干線交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)分析

張宇寧 王景升

摘要：文章以遼寧省大連市長(zhǎng)春路干線中部的三個(gè)交叉口為實(shí)例，基于干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的基本原理與方法，對(duì)各交叉口的信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用PTV Vissim、Vistro等仿真軟件對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)分析，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：干線協(xié)調(diào);信號(hào)配時(shí);交通調(diào)查;仿真評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U491. 5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 043

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0163 - 04

0 引言

近年來(lái)，隨著機(jī)動(dòng)車保有量的井噴式增長(zhǎng)，越來(lái)越多的城市通勤高峰受到不同程度的擁堵威脅，干線道路作為城市道路的“主動(dòng)脈”，其重要性不言而喻。因此，結(jié)合實(shí)地情況，實(shí)現(xiàn)干線交叉口協(xié)調(diào)控制對(duì)城市道路交通管理與控制具有重要價(jià)值。

本文結(jié)合干線協(xié)調(diào)基本原理與方法，通過(guò)大連市長(zhǎng)春路干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制實(shí)例，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并利用PTV Vissim、Vistro等仿真軟件，對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的設(shè)計(jì)思路

1.1 干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的工作原理

干線信號(hào)協(xié)調(diào)是連接干道上相鄰交叉口的交通信號(hào)，通過(guò)特定的配時(shí)方案，使車輛在通過(guò)這些交叉口時(shí)，不會(huì)經(jīng)常遇上紅燈，從而提升通行效率的一種交通控制方式[1]。

1.2 干線信號(hào)協(xié)調(diào)的基本步驟

1.2.1 優(yōu)化周期

根據(jù)單點(diǎn)控制配時(shí)方法，利用韋伯斯特公式計(jì)算各交叉口周期，選取周期最長(zhǎng)的交叉口作為關(guān)鍵交叉口，而關(guān)鍵交叉口的周期就是系統(tǒng)的共同周期[2]。

1.2.2 確定綠燈時(shí)間

利用等飽和度（或不等飽和度）算法確定關(guān)鍵交叉口與非關(guān)鍵交叉口在協(xié)調(diào)方向上以及非協(xié)調(diào)方向上的綠燈時(shí)間。

1.2.3 確定綠波速度

綠波的推進(jìn)速度V是研究干線協(xié)調(diào)的一個(gè)重要參數(shù)，它取決于路段上車流的平均空間速度。

1.2.4優(yōu)化相位差

常見(jiàn)的優(yōu)化方法有圖解法、數(shù)解法。

（1）圖解法

圖解法的基本思路是：通過(guò)幾何作圖的方法，反復(fù)調(diào)整通過(guò)帶速度和周期時(shí)長(zhǎng)，最終獲得理想的綠波帶寬。

（2）數(shù)解法

數(shù)解法的本質(zhì)是通過(guò)尋找使得系統(tǒng)中各實(shí)際信號(hào)距理想信號(hào)的最大挪移量最小來(lái)獲得最優(yōu)相位差控制方案的方法[3]。

1.3 干線信號(hào)協(xié)調(diào)的意義及注意事項(xiàng)

交叉口信號(hào)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使得交通流在交叉口處遇到綠燈信號(hào)時(shí)而不停車等待[4]。應(yīng)用干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制后與應(yīng)用前相比，將會(huì)顯著降低車輛的停車延誤時(shí)間，提升整條干線的交通流量和服務(wù)水平，避免交通堵塞，減少污染[5]。其中，實(shí)現(xiàn)“綠波交通”的關(guān)鍵是精確設(shè)計(jì)相鄰交叉口之間的相位差[6]。

但并非任何情況都可以采用干線協(xié)調(diào)控制。實(shí)踐表明，有的路口為保證一定的綠波帶寬而損失非干線方向綠燈時(shí)間致使車輛延誤時(shí)間增加，通行能力反而下降。因此在優(yōu)化時(shí)，也需要考慮非干線車流的影響，為車流提供均等的服務(wù)[7]。

2 干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

長(zhǎng)春路是連接大連市內(nèi)四區(qū)的交通要道，交通量較大，沿途有三個(gè)重要的交叉口，由北向南依次為民政街一長(zhǎng)春路交叉口、中山路一長(zhǎng)春路交叉口、五四路一民政街交叉口。三個(gè)交叉口的信號(hào)配時(shí)數(shù)據(jù)如表1所示。

在調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，高峰期南北方向車輛受紅燈阻滯現(xiàn)象嚴(yán)重，五四路一長(zhǎng)春路北進(jìn)口排隊(duì)的車輛甚至?xí)绯鲋料乱唤徊婵冢粗猩铰芬婚L(zhǎng)春路交叉口）。如圖1所示。

利用前期采集的流量數(shù)據(jù)，計(jì)算各進(jìn)口道流率比，依據(jù)等飽和度原理，計(jì)算出優(yōu)化后的各相位綠燈時(shí)間，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

2.1 優(yōu)化方案一

2.1.1 確定共同周期、綠信比

根據(jù)各交叉口的交通量和飽和流量，利用韋伯斯特公式對(duì)各交叉口進(jìn)行單點(diǎn)優(yōu)化：

2.1.2 確定綠波推進(jìn)速度、相位差

鑒于3個(gè)路口間距分別為184 m、153 m，路口間距較小，故采用同步式協(xié)調(diào)控制，即在同一時(shí)刻，相鄰交叉口對(duì)干道車流顯示相同的燈色，相位差為零，車流推進(jìn)速度擬為40 km/h，接近城市道路車速的上限值。

2.2 優(yōu)化方案二

2.2.1 確定協(xié)調(diào)控制的共同周期、綠信比

考慮到方案一中關(guān)鍵交叉口（五四路一長(zhǎng)春路）的南北方向左轉(zhuǎn)車流對(duì)干線協(xié)調(diào)的影響過(guò)于顯著，故在高峰期對(duì)五四路一長(zhǎng)春路交叉口南北方向采取禁左的措施，在滿足行人過(guò)街要求的最小綠燈條件下，改變五四路一長(zhǎng)春路交叉口的相位后，重新對(duì)其進(jìn)行單點(diǎn)優(yōu)化。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

2.2.2 確定相位差

對(duì)南北干線采用交互式信號(hào)協(xié)調(diào)，即當(dāng)行駛時(shí)間t為信號(hào)周期C/2的整數(shù)倍時(shí)，可獲得雙向綠波交通，t作為兩交叉口的相位差：

t12= t21 =K C/5

（2）

式中：

t12——上行行駛時(shí)間（s）;

t21 ——下行行駛時(shí)間（s）;

C——共同信號(hào)周期（s）。

雙向相位差t12=t21=O，t23=t32= 68/2= 34 s，車流推進(jìn)速度為33 km/h。民政街一長(zhǎng)春路與中山路一長(zhǎng)春路交叉口相位差為0，五四路一長(zhǎng)春路交叉口相位差為34 s。

在此基礎(chǔ)上利用圖解法，進(jìn)一步優(yōu)化相位差。為方便表述，依次給交叉口進(jìn)行編號(hào)，五四路一長(zhǎng)春路、中山路一長(zhǎng)春路、民政街一長(zhǎng)春路依次記為A、B、C，橫坐標(biāo)反應(yīng)各交叉口之間的距離，縱坐標(biāo)反應(yīng)時(shí)間過(guò)程，各豎線上的粗線段表示綠燈時(shí)段，細(xì)豎線表示紅燈時(shí)段，具體步驟如下：

（1）從A點(diǎn)引一條斜線，代表速度推進(jìn)線，其斜率等于車輛平均速度的倒數(shù)。此斜線與BB'上的交點(diǎn)設(shè)為D，B-D段即A、B交叉口的相位差。

（2）不斷改變各交叉口綠燈時(shí)間、車速，直至綠波帶寬達(dá)到最大。

由圖2生成最后的綠波通行帶，算出帶速約為30 km/h，帶寬為19 s，為周期時(shí)長(zhǎng)的28%。

3 干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案仿真評(píng)價(jià)

3.1 優(yōu)化方案的靜態(tài)評(píng)價(jià)

Vistro是由德國(guó)PTV公司研制開(kāi)發(fā)，提供交通工程與交通規(guī)劃評(píng)估研究的軟件，其中包含評(píng)估所需全部工具，是一種靜態(tài)交通評(píng)價(jià)軟件[8]。為檢驗(yàn)實(shí)行干線協(xié)調(diào)后的綠波帶效果，選取Vistro仿真軟件，對(duì)實(shí)行線控后的綠波帶寬度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)（見(jiàn)表4和圖3～4）。

由此可以看出，在綠波帶寬相差不大的情況下，方案二由于共同周期小，帶寬效率明顯高于方案一，優(yōu)化效果更佳。

3.2 優(yōu)化方案的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

PTV Vissim是一個(gè)離散的、隨機(jī)的、以1/10 s為時(shí)間步長(zhǎng)的微觀仿真模型軟件。其中，車輛的縱向運(yùn)動(dòng)采用了心理一生理跟車模型，橫向運(yùn)動(dòng)（車道變換）采用了基于規(guī)則（Rule- based）的算法。Vissim仿真軟件用于描述交通行為的參數(shù)主要有：車輛參數(shù)、換道參數(shù)、強(qiáng)制換道參數(shù)、跟馳行為參數(shù)、橫向行為參數(shù)等[9]。

由于本文主要關(guān)注干線的通行狀況，故選取交叉口延誤、行程車速、停車次數(shù)三個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化方案的對(duì)比分析。為方便記錄，將民政街一長(zhǎng)春路、中山路一長(zhǎng)春路、五四路一長(zhǎng)春路交叉口分別編號(hào)為1、2、3。如表5～7所示。

由表5～7可以看出，協(xié)調(diào)后車輛通過(guò)交叉口的停車次數(shù)、停車延誤基本都有所降低，行程車速大幅度提升。

相比于優(yōu)化方案一，方案二的各項(xiàng)指標(biāo)值在整體上都有更大程度的改善，說(shuō)明該方案具有更強(qiáng)的優(yōu)越性。但該方案也存在一定問(wèn)題，即實(shí)行禁左后車輛的繞行距離可能會(huì)加大，可選取區(qū)域路網(wǎng)通行能力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分時(shí)段禁左，減少車輛繞行給其他道路帶來(lái)的交通壓力。鑒于篇幅有限，在此不做展開(kāi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春路干線的調(diào)查和分析，優(yōu)化交叉口配時(shí)并相應(yīng)地輔以渠化措施，利用PTV Vissim，Vistro交通仿真軟件標(biāo)定參數(shù)，輔助分析模型，取得了較好的優(yōu)化效果。但由于受到交叉口間距的限制，在相位差優(yōu)化方式的選擇上具有一定的局限性，各類相位差優(yōu)化方法及其適用條件還有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張宇寧（1996-），碩士研究生，研究方向：交通管理工程;

王景升（1970-），副教授，研究方向：交通管理工程。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目“振興城市智能交通管理規(guī)劃”（2013BAG18BOO）