基于Synchro 10 的交通管理與控制探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊 震，馬健霄

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

進(jìn)行交通管理與控制探索性實(shí)驗(yàn)前，需要充分掌握信號控制理論知識(shí)，包括：①信號周期、綠燈時(shí)間、飽和流量、流量比等信號配時(shí)參數(shù)，以及延誤、飽和度、服務(wù)水平等評價(jià)指標(biāo)的含義；②理解交叉口4 相位方案（包括對稱4 相位和進(jìn)口單獨(dú)放行相位）[13]和NEMA 雙環(huán)8 相位方案[14]的運(yùn)行機(jī)制；③根據(jù)交叉口交通量信息，選擇合理的進(jìn)口道布局方案，并進(jìn)行飽和流量的校正和交通量在各進(jìn)口道的分配。

2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的任務(wù)是通過設(shè)計(jì)交叉口的進(jìn)口道布局及相位方案，得到最優(yōu)的信號控制方案，使交叉口的運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到最佳。交叉口的道路幾何及交通量信息如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)交叉口的道路幾何及交通量信息

為使本實(shí)驗(yàn)具有探索性質(zhì)，在設(shè)計(jì)交叉口的交通量信息時(shí)，需注意2 個(gè)問題：

（1）交叉口相對的兩個(gè)進(jìn)口，其交通量具有不對稱性，例如東進(jìn)口的直行流量明顯大于西進(jìn)口，而左轉(zhuǎn)流量則相反，體現(xiàn)出4 相位方案和NEMA8 相位方案的區(qū)別；

（2）同一進(jìn)口各方向的流量具有不均衡性，如東進(jìn)口直行流量明顯大于左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)流量，而北進(jìn)口則相反，這樣可以使用組合車道優(yōu)化進(jìn)口道布局。

此外，交叉口的部分道路幾何及配時(shí)參數(shù)也在實(shí)驗(yàn)任務(wù)中給出，如交叉口區(qū)位、進(jìn)口道寬度、坡度、轉(zhuǎn)彎半徑、綠燈間隔時(shí)間、最短綠燈時(shí)間等，實(shí)驗(yàn)時(shí)將參數(shù)直接輸入Synchro 軟件的窗口中。

3 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

在給定了實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，按照以下4 個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，使交叉口飽和度、延誤及服務(wù)水平盡可能達(dá)到最優(yōu)。

3.1 交叉口模型構(gòu)建

Synchro 軟件提供了2 種構(gòu)建交叉口模型的方法：其一是手動(dòng)繪制，其二是導(dǎo)入底圖文件作為背景。Synchro支持格式為 bmp、jpg、dxf 等文件的電子地圖作為背景底圖，以供繪制交叉口模型時(shí)使用，用戶還可通過比例的設(shè)置來匹配交叉口的顯示尺寸。

3.2 進(jìn)口道布局方案設(shè)計(jì)

在構(gòu)建完交叉口模型后，點(diǎn)擊Home 選單欄中的“Lane Settings”按鈕，即可進(jìn)行進(jìn)口道布局方案的設(shè)計(jì)，如圖1 所示。在該步驟中，需要重點(diǎn)考慮的問題是如何靈活地運(yùn)用組合車道，使得交通流量和進(jìn)口道布局盡可能匹配，以提高交叉口的車輛通過效率。例如對于表 1 所示的交通量，東進(jìn)口直行流量明顯大于左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)流量，可考慮使用直左或直右組合車道；北進(jìn)口直行流量與左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)流量相比較小，可考慮使用左直右組合車道。

數(shù)據(jù)庫的原理和應(yīng)用一直以來都是高校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中的重要組成部分，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于學(xué)生的生活服務(wù)、課程體系開發(fā)及課堂教學(xué)系統(tǒng)中，這也給以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為主導(dǎo)的高校數(shù)據(jù)庫教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，在這樣的大背景下，我國高校應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，對數(shù)據(jù)庫課程體系進(jìn)行改革和創(chuàng)新，從而為社會(huì)發(fā)展培養(yǎng)出更多高素質(zhì)信息技術(shù)人才。可見，加強(qiáng)對大數(shù)據(jù)背景下高校數(shù)據(jù)庫課堂體系改革和教學(xué)模式創(chuàng)新的研究是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。

圖1 Synchro 10 進(jìn)口道布局方案輸入界面

由于在Synchro 中，交通流量需要由用戶手動(dòng)輸入，不會(huì)隨著組合車道的設(shè)置而自動(dòng)調(diào)整，因此在設(shè)置了組合車道后，還需要手動(dòng)校正流量在車道的分布。例如，在設(shè)置了直右組合車道后，一般假定右轉(zhuǎn)、直行和直右車道上的流量比相等[15]，即：

式（1）中：ya表示等效流量比；qT和qR分別表示直行和右轉(zhuǎn)方向的流量；ST和SR分別表示直行和右轉(zhuǎn)修正飽和流量，可在Lane Settings 界面的Saturated Flow Rate(prot)選項(xiàng)中找到；NT,NR和NTR分別表示直行、右轉(zhuǎn)和直右組合車道數(shù)目。得到了ya后，直行車道的流量qTL、右轉(zhuǎn)車道的流量qRL和直右組合車道的流量qTRL可通過式（2）—式（4）計(jì)算：

對于其他類型的組合車道，可按照相同的方法計(jì)算各車道的流量。在完成進(jìn)口道布局設(shè)計(jì)后，還需要點(diǎn)擊Home 選單欄中的“Volume Settings”按鈕，對交通流量進(jìn)行校正。本實(shí)驗(yàn)中可主要考慮行人流量、高峰小時(shí)系數(shù)和重型車比例這3 類校正系數(shù)。由于行人流量與右轉(zhuǎn)車輛存在沖突，故對右轉(zhuǎn)車輛的飽和流量有影響；對于高峰小時(shí)系數(shù)，交叉口的主要道路可取值0.75，次要道路可取值0.8；重型車的比例不作為本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，可設(shè)每個(gè)方向?yàn)?%。

3.3 信號配時(shí)方案設(shè)計(jì)

在輸入流量校正參數(shù)后，點(diǎn)擊 Home 選單中的“Timing Settings”按鈕，即可進(jìn)入信號配時(shí)參數(shù)的輸入界面，如圖 2 所示。該界面分為 3 部分，右側(cè)用于輸入各項(xiàng)信號配時(shí)參數(shù)，如相位編號、相位最小時(shí)長、綠燈間隔時(shí)間等；左側(cè)則顯示優(yōu)化以后的評價(jià)指標(biāo)，如信號周期、最大飽和度、平均延誤、服務(wù)水平等；下方為用戶設(shè)定的相位方案及優(yōu)化后各相位的時(shí)長。

圖2 Synchro 10 信號配時(shí)方案輸入界面

在輸入信號配時(shí)參數(shù)前，首先需要明確如何配置交叉口的相位結(jié)構(gòu)。Synchro 10 中默認(rèn)的相位結(jié)構(gòu)是NEMA8 相位，并且以南北向道路為參照（見圖3），可打開選單欄中Template → Edit Template Phases 按鈕查看。但為避免混淆，建議學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不要更改默認(rèn)的相位結(jié)構(gòu)，而通過修改Protected Phases 選項(xiàng)中的相位序號實(shí)現(xiàn)8 相位和4 相位的相互轉(zhuǎn)換。表2 提供了 Protected Phases 選項(xiàng)中一些典型相位結(jié)構(gòu)的編碼方式。

除了表2 所示的相位結(jié)構(gòu)外，還可以根據(jù)3.2 節(jié)所確定的進(jìn)口道布局，自行設(shè)計(jì)更靈活的相位方案，以達(dá)到更好的控制效果。此外，在輸入信號配時(shí)參數(shù)還需要注意：

（1）左轉(zhuǎn)相位的Turn Type 選項(xiàng)默認(rèn)為允許相位（perm），由于我國平面交叉口左轉(zhuǎn)流量較大，在本實(shí)驗(yàn)中需更改為保護(hù)相位（prot），在左轉(zhuǎn)與直行車道組合時(shí)需更改為分離相位（split）。

圖3 Synchro 10 的默認(rèn)相位結(jié)構(gòu)

表2 Synchro 10 典型相位結(jié)構(gòu)的編碼方式

（2）黃燈時(shí)間Yellow Time 和全紅時(shí)間All-Red Time 選項(xiàng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中的綠燈間隔時(shí)間而定：當(dāng)綠燈間隔時(shí)間≤3 s 時(shí)，可設(shè)置黃燈時(shí)間為3 s，不設(shè)全紅時(shí)間；當(dāng)綠燈間隔時(shí)間＞3 s 時(shí)，設(shè)置黃燈時(shí)間為3 s，其余為全紅時(shí)間。

（3） 各相位最短綠燈時(shí)間需在選項(xiàng) Minimum Split 中輸入，但該選項(xiàng)的意義是相位最小運(yùn)行時(shí)間，為最短綠燈時(shí)間加上綠燈間隔時(shí)間。

3.4 信號控制優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在信號配時(shí)方案設(shè)計(jì)完畢后，點(diǎn)擊Optimize 選單欄中Intersection 區(qū)域的Cycle Length 按鈕，即可對整體信號控制方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果顯示在信號配時(shí)參數(shù)界面的左側(cè)。其中Max v/c Ratio 選項(xiàng)表示交叉口所有進(jìn)口道中出現(xiàn)的最大飽和度，若該值小于 1.0，表明所有車道的飽和度均在1.0 以下，此時(shí)界面的右下角會(huì)出現(xiàn)綠色的“v/c ok”提示；若該值大于1.0，表明存在飽和度大于 1.0 的進(jìn)口道，界面的右下角會(huì)出現(xiàn)紅色的“v/c＞1”提示，但v/c＞1 并不一定表明信號配時(shí)方案不合理。Intersection Delay 選項(xiàng)表示交叉口各進(jìn)口道的平均延誤，其值越小表明交叉口運(yùn)行狀況越好。Intersection LOS 選項(xiàng)表示交叉口的服務(wù)水平，分為A、B、C、D、E、F 等6 個(gè)等級，等級越高表示交叉口運(yùn)行狀況越好。

由于最優(yōu)信號控制方案的獲得是反復(fù)試驗(yàn)和探索的過程，因此本實(shí)驗(yàn)的步驟需要學(xué)生反復(fù)進(jìn)行，通過調(diào)整進(jìn)口道布局，改變交叉口的相位結(jié)構(gòu)，得到最優(yōu)的信號控制方案。

4 結(jié)語

交通管理與控制探索性實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于 2018 屆本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。大部分學(xué)生能夠在3 課時(shí)內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)得到較優(yōu)的信號控制方案，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性有了明顯提高，對交通信號控制的概念和原理有了更深入的理解，也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程及畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)打下了良好的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生使用現(xiàn)代工具分析復(fù)雜交通管理與控制問題和優(yōu)化控制方案的能力，對交通工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)形成了更有效地支撐。本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)亦可與交通管理課程的其他實(shí)驗(yàn)（例如信號綠波實(shí)驗(yàn)）、交通仿真課程實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)有效銜接，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。