CN101140698A

CN101140698A - 一种乘客过街与信号优先协调方法

Info

Publication number: CN101140698A
Application number: CNA2006100308588A
Authority: CN
Inventors: 杨晓光; 马万经; 马莹莹
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-03-12

Abstract

一种乘客过街与信号优先协调方法，包括：信号优先条件下基于乘客时间效益最大的公交停靠站最优布局方法以及以行人过街等待时间最小目标的与行人相位与车辆信号相位组合优化方法，通过计算站台位于进口的乘客时间效益大于位于出口的乘客时间效益的概率决定站台位置，在任一机动车线相位里组合入多段横道的行人，从而降低行人过街延误，改善行人过街的安全性。

Description

一种乘客过街与信号优先协调方法

技术领域

本发明属于交通控制方法，尤其是一种将行人过街系统和公交信号优先相结合的交通控制与方法。可以直接应用在以下几个方面：城市交通控制方案设计、公交信号优先控制方案设计、交叉口公交停靠站布局设计、交叉口行人过街信号控制方案设计、交叉口交通设计。

背景技术

从国内外的相关研究成果看，对公交信号优先控制和行人过街系统都有大量的研究，但尚未查到二者协调设计的研究成果。由于在停靠站上下大量客流的过街换乘需求，在其设计中必然要考虑如何与行人过街系统有效衔接在一起。在一些研究中(Yager，1993)，分析了停靠站位置对信号优先的影响，研究结果指出：由于车辆停靠时间有较大的随机性，因而将停靠站布置在交叉口的出口道相对而言比布置在进口道有利，但并没有分析停靠站的位置及其与行人过街系统的关系。(P.G.Furth，2006)进一步研究了考虑道路坡度后停靠站的最佳位置，并对比分析了停靠站不同位置时公交车辆的延误情况。这些研究分析了停靠站位置对信号优先的实现及其效益的影响进行了分析；但没有分析行人过街系统与信号优先控制策略的关系，没有提出相关的协调设计方法。对这种问题的忽略，导致现有的公交优先控制和设计方法强调车辆的优先，而对乘客的过街需求考虑不周。换言之，仅考虑如何降低车上的乘客的延误，而对乘客如何到达和离开停靠站过程的延误便捷性考虑不足。而乘客在步行过程中对延误和不便利的心理感受要明显强烈于在车上对延误和不便利的感受(Solomon，Henderson，Han，2001)。这种考虑不足造成了两个结果，其一，下车的乘客需要等待较长的时间才能通过人行横道，而上车的乘客经常在车辆到达时却不能通过横道换乘相应的车辆，造成乘客公交出行总延误的显著增加，这种情况在公交停靠站设置在路中时表现尤为明显；其二，过街设施的重复和浪费，及由此带来过街交通对主线机动车交通的影响剧增。由于没有考虑过街设施与公交站点的协调，特别是在交叉口，会造成公交停靠站处的横道与交叉口横道重复设置的情形。

同时，特别是在公交专用道条件下，公交车辆行驶道路经常为主干道，道路路幅较宽，行人过街的距离较长，需要的过街时间也较多。而换乘过街行人流与公交车流一般都处于两个不同的信号相位内，较长的过街时间必然会影响公交车辆优先的实现。在目前大都为行人一次过街的情况下，行人过街需求与公交优先需求相互制约；一方面，行人过街时间不足，对行人的安全性和舒适性都造成了极大的损害，并且极不利于满足老年人及残障人士的过街需求，另一方面，公交优先的幅度受到限制，不能够有效地为有优先需求的公交车辆提供优先。

发明内容

本发明的目的是：针对以上存在的停靠站和过街系统相互独立，行人(乘客)的公交出行总延误长，行人过街需求和公交优先需求相互制约等技术问题，提供一种乘客过街与信号优先协调方法，协调二者之间的关系使得二者构成的整个系统最优。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种公交信号优先与行人(乘客)过街的协调方法，将以下两方面问题有效结合：其一，信号优先条件下，基于乘客时间效益最大的公交停靠站最优布局技术；其二，以行人过街等待时间最小目标的与行人相位与车辆信号相位组合优化技术。

一种乘客过街与信号优先协调方法，包括：信号优先条件下基于乘客时间效益最大的公交停靠站最优布局方法以及以行人过街等待时间最小目标的与行人相位与车辆信号相位组合优化方法；

信号优先条件下基于乘客时间效益最大的公交停靠站最优布局方法：站台位于进口的乘客时间效益大于位于出口的乘客时间效益的概率

P = \frac{T_{m 2} - T_{m 1}}{t_{g}},

P＞0.5时站台设于进口，P＜0.5时站台设于出口，其中

G_{\min} + [\frac{d}{v_{p}} - \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} = T_{m 1},

G_{\min} + [\frac{f}{v_{b}} + \frac{d}{v_{p}} + \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} = T_{m 2},

乘客从下公交车辆到走出站台的时间为t_p(s)，停靠站距人行横道的距离为d(m)，公交行驶速度为v_b(m/s)，行人的行走速度为v_p(m/s)，交叉口信号控制周期为c(s)，红灯时间为t_r(s)，行人最短过街时间为G_min(s)，交叉口的两停车线的距离为f(m)，n为

\frac{d}{v_{p}} - \frac{d}{v_{b}} + t_{p}

中包含的c的个数；

以行人过街等待时间最小目标的与行人相位与车辆信号相位组合优化方法：在任一机动车线相位里，组合入多段横道的行人。

进一步，以行人过街等待时间最小目标的与行人相位与车辆信号相位组合优化方法中，放行一、三象限的左转车流时，放行与其没有冲突的二四象限的行人，相位四与相位二行成互补，即相位四恰好可以把相位二放行到中央驻足区的行人放行到对面人行道，同时把人行道上的行人放行到中央驻足区，反之亦然；放行二四象限的左转车流时，可以放行与其没有冲突的一三象限的行人。

公交信号优先控制系统、行人(乘客)过街系统是公交优先系统设计的核心内容之一。案例分析表明，本发明能够降低行人过街延误36％左右，并能够显著改善行人过街的安全性。同时，与传统方法相比，本发明提高公交优先的可能幅度约40％。

附图说明

图1是进口站台乘客时间效益大于出口站台的概率分布图；

图2是行人与多相位机动车相位的组合；

图3是行人信号配时参数示意图；

图4是北园大街一无影山东路交叉口示例图；

图5是交叉口象限划分图；

图6是现行行人过街延误计算图示；

图7是组合相位行人过街延误计算图示；

图8是人均过街延误对比图。

具体实施方案

1.基于乘客时间效益最大(过街延误时间最小)的停靠站布局优化技术

信号优先的最终目标为提高客流的运输效率。公交优先系统应使得乘客总的出行时间最小而非仅缩短乘客在车上的出行时间。乘客的出行时间应由步行到达(离开)公交车站的时间和乘客在车上的旅行时间两大部分构成。以乘客总的时间效益为目标，对过街系统和信号优先进行协调设计。主要有两部分内容：其一，信号优先条件下，基于乘客时间效益最大的公交停靠站最优布局；其二，以行人(乘客)过街等待时间最小目标的信号优先策略与行人信号控制组合优化。

1.1模型相关参数

设乘客从下公交车辆到走出站台的时间为t_p(s)；乘客从站台走到交叉口过街横道的时间为t_d(s)；乘客在交叉口横道行人驻足区等待时间为t_w(s)；乘客过街时间为t_a(s)；停靠站距人行横道的距离为d(m)；公交行驶速度为v_b(m/s)；行人的行走速度为v_p(m/s)；交叉口信号控制周期为c(s)，其中红灯时间为t_r(s)；行人最短过街时间为G_min(s)；公交车辆通过进口停车线时剩余绿灯时间为t_m(s)；交叉口的两停车线的距离为f(m)。

则

t_{d} = \frac{d}{v_{p}} - - - (1)

1.2乘客延误模型

根据上文对乘客离开系统的时间效益定义可知，每位乘客的时间效益为：

T = \frac{1}{t_{p} + t_{d} + t_{w} + t_{a}} - - - (2)

可以看出，在模型的假定条件下，公交的停靠站位于交叉口的进口和出口对于乘客时间效益的影响主要区别在于t_w的不同。

1.3站台位于交叉口进口的乘客等待时间

当公交站台位于交叉口进口时，乘客在过街横道中央行人驻足区等待时间t_w进为：

其中，n为

\frac{d}{v_{p}} - \frac{d}{v_{b}} + t_{p}

中包含的c的个数。

1.4站台位于交叉口出口的乘客等待时间

当公交站台位于交叉口出口时，乘客在过街横道中央行人驻足区的等待时间t_w出为：

1.5结果比较分析

对上面两个模型进行比较可知，如果乘客到达行人驻足区能够马上过街，站台位于进口和出口的乘客时间效益是相同的，但如果乘客来到行人驻足区不能马上过街，站台位于出口的等待时间较小，时间效益较高。

但站台位于交叉口进口和出口乘客到达行人驻足区能够马上过街的概率是不同的。由(3)式可知，当站台位于进口时，如果t_m满足式(5)时，t_w＝0。

t_{m} &GreaterEqual; G_{\min} + [\frac{d}{v_{p}} - \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} - - - (5)

由式(4)可知，当站台位于出口时，如果t_m满足式(6)时，t_w＝0。

t_{m} &GreaterEqual; G_{\min} + [\frac{f}{v_{b}} + \frac{d}{v_{p}} + \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} - - - (6)

令(5)式中

G_{\min} + [\frac{d}{v_{p}} - \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} = T_{m 1} - - - (7)

(6)式中

G_{\min} + [\frac{d}{v_{b}} + \frac{d}{v_{p}} + \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} = T_{m 2} - - - (8)

则，t_w进与t_w出的关系如式(9)所示。

所以，乘客的时间效益T满足式(10)。

假设车辆在绿灯时间里到达停车的概率服从均匀分布，站台位于交叉口进口来客的时间效益大于站台位于出口的乘客时间效益的概率随绿灯时间长度的变化如图1所示。

从图1中可以看出，当交叉口公交行驶方向绿灯时间t_g≤T_m1时，站台位于出口的乘客时间效益大于站台位于入口的乘客时间效益；当绿灯时间T_m1＜t_g＜T_m2时，站台位于进口的乘客时间效益大于位于出口的乘客时间效益的概率P逐渐增大，当t_g＝T_m2时，P值最大为

当绿灯时间t_g＞T_m2时，P值逐渐减小。

1.6算例分析

本文将以济南市北园大街与无影山东路交叉口的实际数据进行分析，得出最佳的站台位置。

济南市北园大街是济南第一条快速公交通道，同时也是济南市重要的东西向客运交通通道。本文以该通道中的一个交叉口为例，对交叉口设置快速公交站台的最佳位置进行分析，如图4所示。

其中

d＝40m，f＝70m，v_b＝20km/h＝5.6m/s，

v_p＝1.2m/s，G_min＝17s，t_g＝60s，c＝106s

设t_p＝15s，可以计算得T_m1，T_m2分别为：

T_{m 1} = G_{\min} + [\frac{d}{v_{p}} - \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} \approx 19 s

T_{m 2} = G_{\min} + [\frac{f}{v_{b}} + \frac{d}{v_{p}} + \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} \approx 45 s

所以进口乘客时间效益大于出口的概率为：

P = \frac{T_{m 2} - T_{m 1}}{t_{g}} = \frac{45 - 26}{60} \approx 0.43

所以，在该交叉口的出口设置站台的乘客效益大于进口站台的乘客效益的概率更大，所以在该交叉口的出口设置站台比较合适。

2.基于行人——机动车(公交车)冲突表的行人相位组合设计技术

信号相位设计通过对行人信号相位与机动车(公交)相位的组合设计，将降低行人过街延误，提升公交系统的服务水平。同时，能够大大降低行人的违章率，提高整个系统的交通效益。

2.1基本设计方法

对一个如图5所示的四相位信号控制且有中央安全岛的交叉口而言，传统的控制中，仅允许行人在直行机动车相位中通行。本方法首先对行人-机动车的冲突进行分析。将交叉口沿行人过街驻足区中心连线划分为四个象限，每一人行横道都落在两个象限中。根据左转车流与不同象限不同人行横道上过街行人流的冲突情况进行相位组合，放行一、三象限的左转车流时，放行与其没有冲突的二四象限的行人，放行二四象限的左转车流时，可以放行与其没有冲突的一三象限的行人。

在传统的过街行人相位设计中，只有相位一、相位三行人可以通行；而“新法”中，相位二、四也可以放行行人。而且相位四与相位二行成互补，即相位四恰好可以把相位二放行到中央驻足区的行人放行到对面人行道，同时把人行道上的行人放行到中央驻足区，反之亦然。对机动车和行人相位进行组合，如图2所示。

从图4中可以看出，任一机动车线相位里，都可以组合入多段横道的行人。

2.2“新法”与传统方法对比分析

从上面的分析可以看出，“新法”并没有增加行人——机动车的冲突点，对机动车的通行没有产生影响，因此本文只进行现行行人控制方法与“新法”在行人过街交通控制方面效果的对比分析。所采用的指标为行人过街最短绿灯时间和人均过街延误。

2.2.1行人过街最短绿灯时间

为了保障行人的安全，行人通行相位的绿灯长度应该满足行人从一个安全的驻足区到达另一个安全的驻足区，这个时间长度被称为行人过街最短绿灯时间。行人过街最短绿灯时间是直行机动车相位长度的一个重要约束条件。

传统方法中，行人最短绿灯时间的计算公式如下：

g_{0 \min} = 7 + \frac{L_{p \max}}{V_{p}} - I - - - (11)

其中，g_0min：行人过街最短绿灯时间(s)；L_pmax：同时放行的最长行人过街横道长度(m)；I：绿灯间隔时间(s)；V_p：行人过街步行速度，常取1.2m/s。

而在“新法”中，行人的最短过街时间只需要满足行人通过该段人行横道即可，则式(1)变为：

g_{j \min} = 7 + \frac{L_{j}}{V_{p}} - I - - - (12)

其中，g_jmin：j段人行横道所需要的最短绿灯时间；L_j：j段人行横道的长度。

假设驻足区位于道路的正中央，其宽度为2米。则相同道路人行横道长度条件下，传统方法和“新法”行人过街所需要的最短绿灯时间对比如表2。从表2看出，采用“新法”之后，行人过街需要的最短绿灯时间得到很大降低，下降幅度超过40％，显然，这大大放宽了行人过街对机动车配时的约束。而这种约束

表2最短绿灯时间对照表

横道长度(m)	传统方法行人过街最短绿灯时间(s)	相位组合方法行人过街最短绿灯时间(s)	降低比例(％)
横道长度(m)	传统方法行人过街最短绿灯时间(s)	相位组合方法行人过街最短绿灯时间(s)	降低比例(％)	202530354050	18.6722.8327.0031.1735.3343.67	10.3312.4214.5016.5818.6722.83	44.64％45.62％46.30％46.79％47.17％47.71％

的降低，相应增加主线公交优先的幅度约40％。

2.2.2人均过街延误分析

以典型的普通四相位信号控制交叉口一条人行横道一个流向的过街行人为例，如图1中的A横道，从西向东流向的行人。对传统行人相位设计和“新法”行人相位设计条件下的人均过街延误对比分析如下。

基本假定

交叉口行人到达服从均匀分布。

模型相关参数

如图1所示交叉口，信号周期为T；相序安排如图2，四个相位的机动车绿灯时间分别为g_v1，g_v2，g_v3，g_v4；行人绿灯时间分别为g_p1，g_p2，g_p3，g_p4；现行相位安排下行人过街人均延误为d₀，“新法”中行人过街人均延误为d_n，机动车绿灯间隔时间为j_v.

传统行人相位设计条件下，行人过街人均延误模型

这种情况下，一条人行横道上，一个方向的行人过街人均延误计算示意图示如图6。

d₀＝(T-g_p1)²S_p/2(S_p-Q_p)T

需要指出的是，在这种情况下，gp1必须满足最短绿灯时间的要求。

“新法”行人过街人均延误模型

(一)情形一

直行机动车相位长度不能够满足行人安全过街的要求，即所有的过街行人必须都在中央驻足区上停留，分两次过街。其过街延误计算图示与图6相同，计算公式如下：

d_n＝(T+j₂-g₁-g₂)²S_p/2(S_p-Q_p)T

(二)情形二

直行机动车相位能够满足绿灯初期行人安全过街的要求，这部分过街行人一次过街，而其余绿灯时间到达的行人，需要在中央驻足区上等待下次信号，其第一部分过街行人延误计算示意图同图6，第二部分人均过街延误计算示意图如图7。

第一部分人的总延误

d_n1＝(g_v3+g_v4+g_v2-g_p2+3j_v)²Q_pS_p/2(S_p-Q_p)

第二部分行人总延误

d_n2＝[0.5Q_p(g_v2+g_v1-g_p1+j_v)²+(g_v1-g_p1+g₃+j_v)

*Q_p(g_v2+g_v1-g_p1+j_v)+Q_p ²(g_v2+g_v1-g_p1+j_v)²/2S_p]

则按“新法”设计行人相位后，行人过街人均延误为

d_n＝(d_n1+d_n2)/TQ_p

计算结果分析：

假定g_pi＝g_vi(i＝1～4)，g_v1＝g_v3，g_v2＝g_v4，信号周期T＝120s；人行横道宽度为4米，单宽最大通行能力为1800人/绿灯小时；则有传统行人放行方式与“新法”行人延误随3、4相位时间的变化如图8。

从图中可以看出，“新法”的人均过街延误低于传统行人相位设计方法的人均过街延误。两种情况下行人过街延误都随着2，4相位(左转相位)长度的增加而增加，但传统行人相位设置下人均过街延误的增加速度明显大于“新法”；随着2，4相位长度从15s增加到40秒，“新法”人均过街延误比传统方法的人均过街延误的降低的幅度从12.23％上升到36.19％。

显然，行人(乘客)过街延误的降低，明显有利于降低公交出行乘客的总延误和总的出行时间，利于实现公交优先的目标。同时，行人一次过街距离的缩短，还大大改善了行人过街的安全性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种乘客过街与信号优先协调方法，其特征在于：包括：信号优先条件下基于乘客时间效益最大的公交停靠站最优布局方法以及以行人过街等待时间最小目标的与行人相位与车辆信号相位组合优化方法；

P = \frac{T_{m 2} - T_{m 1}}{t_{g}},

P＞0.5时站台设于进口，P＜0.5时站台设于出口，其中

G_{\min} + [\frac{d}{v_{p}} - \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} = T_{m 1},

G_{\min} + [\frac{f}{v_{b}} + \frac{d}{v_{p}} + \frac{d}{v_{b}} + t_{p} - nc] - t_{r} = T_{m 2},

中包含的c的个数；

2.根据权利要求1所述的一种乘客过街与信号优先协调方法，其特征在于：以行人过街等待时间最小目标的与行人相位与车辆信号相位组合优化方法中，放行一、三象限的左转车流时，放行与其没有冲突的二四象限的行人，相位四与相位二行成互补，即相位四恰好可以把相位二放行到中央驻足区的行人放行到对面人行道，同时把人行道上的行人放行到中央驻足区，反之亦然；放行二四象限的左转车流时，可以放行与其没有冲突的一三象限的行人。