公車路線適應式號誌時制模式之模擬

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(1)國立交通大學運輸科技與管理學系碩士論文. 公車路線適應式號誌時制模式之模擬 The Simulation of Adaptive Signal Control for Transit Bus Routes. 研究生：洪瑞禧指導教授：卓訓榮林貴璽老師. 中華民國九十四年一月.

(2) 公車路線適應式號誌時制模式之模擬 The Simulation of Adaptive Signal Control for Transit Bus Routes. 研究生：洪瑞禧. Students: Hong, Ruey-Shii. 指導教授：卓訓榮. Advisor: Dr. Cho, Hsun-Jung Dr. Lin, Guey-Shii. 林貴璽國立交通大學運輸科技與管理學系碩士論文 A Thesis. Submitted to Department of Transportation Technology & Management College of Management National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in Transportation Technology and Management January 2005 Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國九十四年一月.

(3) 公車路線適應式號誌時制模式之模擬學生：洪瑞禧. 指導教授：卓訓榮林貴璽國立交通大學運輸科技與管理學系碩士班. 摘. 要. 都會地區由於現有捷運路權無法全面涵蓋旅次需求以及其他運具服務特性、高費率與停車等問題的限制，公車運輸有其無可取代的地位。實質上，公車運輸除了路網配置、服務與轉運機制的完整性外，尚須提昇營運路線的運輸效率，目前公車運輸效率大多透過即時班車調度與公車專用道等周邊設施來提升，即時班車調度於緊急調派時，大多須策略性脫班與過站不停等措施，公車專用道則成本高且地幅限制多，因此，號誌化路線控制會是較佳的方式，在 APTS 的環境下，號誌時制設計甚至應具備控制公車準點的功能，而非只強調優先；過去的文獻較少將公車優先號誌運用到控制路線準點的機能上，且號誌系統大多以觸動式為主，操作彈性較低且容易降低幹線車流的續進效率，甚至增加延誤時間，因此，建立一套兼顧應用彈性、設施成本與準點效果的號誌系統有其必要。本研究對路口號誌時制設計的考量，係以號誌路網車流中的小客車與公車運行管制為基礎，由公車優先方式與適應式號誌策略等文獻的啟發之來建立系統架構，發展控制邏輯來構建模組模式，並由模擬結果進行分析，以掌握各種控制策略的績效與特性。本研究透過普松分配與隨機公車班距，於路線起點產生小客車與公車流動，由車隊擴散關係進行小客車流的路段移動，採用階層化觀念架構，將號誌控制分為路口控制階層與路線控制階層，前者具有執行與回復路口定時式號誌控制時制的機能，後者則具有適應式公車路線號誌時制調整的機能，最後透過班表控制或班距控制邏輯以彈性決定路口的控制型態；系統輸出績效則包括路口號誌控制績效與公車站位績效。本研究模擬作業以一測試路網為例，依據控制邏輯與補償時相，界定五種測試方案，經由一系列模擬與分析來確認模式有效性，比較與歸納不同控制方案下的運行效果。關鍵詞：公車優先號誌、適應式號誌、準點控制、路口控制、路線控制、班表控制、班距控制、補償時相. i.

(4) The Simulation of Adaptive Signal Control for Transit Bus Routes Students: Hong, Ruey-Shii. Advisor: Dr. Cho, Hsun-Jung Dr. Lin, Guey-Shii. Department of Transportation Technology and Management National Chiao Tung University. ABSTRACT It has been found that MRT right-of-way can not be widely spread out to fulfill all possible demand in modern metropolitan area. Also, due to some key problems, such as restrictive services, high rate of fee, low mobility during rush, and the parking space limitation for most of other modes, urban bus transit is getting more preferable to public users. In addition to a satisfactory the network layout, service frequency, and transferring system, bus transit may be required to enhance the operating efficiency along routes. This can be done mostly via the use of real time dispatching as well as bus exclusive ways. the former applies usually a timely stop-skipping treatment for emergent needs, the latter are greatly limited by roadway layout and usable space, and may even incur high setting cost. Therefore, an on-route signal control would be a better way to alleviate travel delay and upgrade level of service for roadway users during peaks. However, with APTS environment, such efficiency may not focus on preemption only. Instead, the adaptive signal system should be functioning with higher schedule adhesion capability. Unfortunately, very few of past research had worked on such an issue. Thus, it is necessary to develop a signal control model considering its practical flexibility, system cost, and control effectiveness. This study is intended to develop a signal control model that is capable of evaluating some preset objective functions for efficiently controlling auto and bus movements on the existing transit network. A great deal of studies on bus priority control and signal timing design have been reviewed to inspire the signal system architecture and control logic. The model applies the Poisson distribution to generate auto and bus calls. Auto movements are propagated along each route using the platoon dispersion concept. The entire signal control structure is classified into two, i.e., local control level and route control level. With a pre-timed signal control basis, the former may perform any preset settings and switch back to the preset one as any of the adjusted timing for bus calls was done. The latter is designed for quickly adjusting control timing in response to any bus arrival calls. Finally, a schedule-based logic and a headway-based logic are separately associated with the adaptive signal control. ii.

(5) structure for optimizing intersection output performance. The system output performance mainly includes intersection control performance as well as bus stop performance. This study defined five test scenarios based on the timing control and phase compensation logic. With a simplified bus network, a series of simulation runs were conducted to verify the model efficiency and validity. The results from various scenarios were also compared and analyzed to reach some valuable conclusions. Keywords: Signalized bus preemption, Adaptive signals, Schedule adhesion control, Local control level, Route control level, Schedule-based control, Headway-based control, Phase compensation.. iii.

(6) 誌謝本論文得以完成，首先感激恩師卓訓榮老師及林貴璽老師的辛勤指導，卓老師在研究課題上的指導，提醒學生如何做好研究。林老師在研究方向及方法，隨時提供學生寶貴意見，並仔細逐字斧正學生疏漏之處，每當研究或生活遇到瓶頸時，能夠指點方向並鼓勵學生，使學生能夠克服困難。經由學習兩位老師的治學態度與做人處事態度，在生活與學術各方面的涵養，有了長足的進步與成長。論文口試與審查期間，承蒙本所吳水威教授與吳宗修教授之撥冗細審，惠賜寶貴意見與殷切指正本論文之疏漏謬誤。論文研討期間承蒙本所陳光華老師、高凱老師詳加審閱。大學與研究所修學期間，感謝系上許巧鶯老師、陳光華老師、高凱老師、吳水威老師、韓復華老師、張隆憲老師、謝尚行老師、吳宗修老師、任維廉老師及郭秀貴老師給予學生課業上的指導，使學生能夠順利完成學業及研究，為此學生深感謝意。此外，交大的求學期間中，感謝博士班學長黃銘崇、曾明德、徐立言、吳育婷學姊於 Lab 研究計畫的幫忙，亦感謝實驗室同學月貞、信豪於學業及生活上的討論及鼓勵，實驗室學弟郭佳、阿翔、勛傑、韻竹、永平在計畫上的負責與用心，皆讓我不論課業或研究計畫皆能處理妥當，讓我可以於學習中走的更順更穩。另外感謝好友家銘、家盛、大哥、小本、鵬先、元邵、阿 lan、阿貴、紋豪乃哥和所有運管 92 級的同學們，在課業的互相鼓勵，及生活的互相扶持，不論是出遊的娛樂假期或是熬夜苦拼的日子，都是許多難忘的回憶。感謝系上學弟小宇、立新，雖然偶爾會被你們吐槽，許多時候都不忘於學長苦悶之餘，找學長出去運動或遊玩。另外，感激系上助理秀蔭及幸榮在行政上的協助。在此謝謝所有曾經協助過我的人，感激各位之餘，並祝各位能順心如意。最後，謹以此論文獻給偉大的父母及摯愛的家人，感謝父母多年來無微不至的照顧，妹妹給我的支持。在此，將此成果及榮耀，與你們及所有協助過我的人分享。瑞禧 2005. 1. 29 于風城交大. iv.

(7) 目錄中文摘要 .......................................................................................................i 英文摘要 .......................................................................................................ii 誌謝 ..............................................................................................................iv 目錄 ............................................................................................................... v 表目錄 .........................................................................................................vii 圖目錄 ........................................................................................................viii 第一章緒論 ................................................................................................. 1 1.1 研究背景與動機 ................................................................................................ 1 1.2 研究目的 ............................................................................................................ 2 1.3 研究範圍與方法 ................................................................................................ 3 1.3.1 研究範圍方面............................................................................................... 3 1.3.2 研究方法....................................................................................................... 3 1.4 研究內容 ............................................................................................................ 4 1.5 研究流程 ............................................................................................................ 5. 第二章文獻回顧......................................................................................... 7 2.1 號誌連鎖方式 .................................................................................................... 7 2.1.1 定時式號誌時制............................................................................................ 7 2.1.2 觸動式號誌時制............................................................................................ 7 2.1.3 適應式號誌時制............................................................................................ 8 2.2 適應性號誌控制策略發展 ................................................................................ 8 2.2.1 有循環週期之適應式號誌控制策略............................................................ 9 2.2.2 獨立路口無循環週期之適應式控制策略...................................................11 2.2.3 路網之適應式控制策略.............................................................................. 18 2.2.4 小結.............................................................................................................. 20 2.3 公車優先準點方式 .......................................................................................... 21 2.3.1 綠燈延長、紅燈切除與紅燈中斷.............................................................. 21 2.3.2 時相忽略與補償策略.................................................................................. 27 2.3.3 權重設計...................................................................................................... 28. v.

(8) 2.3.4 小結.............................................................................................................. 29 2.4 交通量預測 ...................................................................................................... 30 2.5 綜合評析 ......................................................................................................... 33. 第三章研究架構與方法........................................................................... 34 3.1 研究分析架構 .................................................................................................. 34 3.2 模式基本假設 .................................................................................................. 35 3.2.1 路網假設...................................................................................................... 36 3.2.2 車流假設...................................................................................................... 36 3.2.3 公車站位行為假設..................................................................................... 36 3.3 研究邏輯 .......................................................................................................... 37. 第四章模式構建....................................................................................... 41 4.1 定時號誌時制模組 ......................................................................................... 42 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6. 號誌控制模組 ................................................................................................. 43 交通狀態模組 ................................................................................................. 45 公車優先模組 ................................................................................................. 50 補償模組 ......................................................................................................... 53 績效函數模組 ................................................................................................. 56. 第五章數值模擬與分析........................................................................... 59 5.1 測試路網相關設定 .......................................................................................... 59 5.2 模擬方案設定 ................................................................................................. 61 5.2 路口方案號誌運作 ......................................................................................... 67 5.3 模擬績效 ......................................................................................................... 73 5.4.1 小客車流量與延誤成本關係...................................................................... 73 5.4.2 公車站位旅客抵達率與延誤成本關係..................................................... 79 5.4.3 公車班距與延誤績效................................................................................. 85 5.3 本章小結 ......................................................................................................... 92. 第六章結論與建議................................................................................... 94 6.1 結論 ................................................................................................................. 94 6.2 建議 ................................................................................................................. 95. 參考文獻 ..................................................................................................... 97. vi.

(9) 表目錄表 2.1 SCOOT最佳化層級表 ........................................................................ 10 表 2.2 控制策略比較表 ................................................................................ 21 表 2.3 優先方案表 ........................................................................................ 28 表 2.4 公車優先準點方式比較 .................................................................... 30 表 2.5 影響 α 8 因子表 ................................................................................... 32 表 4.1 變數定義表 ......................................................................................... 41 表 5.1 一般範例設定 .................................................................................... 60 表 5.2 號誌週期表 ........................................................................................ 61 表 5.3 小客車流量-延誤時間表（各方向流量水準 400vph）.................. 74 表 5.4 小客車流量-延誤時間表（各方向流量水準 500vph）.................. 75 表 5.5 小客車流量-延誤時間表（各方向流量水準 600vph）.................. 76 表 5.6 小客車流量-延誤時間表（各方向流量水準 700vph）.................. 77 表 5.7 小客車流量-延誤時間表（各方向流量水準 800vph）.................. 78 表 5.8 流量水準-方案績效表....................................................................... 79 表 5.9 旅客抵達率-延誤時間表（10 人/小時）......................................... 80 表 5.10 旅客抵達率-延誤時間表（20 人/小時）....................................... 81 表 5.11 旅客抵達率-延誤時間表（30 人/小時）....................................... 82 表 5.12 旅客抵達率-延誤時間表（40 人/小時）....................................... 83 表 5.13 旅客抵達率-延誤時間表（50 人/小時）....................................... 84 表 5.14 旅客抵達率-方案績效表................................................................. 85 表 5.15 公車班距-延誤成本表（1 分鐘班距）.......................................... 87 表 5.16 公車班距-延誤成本表（5 分鐘班距）.......................................... 88 表 5.17 公車班距-延誤成本表（10 分鐘班距）........................................ 89 表 5.18 公車班距-延誤成本表（20 分鐘班距）........................................ 90 表 5.19 公車班距-延誤成本表（30 分鐘班距）........................................ 91 表 5.20 公車班距-方案績效表..................................................................... 92. vii.

(10) 圖目錄圖 1.1 示範公車路網圖 .................................................................................. 3 圖 1.2 研究流程圖 .......................................................................................... 6 圖 2.1 觸動式連鎖時制示意圖 ...................................................................... 8 圖 2.2 MOVA車流預測示意圖 ..................................................................... 16 圖 2.3 滾動時程策略示意圖 ........................................................................ 18 圖 2.4 優先號誌策略圖 ................................................................................ 22 圖 3.1 系統分析架構圖 ................................................................................ 35 圖 3.2 路口示意圖 ........................................................................................ 35 圖 3.3 系統流程圖 ........................................................................................ 40 圖 4.1 定時號誌流程圖 ................................................................................ 43 圖 4.2 號誌模組流程圖 ................................................................................ 45 圖 4.3 車輛產生流程圖 ................................................................................ 47 圖 4.4 路段移動流程圖 ................................................................................ 48 圖 4.5 路口車隊計算流程圖 ........................................................................ 49 圖 4.6 路口控制階層公車優先模組流程圖 ................................................ 52 圖 4.7 路線控制階層公車優先模組流程圖 ................................................ 53 圖 4.8 綠燈延長週期變化圖 ........................................................................ 54 圖 4.9 紅燈縮短週期變化圖 ........................................................................ 54 圖 4.10 補償模組流程圖 .............................................................................. 56 圖 4.11 適應式控制績效流程圖 .................................................................. 57 圖 4.12 系統績效流程圖 .............................................................................. 58 圖 5.1 測試路網圖 ........................................................................................ 59 圖 5.2 方案一運作流程圖 ............................................................................ 62 圖 5.3 方案二運作流程圖 ............................................................................ 63 圖 5.4 方案三運作流程圖 ............................................................................ 64 圖 5.5 方案四運作流程圖 ............................................................................ 65 圖 5.6 方案五運作流程圖 ............................................................................ 66 圖 5.7 方案一號誌運作圖 ............................................................................ 67 圖 5.8 方案二號誌運作圖 ............................................................................ 68 圖 5.9 方案三號誌運作圖 ............................................................................ 69 圖 5.10 方案四號誌運作圖 .......................................................................... 70 圖 5.11 方案五號誌運作圖 .......................................................................... 71 圖 5.12 各方案公車通行時空圖 .................................................................. 72 圖 5.13 小客車流量-延誤時間圖（各方向流量水準 400vph）................ 74 圖 5.14 小客車流量-延誤時間圖（各方向流量水準 600vph）................ 75 圖 5.15 小客車流量-延誤時間圖（各方向流量水準 600vph）................ 76. viii.

(11) 圖 5.16 圖 5.17 圖 5.18 圖 5.19 圖 5.20 圖 5.21 圖 5.22 圖 5.23 圖 5.24 圖 5.25 圖 5.26 圖 5.27 圖 5.28 圖 5.29. 小客車流量-延誤時間圖（各方向流量水準 700vph）................ 77 小客車流量-延誤時間圖（各方向流量水準 800vph）................ 78 流量水準-方案績效圖..................................................................... 79 旅客抵達率-延誤時間圖（10 人/小時）....................................... 80 旅客抵達率-延誤時間圖（20 人/小時）....................................... 81 旅客抵達率-延誤時間圖（30 人/小時）....................................... 82 旅客抵達率-延誤時間圖（40 人/小時）....................................... 83 旅客抵達率-延誤時間圖（50 人/小時）....................................... 84 旅客抵達率-方案績效圖................................................................. 85 公車班距-延誤成本圖（1 分鐘班距）.......................................... 87 公車班距-延誤成本圖（5 分鐘班距）.......................................... 88 公車班距-延誤成本圖（10 分鐘班距）........................................ 89 公車班距-延誤成本圖（20 分鐘班距）........................................ 90 公車班距-延誤成本圖（30 分鐘班距）........................................ 91. 圖 5.30 公車班距-方案績效圖..................................................................... 92. ix.

(12) 第一章緒論 1.1 研究背景與動機都會區內由於現有捷運路權無法全面涵蓋、私有運具停車空間深受侷限、以及其他及戶運具高費率的考量等因素，公車運輸有其無可取代的地位。因此為增加公車營運的競爭力，除了考量健全路網配置與轉運機制的完整性之外，另一重要因素就是提升營運路線的相對運輸效率，以便吸引旅客於主要公車路線上，利用高速率（但也高成本）的運具執行高效率的運送作業。一般而言，都會區在既有的路網配置與轉運機制之下，公車營運路線的運輸效率常取決「內部場站派車策略」與/或「外部路線控制策略」的配合，前者強調即時的班車動態資訊與彈性的排班調度；後者則以準點控制進而縮短公車在營運路線上的行車時間為重點，最常採用的策略包括（一）公車專用道或專用路線與周邊設施規劃，這需要輔以周延的配合措施（二）號誌化優先通行控制（signal priority control），由彈性調整路線的交通控制設施（如號誌時制），以因應不同的公車運行條件和需求。相較於公車專用道或等較為被動的路線控制方式，號誌化優先控制這種主動式的路線控制方式有助於達到準點的目標，並適度降低即時場站調度的複雜性。由於一般定時式號誌控制並未能加入公車優先控制，而觸動式車輛優先號誌控制僅能依據預設狀況來運作，缺乏因應公車實際急切或舒緩程度的彈性，準點控制能力甚低是其最大缺點；其次，在公車營運資訊充足的前提下，現今的路線即時調度不論是班距式（Headway-based）或班表式（Schedule-based）控制多以站位管控的方式來穩定前、後班車的間距，調度過程常面臨到必須針對早到班車延長其停站等候時間，對晚到班車則進行緊急調派，甚至執行策略性脫班或過站不停等權宜措施，因此會遭遇到受站位乘客非議的狀況，而對公車營運的品質產生衝擊，若透過適應式號誌雖然能夠較彈性的處理公車急緩的狀況，但由於全適應式號誌控制會遭遇到時制變動頻繁，須不斷的進行運作，內部電腦易故障的情況，且以往研究均發現適應式號誌僅適用於中低流量的情況，因此當小客車流量高時，容易造成路口容量的損失而無法應付。由上可知目前內部場站派車策略，在執行緊急調派時多以策略性脫班或過站不停等權宜措施，使站位乘客遭受額外損失，進而影響公車乘客的搭乘意願，若透過公車專用道等相關設施，除了成本高之外，亦須考量現有路幅與地形是否可搭配，在考量以上兩點的情況下，透過號誌控制可以花費較少成本，而達到路線. 1.

(13) 控制的需求，然而由於現今三種號誌系統都有其缺點存在，定時式控制無法進行優先控制，觸動式優先號誌的彈性卻又不佳，適應式號誌由於成本較高，且電腦運作頻繁，容易故障等因素，單用其中一套系統都無法滿足路線控制的需求，如何有效率的執行路線控制是現今公車優先號誌所必須探討的課題。過去文獻多探討公車準點問題，較少探討公車路線準點控制，且號誌系統大多為單一系統，因此有鑑於公車路線上維持車流準點與服務準點的重要性，且此三套號誌系統皆有其缺點，本研究擬朝向結合定時式號誌時制與適應式號誌控制的優點，在成本考量下，同時能兼顧車流穩定運行與公車路線控制彈性，除了具備因應公車實際急切或舒緩程度的彈性與準點控制能力，亦能有效控制小客車車流穩定運行。在結合兩套號誌系統之下，本研究將以階層控制結構，發展一套即時性號誌化公車優先通行模式來配合公車路線的班距式與班表式控制邏輯，在路口階層控制採用定時式號誌控制，透過計算最小延滯週期及時比，使一般純小型車流狀況或具有公車運行的混合車流狀況下能穩定運行；在路線控制階層則以群組號誌連鎖的方式，引入班距控制與班表控制，並透過公車權重的設計，在適應式號誌控制策略中的最佳化績效函數值之下，執行公車路線準點控制，透過此階層控制的架構，使定時式號誌與適應式號誌結合，達到降低成本、增加路線控制彈性並具有穩定車流的目的。. 1.2 研究目的過去國內外對於公車號誌準點多以探討如何讓公車能於綠燈順利通行，較少探討公車站位乘客所較關心的準點性。另外以往的研究多以觸動式公車優先號誌作為公車準點號誌，無法有效的因應公車緩急程度的彈性，故本研究將透過定時式號誌與適應式號誌發展一階層控制架構，並針對準點性引入班距控制與班表控制。本研究的目的有以下三點： 1.. 透過適應式號誌策略發展一階層控制架構，同時兼顧小客車以及公車的運行情況。. 2.. 輔助路線公車準點或多線公車競爭路權的決策。. 3.. 強化路線各站位對班表的定點能力，並評估與比較控制模式在公車運輸路網變動的交通環境下的績效與特性。. 2.

(14) 1.3 研究範圍與方法 1.3.1 研究範圍方面本研究為探討適應式號誌在考量準點性下，對公車路線的影響，因此在範圍設定上，以包含公車運行的兩條十字交叉的主要幹道所形成的路網進行模擬，其中幹道上包含數個號誌路口，並有小客車運行於主要幹道與支道上（如圖 1.1 所示）。於此路網中，公車產生於路線起點，小客車則產生於路線起點以及各路口的支道起點，公車產生之後運行於主要幹道上，小客車則運行於幹道與支道，並於路口進行號誌控制，因此整個研究包括了車輛產生、路段車流推進與路口號誌操作。站位. 號誌路口. 站位. 站位. 站位站位. 站位. 站位或路口. 站位. 站位. 圖 1.1 示範公車路網圖 1.3.2 研究方法號誌化路口設置方式有三類：第一種為定時號誌時制，由事前調查現場的交通需求，以離線方式依據各時段交通量，透過相關週期計算模式，或直接由號誌時制設計軟體計算最適時制；第二種為觸動式號誌時制，於路口臨近路段設置偵測器，依據是否有車輛通過偵測器的資訊，決定是否延長綠燈，綠燈長度是由起始綠燈長度（Initial Green Time）加上數個延長時段（Extension Period）所得；第. 3.

(15) 三種為適應式號誌時制，利用現場監控設備傳回現場交通資訊，以該時該地的交通流量預測未來的車流狀況，以求得最適的燈號變換。本研究以公車準點作為考量，因此在路口號誌控制方面，僅需於公車有需求時，進行額外的控制，並不需要完全的適應式號誌控制，因此在號誌設計上，考量結合定時式號誌與適應式號誌的優點，採用階層式的控制架構，僅當公車有路線控制需求時，將平時小客車運行的定時式號誌時制，轉換為公車有路線控制需求時的適應式號誌時制，當公車無需求或已通過路口，則跳回原小客車運行的定時式號誌時制，因此路口號誌控制則可分為專為小客車運行的路口控制階層與在公車路線運行考量下的路線控制階層，路口號誌控制策略則在此兩階層中，根據班表控制與班距控制決定公車的需求與否來進行切換。因此，定時式號誌的主要參數，如週期與各車流流動方向所分配的綠燈時間，係透過延滯最小的週期模式來計算。當公車通行時，則透過一判別邏輯來決定此公車是否有路線控制需求，當公車抵達路口的時間較原有預定時間過早或過晚，超過其容忍時間時，則判定該輛公車為有路線控制需求。當公車有路線控制需求時，給予其適當的權重，公車過早時給予負權重，公車過晚時給予正權重，並視其超過容忍間距的程度，設定為一單位或兩單位以上的權重，之後透過適應式號誌時制績效函數，使公車通行或停等，故整體路網的號誌時制會由定時式號誌時制加上適應式號誌時制。. 1.4 研究內容綜合上述各點，本研究之研究內容如下： 1. 了解各號誌之建立原則及公車優先準點策略的控制、執行現況，針對目前研究不足處加以分析比較，並界定本研究之範圍及目標。 2. 由文獻回顧中了解相關號誌連鎖方式，並回顧適應性號誌控制策略發展，探討其設計邏輯及限制；並藉由回顧公車優先準點方式，以了解其設計原則以及準點號誌的設計方式，另外回顧車隊擴散模式，了解車流於路段中的運行情況。 3. 研擬系統分析架構，發展車輛產生與路段車流運行的邏輯，並結合號誌控制以發展一套階層控制架構，並加入相關準點控制邏輯，分別處理無公車優先需求的路口控制階層與有公車優先需求的路線控制階層。 4. 掌握運作流程後，進行各模組的模式建立，訂定系統績效函數。. 4.

(16) 5. 根據控制策略的不同，分別訂定出各種比較的方案，經由模擬結果，了解各方案的號誌運作情形，以及各種方案的績效比較。 6. 針對模擬流程以及模擬方案績效提出結論，並提出相關改善建議供後續研究之延伸及改進。. 1.5 研究流程本研究之研究流程圖如圖 1.2 所示：. 5.

(17) 問題界定. 號誌連鎖方式文獻回顧. 適應性號誌文獻回顧. 公車連鎖續進文獻回顧. 車隊擴散模式文獻回顧. 系統分析架構建立. 控制邏輯分析. 階層控制架構. 號誌控制邏輯. 交通狀態模組公車優先模組補償時相. 公車控制邏輯. 各模組與模式建立. 績效函數模組號誌控制模組. 模擬程式撰寫. 模擬方案設定. 各方案模擬績效評估. 結論與建議. 圖 1.2 研究流程圖. 6. 模擬路網設定.

(18) 第二章文獻回顧本研究回顧內容主要區分為 1）號誌連鎖方式；2）適應性號誌控制策略； 3）公車優先準點方式；4）交通量預測四部分。根據本研究之內容，首先藉由回顧不同號誌時制的連鎖方式，了解各種號誌其設計觀念，對於號誌連鎖有一整體概念之後，再參考與本研究有關之適應性號誌控制相關策略，分析各策略之優缺點，才得以選擇適當策略，並介紹現今公車優先準點應用的方法，大致上可分為綠燈延長紅燈縮短、補償策略與權重設計等三類，最後回顧有關交通量預測的文獻，以作為研究模式中中車流運行的參考基準。. 2.1 號誌連鎖方式本節主要將各號誌系統處理連鎖方式作一整理，包括定時式號誌、觸動式號誌與適應式號誌。 2.1.1 定時式號誌時制[29] 連鎖控制時，每一路口須有一時相被指定為同步時相（synchronized phase）。為達成連鎖之功能，各路口同步時相之綠燈時間必須保持一定之時差。訂定時差時可用某一路口同步時相綠燈開始之時間為基準點。從這基準點到任何一路口同步時相第一次綠燈開始的時間叫時差。此外，所有路口必須使用同樣之週期長度（common cycle length）。但有時候某些連鎖路口之流量可能較其他路口之流量低得多，在此情形下，低流量路口之週期長度可減半。 2.1.2 觸動式號誌時制[29] 圖 2.1 中之 t 0 代表各路口共同週期之起點，如某一路口之連鎖時相之起點為 t 2 ，則 t 2 - t 0 代表該路口號誌控制之時差（offset）。連鎖時相進入綠燈時段後，觸動時相之車輛必須等連鎖時相之綠燈時段已到達一事先訂定之值時才能有機會得到綠燈。觸動控制利用一讓步點（yield point）以規定在一週期之那一瞬間才可中斷連鎖時相之綠燈以準備將綠燈交給觸動時相如連鎖時相在 t 3 終止，則該時相進入燈號變換時段，隨後在 t 4 時觸動時相進入綠燈時段。t 4 - t 3 等於連鎖時相之燈號變換時段。如在讓步點 t 3 之前觸動時相之偵測器沒被觸動，則連鎖時相之綠燈時段可超過 t 3 。在此情形下，如觸動時相之偵測器在 t 5 之前被觸動，則連鎖時相之綠燈時段立即終止而進入燈號轉換時段。 t 5 代表讓步終止點。如有車輛繼續延長綠燈，觸動時相之綠燈時段可持續到 t1 ，在此瞬間，觸動時相之綠燈被強迫終止以便連鎖時相可在 t 2 時進入綠燈時段，所以 t 2 - t1 必須等於觸動時相之燈號變換時. 7.

(19) 段。如在 t1 之前觸動時相沒車輛可延長綠燈則連鎖時相可在 t 2 之前進入綠燈時相。此外，因觸動時相之綠燈時段須滿足該時相之最短綠燈的需要，所以 t1 - t 5 必須最少等於連鎖時相之燈號變換時間及觸動時相最短綠燈之和。. 共同週期起點 t 0 t1. 強迫終止點. t. 2. 連鎖時相起點. 讓步終止點 t 5. t 觸動時相起點. 4 t. 3 讓步點. 資料來源:[29]. 圖 2.1 觸動式連鎖時制示意圖 2.1.3 適應式號誌時制由於適應式號誌並無共同週期，因此若要執行連鎖，僅能針對某特定車輛執行控制，透過權重與限制的方式，使某特定車輛能執行連鎖準點的作業。在 Mowatt 與 Brinckerhoff[17]的研究中則有探討附加高乘載權重的適應式號誌策略，利用附加權重的方式，給予高乘載車輛權重，使其績效函數決定決策時，因權重設計而使公車能順利通行。另外在吳育婷君[34]等人的研究中則是以適應式號誌搭配綠燈延長、紅燈切除的策略，給予高乘載優先通行，達到高乘載車輛準點的目的。. 2.2 適應性號誌控制策略發展以往對適應式控制策略的研究，可分為有循環週期的適應式號誌控制策略與非循環週期的適應式號誌控制策略。在有循環週期的適應式號誌控制策略中，比較著名的有 SCOOT 與 SCATS 兩種控制策略，而在非循環週期的適應式號誌控制. 8.

(20) 策略中，可分為單一路口與路網兩種系統。在獨立路口之控制策略裡面，分成二元選擇法與序列搜尋法，而在路網的控制策略裡面，則有 PRODYN 與 UTOPIA 兩種控制策略，以下則分別敘述各個策略。 2.2.1 有循環週期之適應式號誌控制策略 1. SCOOT[10] SCOOT 為 Split,Cycle,Offset Optimization Technique 的簡稱，其為中央集權式控制系統，透過中央電腦與局部控制器來執行適應式控制。系統透過中央電腦來估計即時資料，預測交通變化與最佳化時制計畫使的適應控制更智慧化。在系統交通方面，SCOOT 使用與 TRANSYT 相似的概念來發展預測即時號誌控制和提供短期或長期的交通資訊來做為系統衡量的依據。藉著上游偵測器的衡量來反覆的預測車隊、停等數與延誤，並將這些資訊存在一週期車流斷面圖（Cyclic Flow Profile，CFP）的表單裡，因此透過這些資訊就可以決定最佳的號誌連鎖時制計畫。此交通模式必須先設定好漂游速率與飽和流率，才能夠不斷的提供以垂直車隊概念下之車隊的變化情形。在系統最佳化方面，最佳時制計畫主要透過三個參數來決定，分別為時比、時差與週期長度。（1）綠燈時比最佳化方面，在每個狀態改變時，藉由車隊長度計算、擁擠衡量與最小綠燈的限制之下，來對綠燈長度做些許秒數的修正。（2）時差最佳化方面，經由週期車流描述所存的資訊經由是否要修改時差，來估計其與相鄰的街道的績效指標（Performance Index，PI）的加總。最小的績效指標將會在一個子路網的路口執行以求能夠對整個路網達到一個近似全域最佳的時制計畫。（3）週期長度最佳化方面，在子路網需要制定一個共同的週期長度，而為了符合特殊情況，則採用半個共同週期長度或是兩倍的共同週期長度。理想上，在一個子路網裡，任何的週期長度變化都會在兩分鐘半中完成，並且要確保能夠讓子路網中負載最重的路口能夠運作。另外，在普通的情況下，系統已經結合了號誌時比、時差與週期長度最佳化，然而在 SCOOT 裡，由於某些特殊環境的限制下，必須能夠有設定最佳化的等級的彈性存在，而這些設定等級的調整可以經由預設或是 SCOOT 運行時更改（如表 2.2-1），根據不同的最佳化層級，決定需要進行何種操作，如層級 1 僅對號誌. 9.

(21) 時比執行最佳化操作，層級 4 則是針對號誌時比、時差與單一共同週期執行最佳化操作。不過 SCOOT 仍有幾項缺點存在，首先由於偵測器擺設位置在距離停止線上游一段很遠的距離，要去假設其車輛的旅行時間，才能夠進行預測，另外，由於僅由中央電腦執行最佳化，會造成中央電腦負載過重，且局部控制器還要回傳資訊到中央電腦，因此很難發展一大規模的路網控制。表 2.1 SCOOT 最佳化層級表最佳化操作（Ｘ=無，○=有）最佳化層級. 號誌時比. 時差. 週期長度單一週期. 半週期或雙週期. 0. X. X. X. X. 1. ○. X. X. X. 2. X. ○. X. X. 3. ○. ○. X. X. 4. ○. ○. ○. X. 5. ○. ○. X. ○ 資料來源：[10]. 2. SCATS[14] SCATS 為 Sydney Coordinated Adaptive Traffic System 的簡稱，其在控制方面，主要是利用中央電腦、地區電腦與局部控制器來處理整個路網的控制，中央電腦僅執行監控系統的績效與設施的狀態，而整個適應式控制策略就由地區電腦來處理。透過偵測器，以地區電腦去計算飽和度（Degree of Saturation，DS），來訂定控制策略，最後在交由局部控制器來執行。在系統交通狀態方面，需求變化可以透過估計道路飽和程度的改變來得知。經由可用的總綠燈時間與可穿越停止線的足夠空間，這兩者的關係來計算飽和程度。而在系統最佳化方面，將整個系統分成數個子系統，分別透過週期長度最佳、號誌分時最佳、內部時差（Offset）最佳與連鎖時差最佳來達到整個系統最佳。（1）週期長度最佳化方面，號誌長度的變化是基於前一個週期內能夠達到最高的飽和程度來衡量，且每次週期長度的變化範圍在六秒之內，藉由四組根據以往背景所預設的週期計畫來執行週期長度的變化，而在週期. 10.

(22) 的設定方面包括了以下幾點：設定最小與最大週期作為界限限制、定義一個中等週期長度必須能夠達到兩個方向良好的連鎖、設定一週期標準，當週期長度超過此標準必須能夠去增加指定的時相。（2）號誌分時最佳化方面，在每個路口各有四組預設的分時計畫來回應週期長度的變化，而號誌分時計畫是以一條道路能夠達到最高的飽和程度來選定。（3）內部時差最佳化方面，在子系統的各個路口都預設有五組內部時差的計畫，計畫一是只在週期長度最小時運作，計畫二是當週期長度在中等週期長度與中等週期長度加十秒的範圍內運作。而其餘三個計畫都是藉著車流來選擇其時差計畫。（4）連鎖時差最佳化方面，是指在子系統之間的時差，相對於內部時差可稱為外部抵銷，同樣地各個子系統預設有五組外部時差計畫，而外部時差是以一個指定的路口為基準，來對此路口的相鄰子系統衡量連鎖的必要性，在每一個週期計算連鎖的利益然後與連鎖的標準比較來決定是否執行連鎖或是中斷連鎖。不過由於 SCATS 僅利用上一週期的飽和程度來選擇一組週期與號誌分時，並未真正去對交通量做出預測，也就無法處理一些緊急車輛的情況，另外，由於偵測器是擺設在距離停止線上游不遠的地方，因此也就無法去掌握即時的車隊長度，然而最重要的是要應該如何去訂定適當的號誌分時計畫、時差計畫與週期長度。 3. 有循環週期之適應式號誌控制策略的限制： (1) 控制決策受到週期循環的限制。 (2) 由於缺乏可靠的需求預測方法，系統僅能夠採取回應式的控制，而不是採取預設式的控制。 2.2.2 獨立路口無循環週期之適應式控制策略在適應式控制策略中，為了能夠快速且即時的反應交通需求，因此控制觀念不再像是傳統的控制策略去考慮最佳的週期長度，號誌分時等等，而專注在如何能夠在非常短的時間需求變化下，找出最佳的控制序列。而在獨立路口之適應式控制策略裡，可分為二元選擇法與序列搜尋法，以下將分別討論之。. 11.

(23) 1. 二元選擇法（Binary Choice）在此種控制法下，首先將時間分為數個時間很短的時階，通常為幾秒一個時階，在每個時階僅考量是否要繼續開放綠燈，或是關掉綠燈轉換成紅燈，因此稱為二元選擇法。以下對二元選擇法中的 Miller 演算法、TOL 與 MOVA 法討論之。 (1) 米勒演算法[18] 將現有的號誌時制計畫改成以每兩秒一個時階來計算，每個時階都透過一個最佳化函數來評估淨利。在每個時階裡，藉著計算最佳化的淨利，來考慮是否立即關掉綠燈。當淨利是正值，即繼續延長另一個時階，然後再重新計算其淨利。 I.. 需求預測模式：利用上游的偵測器來提供未來十秒的抵達資訊。其中飽和流率與損失時間可以經由衡量校準得知，然而其他的數值例如，第 i 個時階預期抵達車輛數（ Δ i ）與綠燈、紅燈時相預測的平均進入流量（ QG 與 QR ），則必須透過預測才能得到，其預測法則則透過以下描述之： A.. 第 i 個時階 Δ i 的值是透過一連串的偵測器來預測一段 10 秒長的抵達車輛數。. B.. 預測過程在一段給定的最小綠燈後才開始。. C.. 當偵測器被佔用時， Δ i 就假設跟飽和流率相等。. D.. 平均進入流量（ QG 與 QR ）的值，可透過使用前一週期的數值預測或是利用指數分配預測。. II.. 系統最佳化模式：最佳化的控制法會以每兩秒當成一個時階來計算一次，對於每一個控制決策，會被用來作為改變號誌狀態或是延長現有的控制狀態從兩秒、四秒、六秒、八秒到十秒等等。. Δ SG T = Δ - QG （A + R + L） -h（N + QG 1− SG 1−. （2.1）. 12. ki. ∑Q i. R. ）.

(24) 其中： h. ：2 秒. ki. ：使 ∑ QR −. ki i. ki. ∑S. 2+ L. R. ≤ 0 成立的最小整數. h. QG. ：在綠燈時相時的未來平均流量（veh/2s）. QR SG. ：在紅燈時相時的未來平均流量（veh/2s）：在綠燈時相的飽和流量（veh/2s）. SR. ：在紅燈時相的飽和流量（veh/2s）. A. ：黃燈時相長度. R L N. ：紅燈時相長度：紅燈時相尾端的起動延誤：紅燈時相的停等車隊數. Δ. = Max （ Δ 1 ,. Δ + ....... + Δ 5 Δ1 + Δ 2 ,......., 1 ） 2 5. （2.2）其中： Δ 1 ,..., Δ 5 是指在未來 5 個時階裡面，預期通過停止線的車輛數. 當 T < 0 ，衡量是否立即改變號誌狀態，或是延長 h,2h,...,5h 的時間會有較少的延誤。此測試結果顯示 MI 跟預設時制號誌相比較之下，在一個中度擁擠的情況下，能夠節省每輛車 15%的旅行時間，然而當交通量很小時，從偵測器到停止線的旅行時間則會相當極端。此外，由於 MI 並沒有將停等的車隊和最終的綠燈延長時間加進去考慮，下一個紅燈的延長時間並不合理。 (2) TOL 邏輯法（Traffic optimization logic）[3] 由於之前 MI 並未對下一個紅燈延長時間加以考慮，因此在 TOL 就特別針對此問題加以改善。以下就系統最佳化與交通估計模式敘述之。 I.. 系統最佳化模式：經由最佳控制決策，藉著績效函數計算淨利，來決定是否延長另一個 h 秒，或者是立即關掉綠燈時相。 FA = f1 R A K A + f 2 K A − f1 hN B − f 2 M B. 13. （2.3）.

(25) 其中： F A ：將時相 A 延長 h 秒的淨利 f 1 ：每秒的延誤成本 R A ：當時相 A 的綠燈關閉時，時相 A 下一個紅燈持續的時間 K A ：當時相 A 的綠燈延長 h 秒時，在時相 A 可以通過路口的額外車輛 f 2 ：當車輛由完全停止到車輛的起動成本 N B ：當時相 A 的綠燈延長 h 秒時，在時相 B 遭受延誤的車輛數 M B ：當時相 A 的綠燈延長 h 秒時，在時相 B 被強制停止的車輛數，如果 F A 為負值時，就立即關掉時相 A 的綠燈，轉變為紅燈 II.. 交通預測模式：在最佳化的過程中，有幾個因素需要估計，例如： R A 、K A 、N B 和 M B 。時相 A 的下一個紅燈持續時間是以時相 B 的綠燈持續時間必須能夠將其停等車隊完全消散。 R A =Y A + Y B +. N B (0 ) + YB QB SB. 1 Q 1− B SB. （2.4）其中： Y A ：時相 A 號誌轉換的時間間隔 Y B ：時相 B 號誌轉換的時間間隔 N B (0 ) ：在時相 B 的一條道路的停等車隊長度 QB SB. ：時相 B 的平均車流量：時相 B 的道路飽和流率. N B (0 ) 與 Q B 由偵測器提供的資訊來決定，而 K A 則基於偵測的. 抵達車輛數來預測，必須注意的是每個方向的抵達車輛是假設以通過一段長度（L A ）的均勻分配，以相同的速度（V A ）行駛。 KA =. N A (0 )hV A LA. （2.5）其中：. N A (0 ) ：在時相 A 一個方向裡行駛過一段距離 L A 的車輛數. 14.

(26) VA LA. ：時相 A 的平均車輛速率：一長串連續偵測器的長度. N B 和 M B 則透過以下模式來估計： N B = [N B (0) + YB QB ]. 1 Q 1− B SB. （2.6） M B = hQB. （2.7） TOL 經由測試結果顯示在中度擁擠的情況下，相對於觸動式控制策略能夠減少 25%的車輛延誤。 (3) MOVA 控制系統[27] MOVA 為 Microprocessor Optimized Vehicle Actuation 的簡稱，係針對單一路口最佳時制計畫的控制策略，其中有幾項特點：1.針對過飽和的控制加以研究與執行；2.將目標式改成最大化道路路口容量；3.為了使號誌正確轉換，採用將綠燈提早結束的控制；4.當交通狀況低於飽和流率時，抑制增加綠燈時間的趨勢，這些控制函數透過利用每個方向兩個偵測器的資訊來執行。以下則分別以系統最佳化模式與需求估計模式來討論。 I.. 系統最佳化模式：MOVA 的最佳化控制概念來自將觸動式與適應式號誌控制的內容結合。其最佳化程序包含了幾項重要的特點，像是最短綠燈的設計、最佳化的邏輯、最長綠燈的標準和對過飽和情況的回應策略都包含在最佳化程序裡面。 A.. 最短綠燈的設計是為了確保車輛駕駛者與行人的安全，並且可以能夠使第一個偵測器到停止線所停等的車隊完全消散的綠燈時間。. B.. 系統最佳化模式是當飽和車流結束後，以每 1 秒重複地觀察相關的連結道路，來衡量績效。. C.. 最長綠燈是為了當車流量很大時，提供一最長的綠燈限制，以確保週期時間有上限。. 15.

(27) D.. II.. 在過飽和情況下，MOVA 藉著持續地提供綠燈，以採取容量最大的控制，即使車流消散率比飽和流率小。. 需求預測模式：交通模式是藉著每個方向兩個偵測器來預測，一個在距離停止線上游 40 公尺處，一個在距離停止線上游 100 公尺處，來各自提供大約 3.5 秒與 8 秒的車輛漫游時間，車輛位置的預測與車輛的移動都是在假設自由車流與非車隊的狀況下來估計，車輛的漫游速率是以每 0.5 秒對應一個 box 來前進（如圖 2.2 所示）。. 40m detector. 100m detector. Estimated Vehicle counted position leaving loop. Estimate Vehicle on position loop Vehicle assume to travel at Loop cruise speed since being unoccupied counted leaving upstream detector. 1. 1. 1. 1. Cruise speed = 1box per 1/2 sec. 圖 2.2 MOVA 車流預測示意圖資料來源：[27] 經由測試結果表示 MOVA 在大多數中度擁擠或是高度擁擠的情況下，可以減低 20%到 30%的車輛延誤。然而雖然藉由兩個偵測器的擺設改善了適應式號誌控制策略的缺點，但是對於低度擁擠、交通量很少時，適應式號誌可能比觸動式更差的缺點還是沒有改善。 (4) 二元選擇法的限制 I.. 系統對於最佳化時制計畫，僅考量一段非常短的時間間隔，因此不能確保能夠達到全域最佳解。. II.. 以同樣的抵達假設來估計即時的需求。. III. 當低度擁擠、交通量很少時，適應式號誌的績效比觸動式號誌還差。 IV. 當車輛抵達或車隊回堵到偵測器時，就不能夠以需求預測模式來估. 16.

(28) 計和結合。 V.. 除了 MOVA 以外，其餘的兩種控制方法當在一個高度擁擠的狀況下都不能夠以過飽和最佳化方式來回應。. VI. 對於一條連續幾個路口的道路或是路網來說，很難以二元選擇法的概念去實行。. 2. 序列搜尋法（Sequencing approach） (1) OPAC[8] OPAC 為 Optimization Policies for Adaptive Control 的簡稱，係一種對個別的交通號誌，使其績效最佳化的一種線上的控制法，而績效最佳化可以是使總延誤最少、停等數最小等等，且僅受到最長綠燈及最短綠燈的限制，其模式主要包括兩部分。 I.. 需求預測模式：利用頭部所得到的抵達資訊，來預測後面尾部的抵達資訊，因此即可以得到整個控制時段的抵達資訊。. II.. 系統最佳化模式：將整個控制時段以每 k 個時階分成一個時段，一時階通常為數秒構成，而這個時段就可以稱為一控制時程（Horizon），由於最佳化是以整個控制時段來看，將可以實際從偵測器得到的車輛抵達資訊定為控制時段的頭部（head），其餘 k-r 的部分定為控制時段的尾部（tail），而尾部的抵達資訊就以一個模式來估計。一個最佳化的決策會以整個控制時段來計算，然而僅有當決策產生在頭部時，才會被執行（如圖 2.3）。主要操作步驟如下：步驟 1：決定整個控制時段長度 k，和頭部 r。步驟 2：收集頭部 r 的交通資料，和估計 k-r 的交通資料。步驟 3：對整個控制時段，利用限制化搜尋法找出可能的轉換點，以決定最佳的轉換策略。步驟 4：僅執行頭部的最佳策略。. 17.

(29) 步驟 5：將控制時程向前移 r 個時階，且重複步驟 2-5。. Horizon k head. tail. Stage 1. r. 0 roll period. k Stage 2. r. 2r. k+r. 圖 2.3 滾動時程策略示意圖資料來源：[8] 因為控制時程中有些決策點，會超出限制式所定的範圍，因此限制化搜尋法即利用此種特點，僅找出可能的決策點來執行最佳化，而限制式則以最小綠燈跟最大綠燈作為依據。 (2) OPAC 的限制： I. OPAC 在最佳化過程之中，需要用到未來的資訊，因此為了要得到整個控制時程的抵達資訊，在實際上是非常困難的。 II. 限制化搜尋法雖然大幅的減低了運算的複雜性，然而這樣卻不能保證可以達到全域最佳解。 2.2.3 路網之適應式控制策略本章節主要以幾個在路網適應式控制策略較有代表性的系統作為依據。由於路網的適應式控制策略較單一獨立路口的控制策略來的複雜的多，因此大多引進了一些不同的控制技術，以下就針對 PRODYN 與 UTOPIA 討論之。 1.. PRODYN[9]. PRODYN 主要是為了在大規模的路網最佳化控制藉著結合水平滾動搜尋策略，找到非循環的設置。. 18.

(30) I.. 需求預測模式：對於每個路段，利用上游車輛的衡量來預測下 16 個時階到達停止線的車輛，且透過偵測器擺設在離停止線上游 50 公尺處，可估計車隊長度，而車隊長度則是以垂直車隊模式來看。另外，每個路段的交通車流則是以模式化成間斷的狀態方程式。因此車隊狀態則為垂直車隊長度、抵達車輛數和離去容量組成。. II.. 系統最佳化模式：由於每個路段是利用上游車輛衡量來預測下 16 個時階，因此每個交叉路口都是以整個控制時段來最佳化，然而只有第一個時階會被用來做控制決策。最佳化的標準是最小化整個控制時段的總延誤和估計當此控制時段結束，某個狀態下的延誤。 A.. 交叉路口層級：在最大綠燈及最小綠燈長度的限制，透過使用動態規劃使延誤最小化。. B.. 路網層級：路網的連鎖最佳化是由另一分離的架構來控制，主要分成三個步驟，首先當路口的控制器完成整個控制時段的最佳化時，將此最佳控制時段的每個時階，模擬其路口的車輛離去資訊，其次將模擬所得的車輛離去資訊送到每個下游的路口控制器，最後在下個時階，利用此資訊達到比較佳的車輛抵達預測。. 為了減低運算的複雜性，PRODYN 使用了線上模擬技術來提供了兩種層級的因素以便藉著單獨的計算局部最佳化的問題，來達到路網的適應控制。然而抵達的假設還是顯著的影響需求預測的結果。. 2. UTOPIA[16] UTOPIA 主要是透過大規模的分離層級的適應式控制系統來控制私人車輛與大眾運輸的運行。 I.. 需求預測模式：需求預測分為局部微觀與區域巨觀模式，局部觀測主要以每個進入的路段每 3 秒一個時階做路口需求估計。而區域觀測則主要為了要估計整個控制區域內的交通狀況，利用一個用來計數交通量的時間間斷模式，可以表現出每 3 分鍾的間隔資料。因此，即時的衡量是用來作為對於整個路網交通狀況的估計。. II.. 系統最佳化模式：最佳化過程分為路口層級與路網層級，並且各自由其系統的控制器操作。. 19.

(31) A.. 局部控制器：路口層級的最佳化可以是單一路口或是定義的一塊小區域。控制時段的長度為 120 秒，而以每 3 秒為一個時階，每個控制決策的計算每 6 秒重複一次，控制決策只有在控制時段最初的 6 秒才會被執行。一個路口控制器都能夠利用一個函數來對其鄰近的路口狀態加以考慮，並且透過區域層級控制給定的限制式來最佳化。. B.. 路網控制器：路網的最佳化主要是根據每單位的平均速率與飽和流量來操作，而私人車輛的總旅行時間則被用來表現出路網的變動性，而以每 30 分鐘為一個控制時段來最佳化。路網的最佳化控制是用來產生路口層級的資訊和命令。. 然而，從偵測器到路口的平均旅行時間的假設會直接影響到系統的預測和最佳化的績效。 2.2.4 小結就以上相關文獻，都有一共同特點，就是其抵達的假設對整個模式而言，影響相當的大，對於有循環週期的適應式號誌控制而言（如表 2.2-2 所示），由於是根據當時的交通狀況，採用不同的控制週期，因此無牽涉到抵達的假設問題，然而這種系統就比較偏向於被動式的控制，而在二元選擇法方面，由於只考量未來的一段短時段，即使得知在未來車流很大或是有緊急車輛時，還是只會去計算下一個時階，所以當要以此概念去做一長串時間的最佳化或是路網最佳化時，都很困難；除此之外，其抵達的假設都是固定的，然而車輛的抵達應該隨著時間變化，而在序列法中的水平滾動搜尋法，則可以就抵達率的不同，而改變其抵達的狀況，且序列法由於可以針對未來一段可能產生的事件進行準備，因此較不會有短視的情形產生，至於路網控制裡面，整個路口架構還是以水平滾動搜尋為主，不同的是加進了兩個層級的技術，透過兩個層級的技術，可以分別就路口與路網作最佳化，能有效降低路網運算的程序。. 20.

(32) 表 2.2 控制策略比較表控制策略. 系統或模式. 獨立路口有週期之適應性控制策略. SCATS. 特性. 比較. 根據流量情形選擇一組邏輯簡單、彈性預設時制計畫低. SCOOT 獨立路口無週期之適應 Miller 演算法控制時段短，根據績效邏輯簡單，彈性考量此一短時段是否需中等，但可能會性控制策略 TOL 要轉換路權導致短視情形 MOVA. 路網適應性控制策略. OPAC. 控制時段較長，需預測彈性高，但預測未來資訊，就整個控制未來資訊不易。時段選擇最佳的號誌轉換點. PRODYN. 路口採用 OPAC 策略，預測資訊不易，並加入兩個層級的技術邏輯較難。控制整個路網. UTOPIA. 資料來源：本研究整理. 2.3 公車優先準點方式關於公車優先準點的方法主要可分為 1）綠燈延長、紅燈切除與紅燈中斷策略；2）補償策略與時相忽略；3）權重設計等方法，以下分別敘述之。 2.3.1 綠燈延長、紅燈切除與紅燈中斷綠燈延長（Green Extension）、紅燈切除（Red Truncation）與紅燈中斷（Red Interrupting）為一般較常採用的公車優先策略（如圖 2.4 以有效綠燈、有效紅燈表示），若公車於紅燈時相抵達，則可執行上面三種策略之一，綠燈延長為將公車方向的綠燈延長，以利公車通行；紅燈切除則是將公車方向的紅燈縮短，提早關閉衝突時相的綠燈，使公車通行；紅燈中斷則是於公車方向的紅燈中，插入一段綠燈時間使公車通行。此三種策略中，紅燈中斷策略常被忽略，主要是由於週期太短了，若在插入一段額外綠燈時段，其對於每個方向大約會增加 3 秒的黃燈時間，且由於號誌變換，易導致事故發生，所以紅燈中斷通常不予採用。採用此公車優先策略，通常能使路線上公車與小型車延誤降低 10%至 15%左右，然而對於其衝突路權的小型車則會有小幅的延誤增加。. 21.

(33) 圖 2.4 優先號誌策略圖資料來源： [25] Seward 和 Taube[22]探討如何模化公車觸動號誌優先化的影響，本模式是以綠燈延長為基礎，而公車與其他車輛是以隨機的方式抵達。由於紅燈切除與紅燈介入較不具有效率，因此本模式採用綠燈延長的方式，另外由於本模式考量了行人與必須充分使橫向道路的車輛能淨空的限制。研究結果顯示出路口若能夠配載兩個偵測器，則綠燈延長的方案就不需要全區域的電腦控制系統，另外就利本比而言，利本比約是 20 比 1，最後公車觸動優先化系統能夠增加一個路口的經濟效益。 Wattleworth、Courage 和 Wallace[11]則研究利用三種公車的優先策略組合，來評估公車的優先策略，三種優先策略為公車專用道、號誌優先策略與公車優先號誌系統。公車優先策略對於公車操作的影響，除了能夠成功的降低旅行時間與延誤外，任選其中兩種優先策略，能夠改善排班的延誤，而三種優先策略都考量的情況下，則與兩種優先策略改善的程度一樣。公車優先策略對於交通流動的影響，雖然也許會有一部分的反面效果，但根據以往的研究顯示出公車優先策略確實能夠帶來改善，也許是因為幹道有較重要的考量。研究結果顯示出優先策略確實能夠吸引小客車駕駛轉而搭乘大眾運輸，然而需要注意的是費率與路線必須小心建立，以使利潤能夠抵銷現實部分的操作成本。公車優先系統並不會使交通號誌有負面的影響。. 22.

(34) Radwan 和 Hurley[1]透過巨觀模式來探討公車號誌優先對於延誤的影響，模式部分採用 Webster 的延誤方程式，而號誌優先策略分為四種，主要街道綠燈延長、橫向街道綠燈延長、主要街道紅燈切除與橫向街道紅燈切除，並根據紅燈的限制訂出多種方案來，再根據這些方案找出六種時間間隔來，然後依據 Poisson 分配來決定在這六種間隔中，沒有抵達的機率。結果顯示出在公車優先的情況下，在主要街道能夠減少 5%的小客車延誤，50%的公車延誤，而在橫向道路上小客車延誤會增加 23%的延誤，而公車會減少 8%的延誤。 Rouphail[20]利用 TRANSYT-7F 模式，分別評估數種公車優先策略，其中對於車輛和乘客的延誤計算方面，分別利用各種車輛的比例乘以各種車輛的乘載率累加之後，求得該路段的佔用率，在用此佔用率求得該路段的延誤。而各路段的速率則以各路段每小時的總車-哩除以每小時的總車-小時求得。結果顯示出在混合車流下，在實行公車號誌優先時，速率由 1.146mph 增加到 1.152mph，而在有專用到的情形下，速率由 4.82mph 增加到 6.397mph。 Sunkari、Beasley、Urbanik Ⅱ和 Fambro[24]利用權重的方式來比較優先號誌與非優先號誌的優劣，其中優先號誌採用的方式為綠燈延長與紅燈切除的方法，並利用 1985 年 HCM 的延誤方程式，結果顯示出模式會高估延誤 41%，而這差異可能是由於 HCM 的延誤方程式在高 V/C 值之下會高估延誤值，另一可能的原因觀察的延誤值在左轉時相會較預測的延誤來得高，而這是由於左轉時相有保護允許的操作，而模式裡並未考量到，因此會有高估的情形。 Alan 和 Khasnabis[4]採用了綠燈延長、紅燈切除與紅燈中斷三種優先的邏輯，而在其方法論方面，採用了兩種方式，第一種為利用平均抵達率、平均服務率與同時產生的抵達-服務，然後利用經由優先所得結果而修正的號誌時制計畫疊合在時率圖（抵達-服務率圖）上面來看其結果如何；第二種方法為利用微觀的模擬，其中服務率與抵達率是經由連續三個週期的車輛資料迴歸而得的，然後在依照修正後的號誌時制計畫（每連續三個週期修改一次）來看其結果。以上兩種方法的黃燈皆被考量成綠燈的一部分，然而由於在紅燈中斷部分，每次插入 10 秒的時段，並不是整段都當作綠燈，其中還包括了一部分的黃燈，而之所以特別考量紅燈中斷的部分是因為綠燈延長或紅燈切除都是綠燈或紅燈的延續，因此不須特別考量黃燈的部分，所以本篇作者在紅燈中斷的部分，多了一項時間調整的因素（0.65，表 10 秒的時間中，綠燈為 6.5 秒、黃燈 3.5 秒）。實驗結果顯示在大多數的情況下，優先策略均對於交通有助益，惟在低流量部分，方法一有可能導致負面的情況產生，就總體而言，方法一較適合於高流量的狀態，而方法二在中低流量部分比較有效益。 Khasnabis、Karnati 和 Rudraraju[25]採用了綠燈延長與紅燈切除兩種邏輯和不. 23.

(35) 補償的政策，然後採用 NETSIM 來作為模擬的模式，並採用了動畫模擬來追蹤公車在非優先與優先策略下的移動。在結果方面，由於優先與非優先策略的流量不一，因此根據兩者的流量，來校估優先策略的延誤值。在路線層級方面，主要方向延誤的減少與次要方向延誤的增加都是被預期的，而公車的旅行時間由 568 秒（非公車優先）降低到 501 秒（公車優先）；在路口層級方面，由 7 個路口與 10 個方案組合的矩陣，在全部 70 種方案下，大多數的方案延誤減少了約 0.04%到 10.3%，然而要注意的是在少數方案延誤增加了從 0.1%到 24.9%；在公車路線層級下，公車的旅行時間減少了 0.3%到 13.5%。雖然對於支線的車輛會有延誤增加的情況，然而主線所減少的車輛與公車所減少的旅行時間所得的利潤均較支線增加的成本為多。 Koch、Chin 和 Smith[15]在探討優先策略對於輕軌捷運（LRT）的影響，其中將策略分為三種，第一種為不採取優先策略，類似於原先的定時號誌時制計畫，第二種為採取綠燈延長或紅燈切除的方式，而第三種為利用即時的績效評量來決定控制策略的方式。結果顯示出在第二種策略下，LRT 減少了大部分的延誤，然而在非 LRT 的部分，第一種策略與第三種策略分別增加了 10%跟 17 %的延誤，就整體而言，第二種策略較第一種策略減少了 2%的延誤，而較第三種策略增加了 6%的延誤。 Ivanovic、Halterman、Yedlin 和 Childs[19]對於 LRT 優先的研究中將號誌優先化分成三種策略，簡單策略為當電車到達停止線時，是否要延長綠燈時相或是立即切換路權。複雜策略則包括在最大綠燈與最小綠燈限制下修改時制計畫以允許電車繼續前進，如電車在紅燈時相抵達，策略會讓橫向道路的車輛通過路口在切換路權給電車，若再綠燈時抵達，但是不能通過路口則會依橫向道路的車隊來決定是否延長或終止。綜合策略則是包含了以上兩種策略。模擬出來的結果，對整個路網而言，速度在早上尖峰與晚上尖峰增加了 21%與 4%，延誤減少了 29%與 8%。對於 LRT 而言，速度增加了 13%與 3%，延誤減少了 31%與 9%。 Khasnabis 和 Rudraraju[23]的研究中透過延長綠燈、紅燈切除和紅燈中斷來執行模擬過程，並採用 NETSIM 來模擬，執行過程中假如公車正好在綠燈時相抵達時，就不執行任何動作；若在紅燈時相抵達時，號誌時制計畫將會改變，增加一段不大於 10 秒的額外綠燈時段，以讓公車能夠順利通過路口，然而增加綠燈時段的方法只可能是延長綠燈或是切除紅燈，而不採用中斷紅燈，原因是在 70 秒週期實在是太短了，若採用中斷紅燈的方法，則勢必會對每個方向增加大概 5 秒的黃燈時間，所以中斷紅燈的方法就不予採用。當公車抵達路口時，會考量此公車是否需要及有資格被優先，當兩項都成立則給予優先。結果顯示公車在 7.5 分鐘、 10 分鐘和 15 分鐘的班距下，在東西向主要道路的延誤都降低，而在南北向次要道路則有增加。對於路口而言，延誤降低了 0.2%到 15.5%。對於整個路線而言，. 24.

(36) 主要道路減少的延誤都較次要道路增加的延誤來的多。在公車班距的比較下，在 10 分鐘的班距下，主要道路的延誤降低最多，但若整個考量的話，則以 7.5 分鐘班距為最佳。顏贊峰[31]以台北市棋盤式公車為對象，針對公車優先號誌之設置進行研究，選擇無設站之交叉路口，利用主動式優先控制方法之延長綠燈時相時間、插入綠燈時相以及縮短紅燈時相時間三種方法，並以 C 語言程式進行模擬評估，分析實施公車優先號誌之績效。經由模擬之結果，幹道方向綠燈時間延長越長，公車停等次數以及行駛時間皆能減少越多。在綠燈延長 30 秒鐘時，已能減少 80% 以上的等候車輛以及 90%以上的等候時間。而考慮整個路口的總效益而言，由於幹道方向交通量大，所能獲得的利益較大，因此可提高整個路口的效益。李紹榆[32]探討智慧型全觸動號誌控制系統功能與需求設備，配置公車優先通行控制參數，並選用（1）延長綠燈時間、（2）切斷紅燈時間、（3）插入綠燈時間等主動式公車優先通行策略，構建「具公車專用道且近端設站」及「不具公車專用道且近端未設站」之公車優先通行控制模式。使系統能動態推估車流運行資訊，在合乎控制策略設定及即時運算下，籍由糊糊控制理論，有效地處理公車優先通行控制問題；並提供一系統執行函數，使系統亦能依據的交通狀況，處理四面競爭公車，進行公車優先通行控制。同時，為進行系統評估選用微觀模擬軟體 CORSIM 來提供各種即時資料，並藉由程式語言Ｃ+ + 撰寫控制系統之電腦模擬評估程式，配合所構建之公車優先通行控制模式及控制系統的運作，評估比較各種流量特性組合下的執行成效。經由模擬之結果，智慧型全觸動號誌公車優先通行模式在各種流量狀況下，比不執行公車優先控制之成效佳，平均改善 7.3%~ 11.3%的總乘客延滯，特別是在中高流量的交通狀況，其控制績效皆優於 CORSIM 的全觸動控制。陳文粹[33]在配合公車專用道的近端設站的條件下，藉由公車優先號誌時制求解模式的構建，分析在台北市公車經營環境下，適合實施公車優先號誌的交通條件，分析項目包括公車本身的流量、其它車流流量、兩方向的公車流量差、公車專用道的使用型式（或公車離站方向）等。藉由以上相關變數敏感度分析得知影響公車優先號誌的決定關鍵在公車的流量，本研究所發展的求解模式可以做為綠燈擴張優先方式的求算，並且能依據不同方向離站公車數量、離站時點進行最佳化的求解，對於發展公車優先號誌提供一具有實質意義的方法. 吳育婷[34]以延長綠燈及中斷紅燈兩種方式建立公車優先號誌控制邏輯，再將控制邏輯寫入含有公車及小汽車的微觀車流模擬模式 MISSBUS（Microscope Simulations System for Bus）中加以模擬評估。在控制邏輯方面，本研究在優先層級上分為絕對優先與條件優先兩種，而這兩種優先層級都各有兩種控制策略，故. 25.