = 0,1…9)为条件判断语句，通过图4中的检测器安装的位置可知：

L1：(Headway(DK21) ≥ 3.0) AND (Headway(DK51) ≥3.0)表示检测器DK21和DK51上东西向直行社会车辆连续两辆车之间的车头时距超过3s，即视两条道路为空闲状态，无车辆排队等待通行的情况，K2、K5无相位要求；

L2：(Occupancy(DK32) ≥ 8.0) AND (Occupancy(DK62) ≥ 8.0)表示检测器DK21和DK22上方东西向左转车辆连续8s有车辆通过，即视该道路为拥挤状态，即K3、K6有“要”相位要求；

L3：(Headway(DK11)≥ 3.0) AND (Headway(DK41) ≥3.0)，可参见L1；

L4：(Presence(DK31)) OR (Presence(DK51)) OR L4，表示东西向左转道上有车，K3、K5有转换相位要求；

L5：Occupancy(DK72) ≥ 8.0，表示检测器DK72上方北进口车辆连续8s有车辆通过，即视该道路为拥挤状态，K7有“要”相位要求；

L6：Presence(DK71) OR L6，表示检测器DK71上方北进口道路上有车辆等待，K7有转换相位要求；

L7：Occupancy(DK82) ≥ 8.0，可参见L5；

L8：Presence(DK81) OR L8，可参见L6；

L9：Presence(DK12) OR Presence(DK13) OR Presence (DK42) OR Presence(DK43) OR L8，表示检测器DK12、DK13、DK42、DK43上方东西直行公交车道上有公交车候驶，公交车要相位，即K1、K4有“要”相位要求。图5（b）为相位转换图，结合图5（a）可知一下控制流程：PHASE 1 相位1为东西方向直行相位，包括预信号相位组K2、K5，主信号相位组K1、K4。T1 ≤ T < T2时，若东西向直行无车辆通行，同时东西左转等待车流过长，即条件L1、L3、L4同时成立时，转到相位2，即为“要”相位

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转换损失的绿灯时间加入的控制时间。

（b ） 相位转换图

Time condition

Logical condition

Action

图5 V AP 控制图

功能，否则继续相位1；在最大绿灯时间T2时，有左转车辆等待通行时，L4成立时，转到相位2，若无车辆则继续相位1，实现“抢”相位；T3 ≤ T < T41,若东西向无车辆通过同时北进口道车辆排队过长，L3、L5同时成立时则跳过相位2直接进入相位3，实现跳相功能，否则继续相位1，继续“抢”相位；T41 ≤ T< T71时，若北进口道有车辆排队，L6成立时，换到相位3，否则继续相位1，实现跳相；T71 ≤ T ≤ T72，若南进口道有车辆排队，L8成立时，换到相位4，否则继续相位1，到达120s 后，开始下一周期。

PHASE 2、PHASE 3和PHASE 4相位结合L i 的解释和图5(a )(b )，根据PHASE 1的具体解释可知其控制流程，这里不再一一详细介绍。

3 仿真评价

在VISSIM 软件中进行北京市幸福大街交叉口公交优

图6 幸福大街交叉口VISSIM 仿真界面

先预信号感应控制仿真，仿真界面如图6所示。

预信号时间参数t 1、t 2对预信号功能起着重要作用，下面选取不同t 1、t 2值进行18次仿真，以主干道直行社会车

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辆和公交车辆延误为指标得到图7。图7(a)为选取t1 = 0，1,2…8s，现状高峰小时交通量下，东西主干道直行社会车辆与公交车的延误图，图7(b)为选取t2 = 0,1,2…10s，现状高峰小时交通量下，东西主干道直行社会车辆与公交车的延误图。

图7（a）表明，t1从0s向8s变化时，社会车辆延误曲线呈凹型变化，t1 = 4s时延误最小；公交车延误随t1从0到8s变化不断增大。0～4s时，由于预信号绿灯提前启亮，社会车辆对公交车的影响越来越大，公交车发动比较慢，故公交车延误不断上升，社会车辆延误下降。4～8s时，t1过大，造成公交车与社会车辆混合候驶在候驶区内，混合车流对两种类型的车辆通行都产生影响，两者的延误都明显上升。若t1 = 0s，如果候驶区内还有空间未利用时，就会造成交叉口空间资源的浪费，虽然提高了公交车辆的通行能力，但也增加了社会车辆通行时间。若t1过大，又达不到分离公交车与社会车辆的目的，使预信号失去意义。故选取t1 = 4s，可以让公交车具有优先通行权的同时，提高候驶区空间利用率，缩短社会车辆通行时间。

图7（b）表明，t2从0s向5s变化时，公交车和社会车辆的延误呈现下降，5s以后公交车延误曲线的变化不大，而社会车辆延误曲线呈现上升。在t2 = 5s时，公交车延误最小，社会车辆延误为其延误曲线的最低点。若t2过小会带来社会

2

图7 t1、t2对公交优先预信号感应控制的直行车辆延误影响

车辆在公交候驶区过多候驶，使公交车混在社会车辆中，达不到公交优先的目的，增大公交车辆延误的同时也不利于社会车辆通行。若t2过大不利于社会车辆的通行，也起不到减少公交车辆延误的作用。故选取t2 = 5s，能避免社会车辆在主信号控制候驶区的候驶，保证公交车停在候驶车流的前端，同时能减少社会车辆延误。

公交专用道的引入会带来公交车辆到达率的上升，交叉口交通流量的上升也是社会经济发展不可避免的结果，分析交叉口高峰小时以下四种交通量：(1)主干道直行公交车辆；

(2)主干道直行社会车辆；(3)主干道左转车辆；(4)次干道车辆，其车辆数变化对主干道直行社会车辆和公交车的延误是很有必要的。这里选取三种交叉口信号控制策略：(1)固定控制；(2)公交优先预信号固定控制；(3)公交优先预信号感应控制，分析四种方向车流量变化、三种交叉口信号控制策略下的主干道直行社会车辆和公交车的延误情况，进行多次仿真，结果如图8所示。图8表明，感应控制的社会车辆和公交车辆延误比起无公交优先固定控制和预信号固定控制要低很多，大大利于公交车辆的通行，而且受四种方向车流量变化的影响不大，能很好的适应将来交叉口车流变化情况。而无公交优先的固定控制由于没有公交优先设置，其主干道直行车辆的延误比较高，各种车流量的变化对其影响也不大，公交车辆体积大，混在社会车辆中会产生延误的上升，因此，交叉口必须引入公交优先策略。公交优先预信号固定控制由于相位的固定设置，不能很好地适应四种方向车流量变化情况，延误具有不同程度上升，若要更好的适应交叉口流量变化，就必须重新进行交通数据调查并进行信号设计，浪费人力物力。可以看出，将公交优先预信号感应控制策略引入到交叉口信号控制中是很有必要的。

固定控制下的主干道直行公交车和社会车辆延误受四种交通条件和三种控制策略的影响不大，延误曲线都变化都不大，因此，主要讨论公交优先预信号感应控制与公交优先预信号固定控制下的延误变化情况。图8（a）表明，直行公交车数量增加会带来公交优先预信号感应控制的公交车辆和社会车辆的延误的增大，但它们的增大幅度较小，而公交优先预信号固定控制的公交车和社会车辆延误增大很明显，在350辆/h的直行公交车数量时，公交优先预信号固定控制的公交车延误更是达到65s，严重制约在公交车在交叉口的通行。图8（b）表明，主干道直行社会车辆车流量增大对公交车辆的延误影响不大，对社会车辆影响较大。公交优先固定控制社会车辆延误在主干道直行车流量从1000辆/h到2000辆/h变化时增大明显，2000辆/h后再增大时，延误变化不大。公交优先预信号感应控制的社会车辆延误虽然有所上升，但上升量不大。图8（c）表明，主干道左转车流量增大对主干道直行社会车辆和公交车延误影响不大。图8（d）表明，次干道车流量增大对公交优先预信号固定控制影响不大，公交优先预信号感应控制的公交车和社会车辆在次干道车流量由90辆/h变化到900辆/h时延误上升，表明感应控制在次干道车流量较小时更能体现主干道的优先通行权。在次干道车流量增大到900辆/h后，车流量过大，感应控制陷入固定控制，故公交车和社会车辆延误变化不大。由于公交优先感应控制设置公交优先感应策略，其公交车延误仍然低于公交优先预信号固定控制。

公交优先预信号感应控制社会车辆公交优先预信号固定控制社会车辆固定控制公交车

固定控制社会车辆

(a )主干道直行公交车车辆数与主干道直行社会

车辆和公交车延误的关系

(b )主干道直行社会车辆车辆数与主干道直行社会

车辆和公交车延误的关系

(c )主干道左转车辆车辆数与主干道直行社会车辆

和公交车延误的关系

交车延误的关系图例：

图8 各方向车流量变化与主干道直行社会车辆和公交车延误的关

4 结论

综合上面仿真评价可以得出以下基本结论：

(1) 预相位的绿灯提前启亮时间t 1不宜过长，过长不会使公交车辆的延误下降，反而会引起社会车辆的延误上升，故选取t 1 = 4s ；预相位红灯提前启亮时间t 2过短会带来公交候驶区内社会车辆增多，起不到优先控制的作用，而过长则会影响社会车辆通行，同时对公交车辆通行延误的减少也有限，故选取t 2 = 5s ；

(2) 无公交优先固定信号控制中，公交车辆的延误比起社会车辆还高，必须引入公交优先信号控制。公交优先预信号固定控制对交叉口受交叉口车流量变化情况影响很大，该控制策略下的主干道社会车辆和公交车辆延误随主干道直行社会车辆、主干道直行公交车辆、主干道左转车辆和次干道车辆数的增大而增大，针对流量的变化必须重新进行信号设计。公交优先预信号感应控制比公交优先预信号固定控制更利于公交优先实现，大大降低了主干道社会车辆直行的延误，有利于主干道车辆的通行，在交叉口车流量增大的情况下仍能保持主干道公交车和社会车辆在交叉口的低延误，对交叉口车流量增大适应性好；

(3) 主干道直行公交车流量对公交优先信号交叉口主干道直行社会车辆和公交车延误影响较大，随着其不断增大，延误明显增加。但是，公交优先预信号感应控制的主干道直行

公交车和社会车辆延误上升缓慢，而且延误比固定控制也要小很多；主干道直行社会车辆流量对主干道直行公交车辆延误影响不大，社会车辆延误会随主干道直行社会车辆增多而上升；左转车流量对主干道直行社会车辆和公交车辆均无明显影响；次干道车流量的增大会导致公交优先预信号感应控制主干道直行公交车辆和社会车辆延误的少量上升，但对公交优先预信号感应控制下主干道直行社会车辆和公交车影响不大。

为达到公交优先目的，本文中设定主干道直行公交车辆与社会车辆具有更高的通行权，选取其延误作为评价指标，但是忽略了其它流向的车辆延误。当次干道和直行左转流向的车流量增大时，其流向的通行权与主干道直行的社会车辆和公交车辆通行权对等时，就不能忽略次干道和直行左转流向车辆延误情况。如何制定次干道和直行左转车辆通行权与主干道直行的社会车辆和公交车辆通行权对等时的公交优先控制策略的制定是下一步研究的着眼点。

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