非平衡轉向平面交叉口交通信號控制方法研究

宋志洪++尹少東++張博

摘要：本文主要在前期大量調研的基礎上，通過一些交通流變化不規則、非平衡轉向的交叉口特征分析，提出對應的交通信號控制設計思路，形成相應的信號控制方法，同時結合實際案例，講述本文所述的方法應用過程，以及給出評價方法和評價結果，為緩解關鍵節點交通擁堵瓶頸提供依據。

關鍵詞：非平衡轉向；信號控制設計；信號控制方法；仿真評價

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0017-04

近年來，我國各大城市機動車保有量的增長，對現有的道路資源合理分配利用提出了極大的挑戰，曾經大城市面臨的交通擁堵快速的向中小城市蔓延。一些關鍵節點交通流分配不合理，會引起相鄰區域的連鎖反應，給城市交通管理造成了不同程度的壓力。作為交通系統網絡的重要組成部分，城市道路平面交叉口是道路通行能力的瓶頸和交通阻塞及事故的多發地。城市的交通擁堵，大部分是由于交叉口的通行能力不足或沒有充分利用造成的，這導致車流中斷、事故增多、延誤嚴重。在日本大城市中的機動車在市中心的行車時間約三分之一用于平面交叉口而美國交通事故約有一半以上發生在交叉口[1]。由此可見，對交叉口實行科學的管理與控制是交通控制工程的重要研究課題，是保障交叉口的交通安全和充分發揮交叉口的通行能力的重要措施，是解決城市交通問題的有效途徑之一。現階段，國內外各科研機構研究的交通信號控制理論已基本成熟，也通過一些產學研合作形成了一定的成果，為本文的研究提供了很好的基礎。

1 非平衡轉向平面交叉口交通特點

非平衡轉向平面交叉口，顧名思義，主要體現在兩個方面，一是交叉口形式為平面交叉，即平面相交的幾條道路組成的交叉口；二是非平衡轉向，交通流的組成為非對稱式的，受傳統相位控制模式的影響，一般通行模式為相位對稱式放行，非常影響交叉口整體通行效率。非平衡轉向平面交叉口的交通主要有幾方面的特點：一是交叉口的整體通行受轉向交通的影響較大，如左轉交通流不合理調配導致對其他方向交通流通行影響較大；二是交叉口交通流整體為非對稱式的，對向交通差異化大，將這樣的對向交通并入同一相位不利于整體效率的發揮；三是交叉口的車流通行受非機動車和行人影響較大，同時右轉車輛又不會受到控制，信號設置的不協調極大的降低了交叉口車輛的通行效率。

2 平面交叉口信號控制方式

平面交叉口信號控制方式主要包含兩種情況，一是對單股或多股交通流限制的信號控制，另外一種是不做限制的情況。對單股或多股交通流限制的模式，主要是指在一些特殊場景下，禁止或分時段禁止某股車流的通行，保障路口通行效率的最大化。傳統的信號控制方式主要包含定時控制、感應控制以及自適應控制幾種，嚴格來說，感應控制方式屬于自適應控制的一種特殊應用，主要是根據交叉口的實際情況對放行通道的順序和時間重新設置和組合。

2.1 定時控制

定時控制可以分為兩種：單時段定時控制和多時段控制。單時段控制是指每天只用一個事先根據交通歷史數據設定好的配時方案；推之，一天按多個時段來采用多種不同的配時方案的控制方法是多時段控制[2]。

2.2 感應控制

為了獲取實時的交通流信息，在路面上設置一種檢測器，這樣能高大大提高信號配時的實時性，這種控制方法叫做感應控制，它一般可以分為半感應控制和全感應控制。

半感應控制主要用于次干道與主干道相交的交叉口上，且主干道交通量大，次干道交通量小、波動大的情況。一般情況下，除非次干道上有車輛和行人要通過而提出要求，否則主干道會一直維持著持續不變的綠燈，在給予次干道綠燈之前，主干道會維持一段最小綠燈時間。

全感應控制：綠燈時間和周期這兩大指標會與根據交叉口的檢測器檢測出來的交通流大小有很大關系，隨著它們的變化而變化。一般情況下，相位的順序都是事先定好的，各個相位的最小與最大綠燈時間也是事先已經定好了的。但是相位可以設置可選，如果在此相位中沒有檢測到有車輛到達，那么就可以跳過該相位，來運行其他的相位[3]。

2.3 自適應控制

主要包含兩種，一種是根據檢測器檢測參數實時生成信號配時，通過評估系統評估后下發信號控制器執行，另外一種是根據交通參數的變化，生成多種配時方案，根據實時的時段或參數觸發機制，完成多種信號控制方案的智能切換。

（1）實時交通信號模擬系統：交通模型貯存在中央計算機內，以綜合目標函數（延誤時間、停車次數、擁擠程度及尾氣排放量等）的預測值為依據，對采集到的實時交通狀況信息（流量、速度、占有率等）進行分析，同時對控制區域交通信號配時參數作優化調整，并且為了把交通量圖式預測準確性進一步提高，避免控制方的不正常波動，對各項交通信號配時參數的優化調整均小步距且頻繁地進行[4]。

（2）方案智能選擇切換系統：系統投入運行之后，對交通量等級與配時參數的對照關系進行執行。即針對不同等級的交通量，選擇響應最佳配時參數組合，然后將這套事先制定好的交通量與配時參數的對應組合關系儲存在中央控制器中。中央控制器再根據輸在各個路口的車輛檢測器反饋的車流參數，來自動選擇合適的配時參數，從而依據所選定配時參數組合對路網交通信號進行實時控制[5]。

3 交叉口信號控制方式選擇

交叉口信號控制方式的選擇，取決于幾個關鍵條件：一是交叉口類型及渠化特征，二是交通流的組成特征，三是行人和非機動車的干擾特征，四是路口感知設備的應用情況，五是關聯路段及交叉口的交通流分布情況。一般而言，主要按照以下幾個步驟進行處理：

（1）實地調研，調研對象包含上述的幾個條件，交叉口基本特征、交叉口渠化信息、交通流組成、行人和非機動車流量分布、交叉口交通流感知設備信息以及相鄰交叉口及路段的交通流分布情況等；

（2）數據分析，通過對調研數據的整理分析，了解行人、非機動車及機動車的流量分布變化情況，以及交通渠化對現狀交通的影響；

（3）模型建立，以交叉口通行能力最大化為目標，在考慮關聯區域整體通行提升的基礎上，充分考慮交叉口渠化、行人和非機動車流量、關聯交叉口通行能力變化等影響因子，建立交叉口信號控制模型，并尋求信號控制策略的最優解；

（4）模型校核，通過模型輸出參數的數據與現狀調查的數據相互比較，校核結果是否符合實際情況；

（5）仿真優化，在校核后的模型基礎上，對交叉口渠化、車道功能等進行優化設計，模型中表現為相應的參數信息變化，并進行信號配時優化，利用Vissim仿真工具最后對各優化方案進行評估，確定最優方案。

4 案例分析

以合肥市高新區黃山路與科學大道交叉口為例，闡述平面交叉口信號控制方案設計的具體思路。

黃山路與科學大道交叉口是高新區建成區一個關鍵交叉口，黃山路為東西走向的一條主干道，科學大道為南北走向的一條主干道，特別在高峰期間流量比較大，是一個特別有代表性的交叉口。如圖1所示。

4.1 基礎調查

黃山路與科學大道交叉口為十字交叉口，黃山路東西向均為五進四出，進口道均為直行和左轉各一條車道，直行三車道；科學大道南北向均為四進四出，進口道均為執行和左轉各一條車道，直行兩車道，如圖2所示。

4.2 數據分析

通過對交叉口各個進口進行實地的調查得到各個進口道的實測交通流量，經過整理原始數據得到各進口的機動車流量。詳見圖3、4所示。

各進口道平均排隊長度如圖5所示。

交叉口排隊長度比較長的是北進口和南進口早晚高峰直行車道，特別是北進口早高峰和南進口早晚高峰時段擁堵比較嚴重，東西方向相對來說交通狀況良好，只有東進口的直左出道早高峰排隊較長。

4.3 模型建立

根據交叉口調研的渠化、交通流量（包括機動車、行人等）、飽和流量和信號配時等基本信息，通過Transyt及Vissim仿真軟件建立路網各時段（包括早高峰、晚高峰、平峰及夜間）現狀仿真模型，從而尋找路網最優配時方案，如圖6所示。

4.4 模型校核及仿真優化

根據不同時間段的流量分析及模型計算結果，形成了三種控制方案：一是將東西向靠近左轉車道的一條直行車道設置為可變車道，能夠應對高峰期左轉流量大，信號周期長，嚴重影響通行效率的局面；二是高峰期采用兩種周期的定時控制方式，可結合實際時段進行調整；三是平峰期和低峰期采用感應控制的方式，可有效減少車輛在路口的等待時間，提高平峰時期的通行效率。早晚高峰信號配時如表1、表2所示。

以延誤作為主要評價參數，早晚高峰路網配時優化前后主要參數對比表如表3所示。

由表3可知，早高峰信號配時優化后每輛車平均延誤降低了25%，總延誤降低了25%，總運行時間降低了12%，平均速度提高了14%。晚高峰信號配時優化后每輛車平均延誤降低了6%，總延誤降低了6%，總運行時間降低了3%，平均速度提高了3%。綜上分析，經過信號優化后車輛延誤明顯降低，提高了運行效率，從而緩解了交通擁堵，減輕了空氣污染。

5 結語

本文提出的非平衡轉向平面交叉口交通信號控制方法主要是針對現階段城市交叉口交通流分布不均等問題，從交叉口通行方式分配、參數分析、模型優化及仿真調整等幾個角度，達到交叉口通行效率最優的效果，提高交叉口通行能力，有效減少延誤，對緩解節點交叉口擁堵起到關鍵作用。

參考文獻

[1]管再保.平面交叉口交通控制研究[D].成都：西南交通大學，2004.

[2]諸云.基于交通流模式的交叉口動態信號控制研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[3]孫晴.城市平面交叉口信號控制的研究[D].長沙：長沙理工大學，2009.

[4]劉新華.交叉口交通組織優化方法研究[D].西安：長安大學，2006.

[5]錢蓓蕾.交叉口混合交通綜合性能評價研究[D].杭州：浙江大學，2006.