城市干道雙向綠波協(xié)調控制方法

李琦

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

城市干道雙向綠波協(xié)調控制方法

李琦

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

為了進一步提高城市干道雙向綠波協(xié)調控制效果，以大量的實際工程經(jīng)驗為基礎，總結了目前我國大部分城市干道雙向綠波協(xié)調控制存在的主要問題及適用條件，提出了一種適用于不同交叉口群放行方式的雙向綠波協(xié)調控制新方法，并結合某大城市實際工程案例進行了驗證分析。結果表明，采用所提出的新方法后，路段行程時間縮短了47%以上。

智能交通系統(tǒng)工程；交通信號控制；綠波協(xié)調控制；相位差；綠波帶

0　引言

城市干道綠波協(xié)調控制是指通過協(xié)調相鄰信號交叉口的綠燈啟亮時間和信號配時方案，使干道上按規(guī)定車速行駛的車輛，能夠獲得盡可能不停頓的通行權，快速通過兩個或多個交叉口，通常亦可稱為“線控”［1］。城市干道綠波協(xié)調的應用能夠降低干道交通延誤，減少停車次數(shù)，提高道路運行效率，對改善城市交通狀況具有較大的現(xiàn)實意義。綠波協(xié)調控制可分為單向綠波協(xié)調控制和雙向綠波協(xié)調控制兩種，其中前者只能保證一個方向的車流一路綠燈通行，但可能導致另一個方向遇到紅燈的概率提高；后者則綜合考慮了兩個方向的車流行駛，能夠同時提高干道雙向的通行能力。

目前，國內外最為常用的雙向綠波協(xié)調控制算法包括圖解法［2，3］、數(shù)解法［4，5］以及MAXBAND法［6-8］等，均取得了一定的應用效果。其中，圖解法直觀便捷，通過繪制車流運動的時間-距離圖來確定協(xié)調控制系統(tǒng)的公共信號周期與相位差；數(shù)解法通過數(shù)值計算方法確定協(xié)調控制配時參數(shù)；MAXBAND法則通過建立綠波帶寬度的線性規(guī)劃模型，實現(xiàn)信號配時參數(shù)的優(yōu)化求解。但上述算法的應用前提均是協(xié)調方向信號相位采用的是對稱放行的方式，而在實際工況中交叉口放行方式復雜多變，上述算法對于采用非對稱放行方式的干道雙向綠波協(xié)調控制，往往效果不佳。

綜上所述，本文將結合大量實際工程經(jīng)驗，首先總結目前我國大部分城市干道雙向綠波協(xié)調控制存在的主要問題，進而提出城市干道雙向綠波協(xié)調控制的適用條件，然后提出一種在不同交叉口群放行方式下的雙向綠波協(xié)調控制新方法，最后結合某大城市實際工程案例，對協(xié)調前后的優(yōu)化效果進行驗證分析。

1　雙向綠波協(xié)調控制適用條件分析

通過總結多個城市工程的實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)目前雙向綠波協(xié)調主要存在以下幾個方面的問題：

（1）路段間車流速度差異較大，車隊到達較為離散，導致協(xié)調效果不理想。通常情況下，路段越長，車流會越離散。在一定的綠波寬度條件下，由于車流較為離散，只能使車隊中的一部分遇到綠燈，其余車輛仍無法達到一路綠燈，影響協(xié)調效果。

（2）沒有對交叉口進行一定的分組，將周期相差較大的交叉口進行協(xié)調控制，導致協(xié)調效果不理想。進行協(xié)調控制的前提是必須使協(xié)調路口周期調整為一致或者成倍數(shù)，因此不是每個相鄰交叉口都適合進行雙向綠波協(xié)調控制，如果周期相差太大，勉強進行協(xié)調必然會導致某些路口飽和度過高，某些路口綠燈損失嚴重，降低行車效率。

（3）路段上存在較多干擾，影響協(xié)調效果。綠波協(xié)調是按照一定的相位差進行設計的，一旦存在較多不規(guī)律干擾時，將破壞路段車流正常行駛速度，從而影響協(xié)調效果。

（4）道路交通飽和度較高，協(xié)調效果不佳。當?shù)缆方煌柡投容^高時，在上游協(xié)調路口車隊到達下游路口前已經(jīng)積累了大量的排隊車輛，在設置的綠波寬度時間內，通常只夠放行積累的排隊車輛，因此上游協(xié)調的車隊不僅無法遇到綠燈，反而易導致路段排隊過長產(chǎn)生溢出。

綜上，本文提出相鄰交叉口進行雙向綠波協(xié)調需滿足以下條件：

（1）相鄰交叉口距離不能太大，以小于800 m為宜。

（2）各交叉口最佳周期時長大致相等，差別在20%以內，或成整數(shù)倍關系。

（3）沿線兩側無對車流運行干擾嚴重的交通發(fā)生源或吸引源（如大型停車場、商場）以及十分頻繁的人流活動（如主要商業(yè)街道）等。

（4）控制時段無交通堵塞和擁擠狀態(tài)，飽和度一般不超過0.9。

2　雙向綠波協(xié)調控制方法設計

2.1不同交叉口群放行方式下的實現(xiàn)原理

與交叉口的放行方式類似，干道交叉口群的放行方式同樣包括單口放行和對向放行，對向放行又可依據(jù)交通流是否均衡，分為對稱放行和搭接放行，下面分別分析各種放行方式下的實現(xiàn)原理。

2.1.1對稱放行方式

當路口協(xié)調方向交通流較為均衡時，結合非機動車安全等方面考慮，路口放行方式多采用對稱放行方式。以典型的十字路口為例，階段1東西直行，階段2東西左轉，階段3南北直行，階段4南北左轉。通過大量的工程案例分析，本文提出此種情況下公共周期的設置，除了考慮最大周期以外，還應考慮各路口之間的時間差值，公共周期與相對相位差（相鄰路段間的相位差）的關系如圖1所示。

圖1　周期與相位差關系示意圖

式中：C為公共周期；ΔS為相鄰兩路口間間距；v為相鄰兩路口間路段平均速度。

當正反向交通流相似時，v正≈v反，即

式中：t相為相位差。

2.1.2單口放行方式

由于交叉口各進口道流量不均衡等原因，交叉口方式采用單口放行，即各方向左轉直行分別放行，且路口相序可以改變，此時可通過更改路口相序達到雙向協(xié)調最優(yōu)，如圖2所示。

圖2　通過改變相序達到雙向協(xié)調示意圖

圖2中，路口1、路口2原有放行順序為北左直—東左直—南左直—西左直，根據(jù)原有放行順序只能達到北向南單向協(xié)調效果。將路口1原有放行順序調整為北左直—南左直—東左直—西左直后，在周期及相位差不變的情況下，南北雙向均可達到較好的協(xié)調效果。

2.1.3搭接放行方式

部分主干道路口，協(xié)調方向雙向交通流不均衡，且考慮到周期不能過大等原因，通常會采用搭接放行方式，如放行順序為1西左、2西直東直、3東直東左，或者1東西直行、2西直、3西左東左等。此時可以根據(jù)路口實際流量，在不影響路口放行效果的前提下，通過對各路口相位放行方式進行適當微調、優(yōu)化，實現(xiàn)干道雙向協(xié)調效果。

在實際工程中，也經(jīng)常遇到某些主城區(qū)主干道路口信號方案為對稱放行方式，但公共周期遠遠大于路段間相位差2倍的情況，無法通過第一種方法實現(xiàn)雙向綠波協(xié)調。此時可以根據(jù)路口各方向流量情況，在對單個路口放行效果不產(chǎn)生較明顯不良影響的前提下，將原有對稱放行方式更改為搭接放行方式，實現(xiàn)干道雙向綠波協(xié)調效果，如圖3所示。

圖3　搭接放行方式前后雙向協(xié)調效果對比

由圖3可以看出，路口搭接信號放行方案進行微調及將原路口對稱放行改為搭接放行方式后，在周期及相位差不變的情況下，由原來單向協(xié)調到達雙向協(xié)調效果。

2.2基于雙向帶寬最大的相位差優(yōu)化方法

在放行方式、放行順序及公共周期一定的前提下，相位差是影響雙向綠波調節(jié)的最關鍵因素。如前所述，圖解法采用繪制時間-距離圖，按一定比例顯示交叉口之間的距離，可以直觀地將車輛的空間位置表達為關于時間的函數(shù)曲線，工程實施簡單。因此本文提出以其為基礎，以雙向綠波寬度最大為目標，進行相位差的優(yōu)化，具體方法如下：

（1）根據(jù)交叉口間距和綠波帶速，計算正向協(xié)調綠波帶相位差，用圖解法從起點出發(fā)作正向綠波帶。

（2）同理，從反向最后一個交叉口出發(fā)，作反向綠波帶。

（3）通過微調各路口相位差，觀察各路口雙向綠波寬度的變化，直到達到交叉口群雙向綠波帶寬度最大為止。

2.3雙向綠波協(xié)調控制方法流程設計

綜上，本文提出的雙向綠波協(xié)調控制方法具體包括以下步驟：

（1）基礎資料調查。對目標道路路段間距、路段平均行程車速、路段行程時間、路段平均車速、路段限速、各路口現(xiàn)狀信號配時方案以及各階段運行狀態(tài)進行調查。

（2）單點信號方案優(yōu)化。對各路口現(xiàn)狀信號配時方案的周期、相位相序、綠信比等存在的主要問題進行分析，并對各單個路口配時方案進行優(yōu)化。

（3）子區(qū)劃分。按照雙向綠波協(xié)調的適用條件進行檢查，如符合條件，則納入?yún)f(xié)調范圍；如不符合其中某一條件，則將路口剔除到協(xié)調范圍之外。保留下來的路口按照相鄰路口之間的周期及間距進行分組。

（4）公共周期的確定。通常選擇組內最大周期或者地理位置較為重要的路口周期作為公共周期，如果干道各交叉口滿足對稱放行方式時，還應與各路口間相位差值結合進行考慮。公共周期確定后，根據(jù)各路口流量流向進行綠信比的分配。

（5）各路口相位差的確定。根據(jù)干道路段間距、路段車流速度等已調查數(shù)據(jù)，用上述圖解法進行相位差的優(yōu)化，以達到雙向帶寬最寬。通常雙向協(xié)調要兼顧雙向的協(xié)調效果達到最優(yōu)，當某方向車流明顯大于另一方向時，可適當優(yōu)先考慮流量較大方向的協(xié)調效果。

（6）方案實施。將設計好的協(xié)調方案下載到路口信號機當中。

（7）效果微調、相關交通參數(shù)調查。用浮動車法進行實車測試，如果協(xié)調效果不理想，需對相位差進行微調，直到效果達到最優(yōu)為止。

3　實證分析

3.1實驗背景

某大道是位于某大城市主城區(qū)北側的東西向主干道，是連接主城區(qū)與新區(qū)的主要道路之一，現(xiàn)狀信號方案以單點定周期為主，放行方式均采用對稱放行。平峰期車流量較小，車流在各路口時停時開，停車次數(shù)較多，運行效率較低，其中道路基本情況及路段間距見表1。

3.2方案設計

3.2.1雙向綠波協(xié)調路口選擇及分組

根據(jù)表1可以看出，路口1、路口2周期較大，且路口2周圍有交通干擾不適合做雙向綠波協(xié)調，因此將路口1和路口2剔除；路口3～7周期變化在20%以內，且間距在700 m以內，交通干擾少，比較適宜進行雙向綠波協(xié)調控制，因此將路口3～7劃分為一組；同理，將路口8～10分為一組，將路口11剔除。

表1　XX大道各交叉口現(xiàn)狀

3.2.2各路口現(xiàn)狀方案周期優(yōu)化

通過對各路口現(xiàn)狀信號方案的調查，各路口相位相序都較為合理，但部分相位在平峰時段有部分綠燈損失，將各路口信號周期進行優(yōu)化見表2。

表2　各路口進行單獨優(yōu)化后的周期

3.2.3公共周期的確定

由于該大道情況比較符合雙向綠波協(xié)調實現(xiàn)方法中第一種情況，因此在公共周期設置時要兼顧路口間相位差。

路口3～7最大周期為102 s，相鄰路口間平均時間差為（49+52+42+49）/4=48 s，因此考慮雙向協(xié)調效果公共周期為96s，兩周期相差較小，可以取中間值100 s作為公共周期，既對雙相協(xié)調效果影響不大，且各路口各相位放行時間改變較小。用同樣的方法確定路口8～10的公共周期為100 s。

3.2.4各路口相位差的確定

將各路口周期調整為100 s，在調整過程中，根據(jù)各交叉口各階段的現(xiàn)狀飽和度，適當壓縮飽和度較低的相位綠燈時間。根據(jù)圖解法計算各路口間相位差，使得雙向帶寬最寬，且交通流等待時間最少且均衡。各路口雙向綠波協(xié)調相位差及協(xié)調效果如表3和圖4所示。

表3　各路口雙向綠波協(xié)調相位差

圖4　各路口雙向綠波協(xié)調方案協(xié)調效果示意圖

3.3效果分析

分別取路口3～7運行前后周一～周五共5 d相同時間段的路段行程時間進行調查，詳細對比分析如圖5所示。

圖 5雙向綠波協(xié)調控制前后行程時間對比

從圖5中可以看出，雙向綠波協(xié)調前后5個路口正反雙向路段行程時間減少47%以上，雙向實現(xiàn)不停車通過5個路口，大大提高了干道的行車效率。

4　結　語

從實際工程應用的角度出發(fā)，分析了目前我國大部分城市干道雙向綠波協(xié)調控制存在的主要問題，提出了雙向綠波協(xié)調控制的適用條件，進而設計了一種新的適用于不同交叉口群放行方式的雙向綠波協(xié)調控制方法，并以某大城市實際工程案例進行了效果分析。結果表明，采用所提出的新方法后，路段行程時間能夠縮短47%以上。

［1］全永燊.城市交通控制［M］.北京：人民交通出版社，1989.

［2］李元.城市干道交通信號協(xié)調控制方法及優(yōu)化研究［D］.成都：西南交通大學，2014.

［3］史麗平.兩相位信號交叉口雙向綠波協(xié)調控制優(yōu)化研究［D］.北京：北京工業(yè)大學，2012.

［4］Zhang M，Jia L，Zhu W.A cell-based robust optimal coordinated control on urban arterial road［J］.Journal of Control Theory and Applications，2012，10（4）:543-548.

［5］王殿海，楊希銳，宋現(xiàn)敏.交通信號干線協(xié)調控制經(jīng)典數(shù)值計算法的改進［J］.吉林大學學報（工學版），2011，41（1）：29-34.

［6］Gartner N H，Stamatiadis C.Arterial based control of traffic flow in urban grid networks［J］.Mathem atical and Computer Modelling，2002，35（5）:657-671.

［7］盧順達，程琳.非對稱相位相序方式下的雙向綠波協(xié)調控制圖解法的優(yōu)化［J］.公路交通科技，2015，32（1）：128-132.

［8］盧凱，徐建閩，陳思溢，等.通用干道雙向綠波協(xié)調控制模型及其優(yōu)化求解［J］.控制理論與應用，2011，28（4）：551-555.

U491

A

1009-7716（2016）07-0269-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.081

2016-03-03

李琦（1985-），男，山東滕州人，博士，工程師，從事智能交通設計工作。