基于Synchro的廈門市白鷺洲路信號協調控制的優化設計

郭建鋼，林文燔，陳必太，黃海南，陳金山，張文星

（福建農林大學交通學院，福建福州 350002）

在城市交通路網中，平面交叉口因其復雜的交通現象，成為制約道路網絡高效運行的瓶頸。為了消除路網瓶頸，目前比較普遍做法是設法改善瓶頸交叉口的渠化設計和信號控制［1-2］；盡管這種做法對特殊交叉口有一定的現實意義［3-4］。但當一條干道上的多個信號控制交叉口的間距較小時，如果各信號控制交叉口追求獨立交叉口的交通利益，往往會犧牲整條干道的通行效率。因此，從交通管理與控制著手，將干道上的各交叉口組成一個線控系統進行協調控制，能夠有效地減少車輛的停車次數和延誤時間［5-7］。盡管干道協調控制的理論研究和探討文獻很多，也有一些應用實例，但能夠真正成功的工程應用例子甚少。為此，本文結合廈門市市府大道的交通信號控制優化項目，以廈門市市府大道北段的白鷺洲路（見圖1）為研究對象，首先，根據早晚高峰時段3個交叉口的實際調查數據（交通量和信號配時參數等），應用Synchro軟件對原控制方式的交通運行狀況進行了評價。其次，根據實際交通量的“潮汐現象”，采取“分時段分方向”的信號協調控制策略，建立基于原配時方案的信號協調控制系統（以下簡稱“優化前協調控制系統”）；最后，在應用Synchro仿真軟件優化3個交叉口的最佳周期時長、公用周期時長和相位差等參數的基礎上，構建優化后的信號協調控制系統，并比較優化前后協調控制系統的控制效果。結果表明，優化后的協調控制系統的控制效果更好。該設計方法可為其它類似工程改善提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象分析

信號協調控制系統的優化設計所需原始數據采集于廈門市市府大道北端的白鷺洲路。廈門市市府大道位于廈門島西南部，北起廈門市政府，南抵鷺江路，總體呈南北走向，貫穿城市碼頭區、舊城、新區和新區中心。其道路性質以客運為主，兼具交通和生活功能，是連接新區和舊城的城市主干道。白鷺洲路作為市府大道的一部分，承擔著疏導南北交通的重要角色，其中3個交叉口為毗鄰交叉口，幾何結構特征（見圖1）。

圖1 白鷺洲路段上3個交叉口的幾何結構特征Fig.1 Geometricalstructure characteristicsof three intersectionson Bailuzhou Road

1.2 數據調查方法

本次調查采用人工調查和視頻分析相結合的方法，主要內容包含：各交叉口的現狀交通量（見表1，換算系數見文獻［8］）和現狀信號控制配時方案（見表2）。經分析各交叉口全天的交通流量流向數據可以得出，該路段的早高峰時段為8：00-10：00；晚高峰時段為17：00-19：00。為了書寫簡便，設白鷺洲路與湖濱南路交叉口的編號為1，與禾祥西路交叉口的編號為2，與廈禾路交叉口的編號為3。

表1 各交叉口現狀流量流向統計表Tab.1 Existing traffic volumesof each intersection pcu·h-1

1.3 信號控制仿真分析和優化方法

表2 各交叉口原控制方案匯總表Tab.2 Controlparam etersof each intersection

SYNCHRO是當前最快捷和精確的交通信號協調及配時優化軟件，其中的SIMTRAFFIC是交通信號配時優化和交通模擬的核心模型，具有信號配時參數（相位、周期時長、綠信比、相位差等）的優化、交叉口的微觀仿真和方案優劣的評價之功能。Synchro中沿用HCM2000對服務水平的定義和Webster延誤模型，采用控制延誤和百分比延誤計算方法（PDM），用于評價交叉口的服務水平，更加適合于信號控制方案的調整和優化，以及在近飽和或者超飽和時的信號控制交叉口的延誤計算。

目前，白鷺洲路的3個交叉口均為單點定時控制方式（信號配時方案由廈門市公安交通管理局經過多次調整后確定，見表2），根據現狀渠化設計、交通流數據、交通組織和信號相位控制策略，對3個交叉口進行仿真，結果見表3。

表3 原信號控制方案時的仿真結果Tab.3 The simulation resultsbased on original controlparameters

表3中，“交叉口延誤”為3個交叉口的延誤總和；“路段”是指通過第1個交叉口的進口道停車線至第3個交叉口的進口道停車線的范圍；“路網”是指由白鷺洲路以及與之交叉的3條道路上游不小于200m的范圍所構成區域。

通過分析白鷺洲路段的交通量（見表1）以及路段延誤情況（見表3）可以發現，該路段的交通流存在著潮汐現象，早高峰時段由南往北的交通量和路段延誤較大，而晚高峰則相反。目前實際使用的線控系統中，以單向協調控制為主，因為實現雙向綠波的條件比較苛刻，如果勉強實施雙向綠波效果不好［9-10］。因此，根據白鷺洲路段的幾何結構特征、交通流特性以及仿真結果，本文提出“分時段與分方向相結合、采用半周期時長”的協調控制方法，即在早高峰時段采取由南往北協調控制；在晚高峰時段采取由北往南協調控制，并最大限度提高主控方向的綠波帶寬度。同時考慮到該路段的實際幾何參數和交通量，2號交叉口采用了半周期時長。

2 結果與分析

2.1 基于原配時方案的協調控制設計

由于原配時方案為單點控制，造成主線上的車輛行駛延誤較大，行駛速度較慢。因此，以這3個交叉口的原配時方案為基礎，根據提出的協調控制方法，建立優化前的信號協調控制系統。同時，根據現實道路、交通及管理狀況，設定協調控制系統的設計帶速為40 km·h-1。

2.1.1 早高峰時段的協調控制設計

由于早高峰時段1號交叉口的周期時間最長（160 s），故將其設為關鍵交叉口，并取共用周期為160 s，調整3號交叉口周期至共用周期，南北相位為關鍵相位。由于2號交叉口為兩相位信號控制且周期較短，因此采取半周期（周期調整為80 s）。運用軟件計算出合適的相位差，最終將3號交叉口到2號交叉口的相位差調整為29 s，2號至1號交叉口的相位差調整為11 s，帶寬為30 s。并用SYNCHRO軟件進行仿真，結果見表4。

2.1.2 晚高峰時段的協調控制設計

在晚高峰時段，將1號交叉口為關鍵交叉口，共用周期176 s，南北相位為關鍵相位，調整3號交叉口周期至共用周期，2號交叉口的半周期為88 s。最終將1號交叉口到2號交叉口的相位差調整為19 s，2號至3號交叉口的相位差調整為37 s，帶寬為25 s。仿真結果見表4。

表4 基于原配時方案的早晚高峰時段協調控制結果Tab.4 The coordination controlsim ulation resultsbase on original controlparam eters

通過比較表4和表3可以發現，經過協調控制后，白鷺洲路上的各交叉口、路段和路網的各項指標均有改善。在早高峰時段，由南往北的交叉口延誤降低11.9%，路段延誤降低27.6%，路網總延誤降低10.7%，總行程時間減少了9.2%；在晚高峰時段，由北往南的4個指標分別改善為7.0%，14.6%，7.0%和4.7%。此外，車輛的停車次數也有所降低，主線速度都有提高。但在晚高峰時段的改善幅度較小。

2.2 基于單點信號控制優化基礎上的協調控制優化設計

為了進一步優化干道協調控制系統，改善其通行效率，必須確定干道上每一個交叉口的最佳信號周期時長以及相位差。根據白鷺洲路的實際調查數據，對路段上的各個交叉口進行獨立優化設計。通過分析3個交叉口的現狀信號控制參數，選擇各交叉口的信號周期時長范圍為50～200 s，離散步長為2 s，并用Synchro8.0優化線控系統中各交叉口在早晚高峰時段的信號優化配時方案，得到優化后各個交叉口的最佳信號周期，見表5。協調控制系統中的設計帶速仍為40 km·h-1。

2.2.1 早高峰時段的協調控制優化設計

以白鷺洲路上各個交叉口的信號控制優化方案作為協調控制系統優化設計的基礎，對該路段進行協調控制優化。在早高峰時段，以3號交叉口為關鍵交叉口，共用周期170 s，南北相位為關鍵相位。2號交叉口采取半周期，1號交叉口的信號周期與共用周期相等。優化相位差后，得到南往北車流的帶寬為41 s，協調控制系統的時距圖見圖2。早高峰時段優化后的仿真結果，見表6。

表5 各交叉口最佳信號周期時長Tab.5 The best cycle length of intersections

圖2 優化后早高峰協調控制時距圖Fig.2 Tim e-space diagram of optim al coordination controlduringmorning peak hours

2.2.2 晚高峰時段的協調控制優化設計

在晚高峰時段，以1號為關鍵交叉口，共用周期180 s，南北相位為關鍵相位；2號交叉口采取半周期（晚高峰周期為90 s），并調整3號交叉口的信號周期至共用周期，增加的相位時間全部給主線綠燈。優化相位差后，得到的北往南車流的帶寬為49 s，協調控制時距圖見圖3。晚高峰時段優化后的仿真結果，見表6。

圖3 優化后晚高峰協調控制時距圖Fig.3 Time-space diagram of optimalcoordination controlduring evening peak hours

比較表6和表5的交通效益指標可以看出，采用優化后的信號協調控制系統后，不管是早高峰還是晚高峰時段，從點（交叉口）、線（路段）、面（路網）3個方面來看，各交通效益指標都有不同程度的改善。

表6 基于優化參數的早晚高峰時段協調控制仿真結果Tab.6 The simulation results duringmorning and evening peakhoursbased on optimal controlparameters

從交叉口來看，早晚高峰時段的交叉口延誤分別減少11.3%和21.6%。

從路段來看，在早高峰時段，路段延誤雖有改善，但并不十分明顯（僅為8.2%）。而在晚高峰時段，路段上的交通效益指標改善效果十分明顯，由北往南的路段延誤降低了55.9%。說明晚高峰時段的控制效果明顯優于早高峰時段。

從路網來看，在早高峰時段，總延誤和停車次數分別降低13.3%和0.8%。在晚高峰時段，總延誤和停車次數分別降低22.0%和5.5%。晚高峰時段的路網改善效果較早高峰時段好。

因此，應用優化設計后的信號協調控制系統，可以大大改善晚高峰時段的路網運行效果，彌補優化前協調控制系統的不足。

3 結論與討論

3.1 結論

經過協調控制優化設計后，運行Synchro軟件中的Simtraffic交通模擬模塊進行仿真，發現車輛在第一個交叉口遇綠燈通過后，只要行駛車輛按設計帶速行駛，可以在高峰時段實現“綠波”，交叉口的擁堵情況大大減少，整個路網交通運行狀況明顯好轉。

1）應用優化前的協調控制系統進行信號控制時，在高峰時段其控制效果比單點控制效果好。協調控制后，明顯改善了高峰時段白鷺洲路上的交通運行狀況，但晚高峰時段的改善效果不夠理想。

2）應用優化后的協調控制系統進行信號控制時，不但進一步改善早高峰時段的運行狀況，而且大幅度提高晚高峰時段的運行效果。說明這種優化方法是可行的。

3）采用優化后的協調控制系統后，從仿真結果來看，不僅提升了主線上的運行速度，而且路網的延誤、停車次數和總行程時間降低，提高了路網的通行效率。對于早晚高峰具有潮汐現象的主干道路，采取分時段分方向相結合的單向協調控制方式，能夠有效緩解不同時段主要方向的交通壓力。

3.2 討論

由于上述結論是由仿真軟件Synchro仿真結果得到的，實際改善效果需要實際應用結果驗證。

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