基于綠波帶中心線交點的雙向綠波控制圖解法

陳 昕，張 馳

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基于綠波帶中心線交點的雙向綠波控制圖解法

陳 昕，張 馳

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

為解決傳統(tǒng)圖解法在雙向綠波控制設(shè)計中綠波帶帶寬窄、反復(fù)調(diào)整以及求解相位差誤差較大的問題，提出一種基于綠波帶中心線交點的雙向綠波控制圖解法。首先，分析交叉口的不同放行方式對綠波帶中心線交點位置的影響，而綠波帶中心線交點位置又能夠影響綠波帶的帶寬；然后，提出尋找合適的綠波帶中心線交點來提高綠波帶帶寬的原則；最后，給出圖解法具體的步驟。實例分析表明：該圖解法能夠提高雙向綠波帶帶寬，對交叉口采用不同的放行方式均具有較好的適用性。

雙向綠波；NEMA相位；圖解法；綠波帶帶寬

綠波控制是指交叉口之間實行綠波運行的控制方式[1]，綠波控制能夠減少車輛在各個交叉口上的停車時間以及停車次數(shù)。只考慮單個行進方向的交通控制方式叫單向綠波控制，同時考慮上、下行兩個行進方向的交通控制方式叫雙向綠波控制，雙向綠波控制要比單向綠波控制實施起來困難。

雙向綠波控制設(shè)計方法主要有圖解法、數(shù)解法和模型法。圖解法是在時間-距離圖上協(xié)調(diào)線控系統(tǒng)的時差，同時調(diào)整并確定通過帶速度和周期時長[2]；相對于數(shù)解法和模型法，圖解法具有簡單、直觀、方便應(yīng)用的優(yōu)點。在綠波控制方面的研究，盧凱、林曉輝[3-4]等給出了各進口單獨放行方式下綠波控制的算法及設(shè)計方法，盧凱、姬利娜[5-6]等給出了非對稱方式下的綠波控制設(shè)計方法，朱和[7]給出了靈活相位設(shè)置下雙向綠波控制設(shè)計方法，盧順達[8]對非對稱方式下圖解法進行了改進設(shè)計?？偨Y(jié)已有研究成果可以看出，對雙向綠波控制研究大都只針對進口單獨放行、非對稱方式進行了研究，而對交叉口放行方式無約束的方法的研究較少；另外，對綠波控制設(shè)計方法的研究多停留在對綠波控制算法特別是對數(shù)解法的改進方面上，對圖解法的研究較少。盧順達、常玉林[8-9]等雖提到了可以運用圖解法并采用靈活的相位設(shè)計來提高綠波帶的帶寬，但并沒有給出相位相序設(shè)計的具體方法。鑒于此，筆者運用NENA TS2標(biāo)準(zhǔn)[10]中規(guī)定的雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)來對交叉口的相位相序進行靈活的設(shè)計，提出一種適用于不同放行方式下的基于綠波帶中心線交點的雙向綠波控制圖解法（以下簡稱交點式圖解法）。

1 雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)的相位相序設(shè)計

干線交叉口合理的相位相序設(shè)計以及交叉口采用何種放行方式對綠波控制設(shè)計有重要意義[11]。由于傳統(tǒng)的相位相序設(shè)計方法不靈活，通過引入雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)對交叉口相位相序進行設(shè)計，可以有效提高相位相序設(shè)計的靈活性。

在NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)中，規(guī)定由1、2、5、6組成的相位組與3、4、7、8組成的相位組由一條“隔離線”分開，即2、6相位必須同時結(jié)束，3、7相位必須同時獲得通行權(quán)。通常，相位組1分配給主干路，相位組2分配給次干路。環(huán)1由相位1—2—3—4組成，環(huán)2由相位5—6—7—8組成[12]。隔離線的存在，可以避免隔離線兩側(cè)不同控制環(huán)上的沖突相位在同一時刻啟動。在隔離線兩側(cè)，兩個控制環(huán)之間的相位選擇應(yīng)注意兩點：（1）在同一個控制環(huán)上的相位是互相沖突的，不能同時運行；（2）隔離線一側(cè)的不同控制環(huán)上的相位可以同時運行。采用NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)，在保證以上兩點的前提下，可對相位相序進行靈活的設(shè)計，為交叉口采用不同放行方式設(shè)計提供了便利。

圖1 NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)

2 交點式圖解法

傳統(tǒng)圖解法的基本思路是通過幾何作圖的方法畫出時間-距離圖，首先建立交互式或者同步式協(xié)調(diào)，然后再對車速和公共周期時長進行反復(fù)調(diào)整，從而確定相位差，最終獲得較為理想的綠波帶寬。這種方法沒有考慮交叉口寬度、相位相序設(shè)置對雙向綠波設(shè)計中綠波帶帶寬的影響，需要對速度以及公共周期進行反復(fù)調(diào)整。對于一個需要進行綠波控制的干道，車速、公共周期時長一般會預(yù)先確定，傳統(tǒng)圖解法對速度、公共周期時長的反復(fù)調(diào)整與實際情況不符，采用傳統(tǒng)圖解法設(shè)計的雙向綠波帶帶寬較窄，甚至無法實現(xiàn)雙向綠波控制。

針對傳統(tǒng)圖解法的不足，筆者提出了交點式圖解法，下面對交點式圖解法的依據(jù)和步驟分別做出介紹。

2.1 交點式圖解法的依據(jù)

交叉口相位相序的設(shè)計會影響交叉口綠波帶中心線交點（綠波帶中心線交點是指某一交叉口上、下行協(xié)調(diào)方向綠波帶中心線相交的點）的位置，而交叉口采用不同的放行方式會有不同的相位相序，因此交叉口采用不同的放行方式會造成交叉口綠波帶中心線交點的位置不同。常見的放行方式一般為對稱放行、搭接放行以及各進口單獨放行，采用對稱放行方式，綠波帶中心線交點與交叉口中心重合；采用搭接放行方式，綠波帶中心線交點比較接近交叉口中心；采用各進口單獨放行方式，綠波帶中心線交點遠離交叉口中心。三種典型的交叉口放行方式對應(yīng)的相位相序設(shè)置方式一般較固定，圖2給出了不同放行方式下相位相序的設(shè)置方法以及綠波帶中心線交點與交叉口中心的位置關(guān)系。

在具體進行綠波控制方案的設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)道路實際交通情況進行靈活的相位相序設(shè)計，遵循的原則是：通過協(xié)調(diào)方向上平均車速確定交叉口理想間距，尋找合理的相位相序設(shè)計，使臨近交叉口的各個綠波帶中心線交點之間的水平間距盡量為零或者為交叉口理想間距整數(shù)倍（一般情況下綠波帶中心線交點之間的水平間距與交叉口理想間距相等）。

（A）對稱放行方式下綠波帶中心線交點與交叉口中心重合

（B）搭接放行方式下綠波帶中心線交點在交叉口中心附近

（C）各進口單獨放行方式下綠波帶中心線交點遠離交叉口中心

2.2 交點式圖解法的步驟

按照上文提出的原則，以下給出交點式圖解法的具體步驟。

步驟一：畫出時間-距離圖。根據(jù)公共周期、協(xié)調(diào)方向的綠燈顯示時間、交叉口間距、交叉口的寬度等數(shù)據(jù)畫出時間-距離圖。

步驟二：計算交叉口之間的理想距離。根據(jù)協(xié)調(diào)方向的平均車速以及公共周期時長按照公式（1）求出各個交叉口之間的理想間距。

其中：為綠波控制路段行駛車輛的平均車速；為公共周期時長；為理想交叉口間距。

步驟三：相序設(shè)計。通過合理的設(shè)計交叉口信號相序，使臨近交叉口的各個綠波帶中心線交點之間的水平間距盡量為零或者為交叉口理想間距的整數(shù)倍。通過反復(fù)調(diào)整相位的順序，找到最合適的相序設(shè)置方式，從而最終確定各個交叉口信號配時方案。

步驟四：改變各個交叉口的周期起始時刻，找到上、下行方向的最大綠波帶帶寬。具體做法是：在上行方向，畫一條代表綠波帶帶速的直線，直線的斜率為平均車速的倒數(shù)，以該直線為參考，在時間-距離圖上上下拖動改變各個交叉口的綠燈的起始時刻，使得直線與協(xié)調(diào)相位綠燈開啟時刻相交；然后，在下行方向畫代表帶速的直線，以同樣的方法進行調(diào)節(jié)，直到找到上、下行方向最大的綠波帶為止。綠波帶帶寬的確定過程如圖3所示。

步驟五：讀取綠波帶的帶寬以及相位差。根據(jù)時間-距離圖計算出綠波帶帶寬并確定各個交叉口的相位差（如圖4所示），進而確定最終信號控制方案。

圖4 上、下行方向綠波帶帶寬及相位差

3 實例分析

以青島市金山路為例來說明交點式圖解法在雙向綠波設(shè)計中的有效性。金水路各個交叉口之間的距離較短，交通干擾較小，適合雙向綠波控制。筆者選取金水路中的金水巨峰至金水合川路段作為雙向綠波控制的對象，運用交點式圖解法對金水路從西向東依次穿過巨峰路、奇峰路、宜川路、金川路、延川路、靈川路、銅川路、合川路形成的8個信號控制交叉口進行雙向綠波設(shè)計。

根據(jù)交叉口的渠化狀況和交通流量計算單點信號配時方案，把最大周期100 s作為公共周期，并把該交叉口作為關(guān)鍵交叉口，其他交叉口以該交叉口為參考對各個相位的顯示時間進行調(diào)整。表1給出了交叉口間距、各交叉口寬度、平均車速、公共周期等數(shù)據(jù)，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)畫出時間-距離圖。

按照本文介紹的原則調(diào)整信號控制方案的相位順序，確定相序，依次改變與之相鄰上、下游交叉口的周期起始時刻，通過時間-距離圖最終確定信號控制方案以及交叉口的相位差。圖5（A）給出不考慮交叉口距離以及相位相序的金水路雙向綠波的傳統(tǒng)圖解法時間－距離圖，圖5（B）給出了金水路雙向綠波改進的時間-距離圖。

表1 繪制時間-距離圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

說明：交叉口間距指上行（西向東）方向相鄰兩交叉口停車線之間的距離；交叉口寬度指同一交叉口上、下行方向停車線之間的距離；宜川路交叉口上、下行方向綠燈時長不等。

（A）傳統(tǒng)圖解法的時間-距離圖

（B）交點式圖解法的時間-距離圖

圖5 圖解法的對比效果

采用不考慮交叉口距離以及相序調(diào)整的傳統(tǒng)的圖解法得到的結(jié)果是：上行方向綠波帶帶寬為36%，綠波帶帶寬可達度為95%；下行方向綠波帶帶寬為21%、22%（綠波帶在金川路交叉口斷開），綠波帶帶寬可達度為55%、58%。采用交點式圖解法得到的結(jié)果是：上行方向綠波帶帶寬為38%，綠波帶帶寬可達度為100%；下行方向綠波帶帶寬為30%，綠波帶帶寬可達度為79%。通過兩結(jié)果對比可以看出，交點式圖解法不僅提高了雙向綠波帶的帶寬，也沒有出現(xiàn)綠波帶斷開的情況，有利于雙向綠波的設(shè)計。

4 結(jié)論

交點式圖解法應(yīng)用到金水路雙向綠波的設(shè)計中，結(jié)果表明該圖解法對交叉口不同放行方式下的雙向綠波設(shè)計能夠提高綠波帶帶寬，已在實際應(yīng)用中得到了交警的認可。然而，交通流處在不斷變化之中，隨著交通流量的增加，需要對綠波控制進行不斷地調(diào)整；同時，在現(xiàn)實情況下具體的相位相序設(shè)計會受到交通實際情況的限制。

[1] GB/T 31418—2015. 道路交通信號控制系統(tǒng)術(shù)語[S]. 2015.

[2] 吳兵, 李曄. 交通管理與控制[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[3] 盧凱, 徐建閩, 李軼舜. 進口單獨放行方式下的干道雙向綠波協(xié)調(diào)控制數(shù)解算法[J]. 中國公路學(xué)報, 2010, 23(3): 95-101.

[4] 林曉輝, 徐建閩, 盧凱, 等. 各進口單獨放行條件下的雙向綠波設(shè)計方法研究[J]. 交通與計算機, 2007, 25(5): 8-12.

[5] 盧凱, 劉永洋, 吳煥, 等. 非對稱通行條件下的雙向綠波協(xié)調(diào)控制數(shù)解算法[J]. 中國公路學(xué)報, 2015, 28(6): 95-103.

[6] 姬利娜, 宋清華. 非對稱放行方式下的干道雙向綠波協(xié)調(diào)控制[J]. 公路交通科技, 2011, 28(10): 96-101.

[7] 朱和, 常玉林. 基于靈活相位的雙向綠波協(xié)調(diào)控制[J]. 公路交通科技, 2013, 30(7): 140-143, 158．

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

[9] 常玉林, 張其強, 張鵬. 城市干線雙向綠波控制改進設(shè)計[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報, 2014, 28(12): 108-112.

[10] NEMA. NEMA standards publication TS-2 [S]. 2003.

[11] GA/T527.1—2015. 道路交通信號控制方式第1部分：通用技術(shù)條件[S]. 2015.

[12] 蔡云, 楊曉光, 王浩. 一種靈活的在線交通信號相位切換結(jié)構(gòu)[J]. 城市交通, 2009, 7(3): 80-85.

責(zé)任編校：劉亞兵

Graphic Method of Bidirectional Green Wave Control Based on Centerline Intersection of Green Wave Band

CHEN Xin, ZHANG Chi

（Automobile & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

To solve these problems caused by traditional graphical method such as bandwidth of green wave, continuous adjustment and the greater error of phase in the design of bidirectional green wave control band, a kind of graphic method is proposed in the bidirectional green wave based on the intersection center line. First, the influence of different release modes on the intersection of centerlines in position of green wave band is analyzed while the centerline intersection in position of green wave band also has an effect on bandwidth green wave band; then, the principles of widening bandwidth of green wave band are presented through finding out the ideal position in centerline intersection of green wave band; finally, the concrete steps of graphic method are given. The analysis of calculation examples shows that the graphic method can widen bandwidth of bidirectional green wave band and has widely better applicability in different releasing methods at the intersection.

bidirectional green wave; NEMA phase; graphic method; green wave bandwidth

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.016

U491

A

1674-3261(2017)02-0137-04

2016-08-30

陳昕(1972-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士。