基于MAXBAND 和VISSIM 的交通管理與控制信號(hào)綠波實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊 震，馬健霄，王寶杰

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

“交通控制與管理”是交通工程本科專業(yè)的一門必修課程，主要內(nèi)容是在既有道路交通設(shè)施的約束下，如何科學(xué)合理地運(yùn)用交通法規(guī)、行政管理、工程管理以及信號(hào)控制技術(shù)等措施，來(lái)管理、控制城市道路及公路的交通運(yùn)行，以提高交通安全和交通效率[1-2]。課程著重培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜工程問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案和使用現(xiàn)代工具的能力，對(duì)交通工程專業(yè)的畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)有著較強(qiáng)的支撐作用。在學(xué)習(xí)該課程之前，一般要求學(xué)生先掌握交通規(guī)劃和交通設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)。

信號(hào)控制技術(shù)是交通管理與控制課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，分為單點(diǎn)、干線及區(qū)域信號(hào)控制3 個(gè)層次。課程一般要求學(xué)生熟練掌握單點(diǎn)、干線兩個(gè)層面的信號(hào)控制方法，其中干線層面的信號(hào)控制稱為干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制，指的是對(duì)干線上多個(gè)交叉路口的信號(hào)配時(shí)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)有車輛延誤最小化和綠波帶寬最大化兩種[3]，其中交通管理與控制課程講解的是以綠波帶寬最大為目標(biāo)的協(xié)調(diào)方法（又稱為信號(hào)綠波、綠波協(xié)調(diào)），即在干線各交叉口間形成一條可供車輛連續(xù)、不間斷通過(guò)的帶寬。該方法由于具有操作簡(jiǎn)便、直觀易懂等優(yōu)點(diǎn)，在工程上也有廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于初次接觸的學(xué)生來(lái)說(shuō)還有一定難度。為了讓學(xué)生對(duì)信號(hào)綠波的控制原理和效果有更加直觀的認(rèn)知，課程一般需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，常用的信號(hào)綠波實(shí)驗(yàn)工具有美國(guó)Trafficware 公司的Synchro Studio[4-5]、德國(guó)PTV 公司的VISSIM[6-7]、交通仿真沙盤[8]等。但截至目前，在信號(hào)綠波實(shí)驗(yàn)方案的具體設(shè)計(jì)方面，還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此本文將基于綠波協(xié)調(diào)優(yōu)化模型 MAXBAND 和微觀交通仿真軟件VISSIM，系統(tǒng)性地構(gòu)建干線信號(hào)綠波的實(shí)驗(yàn)方案。

1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

干線信號(hào)綠波控制主要以單點(diǎn)交叉口信號(hào)控制為基礎(chǔ)，兩者既相互聯(lián)系，又有所區(qū)別。在進(jìn)行干線信號(hào)綠波實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生在單點(diǎn)及干線信號(hào)控制方面的理論知識(shí)準(zhǔn)備包括：①較為熟練地掌握單點(diǎn)信號(hào)控制的基本概念、原理及方法；②理解干線綠波協(xié)調(diào)3 個(gè)最重要的參數(shù)——公共周期、綠燈時(shí)間、相位差（即綠燈啟動(dòng)時(shí)差）—— 的含義，能夠在相對(duì)相位差和絕對(duì)相位差之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；③熟悉干線綠波協(xié)調(diào)配時(shí)的基本步驟。

2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是對(duì)干線信號(hào)綠波控制參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和仿真模擬，使學(xué)生更直觀地理解和掌握信號(hào)綠波控制原理及效果。在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要在已知干線幾何形態(tài)、交通需求、單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)參數(shù)、綠波帶速等基礎(chǔ)資料的前提下，利用協(xié)調(diào)控制模型優(yōu)化綠波相位差，并在微觀交通仿真軟件中對(duì)綠波協(xié)調(diào)方案進(jìn)行仿真模擬，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

干線綠波協(xié)調(diào)配時(shí)的基本步驟包括公共周期時(shí)長(zhǎng)的確定、交叉口（包括關(guān)鍵交叉口和非關(guān)鍵交叉口）綠燈時(shí)間的確定、相位差的確定和協(xié)調(diào)控制效果仿真評(píng)價(jià)?？紤]到干線信號(hào)協(xié)調(diào)涉及的交叉口數(shù)目較多，在本實(shí)驗(yàn)中，各交叉口的公共周期時(shí)長(zhǎng)和綠燈時(shí)間可設(shè)為已知條件，實(shí)驗(yàn)具體步驟為：綠波相位差的確定；綠波控制方案的仿真模擬；綠波控制方案的評(píng)價(jià)分析。

3.1 綠波相位差的確定

相位差的確定是干線綠波協(xié)調(diào)配時(shí)的關(guān)鍵，決定著線控系統(tǒng)所能達(dá)到的最大綠波帶寬，在本實(shí)驗(yàn)中，綠波相位差的確定采用MAXBAND 模型。MAXBAND是Little 等[9]建立的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，能夠在輸入交叉口間距、綠信比、公共周期范圍、路段交通量等條件下，對(duì)公共周期、相位差、相位順序、綠波帶寬等協(xié)調(diào)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。MAXBAND 是綠波協(xié)調(diào)控制最常用、最重要的模型，其后又有很多學(xué)者在MAXBAND 的基礎(chǔ)上，提出了諸如MULTI- BAND[10]、AM-BAND[11]、OD-BAND[12]等模型的改進(jìn)版本。本文根據(jù)學(xué)生知識(shí)水平和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，將MAXBAND改進(jìn)為雙環(huán)及單環(huán)相位條件下的綠波協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。

雙環(huán)相位是美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）針對(duì)典型信號(hào)控制十字交叉口制定的標(biāo)準(zhǔn)相位結(jié)構(gòu)，由8 個(gè)相位構(gòu)成（見(jiàn)圖1(a)），其中位于同環(huán)、同屏障的兩個(gè)相位可調(diào)換順序，不會(huì)對(duì)其他相位的運(yùn)行產(chǎn)生影響[13]。與雙環(huán)相位相對(duì)應(yīng)的是單環(huán)相位，由4 個(gè)相位構(gòu)成（見(jiàn)圖1(b)），在我國(guó)城市道路中有著廣泛的應(yīng)用。

圖1 相位結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)干線協(xié)調(diào)方向?yàn)槟媳狈较?，且由南向北為上行方向，由北向南為下行方向。在雙環(huán)相位條件下，基于MAXBAND 的綠波協(xié)調(diào)優(yōu)化模型構(gòu)建過(guò)程如圖2所示，其目標(biāo)函數(shù)為

其中：b(b′)為上行（下行）方向的綠波帶寬（s）。其約束條件為

圖2 基于MAXBAND 的綠波協(xié)調(diào)優(yōu)化模型構(gòu)建過(guò)程

在單環(huán)相位條件下，綠波協(xié)調(diào)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)與雙環(huán)相位相同，而其約束條件為

在單環(huán)條件下，ri=且無(wú)內(nèi)部相位差的約束。以上模型可在CPLEX、LINGO、MATLAB 優(yōu)化工具箱等軟件中編碼求解[14]，其中求解得到相對(duì)相位差oi為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的重要參數(shù)，通過(guò)式（4）可將其轉(zhuǎn)化為絕對(duì)相位差：

其中ρi為交叉口i的上行絕對(duì)相位差（s）。在具體實(shí)驗(yàn)操作中，以上模型可由學(xué)生自主編程完成求解，也可由教師提供程序代碼，學(xué)生代入?yún)?shù)的方式完成求解，可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、能力水平而定。

3.2 綠波控制方案的仿真模擬

在本實(shí)驗(yàn)中，綠波控制方案的仿真模擬采用VISSIM 完成。VISSIM 由德國(guó)PTV 公司開(kāi)發(fā)，是一款基于時(shí)間間隔和駕駛行為的微觀交通仿真軟件，可對(duì)各種條件下的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行仿真模擬[15]。VISSIM 功能全面、成熟穩(wěn)定，其仿真運(yùn)行界面能夠讓學(xué)生對(duì)交通信號(hào)的控制效果有更直觀的理解，因而非常適合作為信號(hào)綠波的實(shí)驗(yàn)工具。

圖3 VISSIM 仿真運(yùn)行界面及Signal Control 選項(xiàng)卡

在VISSIM 構(gòu)建干線道路的仿真模型（見(jiàn)圖3），輸入交通組成、車速分布、交通流量以及各交叉口的信號(hào)控制參數(shù)，即可對(duì)干線綠波控制方案進(jìn)行仿真模擬。干線各交叉口的信號(hào)控制參數(shù)在Signal Control選項(xiàng)卡中輸入（見(jiàn)圖3），選項(xiàng)卡的左側(cè)為信號(hào)控制機(jī)（Signal Controller）列表，每個(gè)信號(hào)控制機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)交叉口；選項(xiàng)卡右側(cè)為信號(hào)燈組（Signal Groups）列表，每個(gè)信號(hào)燈組對(duì)應(yīng)雙環(huán)或單環(huán)相位結(jié)構(gòu)中的一個(gè)相位。綠波相位差在欄目Offset 中輸入，一般將干線上首個(gè)交叉口的相位差設(shè)為0，而其他交叉口則設(shè)置成與首個(gè)交叉口的絕對(duì)相位差。

3.3 綠波控制方案的評(píng)價(jià)分析

在干線仿真模型的兩個(gè)方向上分別設(shè)置行程時(shí)間檢測(cè)區(qū)間，同時(shí)激活行程時(shí)間（Travel Time）和延誤（Delay）評(píng)價(jià)類型，即可從延誤、停車次數(shù)、行程時(shí)間等方面對(duì)綠波控制方案的運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，運(yùn)行仿真模型即可得到仿真評(píng)價(jià)文件。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可要求學(xué)生從以下幾個(gè)方面構(gòu)建實(shí)驗(yàn)方案，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（1）有信號(hào)協(xié)調(diào)和無(wú)信號(hào)協(xié)調(diào)時(shí)運(yùn)行效果對(duì)比分析。在有信號(hào)協(xié)調(diào)的情況下，干線各交叉口的綠波相位差是模型的計(jì)算結(jié)果；而在無(wú)信號(hào)協(xié)調(diào)情況下，可設(shè)為0 或隨機(jī)值。學(xué)生分別在兩種情況下運(yùn)行干線仿真模型，得到延誤、停車次數(shù)、行程時(shí)間等評(píng)價(jià)指標(biāo)值，并進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）有信號(hào)協(xié)調(diào)時(shí)交通量對(duì)綠波協(xié)調(diào)效果的影響分析。在有信號(hào)協(xié)調(diào)的情況下，先設(shè)置一組基礎(chǔ)交通量，然后乘以不同的系數(shù)形成若干組交通量，分別運(yùn)行干線仿真模型，根據(jù)延誤、停車次數(shù)、行程時(shí)間等評(píng)價(jià)指標(biāo)值分析交通量對(duì)綠波協(xié)調(diào)的影響，并探究其原因。

（3）雙環(huán)相位和單環(huán)相位綠波協(xié)調(diào)效果的對(duì)比分析。在有信號(hào)協(xié)調(diào)的情況下，分別將各交叉口的相位結(jié)構(gòu)設(shè)置為雙環(huán)相位和單環(huán)相位，在交通量相同的條件下分別運(yùn)行干線仿真模型，根據(jù)延誤、停車次數(shù)、行程時(shí)間等評(píng)價(jià)指標(biāo)值分析相位結(jié)構(gòu)對(duì)綠波協(xié)調(diào)的影響，并探究其原因。

以上實(shí)驗(yàn)方案可根據(jù)課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)以及學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)、能力水平進(jìn)行合理選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

交通控制與管理是交通工程本科專業(yè)的一門必修課程，信號(hào)綠波控制技術(shù)是該課程的教學(xué)難點(diǎn)之一。為了讓學(xué)生更加直觀地理解信號(hào)綠波的控制原理和效果，本文基于綠波協(xié)調(diào)優(yōu)化模型MAXBAND 和德國(guó)PTV 公司的VISSIM 軟件，構(gòu)建了干線信號(hào)綠波的實(shí)驗(yàn)方案。該實(shí)驗(yàn)首先利用改進(jìn)的MAXBAND 模型求解得到綠波相位差，然后在VISSIM 軟件中構(gòu)建干線仿真模型，設(shè)置交通流量、信號(hào)控制及其他相關(guān)參數(shù)，最后在不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，從延誤、停車次數(shù)、行程時(shí)間等指標(biāo)上評(píng)價(jià)綠波控制方案的運(yùn)行效果。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼龠M(jìn)學(xué)生理解、掌握信號(hào)綠波的理論知識(shí)和技術(shù)要點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代化的工具分析、解決交通控制問(wèn)題的能力，使交通管理與控制課程對(duì)交通工程專業(yè)的畢業(yè)要求形成了更有力的支撐。