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信号交叉口条件优先—
更好的服务，更少的交通干扰
摘要
信号交叉路口的公交车有条件优先级意味着优先考虑较晚的公交车而不是较早的公交车。 此方案是一种可通过按时安排公交车来提高服务质量的动态控制方法。在荷兰埃因霍温的有条件公交优先实施的结果表明，与无优先级情况相比，遵循公交时刻表的情况有了很大的改善。 本文研究了交叉路口的交通影响-无优先级，绝对优先级和条件优先级三种条件下的情况。与无优先权相比，绝对优先权显着增加了延误，而有条件优先权几乎对延误没有影响。
在信号交叉口考虑公交优先是一种有效的策略，可以改善混合交通中的公交服务运营。 技术的进步继续创造了新的、成本更低的提供优先权的方法。交通拥堵的加剧以及对空气质量，宜居性以及铁路建设成本的担忧，使得对公交优先权的需求更加迫切。至少从1970年代开始，在美国就对信号交叉口进行了优先研究。在欧洲，公交优先权甚至更早开始并且在瑞士，德国和荷兰很普遍。 在FTA的“公交捷运计划”和智能交通系统（ITS）的鼓励下，美国对公交车的优先次序产生了浓厚的兴趣。
信号交叉口的公交优先策略具有三个广义的方向：
1.首先，区分主动和被动优先级。主动优先包括实时检测和响应过境车辆，而被动优先则涉及诸如有利的周期长度，绿间隔和前进等措施（6-8）。
2.其次，优先级策略可以分为绝对优先，部分优先和相对优先。由于绝对优先在欧洲很普遍，因此交通控制计划的目标是为公交车辆提供零延迟服务。对于在美国更常见的部分优先，仅允许采用破坏性最小的优先级策略，例如绿信号时间延长和绿信号提前启动等通常对扩展长度有严格的限制的策略（9）。相对优先权条件下，公交车辆与其他交通争夺绿灯时间和优先权。由于公交车车辆其高的载客量，公交车辆的权重也应较高，但会被由于竞争的交通量或排队情况，公交车辆会被拒绝优先处理（10）。
3.第三，必须在无条件优先和有条件优先之间做出选择。 无条件优先意味着每个通行车辆都具有优先权。 绝对优先级是指完整的，主动的，无条件的优先级。已在美国和欧洲实施的条件优先权，指公交车辆仅在落后于时间表时才请求优先权（5）。 在此分析中，条件优先级是指条件完全优先级。 其他人则使用条件优先指根据竞争流量（数量或队列长度）授予优先级的方案。本文将此方案定义为相对优先级。
条件优先：一种提高运行可靠性的动态控制
早期公交优先权的应用主要是提高速度，减少运营成本和缩短乘车时间的一种手段。绝对优先级用于最大化速度。研究人员指出，通过减少交叉路口延误，公交运行中的主要随机性来源（服务可靠性）也得到了改善（11）。服务可靠性长期以来一直是公交行业的问题，许多公交机构和研究人员都在寻求动态控制的方法来提高守时性（时间表的依从性）和规律性（保持所需的进展）（12，13）。较差的服务可靠性会增加等待时间和拥挤程度，并会增加恢复时间（有时还会增加服务频率）以补偿不确定的运行时间和波动的负载，从而增加运营成本。乘客将服务的不可靠性视为不满意的主要原因。但是，除了在信号交叉口优先使用外，唯一能够提高服务可靠性的控制策略是将早期车辆停在控制点，这是许多运输机构惯常的做法。 （其他建议的策略如插入备用公交车的适用性非常有限。）但是，控制是一种单方面的控制策略，它可以应用于早期的车辆，但除了对后车的间接影响，对于后期的车辆则无济于事。相比之下，条件优先级（在信号交叉路口优先考虑迟到的车辆，而不是早到的车辆）提供了一种动态控制手段，可以直接纠正早晚的时间表偏差。提前行驶的车辆将被拒绝优先处理，并会因交通信号灯而被延误，而迟到的车辆将被优先处理并因此向前行驶。因此，公交运行具有使车辆按计划行驶所需的推拉控制。
条件优先使动态控制成为信号交叉口优先权的主要目标，而不是附带利益。尽管绝对优先通过消除信号延误提高公交的准时性，绝对优先仍有其他不能调整的时刻偏差问题，如起始站发车时间提前或延迟、不可避免的交通延误以及乘客到达和服务时间的随机性等其他原因。许多年来，荷兰的许多有轨电车和公交线路都具有绝对优先权，但是在遵守时间表方面仍然存在持续的问题。 例如，阿姆斯特丹的有轨电车在大多数信号交叉路口都具有绝对的优先权，但由于车速变化很大，仍必须计算其服务需求以容纳150％的预期高峰负荷。
从绝对优先转移到有条件优先需要在操作速度上进行少量权衡，以换取大幅提高守时性。 例如，在艾恩德霍芬（Eindhoven）的1号线，启动绝对优先级时，早上高峰时段的计划运行时间（单向）从24分钟减少到20分钟。 当系统更改为条件优先级时，计划的运行时间必须延长到仅21分钟。 因此，条件优先保留了绝对优先的大部分速度优势，同时增加了严格的守时性控制的优势。 最终效果是更好的服务质量。 同时，条件优先比绝对优先级有另一个优势——对流量的影响较小。
限制对其他交通的影响
公交车辆的优先中断通常会对其他交通产生负面影响。与优先车辆相同流或兼容流中的流量可能会得到好处，但通常的最终结果是容量和总体服务水平降低。对其他流量的影响取决于信号控制器在授予优先级时所使用的策略，用于从中断中恢复的策略以及优先级中断的频率。绿色扩展是破坏性最小的优先级策略，与跳过和截断阶段之类的策略相比，绿色扩展在部分优先级系统中很受欢迎。恢复策略，尤其是在协作网络中，受到的重视程度低于优先策略。这些策略仍然是紧迫的研究需求，因为它们可以像优先策略一样影响车辆延误。优先级中断的频率很重要，因为路口可能需要一些时间才能恢复；也就是说，清除在优先级中断期间建立的队列，或返回到允许进行进展的后台循环。如果中断发生得太频繁，则交叉路口可能无法恢复，从而导致循环故障（无法清除队列）。因此，某些相对优先级方案会在中断后的一段固定时间内或存在较长队列的情况下禁止优先级请求。如果有条件优先，将减少中断的频率。通过调整延迟阈值（公交车在接收优先级之前必须延迟的秒数）或定制条件优先级系统，以最大程度地减少对关键交叉路口的影响。通过在最繁忙的十字路口使用较大的阈值，这些十字路口的中断可能性降低，而在随后的十字路口的中断可能性增加。同样，在关键路口上游的一个或两个路口使用更严格的阈值将降低公交车迟到从而在关键路口请求优先权的可能性。
条件优先的前提
实施公交条件优先需要定位公交位置，并且与时刻表比较以确定是否有偏差。可通过GPS或路侧低功率无线电或红外设施进行定位。一个方法是通过车载计算机进行跟踪，将该计算机将时间表偏差传达给交通控制系统。 另一种跟踪方法是使用自动车辆定位系统的运输控制中心。 ，运输控制中心将时间表偏差传达给交通控制系统。 这两种选择在《国家智能交通系统体系结构》（4）中得到认可。 荷兰的经验指出了分散控制的优势，并强调说，如果可能的话，系统维护的责任应该落在受益最大的人——交通机构或其监管部门身上（14）。
成功应用有条件优先权还需要精心设计的时间表以及吸引公交车运营商和监管人员的合作流程。如果时间表安排太紧，公交车将总是迟到，系统将像绝对优先级那样运行。如果时间表太宽松，公交车将倾向于提前运行，并且系统将作为无优先服务。后一种情况是在海牙的1号和9号有轨电车的早期应用有条件优先权时发生的。有轨电车线路全天具有相同的预定运行时间，并且电车总是在高峰时段晚些时候和非高峰时段早些时候运行。在这两种情况下，都失去了有条件优先权以保持车辆按计划行驶所需的控制裕度。良好的时间表应在每个交叉路口提供控制余量，这意味着公交车晚点的概率既不能太接近于0也不不能太接近于1。这种时间表要求收集有关时间表偏差的大量数据并调整时间表以在每个交叉口保留适当的空间。关于建立支持运营控制的时间表以及在交通部门实施有条件优先权的组织过程的更多详细信息，请参见穆勒（15）。
Eindhoven公交优先系统
在荷兰东南部拥有30万居民的埃因霍温市，正在实施一项包括优先考虑公交线路的综合的交通改善计划，由代尔夫特理工大学的交通与运输工程实验室提供技术支持，包括方法和软件工具的研发。迄今为止，条件优先系统已在1号线全面运行，该线从中央车站一直延伸到城市的北部边缘，白天提供10分钟的服务。所有本地公共汽车都配备了车载计算机，该计算机使用与通信信号控制器相连的Vecom双向通信回路来跟踪车辆的位置，并辅以航位推测法。车载计算机详细记录行程时间事件，例如车辆停止或打开和关闭车门的时间，以及时间和位置标记。数据每天晚上自动上传到代尔夫特大学交通与运输工程实验室的计算机，在那里，一个名为TRITAPT（公共交通出行时间分析）的程序将数据缩减为停止模块记录（停止模块是公交车站）以及位于其前面的停靠路段）并存储在数据库中。因此，几乎每天每趟旅程都可以获得详细的操作数据。然后，TRITAPT会生成有用的时间表偏差，延迟，建议的运行时间等报告（16、17）。
车载计算机还实时监控计划偏差，在操作员可见的小屏幕上以10秒为单位显示信息。对于没有条件优先权的生产线，这些显示可帮助操作员确定何时减速或加快速度。大概每过300m，公交车辆会进行定位，并与期望位置进行交互，并通过Vecom循环向本地控制器指示其计划状态（提前，按时，延迟）。循环中准时状态与时间表状态相差10s。可以将控制器设置为赋予总线优先级，而不管其准时状态（绝对优先级）如何，只要它们不早或仅晚点时。
1号线的公交车在混合交通中运行。 因此，赋予公交车优先权意味着优先考虑常规车辆流量。 从这个意义上讲，优先系统的作用就像电子推土机一样，将排队等候在公交车前的所有车辆推到前面，这与公交车辆以自己的方式行进的操作截然不同。并在可能的情况下确保总线流的指示灯为绿色。控制器将截断并跳过冲突流，并在优先级流上扩绿延长以响应优先级请求，控制器将估算优先交通流的到达时间，添加估计的时间以清除其前面的队列。安全约束确保任何绿色时间段必须持续至少6秒，并确保执行清除时间（黄灯和所有红灯）。停止线上的Vecom回路用作出口检测器，该出口检测器终止优先呼叫。
时间表准时性结果
图1中显示了典型日期的TRITAPT时间表偏差报告。每条虚线表示1998年5月29日（星期五）沿1号线入站的行程的时间表偏差。停止代码（例如NS）显示在水平轴上。粗线是进度偏差的15％，平均值和85％。不包括最后一站（没有乘客上车且通常没有下车的转机），该图显示公交车很少提前60秒以上或120秒以上。沿线的时间分布离散值很小。尽管调度控制不完善，公交仍能达到准时水平——从起点站出发的公交车平均分布在120秒以上的范围内。
相反的情况来自三天前的操作，当时条件优先级系统因为机载计算机中的时间表已到期且新时间表仍未卸载而无法运行。（这种情况强调了系统维护的重要性。）如图2所示，进度偏差报告表明进度偏差要大得多，因为条件随机系统没有检查导致随机性的自然过程。
为了帮助理解条件优先系统对乘客的影响，研究人员在1号线乘了一次旅行并站在驾驶员旁边，可以查看时间表偏差显示。如果公共汽车在接近红灯时迟到，则该灯会迅速变为绿色，以便公共汽车可以不受阻碍地行驶。 如果公交车到达很早，则没有这样的优先级。在整个行程中，巴士的延迟时间绝对不会超过60秒或提前30秒。运营商提到有条件优先权系统在运营商中非常受欢迎，以至于工会已经同意，没有运营商可以在1号线服务超过半天。其他线路上的操作员必须不断调整其驾驶行为以保持时间表，而条件优先系统自动将1号线保持在时间表上，从而使操作任务变得更加容易。
图1 条件优先下1998.05.29时刻偏差
图2 无优先情况下1998.05.26时刻偏差
实验与网站说明
为了评估条件优先对交通的影响，于5月26日，27日和29日与一号线最繁忙的交叉口进行了一项实验。在这里，环城公路横穿蒙哥马利兰（Avenue），这条南北向的径向路载有1号线（10分钟服务）和9号线（30分钟服务）。 每天早上7点至11点和下午2点至6点观察车流量。 在城市交通部门的配合下，管制员将在周二上午和周三下午对公交车不设优先权，在周二下午和周三上午享有绝对优先权，并在周五有条件优先权（正常模式）运营。观测期间未发生特殊事件或异常天气。
环城公路的这一段没有任何公交线路在运行，该路段的交通量比蒙哥马利·兰恩还多。 这四种方法均具有两条直通车道，一个专用的左转车道以及一条单独的自行车道和人行横道。 由于交叉路口较宽，通行时间（黄灯加上所有红灯）相当长（约6秒），北向和东向通过交通流的全红时间增加了2秒，自行车获得了2 s提前绿灯减少与右转交通的冲突。北行和南行方向均使用远端站点。
如果不存在优先级中断，则控制器将按照固定的时间计划进行保护，并保留左转。周期时间和绿色拆分时间在一天中的不同时间有所不同。设置周期和偏移量以在西行方向为环路产生绿波。 如果优先请求是从公交车上发出红灯的交通流到达的，则冲突流将被打断（最小为6s的绿灯），并且优先流在适当的清除时间后变为绿灯。 如果优先顺序不是紧接着的优先顺序，则在总线通过停车线（最小为6秒）后，将跳过中间的顺序，并且优先顺序的绿灯结束。当收到信号优先请求时交通服务将转到下一相位并且继续正常的相位。如果在接收到优先请求时相位为绿灯，则绿相位将一直延长到公交通过为止。
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