交通干線協(xié)調(diào)控制與評(píng)價(jià)

郭浩宇，王景升

（中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038）

引言

交通擁堵將會(huì)導(dǎo)致一系列的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題，緩解交通擁堵對(duì)于城市發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。包頭市東西向主干道鋼鐵大街歷經(jīng)多次規(guī)劃改建，在全天范圍內(nèi)行車速度仍較為緩慢且早晚高峰會(huì)出現(xiàn)擁堵，團(tuán)結(jié)大街作為平行于鋼鐵大街的城市次干道恰好可以為其分擔(dān)交通流，緩解交通擁堵問(wèn)題。

1 干線信號(hào)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法

1.1 干線信號(hào)協(xié)調(diào)原理

干線信號(hào)協(xié)調(diào)是利用統(tǒng)一信號(hào)配時(shí)，將干線上的若干個(gè)相鄰交叉口的信號(hào)配時(shí)視為為配時(shí)對(duì)象統(tǒng)一協(xié)調(diào)，使得車輛在經(jīng)過(guò)交叉口時(shí)能夠獲得更多綠燈時(shí)間，從而提高通行效率的一種控制方式[1]。干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制在一定程度上可以減少城市交通的車輛延誤、停車次數(shù)以及排隊(duì)長(zhǎng)度，提高城市干線道路的通行效率與服務(wù)水平[2]。

1.2 干線協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)方法

1.2.1 確定信號(hào)周期

根據(jù)交通調(diào)查所得歷史數(shù)據(jù)，按單點(diǎn)信號(hào)控制方法，計(jì)算每個(gè)交叉口信號(hào)周期，以所需周期時(shí)長(zhǎng)最大的交叉口為關(guān)鍵交叉口，該周期時(shí)長(zhǎng)為干線周期時(shí)長(zhǎng)[3]。

1.2.2 確定綠燈時(shí)間及綠波推進(jìn)速度

計(jì)算關(guān)鍵交叉口干線方向綠燈時(shí)間，以該時(shí)間為干線方向所必須保持的最小綠燈時(shí)間。綠波的推進(jìn)速度對(duì)于流量大的情況，采用流量、密度和速度方法，也就是調(diào)查車速，即車輛運(yùn)行的實(shí)際最高速度；在流量可控、沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)下，可以按照V=L/t（V—綠波速度，m/s；L—協(xié)調(diào)干線長(zhǎng)度, m；t—期待車輛通過(guò)干線時(shí)長(zhǎng)，s）定綠波設(shè)計(jì)車速。

1.2.3 確定相位差

單向相位差可以取車隊(duì)在路段中運(yùn)行時(shí)間，雙向相位差可以使用圖解法與數(shù)解法確定。

2 團(tuán)結(jié)大街信號(hào)協(xié)調(diào)方案

2.1 現(xiàn)階段配時(shí)方案

團(tuán)結(jié)大街由東向西沿途有三個(gè)交叉口，分別是團(tuán)結(jié)大街-林蔭路交叉口、團(tuán)結(jié)大街-鞍山道交叉口、團(tuán)結(jié)大街-白云鄂博路交叉口。現(xiàn)階段黃燈時(shí)長(zhǎng)均為3 s，信號(hào)配時(shí)情況見(jiàn)表1、表2。

表1 早高峰時(shí)段團(tuán)結(jié)大街信號(hào)配時(shí)

表2 平峰時(shí)段團(tuán)結(jié)大街信號(hào)配時(shí)

現(xiàn)階段配時(shí)在早高峰期間給平行于林蔭路的民族西路、民族東路西向東方向帶來(lái)了通行壓力；平峰期間各交叉口周期過(guò)長(zhǎng)，但東西雙向綠波帶寬僅為5 ～8 s，各方向空放時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，造成延誤。針對(duì)以上情況，提出了早高峰期間東向西方向形成綠波帶，加快車輛出城速度，減少市區(qū)內(nèi)通行壓力和平峰期間雙向綠波減少延誤和提高車輛行駛素的兩種分時(shí)段信號(hào)配時(shí)方案。

2.2 早高峰時(shí)段優(yōu)化配時(shí)方案

2.2.1 確定信號(hào)周期

早高峰時(shí)段經(jīng)過(guò)計(jì)算，三個(gè)交叉口中團(tuán)結(jié)大街-林蔭路，團(tuán)結(jié)大街-白云鄂博路飽和度均超過(guò)0.95，故應(yīng)采用實(shí)用周期公式：

式中：C0—最佳周期，s；Y—周期損失時(shí)間，s；L—交叉口關(guān)鍵流率比；V—交叉口流量，veh/s；C—交叉口通行能力，veh/s。

計(jì)算得團(tuán)結(jié)大街-林蔭路交叉口周期最長(zhǎng)為112 s，以該時(shí)長(zhǎng)為三個(gè)交叉口的共同信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)。

2.2.2 確定綠燈時(shí)間及綠波推進(jìn)速度

根據(jù)各相位流率比算出分配系數(shù)，得出綠燈時(shí)間相序見(jiàn)表3（黃燈時(shí)間均為3 s）。東向西方向的綠波速度按照車輛能達(dá)到的最高速度35 km/h 設(shè)定，調(diào)查得西向東方向行駛平均車速為11.40 km/h，西向東方向按車輛實(shí)際運(yùn)行速度設(shè)定。

表3 早高峰時(shí)段優(yōu)化后團(tuán)結(jié)大街信號(hào)配時(shí)

2.2.3 確定相位差

單向綠波相位差采取調(diào)試的方法，最終確定三個(gè)交叉口相位差為0-33-78。

2.3 平峰時(shí)段優(yōu)化配時(shí)方案

2.3.1 確定信號(hào)周期

平峰時(shí)段各交叉口按照webster method 計(jì)算最佳周期：

式中：C0—最佳周期，s；Y—周期損失時(shí)間，s；L—交叉口關(guān)鍵流率比；k1、k2—實(shí)驗(yàn)計(jì)算所得固定值，k1=1.5, k2=5。

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)得出團(tuán)結(jié)大街-林蔭路交叉口最佳周期最長(zhǎng)為76 s，以該時(shí)長(zhǎng)為3 個(gè)交叉口的共同信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)。

2.3.2 確定綠燈時(shí)間及綠波推進(jìn)速度

根據(jù)各相位流率比算出分配系數(shù)，最終得出綠燈時(shí)間相序見(jiàn)表4（黃燈時(shí)間均為3 s）。東西方向綠波推進(jìn)速度均按綠波設(shè)計(jì)速度確定，西向東方向綠波推進(jìn)速度為40 km/h，東向西方向林蔭路至鞍山道綠波推進(jìn)速度為42 km/h，鞍山道至白云鄂博路綠波推進(jìn)速度為38 km/h。

表4 平峰時(shí)段優(yōu)化后團(tuán)結(jié)大街信號(hào)配時(shí)

2.3.3 確定相位差

由于協(xié)調(diào)綠波東向西方向兩段推進(jìn)速度不同，故采用改進(jìn)的圖解法來(lái)確定相位差，由于改進(jìn)圖解法所繪制的時(shí)距圖的直觀性，在某些交叉口不改變綠信比的條件下適當(dāng)?shù)卣{(diào)整相序、相位并設(shè)置搭接相位，可以確保在干道不同行駛方向都能取得較良好的綠波效果[4]。步驟見(jiàn)圖1：（1）A、B、C 分別代表團(tuán)結(jié)大街-林蔭路交叉口、團(tuán)結(jié)大街-鞍山道交叉口、團(tuán)結(jié)大街-白云鄂博路交叉口。首先從A到B 段東向西方向進(jìn)行圖解，從交叉口A 的向西直行綠燈起始時(shí)刻引一條相當(dāng)于 42 km/h 的斜線①，此斜線與 AA'、BB'分別交于點(diǎn)A1、B1，B1 點(diǎn)與B路口向西直行起始時(shí)刻有一小段時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔為B 路口東向西方向的啟動(dòng)清空時(shí)間，這樣B路口的向西直行綠燈起始時(shí)刻確定。（2）再對(duì)B到C 兩個(gè)交叉口進(jìn)行圖解，從B1 處繼續(xù)引相當(dāng)于38 km/h 的斜線①與CC'相較于C1，C1 點(diǎn)與C 路口向西直行起始時(shí)刻有一小段時(shí)間間隔，此時(shí)間間隔為C 路口東向西方向的啟動(dòng)清空時(shí)間，這樣C 路口的向西直行綠燈起始時(shí)刻確定。（3）作斜線①的平行線②，從A1 點(diǎn)開(kāi)始向右平移，觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)斜線②平移至A 路口向西直行結(jié)束時(shí)刻 A2'時(shí)，剛好能兼顧B 與C 路口的東向西時(shí)段，此時(shí)已達(dá)到斜線②平移的極限。記斜線②與BB'交于 B2'點(diǎn)。（4）從B2'點(diǎn)繼續(xù)做B1 點(diǎn)延伸出來(lái)的斜線①的平行線斜線②，與CC'相交于C2'，此時(shí)發(fā)現(xiàn)相交點(diǎn)已超過(guò)交叉口C 的綠燈時(shí)間，所以將交叉口AB、BC 間斜線②同時(shí)向左平移，直到斜線②與AA'相交于A交叉口綠燈結(jié)束前3 s 處A2，此時(shí)能同時(shí)兼顧C(jī) 交叉口的綠燈時(shí)間形成綠波，此時(shí)斜線②與BB'相交于B2，與CC'相交于C2。（5）采用同樣的方法，在兼顧從東向西綠波帶的前提下，可以適當(dāng)調(diào)整各交叉口的綠燈起始位置（即適當(dāng)?shù)刈笥乙苿?dòng)AA'，BB'，CC'），做出從西向東的綠波帶，從而實(shí)現(xiàn)干線的雙向綠波信號(hào)控制。（6）以縱軸為基準(zhǔn)線，通過(guò)圖1 量出此干線早高峰時(shí)段的綠波控制方案的相位差，得出此時(shí)由東向西相位差為0-37-1，由西向東相位差為0-39-75。

圖1 團(tuán)結(jié)大街平峰時(shí)段時(shí)距

根據(jù)圖解法得出團(tuán)結(jié)大街東西方向雙向綠波帶寬為17 s，帶寬效率22.4 %。

3 干線信號(hào)協(xié)調(diào)仿真評(píng)價(jià)

3.1 動(dòng)態(tài)仿真評(píng)價(jià)

VISSIM 是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，主要用于城市交通和公共交通運(yùn)行的交通建模，是評(píng)價(jià)交通工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃方案的有效工具[5]。由于VISSIM 軟件能模擬現(xiàn)實(shí)狀況下的駕駛行為與跟車行為，因此，在交叉口混合交通研究中，能較為真實(shí)地反映交叉口的交通狀況[6]。

由于干線協(xié)調(diào)的目的是使車輛快速通過(guò)交叉口，故選取交叉口延誤、服務(wù)水平、東西方向行程車速和停車次數(shù)4 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，A、B、C 分別代表團(tuán)結(jié)大街-林蔭路交叉口、團(tuán)結(jié)大街-鞍山道交叉口、團(tuán)結(jié)大街-白云鄂博路交叉口。

3.1.1 早高峰期間團(tuán)結(jié)大街優(yōu)化前后對(duì)比

早高峰期間團(tuán)結(jié)大街優(yōu)化前后延誤和服務(wù)水平對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 早高峰期間團(tuán)結(jié)大街優(yōu)化前后延誤、服務(wù)水平對(duì)比

現(xiàn)階段早高峰期間三交叉口間東向西方向行駛平均行程車速為12.11 km/h，優(yōu)化后平均行程車速為 20.4 km/h，提升68.5%；停車次數(shù)由2.15 減少為1.72。

3.1.2 平峰期間團(tuán)結(jié)大街優(yōu)化前后對(duì)比

平峰期間由于考慮東西向干線協(xié)調(diào)所以造成部分交叉口南北向延誤稍有增加，見(jiàn)表6。

表6 平峰期間團(tuán)結(jié)大街優(yōu)化前后對(duì)比

現(xiàn)階段平峰期間三交叉口間東向西方向行駛平均行程車速為28.6 km/h，西向東方向行駛平均行程車速為26.3 km/h，優(yōu)化后東向西平均行程車速為35.2 km/h，提升23.07 %，西向東平均行程車速為33.6 km/h，提升27.76 %；停車次數(shù)由2.15減少為1.72。

3.2 靜態(tài)仿真評(píng)價(jià)

PTV Vistro 是交通規(guī)劃的仿真軟件，可以優(yōu)化并重新計(jì)算信號(hào)周期，得出飽和度（VC），還可對(duì)綠波帶進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，團(tuán)結(jié)大街兩時(shí)段時(shí)空距離見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 早高峰時(shí)空距離

圖3 平峰時(shí)空距離

可以看出，早高峰期間團(tuán)結(jié)大街東向西方向綠波帶寬33 s，帶寬效率29.46 %，相位差0-33-78；平峰期間東西方向雙向綠波帶寬為17 s，帶寬效率22.4 %，達(dá)到了較好的綠波，可以有效減少東西向停車次數(shù)，提高行程車速。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)團(tuán)結(jié)大街部分交叉口提出平峰期間和早高峰期間兩種協(xié)調(diào)控制信號(hào)配時(shí)方案，并利用PTV Vissim、Vistro 交通仿真軟件進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，取得了較好的優(yōu)化結(jié)果。城市交通系統(tǒng)是一個(gè)協(xié)同的整體，在取得團(tuán)結(jié)大街東西方向綠波帶的同時(shí)可能對(duì)各交叉口南北向乃至其他更遠(yuǎn)路段產(chǎn)生一定的影響，還需要更深層次分析。而且，還需要對(duì)早晚高峰期間對(duì)出城方向綠波控制進(jìn)城方向紅波控制這一信號(hào)控制方法的可行性做進(jìn)一步研究。