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1、 1 公交被动优先信号相位差的敏感性分析公交被动优先信号相位差的敏感性分析 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 201804）摘摘 要：要：相位差是交叉口信号协调的关键参数之一，本文从敏感性分析的角度研究了考虑公交车流特征，设置考虑公交被动优先的信号相位差以提高公交车流运行速度的可行性。首先给出了考虑公交被动优先的信号相位差概念模型，并分析了考虑公交之后的可能影响。随后重点采用 VISSIM 仿真分析的方法，研究了公交信号相位差的敏感性。由于影响公交车辆行程时间波动性的主要因素为站点停靠时间的波动，因而仿真中重点以停靠时间的波动程度为敏感性分析变量进行研究。仿真分析
2、表明，当公交车流停靠时间的波动较小时，采用相位差的方法进行信号优先能够取得良好效果，而当波动程度较大（超过 50%）时，优化相位差提供信号优先所取得的效益不明显，且有可能造成整体效益的降低。关键词：关键词：公交信号优先；协调控制；相位差；敏感性分析 Sensitivity Analysis of Offset for Bus Priority Wanjing Ma，Xiaoguang Yang（Tongji University,Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Shangha
3、i 200092 china）Abstract:Offset is one of key parameters in coordinated control system,form the viewpoint of sensitivity,the efficient of an bus priority strategy that provide priority to buses by offset optimization is analyzed.The conceptive offset optimization model is given and the affect of this
4、 model is analyzed.The sensitivity analysis of offset for bus signal priority is studied in depth by simulation method using VISSIM.The dwell time at bus stop is the most important factor to affect the variation of bus travel time.The variation degree of dwell time is adopted as the variable to anal
5、ysis.The results of simulation show that if the degree of dwell time variation is small,the bus priority offset perform very well.However,the bus priority offset may get no benefit when the degree of dwell time variation is more than 50 percent.Key words:Bus signal priority;coordinated control;offse
6、t;sensitivity analysis 1 引言引言 Wilbur（1967）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1拉开了公交优先控制研究的序幕。TCRP(1998)报告将公交优先分为被动优先，主动优先和实时优先2。其中，被动优先是后续的主动优先和实时优先的基础。被动优先（Passive Priority）是在离线方案设计给与公交车辆优先权的一种优先控制策略，基本上不需要埋设检测器，很早就得到了研究者的重视。通过信号相位差的调整，设计公交车辆绿波是被动优先的主要策略之一。在信号协调控制系统中，相位差是关键参数，它表明了相邻两交叉口协调相位绿灯起亮的时间差。Yagar(1
7、993)较早地应用 TRANSYT研究了这一优先策略，发现很难将随机的停靠时间等因素融入 TRANSYT 模型1。TCRP（1998）报告中，介绍了包括时空图、MAXBAND、MULTIBAND 等被动优先控制方法和工具2。在这些相关研究中大都指出，相邻交叉口的信号协调是实现公交优先的重要手段。但是，公交车辆的运行的特殊性，特别是公交停靠时间的波动性，必然会对信号协调的实际效果产生影响。本文即以此为切入点，首先建立的被动优先信号相位差的优化模型，分析相位差调整的可能影响，并重点研究停靠时间波动对公交优先信号相位差效益的敏感性，从而进一步分析通过离线相位差优化为公交提供优先这一方法的适用性。基金
8、项目基金项目：国家自然科学基金重点项目“城市交通网络优化与管理（70631002）作者简介作者简介：马万经(1980-)，男，内蒙古赤峰人，讲师.E-mail: 22 相位差加权优化模型相位差加权优化模型 考虑公交优先之后，基于 PI 值最小建立相位差优化的目标函数，在目标函数中通过给与公交车辆以不同于社会车流的权重来区别社会车流和公交车流。参考 TRANSYT-7F 的优化模型以及Alexander(2000)等人提出的模型，将目标函数中单点延误和停车率改造为系统内连线的延误和停车次数，则上述优化模型变为：)(1ibsbibibDbiivsvivivNiDviSWKDWSWKDWPI+=(1
9、)其中，N：系统内连线的数目；Dvi，WDvi：连线背景交通延误（s）及其权重；Dbi，WDbi：连线公交车辆延误（s）及其权重；Svi，WSvi：连线背景交通停车次数（s）及其权重；Sbi，WSbi：连线公交车辆延误（s）及其权重；Kv：背景交通停车次数与延误的换算系数；Kb：公交车辆停车次数与延误的换算系数。相位差模型的关键不在于求解算法（因其为离线控制策略，对算法的速度要求不高），而在于如何描述公交车辆运行状态的不确定性。也就是说，经过一系列假定之后优化出来的相位差，在公交车辆实际运行状态波动下，能否实现预期的效果。Yagar(1993)对被动优先控制策略的研究正是由于没有考虑这种不确定
10、性而没有取得预期效果。包括后来的 Alexander（2000）等的研究中，也都没有深入探讨这一问题。本文后续研究对这种不确定性的描述进行初步探索。3 公交信号相位差的敏感性分析公交信号相位差的敏感性分析 3.1 关键影响要素关键影响要素 在离线控制参数和离线评价指标等的优化计算中，包括 HCM2000 在内，一般输入变量均采用均值(Xiaojin Ji,2007)。交通本身固有的不确定性决定着这种操作方法的局限性45。公交车辆在两个交叉口间的行程时间，特别是在停靠站的停靠时间具有较大的不确定性，这种不确定性可能会直接导致用均值计算出来的信号控制方案失效。诸多研究也指出，虽然提供公交绿波是最有
11、效的离线控制策略，但是由于公交车辆的不确定性，其实施效果也很难达到。造成这些问题的主要原因即为控制方案对输入变量波动性的影响考虑不足。控制方案的输入变量应该是一个范围，或者服从某种分布，而不是一个单一的值。由于公交专用道条件下，停靠时间是公交车辆路段运行状态波动的主要因素，如图 1 所示。本文的后续研究以一个单向行驶的道路连接的两个交叉口为对象，分析最优相位差下，公交车辆在交叉口中间的停靠时间对公交车辆延误的敏感性，敏感性分析有多种方法5，本节试图通过敏感性分析图的方法来分析。3到达交叉口时刻可能分布带停靠时间可能分布带公交停靠站 Offset 图 1 停靠时间波动性对信号协调的影响 图 1
12、停靠时间波动性对信号协调的影响 3.2 仿真分析对象仿真分析对象 采用 VISSIM 对车辆单向行驶的相邻两个两相位的交叉口进行分析，交叉口间距 200 米，在交叉口的出口道设置有一个公交停靠站。交叉口之间的路段上有一条公交专用道和一条社会车道，如图 2 所示。为模拟公交车辆在路网上的随机运行特点，在公交车辆进入路网处的位置，设置一公交停靠站，用以离散均匀间隔到达的公交车辆。在仿真中，设定公交车辆运行速度为 25km/h，社会车辆运行速度为 4045km/h，信号周期为 100s，两个交叉口公交相位绿信比均为 0.37。仿真中初始设定公交停靠时间为 20s。图 2 相位差敏感性分析研究对象 图
13、 2 相位差敏感性分析研究对象 3.3 公交最优相位差公交最优相位差 在仿真中，相位差从 0 到 100 以步距为 10 递增，公交车辆和社会车流车均延误随相位差增加的变化趋势如下图 3。离散用公交停靠站离散用公交停靠站分析用公交停靠站分析用公交停靠站 车辆行驶方向车辆行驶方向 401020304050600102030405060708090100相位差（s）延误（s/veh）机动车延误公交车延误 图 3 车均延误随相位差的变化趋势 图 3 车均延误随相位差的变化趋势 从图中可以看出，公交车流和社会车流的最佳相位差不重合。显然，考虑公交优先后相位差在大多情况下都会破坏社会车流的最优协调，此即
14、为信号优先的代价，因而考虑公交优化后的相位差能否取得预期的效果至关重要。采用（1）式的优化模型，可以寻找到两者之间的平衡最优点。在本研究中，取公交最佳相位差为研究对象，经差值法运算，得公交最优相位差为 64s，此时公交车辆延误平均延误为 11s。3.4 敏感性分析敏感性分析 将公交停靠时间在-75%150%之间波动，重新进行仿真分析，得到公交车辆延误的变化情况如图 4。从中可以看出，停靠时间的小幅度波动，对车辆延误的影响较小，这种影响可能为正，也可能为负。而当停靠时间的波动较大时，对车辆的延误影响较大，且可能变最优相位差为最劣相位差。图 4 很好地解释了 Yagar（1993）所提出的被动优先
15、策略未能奏效的现象。其采用的 TRANSYT 模型不能很好地体现公交车辆停靠时间的波动性，因而会在应用中失效。同理，在公交停靠时间波动性或者说公交运行状态波动性较大且难以估计时，本文前面提出的模型（1）如果不考虑这一因素，同样会在应用中陷入困境。因而，必须根据车辆实际运行状态的波动情况，对模型所求结果进行敏感性分析。并在此基础上，重新评价模型（1）中所采用的权重的合理性。因为实际上，模型（1）为了尽可能为公交提供绿波，而对社会车辆的最优相位差进行了调整。如果这种调整得到的效益不足以抵消其给社会车辆带来的损失，则失去了（1）建模的初衷。-0.2000.0000.2000.4000.6000.80
16、01.0001.200-1-0.500.511.52停靠时间波动幅度延误波动幅度 图 4 停靠时间敏感性分析 图 4 停靠时间敏感性分析 54 结论结论 本文建立了公交被动优先的信号相位差优化模型，重点应用 VISSIM 仿真软件进行了相位差公交优先对停靠时间波动的敏感性分析。研究结果表明：当停靠时间波动幅度较小时，公交被动优先相位差能够取得良好效果；而当波动幅度较大时，通过相位差调整实现信号优先适用性较差。在我国城市公交流量较大的情况下，被动优先策略具有一定的适用空间。然而，在采用信号相位差调整的方法进行信号优先时，必须考虑公交系统运行的稳定性，进行深入分析，判断控制策略的适用性。本文仅仅通
17、过案例仿真对此问题进行初步的研究，尚需从理论上进行更进一步的探索。参考文献参考文献 1 Christopher Dickersono Hunter.Guidelines for the Successful Implementation of Transit Signal Priority on Arterials,D.Washington,D.C.,University of Washington,2000.2 Improved Traffic Signal Priority for TransitR.Interim Report on TCRP Project A-16,Washingto
18、n,D.C.,Transportation Research.Board,National Research Council.1998.3 Alexander Skabardonis.Control strategies for transit priority C/CD.Washington D.C.Transportation Research Board.1999.4 Ji,X.Probabilistic Analysis of Signalized Intersection Delay and Level of Service D.Hawaii,Ph.D.Dissertation of the University of Hawaii at Manoa,2006.5 Ji,X.Uncertainty Analysis of HCM Signalized Intersection Delay Using Fuzzy Set TheoryJ.Proceedings of ITE District 6 Annual Meeting,Kalispell,MT,2005.