雙向綠波信號控制優(yōu)化研究

吳剛，葉婉君，白鈺潔，馬禎，林國靖，秦鐘

雙向綠波信號控制優(yōu)化研究

吳剛，葉婉君，白鈺潔，馬禎，林國靖，秦鐘

（廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006）

為研究雙向綠波信號控制在實際交通狀態(tài)下的應(yīng)用，根據(jù)干線協(xié)調(diào)控制原理和興南大道的道路交通狀況，對興南大道進行雙向綠波信號控制優(yōu)化研究，提出了考慮滯留車輛條件下的雙向綠波優(yōu)化方案，并通過VISSIM驗證方案的有效性，結(jié)果表明加入滯留車輛計算后，興南大道在雙向綠波方案下相關(guān)指標有所優(yōu)化，滯留車輛的雙向綠波信號控制在實際工作中應(yīng)用效果較好。

干道協(xié)調(diào)；雙向綠波；滯留車輛；微觀仿真

從汽車出現(xiàn)開始，道路基礎(chǔ)設(shè)施與交通需求之間的矛盾便從未消失，特別是中國經(jīng)濟水平的不斷提高，居民擁有汽車的門檻不斷降低，道路擁堵問題越發(fā)成為常態(tài)。盡管國家大力倡導(dǎo)公共交通出行，但公共交通舒適度較低，且私家車出行量仍舊龐大，交通擁堵問題仍然無法有效解決，因此，從交通管理的角度，綠波信號控制便成為廣大學者研究的重點之一。國外學者LITTLE等人開發(fā)的MAXBAND系統(tǒng)計算擁有最大綠波相位的配時方案[1]，國內(nèi)沈國江等人利用模糊控制算法對雙向綠波進行優(yōu)化[2]，王東建立了以相位差為控制變量的雙向交通流動態(tài)優(yōu)化控制模型[3]。本文將基于滯留車輛的影響研究雙向綠波信號控制模型，并以興南大道為例分析模型的可行性和優(yōu)化效果。

1 雙向綠波設(shè)計原理與方法

道路是城市的脈絡(luò)，在城市內(nèi)道路相互交織形成了數(shù)量繁多的交叉口[4]。為了保證出行便利，道路間距注定不會太大，也就意味著大部分相鄰交叉口間距會控制在一定范圍之內(nèi)，一般在300～1 000 m之間。在這種條件下，單點控制方案易造成干線車輛停車次數(shù)較高，停車延誤較大。單向綠波方案則是在干線上下行流量相差較大的情況，通過控制流量最大的車流方向，使車流在經(jīng)過每一個交叉口時，能夠剛好處于放行狀態(tài)，適用性較好，但對反向車流影響較大。而雙向綠波方案則是通過尋找適合的相位方案，通過設(shè)置合適的相位差使干線上下行車流能夠連續(xù)通過交叉口，降低停車延誤，提高道路通行效率。

1.1 雙向綠波配時設(shè)計

中國大部分交叉口都是采用各進口依次放行的相位方案，而這種相位方案很難實現(xiàn)雙向綠波信號控制，因此，在設(shè)計雙向綠波信號控制時，需要重新設(shè)計相位方案，使干線直行車流通行權(quán)處在同一個相位上，以十字交叉口東西方向為干線車流為例，雙向綠波控制信號相位一般設(shè)置為“東西進口直行”“東西進口左轉(zhuǎn)”，南北進口的相位方案則相對隨意，有兩種方式可以選擇。

配時方案設(shè)計則是基于各交叉口幾何形狀、流量、車速、通行能力等數(shù)據(jù)，利用webster法計算各交叉口周期，確定關(guān)鍵交叉口，并將其周期設(shè)置為公共周期，將其他交叉口富裕的綠燈時間分配到綠波相位上最終得到的[5]。

1.2 相位差計算

傳統(tǒng)相位差是通過計算車輛從第一個交叉口綠燈開始出發(fā)，到下一個交叉口時剛好遇到綠燈開始的這個時間差確定的[6]，如公式（1）所示：

式（1）中：i為相鄰交叉口的理想相位差，s；為相鄰交叉口間距，m；為車輛行駛車速，m/s；為整數(shù)；0為公共交叉口信號周期。

考慮實際情況下交叉口在每周期均會有一定的車輛滯留在交叉口，而這部分車輛在綠燈時會優(yōu)先通行，從而影響綠波帶的使用效率。因此在計算相位差時應(yīng)當考慮此類影響，如公式（2）所示：

式（2）中：r為實際相位差，s；h為滯留車輛消散時間，s，可根據(jù)公式（3）計算。

式（3）中：為平均滯留車輛數(shù)，pcu；為平均車頭時距，s/pcu；s為排隊車輛啟動損失時間，s。

綠波計算則是使用數(shù)解法[7]，通過計算相鄰交叉口的理想間距，尋找干線上最大相鄰交叉口實際信號位置與理想信號的位移量之差，確定最適合的理想信號位置，確定連續(xù)行駛通過帶計算相位差，從而得到綠波信控配時。

2 案例分析與仿真

2.1 案例分析

興南大道位于廣州番禺區(qū)，為東西走向干道，沿線分布較多大型小區(qū)和商業(yè)中心，車流來往密切，沿線交叉口在高峰時段易出現(xiàn)車輛停車次數(shù)較多的現(xiàn)象。由于興南大道沿線交叉口間距適宜、無路邊式公交站等易造成車輛延誤的交通設(shè)施，上下行交通量差距較小，比較適合雙向綠波信號控制方案實施，因此案例截取番興交叉（番禺大道北—興南大道）、登興交叉（登云大道—興南大道）、華興交叉（華南新城—興南大道）等3個交叉口進行分析，設(shè)計出2種雙向綠波信號控制方案，方案一是根據(jù)公式（1）設(shè)計的普通雙向綠波方案，其是在現(xiàn)狀相位方案上重新設(shè)計配時方案，用傳統(tǒng)相位差計算方式設(shè)計雙向綠波配時，方案二是根據(jù)公式（2）設(shè)計的優(yōu)化雙向綠波方案，其是重新設(shè)計相位方案和配時方案，用考慮滯留車輛的相位差計算方式設(shè)計雙向綠波配時。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，以番興交叉—登興交叉—華興交叉為序，現(xiàn)狀配時周期分別197 s、139 s、140 s；方案一配時公共周期為174 s，相對相位差分別為0 s、45 s、140 s，帶寬為24 s；方案二配時公共周期為141 s，相對相位差分別為 0 s、129 s、48 s，帶寬為22 s。

2.2 仿真評價

以東行車流為上行，西行車流為下行，通過微觀仿真技術(shù)，建立興南大道的仿真模型，得出排隊長度、延誤、停車次數(shù)等指標并以此對方案進行評價，使評價結(jié)果更加科學實際。

通過繪制興南大道路網(wǎng)CAD圖并導(dǎo)入VISIIM內(nèi)部建立仿真路網(wǎng)，輸入流量、車型、車速等相關(guān)參數(shù)，通過比較仿真得出的排隊長度和實際調(diào)查得到的排隊長度，對模型精度進行校正，最終使模型符合精度要求。

仿真結(jié)果顯示，較興南大道現(xiàn)狀，普通、優(yōu)化雙向綠波信號控制下交叉口最大排隊長度下降最大比例分別為14%、42%；普通、優(yōu)化雙向綠波信號控制下干線延誤下降比例上行分別為28%、49%，下行分別為38%、52%；普通、優(yōu)化雙向綠波信號控制下干線停車次數(shù)下降比例上行分別為4%、21%，下行分別為30%、31%。根據(jù)三個指標的分析結(jié)果，考慮滯留車輛下的雙向綠波控制方案對道路優(yōu)化程度和對傳統(tǒng)雙向綠波控制方案的優(yōu)化程度較好。

3 結(jié)束語

本文的主題為雙向綠波信號控制優(yōu)化研究，研究目的為通過對雙向綠波模型的深入研究，增強雙向綠波信號控制的實用性，能夠在更復(fù)雜的道路條件下優(yōu)化道路交通狀況，降低延誤，減少停車次數(shù)，提高通行效率。通過加入滯留車輛計算各相鄰交叉口之間的相位差，降低以傳統(tǒng)相位差設(shè)計的雙向綠波方案中滯留車輛對車隊前排的影響，并以興南大道為例，運用微觀仿真技術(shù)對優(yōu)化前后的雙向綠波方案進行仿真驗證。本文的雙向綠波信號控制配時計算是在傳統(tǒng)算法上加入滯留車輛的影響得出的，得出的結(jié)果仍未脫離綠波算法的基礎(chǔ)假設(shè)，沒有考慮駕駛員心理和習慣對車速的影響、行人過街影響和違章影響等諸多帶有主觀影響因素。因此，現(xiàn)實中為了使雙向綠波的應(yīng)用范圍更加寬廣，可以考慮建立多種主觀因素影響模型。

［1］LITTLE J D C，KELSON M D，GARTNER N H，et al.A program for setting signals on arteries and triangular networks［J］.Transportation Research Record，1981（795）：40-46.

［2］沈國江，徐衛(wèi)明.交通干線動態(tài)雙向綠波帶控制技術(shù)研究［J］.浙江大學學報（工學版），2008（9）：1625-1630.

［3］張玲玲.基于人工勢場跟馳模型的雙交叉口交通流仿真［D］.北京：北京交通大學，2013.

［4］高振鋒.淺談環(huán)形交叉口對城市交通的影響［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019，16（6）：233，235.

［5］徐建閩，李巋林.考慮干道瓶頸交叉口的雙向綠波協(xié)調(diào)控制［J］.北京工業(yè)大學學報，2018，44（12）：1528-1536.

［6］嚴新平，吳超仲.智能運輸系統(tǒng)原理、方法及應(yīng)用［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2006.

［7］吳兵，李曄，佩昆，等.交通管理與控制［M］.4版.北京：人民交通出版社，2009.

2095－6835（2020）20－0044－02

U491

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.016

吳剛（1997—），男，寧夏銀川人，本科在讀，研究方向為智能交通、交通控制、圖像處理。

秦鐘（1972—），男，山東棗莊人，碩士研究生，副教授，研究方向為智能交通、交通控制、圖像處理。

〔編輯：王霞〕