烏拉 | 作者

安安 | 編輯

編者按：年前，在賽文研究院主辦、連云港杰瑞電子有限公司承辦的“2022年智慧交管技術(shù)與應(yīng)用跨年分享會(huì)”中，武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院副教授，交通工程系副主任趙欣做了《基于車路協(xié)同的網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制及應(yīng)用》報(bào)告。

該報(bào)告就網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的背景、方案設(shè)計(jì)、模型建立與仿真驗(yàn)證以及現(xiàn)場效果評價(jià)四方面進(jìn)行了深入分析。

1、背景概況

我國智慧公交發(fā)展進(jìn)入了新階段，提升新能源公交汽車的使用率以及提升城市出行分擔(dān)率的目標(biāo)相對迫切；同時(shí)自動(dòng)駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)等對智慧公交行業(yè)的技術(shù)支持不斷提升。

2022年3月，《國家公交都市建設(shè)示范工程管理辦法》明確提出，深入實(shí)施城市公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，規(guī)范國家公交都市建設(shè)示范工程管理，促進(jìn)國家公交都市提質(zhì)擴(kuò)面。今后的十四五規(guī)劃中，公交優(yōu)先研究更是對先進(jìn)信息技術(shù)的精準(zhǔn)感知、精確分析，精細(xì)管理和精心服務(wù)能力的全面提升。

武漢市作為公交都市的試點(diǎn)城市，公交車輛在通過一些主要的路口、路段時(shí)，通行效率仍然會(huì)面臨一些問題，需要進(jìn)行優(yōu)化改善。

下面介紹一下武漢市洪山區(qū)佳園路-雄楚大道交叉口的項(xiàng)目案例。雄楚大道交叉口毗鄰剛剛建成通車使用的武漢東站，由于東站的建成使用，配套開通了多條公交線路，社會(huì)車輛流量大幅度增加?；谏鲜銮闆r，我們對該路口開展了公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的研究。

我們對該路口的公交流量進(jìn)行了預(yù)測，下圖可以看到雄楚大道方向每5分鐘最高公交的流量是18輛，佳園路方向的最高流量是21輛，總體來看5分鐘以內(nèi)的流量還是比較高的。該路口主要通行的是301路、913路、756路以及BRT線路，雖然間隔發(fā)車時(shí)間較長，但由于線路比較多，整體經(jīng)過路口的交通密度相對較大。

同時(shí)我們也對路口社會(huì)車輛的交通流量進(jìn)行了摸排。下圖是路口的車道劃分情況，雄楚大道佳園路的進(jìn)口道基本都是四車道，武漢東站開通后的整體流量情況還是比較大的。

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方案設(shè)計(jì)基于這樣的情況，我們試圖對路口進(jìn)行公交優(yōu)先的信號協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)，優(yōu)化目標(biāo)主要包括以下三點(diǎn)：一是公交車大概率不停車通過交叉口，也就是公交車優(yōu)先通行；二是盡可能使社會(huì)車輛延誤不超過60s，在保證公交車優(yōu)先通行的同時(shí)，不能夠嚴(yán)重影響社會(huì)車輛的通行效率；三是希望佳園路口的服務(wù)水平達(dá)到二級，這是整體的優(yōu)化目標(biāo)。首先需要對路口進(jìn)行交通組織的優(yōu)化，下圖可以看到該路口的交通現(xiàn)狀，公交與社會(huì)車輛進(jìn)行混行，會(huì)嚴(yán)重阻礙公交車優(yōu)先通行的效率。我們希望通過優(yōu)化，設(shè)置公交專用的進(jìn)口道以及專用車道，使公交車與社會(huì)車輛進(jìn)行分離，右圖是設(shè)置了公交專用道后的渠化效果。

接下來要進(jìn)行基于車路協(xié)同的公交優(yōu)先的控制。首先要對車路協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先要搭載網(wǎng)聯(lián)汽車設(shè)備（OBU設(shè)備），包括V2X車載終端、高精度定位等設(shè)備。通過這些設(shè)備，可在后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的精確位置、車速等信息；第二大層面是路側(cè)RSU設(shè)備，包括可變信息情報(bào)板、路側(cè)攝像頭、雷達(dá)等傳感器設(shè)備，這些設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到車輛的行駛信息；第三大層面是后臺(tái)管控平臺(tái)，通過高精度地圖、路側(cè)邊緣計(jì)算服務(wù)器、高速通訊網(wǎng)絡(luò)，連接RSU、OBU設(shè)備，形成整體的車路協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。

對于公交運(yùn)行的過程，我們同樣進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。如下圖所示，在系統(tǒng)中要求路側(cè)RSU工作范圍達(dá)到500米半徑的范圍，即可以在周邊500米范圍內(nèi)的公交車、車站保持時(shí)刻通信，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到多維度交通數(shù)據(jù)，如車站狀態(tài)，擁堵情況，公交車行駛速度以及公交車到站以后，上下車人數(shù)等。通過多場景計(jì)算方案來緩解公交車站的壓力，縮短上班人群時(shí)間、降低公交總體排放量。

下面介紹一下傳統(tǒng)的公交優(yōu)先策略方案。首先要獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括通過路側(cè)終端來檢測公交車輛的到達(dá)時(shí)間，同時(shí)獲得公交車輛距停車線的距離以及車速等信息，也就是說當(dāng)公交車輛未到達(dá)停車線前，路側(cè)終端就已經(jīng)能夠計(jì)算出該車輛還要經(jīng)過多長時(shí)間通過路口到達(dá)停車線。第二部分是通過路口攝像頭、微波雷達(dá)等傳感器的設(shè)備獲取當(dāng)前交叉口公交車行駛方向的控制信號信息，包括綠燈時(shí)間、相位，紅燈剩余時(shí)間、車流長度、速度等數(shù)據(jù)。結(jié)合第一部分?jǐn)?shù)據(jù)就能進(jìn)行相應(yīng)的綜合計(jì)算。對于這樣一種公交優(yōu)先策略，我們又把它分為兩種情況，第一種是通過計(jì)算以后，發(fā)現(xiàn)公交車輛當(dāng)達(dá)停車線時(shí)是綠燈，這時(shí)可以不對信號周期進(jìn)行任何改變，因?yàn)楣卉囋诘竭_(dá)停車線時(shí)已經(jīng)是綠燈，可以直接通過。

第二種情形就是當(dāng)公交車輛到達(dá)停車線時(shí)為紅燈，這種情況下有相應(yīng)的三種策略來進(jìn)行優(yōu)先控制。第一種策略是通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)公交車在到達(dá)停車線時(shí)處于紅燈初期，即當(dāng)前相位的紅燈初期，那么可以延長上一個(gè)相位的綠燈時(shí)長，使公交車在到達(dá)停車線的時(shí)候仍為綠燈，但是要注意延長的綠燈時(shí)間不能對相鄰相位的時(shí)間壓縮影響過大，要保證該相位車輛不會(huì)產(chǎn)生二次排隊(duì)。

第二種策略是通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)公交車在到達(dá)停車線的時(shí)候?yàn)榧t燈中期，這時(shí)采用的方法可以改為壓縮該相位綠燈時(shí)間以及紅燈時(shí)間，使下一個(gè)周期的綠燈時(shí)間能夠提前到達(dá)。這樣當(dāng)公交車在到達(dá)停車線時(shí)，是處于下一個(gè)周期的綠燈時(shí)間位置，也能夠順利通過。

第三種策略就是計(jì)算發(fā)現(xiàn)公交車在到達(dá)停車線時(shí)為紅燈末期，這時(shí)可以提前中斷紅燈時(shí)間使公交車順利通過。這也是傳統(tǒng)的優(yōu)化方案，其思路就是通過簡單調(diào)整當(dāng)前以及下一周期的綠燈時(shí)間，使公交車在到達(dá)停車線時(shí)正好處于綠燈窗口。

下圖是整體方案的流程圖，通過不同的判斷給予相應(yīng)的控制，從而達(dá)到優(yōu)化公交通行效率的目的。

基于上述方法，我們給出了相應(yīng)的信號配置模型，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)模型，需要計(jì)算進(jìn)口車道飽和流量、進(jìn)口各車道流量比以及該交叉口各個(gè)進(jìn)口流量比總和，同時(shí)計(jì)算總損失時(shí)間，通過計(jì)算周期時(shí)長，計(jì)算該路口各相位有效綠燈時(shí)間等數(shù)據(jù)得到最終的優(yōu)化方案。

為使車輛在通過路口時(shí)可以最大限度不停車，以上、下行綠波帶寬之和為最大目標(biāo)建立如下圖所示的模型，通過這樣的計(jì)算，能夠最大限度的保證公交車不停車通過路口。

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模型建立與仿真驗(yàn)證下面介紹一下基于車路協(xié)同的多路口公交優(yōu)先的協(xié)調(diào)控制。關(guān)于多路口的干線協(xié)調(diào)控制，現(xiàn)在比較有名的是 MAXBAND與MULTIBAND模型。MAXBAND與MULTIBAND模型都是在每個(gè)交叉口信號配時(shí)固定的情況下，改變各交叉口的相位差和放行方式，達(dá)到讓社會(huì)車輛在綠燈時(shí)間內(nèi)連續(xù)通行的效果。在這種控制策略下，公交車輛被迫與社會(huì)車輛共享一條綠波帶，而實(shí)際情況中，公交車輛與社會(huì)車輛的速度存在較大差異，且公交車需要進(jìn)行站點(diǎn)?？浚瑢?dǎo)致公交車難以在綠燈時(shí)間內(nèi)通過交叉口。傳統(tǒng)的公交控制策略以單點(diǎn)交叉口作為研究對象，考慮了紅燈早斷、綠燈延長和插入相位三種控制策略，其優(yōu)先的本質(zhì)是壓縮非公交相位綠燈時(shí)間，延長協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)間，增加社會(huì)車輛的延誤的同時(shí)降低公交車輛的延誤，保證人均延誤更小。在飽和度較高且公交車輛較多的城市干線，將頻繁使用公交優(yōu)先控制策略，極易影響社會(huì)車輛正常通行，甚至造成擁堵。綜上，優(yōu)化思路可以歸納為將協(xié)調(diào)信號控制模型與公交優(yōu)先策略結(jié)合，在保證社會(huì)車輛綠波帶寬的同時(shí)，給予公交車輛更大的綠波帶寬，使公交車輛盡可能在綠燈時(shí)間內(nèi)通過交叉口，并盡可能減小公交優(yōu)先策略對社會(huì)車輛的影響。下圖是基于多路口的協(xié)調(diào)控制方案。當(dāng)路側(cè)檢測器檢測到公交車輛在第一個(gè)路口駛出停車線的時(shí)候，利用邊緣計(jì)算的服務(wù)器計(jì)算公交車輛到達(dá)下游路口停車線的時(shí)刻以及相應(yīng)的交通信息，并提前規(guī)劃下游路口的信號控制方案。

當(dāng)公交車通行在兩個(gè)路口之間的路段時(shí)，也就是路側(cè)檢測器檢測到公交車輛進(jìn)入下游路段后，信號控制系統(tǒng)將發(fā)送引導(dǎo)速度給公交車輛，同時(shí)改變信號相位差，使公交車輛盡可能不停車通過路口，這就是典型的車路協(xié)同過程。

到了第三階段，當(dāng)路側(cè)檢測器檢測到公交車輛即將進(jìn)入路口（距離一般是小于150m）時(shí)，可通過調(diào)整公交車輛所在相位的綠燈時(shí)間，來保證公交車輛能夠順利通過。

基于公交車在經(jīng)過干線多個(gè)路口不同階段時(shí)的車路協(xié)同協(xié)調(diào)控制過程，我們同樣給出相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制模型。這里要建立兩個(gè)約束：第一是對社會(huì)車輛的約束，要求社會(huì)車輛對公交車的干擾在最小的同時(shí)，以較低的延誤通過路口；第二個(gè)是對公交車輛的約束，要保證公交車輛的通行車速，能夠使得它在到達(dá)停車線時(shí)正好是綠燈。通過信號協(xié)調(diào)控制模型時(shí)序圖可以看到對于公交車輛優(yōu)先的考慮，如下圖所示，原本的綠波時(shí)序圖，綠波帶是一個(gè)直線；在考慮了公交車在站點(diǎn)停靠的時(shí)間延誤時(shí)，綠波帶是鋸齒狀的帶寬。

以上就是我們建立的公交優(yōu)先的信號協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，通過LINGO對該模型進(jìn)行求解，并利用 VISSIM進(jìn)行仿真驗(yàn)證。3
現(xiàn)場的效果評價(jià)

在以上理論分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行現(xiàn)場效果的評價(jià)。我們在佳園路路口布設(shè)了攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等RSU設(shè)備，在公交車上裝載了高精度的定位終端等，同時(shí)進(jìn)行5G協(xié)調(diào)通信，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同的控制。

經(jīng)過仿真計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)：與綠波后的情況對比發(fā)現(xiàn)，整體社會(huì)車輛平均延誤降低9.32%，停車次數(shù)降低7.12%，公交車輛平均延誤降低6.95%等等，這說明在傳統(tǒng)綠波控制模型的基礎(chǔ)上，在盡可能不影響社會(huì)車輛通行效率的前提下，公交車輛的通行效率得到了進(jìn)一步提升。