基于“快出慢進(jìn)”的城區(qū)出入干道的信號(hào)協(xié)調(diào)控制

陳金山,陸立崢,崔金垚,戴劍敏,郭建鋼

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 ,福建福州350002)

基于“快出慢進(jìn)”的城區(qū)出入干道的信號(hào)協(xié)調(diào)控制

陳金山1,陸立崢2,崔金垚1,戴劍敏1,郭建鋼1

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 ,福建福州350002)

通過采取“快出慢進(jìn)”交通協(xié)調(diào)控制優(yōu)化策略 ,主線車流早、晚高峰時(shí)段的總停車次數(shù)比現(xiàn)有的單點(diǎn)信號(hào)控制方案分別下降了40%和47%；主線車流由西往東方向的早、晚高峰時(shí)段的平均行程車速比現(xiàn)有的單點(diǎn)信號(hào)控制方案分別提高了52%和76% ,由東往西方向的早、晚高峰時(shí)段的平均行程車速比現(xiàn)有的單點(diǎn)信號(hào)控制方案分別提高了105%和163%.表明“快出慢進(jìn)”的交通管理策略能滿足交通管理需求 ,提高主線車流的運(yùn)行效率.

快出慢進(jìn)；信號(hào)協(xié)調(diào)控制；城區(qū)；出入干道；綠波帶寬度；總停車次數(shù)；平均行程車速

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展 ,中心城區(qū)與外圍新區(qū)聯(lián)系日益密切 ,中心城區(qū)出入干道在城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展活動(dòng)中的地位日益突顯.由于實(shí)行無差異化的交通管理策略 ,進(jìn)出交通快速地抵近中心城區(qū)各主要出入口 ,導(dǎo)致其與外圍快速通道相銜接的中心城區(qū)出入干道交通問題頻發(fā) ,高峰時(shí)段出入干道的重要點(diǎn)段已呈常態(tài)化的交通擁堵.目前 ,通過交通渠化和單點(diǎn)信號(hào)優(yōu)化控制來緩解和消除該類交通擁堵是最為普遍的處理方法[1－4],但該方法未能從系統(tǒng)的角度精細(xì)化地分析出入干道的交通特性 ,適應(yīng)性、可持續(xù)性較差.

近年來 ,干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制的研究已較成熟.郭建鋼等[5 ,6]在現(xiàn)有道路交通設(shè)施條件下 ,實(shí)現(xiàn)干道上信號(hào)協(xié)調(diào)控制 ,有效地提高了主干道的通行能力；陳必太等[7]研究了橋梁兩端交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制 ,在保證橋梁交通正常通行的情況下有效地降低了橋面車輛的排隊(duì)長度；鄧明君等[8]研究了組合放行方式下干路交叉口協(xié)調(diào)控制優(yōu)化 ,成功優(yōu)化了信號(hào)協(xié)調(diào)控制參數(shù)(放行方式、各交叉口綠波起始、雙向綠波帶寬等).然而干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法與出入干道交通特性相結(jié)合的應(yīng)用例子還比較少.本文以福建省泉州市中心城區(qū)豐澤街上的3個(gè)重要節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象 ,基于節(jié)點(diǎn)的高峰小時(shí)交通流量 ,應(yīng)用Synchro和Vissim仿真軟件 ,采用“快出慢進(jìn)”的交通管理策略優(yōu)化城區(qū)出入干道的信號(hào)協(xié)調(diào)控制.

1 仿真算法

Synchro軟件是一套完整的城市道路信號(hào)配時(shí)分析和優(yōu)化仿真軟件 ,能有效仿真道路通行能力和信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)[9－10].軟件通過周期時(shí)長、綠信比等參數(shù)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)信號(hào)控制配時(shí)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)(式(1)、式(2))；該軟件基于最優(yōu)單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)方案 ,通過對(duì)信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中不同周期時(shí)長的關(guān)鍵交通效益指標(biāo)的比較 ,選取最優(yōu)交通效益指標(biāo)(即干道平均行程速度和總停車次數(shù))對(duì)應(yīng)的周期時(shí)長作為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的最佳周期時(shí)長(式(3)、式(4)).選取協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)綠波帶寬度作為最佳指標(biāo)時(shí) ,行程延誤所對(duì)應(yīng)的相位差也就是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的最佳相位差[11],結(jié)果見式(5).

周期的計(jì)算方法為:

式中 ,C為周期長/s；L為總損失時(shí)間/s；CS為關(guān)鍵總交通量/(veh?h－1)；RS為參考總流率/ (輛?h－1).

選取最佳周期的方法為:

式中 ,Yi為交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)；Y為最佳周期時(shí)的目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)；CY為選取的目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)值對(duì)應(yīng)的周期長；C為系統(tǒng)的最優(yōu)化周期長/s.

路段平均行程速度的計(jì)算方法:

式中 ,ν為干道平均行程速度/(km?h－1)；n為統(tǒng)計(jì)行程時(shí)間的次數(shù)；L為研究對(duì)象路段長度/km；ti為第i輛車通過路段的行程時(shí)間/h.

干道交叉口控制延誤的計(jì)算方法:

式中 ,d為交叉口控制延誤/(s?veh－1)；PF為信號(hào)協(xié)調(diào)控制修正系數(shù)；X為車道組的飽和度 ,C為信號(hào)周期時(shí)長 ,S為車道組的通行能力/(s?輛－1) ,g為車道組有效綠燈時(shí)間/s ,T為持續(xù)分析時(shí)間/h ,I為按上游信號(hào)燈車輛換車道和調(diào)節(jié)的增量延誤修正系數(shù) ,d3為增量延誤/s.

相位差的計(jì)算方法為:

式中 ,θij為相鄰交叉口直行方向的相位差/s；L為相鄰兩交叉口停止線之間的距離/km；ν為相鄰兩交叉口停止線之間的平均車速/(km?h－1).

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 研究對(duì)象

豐澤街是泉州市中心城區(qū)東西向的交通性主干道之一 ,東與對(duì)外快速通道安吉路銜接 ,其交通運(yùn)行狀況直接影響到周邊路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀態(tài).本文選取田安路交叉口、刺桐路交叉口、祥遠(yuǎn)路交叉口及所在路段 ,進(jìn)行干道協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì) ,路段設(shè)計(jì)車速為40 km?h－1.研究對(duì)象交通幾何結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 研究對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 The geometric structure of research object

2.2 數(shù)據(jù)采集

采用錄像與人工計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法調(diào)查統(tǒng)計(jì)研究對(duì)象各個(gè)交叉口早高峰(7:30－8:30)和晚高峰(17: 30－18:30)的小時(shí)交通量 ,并將其換算為標(biāo)準(zhǔn)小客車后的各個(gè)交叉口高峰小時(shí)流量 ,結(jié)果見表1、2.

表1 早高峰小時(shí)流量流向表Table 1 Traffic flow in morning peak-hour pcu?h－1

表2 晚高峰小時(shí)流量流向表Table 2 Traffic flow in evening peak-hour pcu?h－1

從表1、2可以發(fā)現(xiàn) ,3個(gè)交叉口早、晚高峰時(shí)段東西方向直行交通量明顯大于其他方向的交通量 ,可見東西方向直行車流為研究對(duì)象主線車流；田安路交叉口和刺桐路交叉口由東往西方向(進(jìn)城方向)的交通量明顯大于從西往東方向的交通量 ,然而祥遠(yuǎn)路交叉口由東往西方向的交通量卻不同程度地小于從西往東方向的交通量；同時(shí)刺桐路交叉口東進(jìn)口道直行交通量明顯大于其他進(jìn)口道直行交通量.可見由東往西方向直行車流在刺桐路交叉口出現(xiàn)了因有效綠燈時(shí)間不足而導(dǎo)致的多次停車現(xiàn)象.現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn) ,為了降低刺桐路交叉口東進(jìn)口的飽和度 ,減少了其他進(jìn)口道的有效綠燈時(shí)間 ,這會(huì)導(dǎo)致刺桐路交叉口西進(jìn)口道直行綠燈出現(xiàn)閑置和東西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道通行能力不足.因此 ,根據(jù)路段的幾何結(jié)構(gòu)、交通流特性和高效控制進(jìn)出城交通 ,宜采用“快出慢進(jìn)”的交通管理策略 ,即在保證出城方向交通協(xié)調(diào)控制達(dá)到最佳的條件下 ,最大程度地實(shí)現(xiàn)進(jìn)城方向交通均衡分布、協(xié)調(diào)控制.

2.3 協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)

研究對(duì)象的3個(gè)交叉口均采用定時(shí)式單點(diǎn)信號(hào)控制 ,單一的信號(hào)配時(shí)方案已經(jīng)無法滿足不同時(shí)段交通流的時(shí)變特征.本文根據(jù)實(shí)際的交通流量 ,應(yīng)用Synchro軟件中單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模塊分別對(duì)3個(gè)交叉口的單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) ,結(jié)果見表3.應(yīng)用Synchro軟件協(xié)調(diào)控制優(yōu)化模塊 ,設(shè)定系統(tǒng)最佳周期時(shí)長范圍為60－200 s ,分析間隔時(shí)長為2 s?次－1,得到調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)的最佳周期時(shí)長 ,通過合理優(yōu)化相位差進(jìn)一步調(diào)節(jié)關(guān)鍵相位綠波帶寬度.

表3 各交叉口單點(diǎn)信號(hào)控制的最佳周期時(shí)長Table 3 Optimal cycle length of single intersection signal control at every intersection s

2.3.1 早高峰時(shí)段優(yōu)化設(shè)計(jì) 基于早高峰時(shí)段的交通量 ,設(shè)置東西方向?yàn)殛P(guān)鍵相位 ,優(yōu)先滿足研究對(duì)象由西往東相位綠波的要求.由單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果(表3)可知 ,刺桐路交叉口的最佳周期時(shí)長最大 ,為127 s.因此以該交叉口作為協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)的關(guān)鍵交叉口 ,應(yīng)用Synchro軟件協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算 ,得到如下結(jié)果:設(shè)計(jì)帶速為40 km?h－1,系統(tǒng)共用周期時(shí)長為115 s ,相位差分別為70和27 s.早高峰時(shí)段信號(hào)協(xié)調(diào)控制的時(shí)距圖如圖2所示.

圖2 早高峰和晚高峰信號(hào)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案時(shí)距圖Fig.2 The time distance diagram of signal coordinated control strategy in morning and evening peak-hour

2.3.2 晚高峰時(shí)段優(yōu)化設(shè)計(jì) 基于晚高峰時(shí)段的交通量 ,設(shè)置東西方向?yàn)殛P(guān)鍵相位 ,優(yōu)先滿足研究對(duì)象由西往東的相位綠波要求.由單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果(表3)可知 ,刺桐路交叉口最佳周期時(shí)長最大 ,為113 s.因此以該交叉口作為協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)的關(guān)鍵交叉口 ,應(yīng)用Synchro軟件協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算 ,得到如下結(jié)果:設(shè)計(jì)帶速為40 km?h－1,系統(tǒng)共用周期時(shí)長為120 s ,相位差分別為64和116 s.晚高峰時(shí)段信號(hào)協(xié)調(diào)控制的時(shí)距圖如圖2所示.

3 控制效果分析

基于現(xiàn)狀單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)方案和Synchro軟件得出的不同控制類型的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方案 ,應(yīng)用Vissim軟件對(duì)各方案進(jìn)行模擬仿真.仿真評(píng)價(jià)結(jié)果見表4－6.

表4 研究對(duì)象V/C仿真評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 The V/C simulation evaluation results of research objects

表5 研究對(duì)象總停車次數(shù)仿真評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 The simulation evaluation results of research object total number stops

從表4可以看出 ,優(yōu)化方案的各個(gè)主要交叉口的V/C與現(xiàn)狀方案相比均有一定程度的減少.因此 ,優(yōu)化方案下各相交路口能夠滿足通行要求 ,有效避免了與主線連接路段產(chǎn)生新的擁堵.從不同類型控制方案總停車次數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)可以看出 ,研究對(duì)象采用協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)后 ,早高峰和晚高峰總停車次數(shù)分別為8037和8654次?h－1,比現(xiàn)狀單點(diǎn)信號(hào)控制方案減少了47%和40%.可見 ,通過協(xié)調(diào)控制能有效減少車輛的停車次數(shù).同時(shí)由于采用“快出慢進(jìn)”的交通管理策略 ,早高峰時(shí)段減少的車輛停車次數(shù)效果優(yōu)于晚高峰時(shí)段.

表6 主線方向關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)仿真結(jié)果Table 6 The simulation evaluation results on mainline direction key evaluation indexes

由表6可以看出 ,優(yōu)化協(xié)調(diào)控制后早、晚高峰時(shí)段由西往東方向的綠波帶寬帶明顯優(yōu)于由東往西方向 ,可見 ,實(shí)現(xiàn)出城方向交通流綠波是“快出慢進(jìn)”交通管理策略的基本要求.研究對(duì)象采用協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)后 ,由西往東方向的早、晚高峰時(shí)段的平均行程車速分別為29.12和26.12 km?h－1,比現(xiàn)有的單點(diǎn)信號(hào)控制方案分別提高了52%和76%；由東往西方向的早、晚高峰時(shí)段的平均行程車速分別為26.67和24.23 km?h－1,比現(xiàn)有的單點(diǎn)信號(hào)控制方案分別提高了105%和163%.可見 ,“快出慢進(jìn)”的協(xié)調(diào)控制策略能有效地提高主線方向的交通運(yùn)行效率.

4 小結(jié)

(1)采用協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)后 ,與單點(diǎn)信號(hào)控制系統(tǒng)相比 ,早、晚高峰時(shí)段路段的總停車次數(shù)分別減少了47%和40% ,由東往西方向的早、晚高峰時(shí)段的平均行程車速比現(xiàn)有的單點(diǎn)信號(hào)控制方案分別提高了105%和163%.說明路段采用協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)后 ,有效地減少了車輛的停車次數(shù) ,最大程度上提高了交通流的連續(xù)性.

(2)采用協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)后 ,在滿足由西往東(出城)方向通行效率的基礎(chǔ)上 ,由東往西(進(jìn)城)方向的平均行程速度也得到了較大的改善 ,減少了信號(hào)控制引起的延誤 ,說明信號(hào)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)能有效降低固定延誤.

(3)通過調(diào)整協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的綠波帶寬度 ,采用主線車流“快出慢進(jìn)”的交通管理策略 ,提高了主線車流的運(yùn)行效率.

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Exit and entrance trunk road signal coordinated control of urban region based on fast exit and slow entrance

CHEN Jian-shan1,LU Li-zheng2,CUI Jin-yao1,DAI Jian-min1,GUO Jian-gang1
(1.College of Transportation and Civil Engineering；2.College of Computer and Information Sciences ,Fujian Agriculture and Forestry University ,Fuzhou ,Fujian 350002 ,China)

Compared with the situation single point signal control scheme ,the mainline traffic flow total number of section stops in morning and evening peak-hour reduced by 40%and 47%respectively；the mainline traffic flow average travel speed in morning and evening peak-hour from west to east increased by 52%and 76%respectively ,the mainline traffic flow average travel speed in morn-ing and evening peak-hour from east to west increased by 105%and 163%respectively ,by use of the traffic coordinated control op-timization strategy such as“fast exit and slow entrance”.It suggested that the traffic management strategy could meet the demand of traffic management ,and improve the operation efficiency of mainline traffic flow.

fast exit and slow entrance；signal coordinated control；urban region；exit and entrance trunk road；green wave band-width；total number of stop；average travel speed

U491.51

A

1671-5470(2015)06-0668-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.06.019

2014－12－25

2015－05－12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41201100)；福建省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(6112C1700)；福建省教育廳資助項(xiàng)目(JB13061、JB12082).

陳金山(1977－) ,男 ,講師 ,碩士研究生.研究方向:交通運(yùn)輸規(guī)劃與系統(tǒng)優(yōu)化.通訊作者郭建鋼(1962－) ,男 ,教授 ,博士.研究方向:智能交通.Email:fafugjg＠126.com.