干線交叉口信號協調控制優化設計及評價分析

張宇寧 王景升

摘要：文章以遼寧省大連市長春路干線中部的三個交叉口為實例，基于干線信號協調控制的基本原理與方法，對各交叉口的信號配時進行優化設計，并運用PTV Vissim、Vistro等仿真軟件對優化方案進行仿真評價分析，取得了較好的效果。

關鍵詞：干線協調;信號配時;交通調查;仿真評價

中圖分類號：U491. 5+1 文獻標識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 043

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0163 - 04

0 引言

近年來，隨著機動車保有量的井噴式增長，越來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“主動脈”，其重要性不言而喻。因此，結合實地情況，實現干線交叉口協調控制對城市道路交通管理與控制具有重要價值。

本文結合干線協調基本原理與方法，通過大連市長春路干線信號協調控制實例，設計優化方案，并利用PTV Vissim、Vistro等仿真軟件，對優化效果進行評價。

1 干線信號協調控制的設計思路

1.1 干線信號協調控制的工作原理

干線信號協調是連接干道上相鄰交叉口的交通信號，通過特定的配時方案，使車輛在通過這些交叉口時，不會經常遇上紅燈，從而提升通行效率的一種交通控制方式[1]。

1.2 干線信號協調的基本步驟

1.2.1 優化周期

根據單點控制配時方法，利用韋伯斯特公式計算各交叉口周期，選取周期最長的交叉口作為關鍵交叉口，而關鍵交叉口的周期就是系統的共同周期[2]。

1.2.2 確定綠燈時間

利用等飽和度（或不等飽和度）算法確定關鍵交叉口與非關鍵交叉口在協調方向上以及非協調方向上的綠燈時間。

1.2.3 確定綠波速度

綠波的推進速度V是研究干線協調的一個重要參數，它取決于路段上車流的平均空間速度。

1.2.4優化相位差

常見的優化方法有圖解法、數解法。

（1）圖解法

圖解法的基本思路是：通過幾何作圖的方法，反復調整通過帶速度和周期時長，最終獲得理想的綠波帶寬。

（2）數解法

數解法的本質是通過尋找使得系統中各實際信號距理想信號的最大挪移量最小來獲得最優相位差控制方案的方法[3]。

1.3 干線信號協調的意義及注意事項

交叉口信號間的協調優化，使得交通流在交叉口處遇到綠燈信號時而不停車等待[4]。應用干線信號協調控制后與應用前相比，將會顯著降低車輛的停車延誤時間，提升整條干線的交通流量和服務水平，避免交通堵塞，減少污染[5]。其中，實現“綠波交通”的關鍵是精確設計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調控制。實踐表明，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間致使車輛延誤時間增加，通行能力反而下降。因此在優化時，也需要考慮非干線車流的影響，為車流提供均等的服務[7]。

2 干線信號協調控制優化方案設計

長春路是連接大連市內四區的交通要道，交通量較大，沿途有三個重要的交叉口，由北向南依次為民政街一長春路交叉口、中山路一長春路交叉口、五四路一民政街交叉口。三個交叉口的信號配時數據如表1所示。

在調查時發現，高峰期南北方向車輛受紅燈阻滯現象嚴重，五四路一長春路北進口排隊的車輛甚至會溢出至下一交叉口（即中山路一長春路交叉口）。如圖1所示。

利用前期采集的流量數據，計算各進口道流率比，依據等飽和度原理，計算出優化后的各相位綠燈時間，具體數據如表2所示。

2.1 優化方案一

2.1.1 確定共同周期、綠信比

根據各交叉口的交通量和飽和流量，利用韋伯斯特公式對各交叉口進行單點優化：

2.1.2 確定綠波推進速度、相位差

鑒于3個路口間距分別為184 m、153 m，路口間距較小，故采用同步式協調控制，即在同一時刻，相鄰交叉口對干道車流顯示相同的燈色，相位差為零，車流推進速度擬為40 km/h，接近城市道路車速的上限值。

2.2 優化方案二

2.2.1 確定協調控制的共同周期、綠信比

考慮到方案一中關鍵交叉口（五四路一長春路）的南北方向左轉車流對干線協調的影響過于顯著，故在高峰期對五四路一長春路交叉口南北方向采取禁左的措施，在滿足行人過街要求的最小綠燈條件下，改變五四路一長春路交叉口的相位后，重新對其進行單點優化。具體數據如表3所示。

2.2.2 確定相位差

對南北干線采用交互式信號協調，即當行駛時間t為信號周期C/2的整數倍時，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——上行行駛時間（s）;

t21 ——下行行駛時間（s）;

C——共同信號周期（s）。

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

在此基礎上利用圖解法，進一步優化相位差。為方便表述，依次給交叉口進行編號，五四路一長春路、中山路一長春路、民政街一長春路依次記為A、B、C，橫坐標反應各交叉口之間的距離，縱坐標反應時間過程，各豎線上的粗線段表示綠燈時段，細豎線表示紅燈時段，具體步驟如下：

（1）從A點引一條斜線，代表速度推進線，其斜率等于車輛平均速度的倒數。此斜線與BB'上的交點設為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間、車速，直至綠波帶寬達到最大。

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，為周期時長的28%。

3 干線信號協調控制優化方案仿真評價

3.1 優化方案的靜態評價

Vistro是由德國PTV公司研制開發，提供交通工程與交通規劃評估研究的軟件，其中包含評估所需全部工具，是一種靜態交通評價軟件[8]。為檢驗實行干線協調后的綠波帶效果，選取Vistro仿真軟件，對實行線控后的綠波帶寬度進行分析評價（見表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，優化效果更佳。

3.2 優化方案的動態評價

PTV Vissim是一個離散的、隨機的、以1/10 s為時間步長的微觀仿真模型軟件。其中，車輛的縱向運動采用了心理一生理跟車模型，橫向運動（車道變換）采用了基于規則（Rule- based）的算法。Vissim仿真軟件用于描述交通行為的參數主要有：車輛參數、換道參數、強制換道參數、跟馳行為參數、橫向行為參數等[9]。

由于本文主要關注干線的通行狀況，故選取交叉口延誤、行程車速、停車次數三個重要指標進行優化方案的對比分析。為方便記錄，將民政街一長春路、中山路一長春路、五四路一長春路交叉口分別編號為1、2、3。如表5～7所示。

由表5～7可以看出，協調后車輛通過交叉口的停車次數、停車延誤基本都有所降低，行程車速大幅度提升。

相比于優化方案一，方案二的各項指標值在整體上都有更大程度的改善，說明該方案具有更強的優越性。但該方案也存在一定問題，即實行禁左后車輛的繞行距離可能會加大，可選取區域路網通行能力為評價指標，分時段禁左，減少車輛繞行給其他道路帶來的交通壓力。鑒于篇幅有限，在此不做展開。

4 結語

通過對長春路干線的調查和分析，優化交叉口配時并相應地輔以渠化措施，利用PTV Vissim，Vistro交通仿真軟件標定參數，輔助分析模型，取得了較好的優化效果。但由于受到交叉口間距的限制，在相位差優化方式的選擇上具有一定的局限性，各類相位差優化方法及其適用條件還有待于進一步研究。

參考文獻

[1]于吳坤.道路交通干線協調控制信號配時方法研究及應用[D].南京：東南大學，201 5.

[2]賀冰花.城市干線交通信號協調控制優化與仿真研究[D].西安：長安大學，2014.

[3]栗紅強.城市交通控制信號配時參數優化方法研究[D].長春：吉林大學，2004.

[4]胥勇.城市干線信號協調控制方法研究[D].大連：大連理工大學，2009.

[5]臧利林，賈磊，羅永剛.交通干線相鄰交叉口動態協調控制研究[J].公路交通科技，2007（7）：103 -106，1 58.

[6]王煒，過秀成.交通工程學[M].南京：東南大學出版社，2000.

[7]張亮.流量不對稱信號交叉口干線協調控制方法研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[8]臧志剛，陸鋒，李海峰，等.7種微觀交通系統的性能評價比較研究[J].交通與計算機，2007，25（1）：66 - 70.

[9]褚建萍.典型城市信號交叉口通行能力及交通仿真分析[D].西安：長安大學，2009.

作者簡介：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。

基金項目：國家科技支撐計劃課題項目“振興城市智能交通管理規劃”（2013BAG18BOO）