城市道路干線協(xié)調(diào)控制信號(hào)配時(shí)優(yōu)化研究
——以蘭州市交叉口為例

馬淑梅 康清鵬 馬忠學(xué)

蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 甘肅 蘭州 730000

1.1 叉口現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)

受“河谷型”地形的限制，蘭州市城關(guān)區(qū)人口過(guò)度集聚，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，小汽車(chē)出行比例較高，城市交通設(shè)施承載的交通流迅速增加，難以滿足增長(zhǎng)的出行需求，道路建設(shè)在創(chuàng)造規(guī)模效益的同時(shí)，已凸顯邊際效益遞減的趨勢(shì)，城市交通陷入交通擁堵、出行體驗(yàn)差的困境[1]。在資源環(huán)境約束和高質(zhì)量發(fā)展的背景下，不應(yīng)再過(guò)分追求設(shè)施規(guī)模，而需要更加重視空間優(yōu)化、組織管理乃至系統(tǒng)優(yōu)化以尋求設(shè)施的最大化利用，提高城市交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的能力。

本文選取蘭州市城關(guān)區(qū)典型道路作為研究對(duì)象，先利用交叉口可靠度模[2]型對(duì)單點(diǎn)交叉口進(jìn)行研究，分析現(xiàn)狀交叉口存在的問(wèn)題并提出優(yōu)化方案，然后采用干線協(xié)調(diào)控制[3]交叉口進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，最后通過(guò)VISSIM軟件仿真檢驗(yàn)方案的合理性、可行性。

1 現(xiàn)狀分析

研究路段平?jīng)雎罚|崗西路—火車(chē)站）是南北向的一條交通性主干道，雙向4車(chē)道，路段長(zhǎng)1.8km，由南向北依次與火車(chē)站西路、和政路、民主東路、麥積山路、甘南路、東崗西路-慶陽(yáng)路相交，交叉口均為平面交叉，交叉口平均間距300m。路段沿線地塊開(kāi)發(fā)成熟，商業(yè)、辦公用地集中，道路沿線分布有汽車(chē)站、火車(chē)站、廣場(chǎng)商圈、多所中小學(xué)校，地鐵2號(hào)線沿該路段南北向布置，路段人流密集、交通量較大，高峰時(shí)段經(jīng)常發(fā)生交通擁堵[4]。

圖1 研究路段及交叉口平面圖

1.1.1 交叉口交通量

路段各交叉口交通流量（早高峰7：00-9：00，晚高峰18：00-19：30）如下表1。

表1 蘭州市城關(guān)區(qū)平?jīng)雎范卧绺叻褰徊婵诘慕煌髁?/p>

1.1.2 交叉口信號(hào)現(xiàn)狀配時(shí)方案

圖2 平?jīng)雎贰獤|崗西路交叉口現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案

利用VISSIM軟件仿真現(xiàn)狀交通運(yùn)行狀況，早晚高峰交通流量變化不大，但各交叉口普遍存在南北方向通行能力較低，除民主東路、和政路交叉口外，其余四個(gè)交叉口進(jìn)口道服務(wù)水平均介于E-F之間，較為擁堵，因此，需對(duì)各交叉口南北方向的信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)一步優(yōu)化以提高服務(wù)水平和通行效率。各交叉口評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 平?jīng)雎犯鹘徊婵诳煽慷燃敖徊婵谘诱`、服務(wù)水平

2 交叉口信號(hào)配時(shí)方案優(yōu)化

2.1 單點(diǎn)優(yōu)化

本文采用粒子群算法[7]求得交叉口信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)和相位綠燈時(shí)間，因研究路段早、晚高峰交通量變化較小，優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)方案可同時(shí)用于早、晚高峰。

2.1.1 平?jīng)雎?東崗西路交叉口

圖3 優(yōu)化后早高峰、晚高峰信號(hào)配時(shí)方案

① 該交叉口位于廣場(chǎng)商圈，人流量、車(chē)流量均較大，沖突點(diǎn)多，信號(hào)周期延用現(xiàn)狀周期時(shí)長(zhǎng)150s。

② 相序：南、北進(jìn)口相位設(shè)置為搭接相位，優(yōu)先放行交通量較大的南進(jìn)口直行車(chē)道、左轉(zhuǎn)車(chē)道，30s后南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車(chē)道停止同時(shí)放行北進(jìn)口直行車(chē)道；最后放行北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車(chē)道，在時(shí)空上分離直行與左轉(zhuǎn)車(chē)流，從而消除直行與左轉(zhuǎn)沖突點(diǎn)，雖減少了南、北進(jìn)口直行車(chē)道的綠燈相位時(shí)長(zhǎng)，但避免了因沖突造成車(chē)輛滯留交叉口內(nèi)。

2.1.2 平?jīng)雎?甘南路交叉口

圖4 優(yōu)化后早高峰、晚高峰信號(hào)配時(shí)方案

① 該交叉口西北角有初中、小學(xué)，早、晚接送學(xué)生的車(chē)流量較大，交叉口內(nèi)非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人與機(jī)動(dòng)車(chē)的沖突點(diǎn)多，車(chē)輛通行效率低，故將信號(hào)周期從100s增加至110s，適當(dāng)增加車(chē)輛通行的綠燈時(shí)間。

② 相序：優(yōu)先放行交通量較大的北進(jìn)口直行車(chē)道、左轉(zhuǎn)車(chē)道，17s后放行南進(jìn)口直行車(chē)道，減少對(duì)向車(chē)輛沖突。

③ 在交叉口設(shè)置“潮汐車(chē)道”，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車(chē)輛借助潮汐車(chē)道通行。

④ 優(yōu)先放行單側(cè)行人，避免左轉(zhuǎn)車(chē)輛與行人沖突，保障行人過(guò)街安全。

2.1.3 平?jīng)雎?麥積山路交叉口

圖5 優(yōu)化后早高峰、晚高峰信號(hào)配時(shí)方案

該交叉口信控優(yōu)化采用上一交叉口策略，以減少左轉(zhuǎn)車(chē)輛與直行車(chē)輛、左轉(zhuǎn)車(chē)輛與行人的沖突。

2.1.4 平?jīng)雎?民主東路交叉口

通過(guò)優(yōu)化模型計(jì)算，該交叉口整體服務(wù)水平為C，滿足現(xiàn)狀交通需求，不進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.5 平?jīng)雎?和政路交叉口

圖6 優(yōu)化后早高峰、晚高峰信號(hào)配時(shí)方案

① 經(jīng)評(píng)價(jià)，現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案能滿足交通需求。因該交叉口周?chē)卸嗨行W(xué)校及地鐵二號(hào)線站點(diǎn)，人流量、非機(jī)動(dòng)車(chē)流量均較大，故信號(hào)周期從75s調(diào)整為110s。

② 相序：先放行西進(jìn)口左轉(zhuǎn)和直行，再放行南、北進(jìn)口直行；因麥積山路和甘南路均為單行道，部分車(chē)輛在該交叉口掉頭和左轉(zhuǎn)，故設(shè)置南、北進(jìn)口道左轉(zhuǎn)相位，減少直行與左轉(zhuǎn)沖突。

2.1.6 平?jīng)雎?火車(chē)站西路交叉口

圖7 優(yōu)化后早高峰、晚高峰信號(hào)配時(shí)方案

① 該交叉口的信號(hào)周期由75s增加至90s。

② 相序：優(yōu)先放行各進(jìn)口道左轉(zhuǎn)，以減少直行和左轉(zhuǎn)沖突。

③ 調(diào)整行人過(guò)街信號(hào)時(shí)長(zhǎng)，減少左轉(zhuǎn)車(chē)輛與行人沖突，但火車(chē)站人流量較大，建議相關(guān)部門(mén)配合其他工程措施，如設(shè)置立體行過(guò)街設(shè)施，在時(shí)空上分離行人和車(chē)輛，確保交叉口秩序。

3 干線協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

圖8 研究路段交叉口示意圖

根據(jù)改進(jìn)的MAXBAND綠波帶控制模型對(duì)六個(gè)交叉口進(jìn)行干線協(xié)調(diào)控制。結(jié)合單點(diǎn)信號(hào)控制優(yōu)化得到各交叉口的周期時(shí)長(zhǎng)為：

在多個(gè)交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制中，確定公共周期不僅取決于單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)結(jié)果，還需要考慮交叉口間距。在信號(hào)控制系統(tǒng)中，為使各交叉口的交通信號(hào)能取得協(xié)調(diào)[8]，各個(gè)交叉口的周期時(shí)長(zhǎng)必須保持一致。為此，需按單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)方法確定交叉口信號(hào)配時(shí)方案，根據(jù)系統(tǒng)各交叉口的布局及交通量，計(jì)算各個(gè)交叉口交通信號(hào)所需的周期時(shí)長(zhǎng)，從中選出最大的周期時(shí)長(zhǎng)作為干線系統(tǒng)的周期時(shí)長(zhǎng)。在近代的控制系統(tǒng)中[9]，對(duì)交通量較小的交叉口可將信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)定成系統(tǒng)周期時(shí)長(zhǎng)的一半。因此公共周期需要經(jīng)過(guò)不斷試算求得。根據(jù)單點(diǎn)交叉口優(yōu)化方案，確定干線系統(tǒng)的周期時(shí)長(zhǎng)為：，對(duì)六個(gè)交叉口重新配時(shí)。計(jì)算結(jié)果如表3所示[10]。

表3 基于交叉口可靠度的MAXBAND綠波帶控制模型干線信號(hào)配時(shí)方案

通過(guò)VISSIM仿真，得到優(yōu)化后研究路段評(píng)價(jià)指標(biāo)，與現(xiàn)狀評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比如下：

圖9 平?jīng)雎?東崗西路交叉口優(yōu)化前后排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比圖

圖10 平?jīng)雎?東崗西路交叉口優(yōu)化前后車(chē)輛平均延誤對(duì)比圖

圖11 平?jīng)雎?甘南路交叉口優(yōu)化前后排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比圖

圖12 平?jīng)雎?甘南路交叉口優(yōu)化前后車(chē)輛平均延誤對(duì)比圖

由上圖可知，優(yōu)化后各進(jìn)口道車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度、平均延誤明顯降低，車(chē)輛停車(chē)次數(shù)減少，車(chē)道占有率低，且車(chē)流相對(duì)勻速，減少了車(chē)輛的油耗損失，提高了通行能力，減少了因排隊(duì)或相位時(shí)間不當(dāng)造成的車(chē)輛停車(chē)次數(shù)、延誤等。

4 仿真評(píng)價(jià)

以交通量為基礎(chǔ)，本文采用VISSIM交通軟件[11]對(duì)干線信號(hào)協(xié)調(diào)配時(shí)方案將進(jìn)行仿真，基于可靠度的單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)方案和干線協(xié)調(diào)配時(shí)方案與現(xiàn)狀方案綜合對(duì)比分析，結(jié)果如下表所示。

表4 各方案優(yōu)化前后評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合對(duì)比

上表對(duì)比結(jié)果表明：?jiǎn)吸c(diǎn)交叉口的優(yōu)化方案和干線協(xié)調(diào)控制方案在平均延誤、平均停車(chē)次數(shù)和排隊(duì)長(zhǎng)度上均優(yōu)于現(xiàn)狀方案。其中，干線協(xié)調(diào)優(yōu)化方案相比現(xiàn)狀方案，車(chē)輛平均延誤時(shí)間降低了47.70%，平均停車(chē)次數(shù)降低了23.03%，排隊(duì)長(zhǎng)度降低了50.88%。

5 結(jié)束語(yǔ)

城市交通具有隨機(jī)性和系統(tǒng)復(fù)雜性，本文在以下方面有待改進(jìn)。

（1）路網(wǎng)可靠度研究的關(guān)鍵是基于車(chē)輛到達(dá)的不確實(shí)性，因未考慮行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)的影響，存在模型中車(chē)輛到達(dá)交叉口的方差設(shè)定偏小的可能。另外延誤方差是通過(guò)假設(shè)給定某一延誤分布的基礎(chǔ)上獲得的，沒(méi)有具體分析延誤與信號(hào)控制之間的關(guān)系。

（2）在單點(diǎn)交叉口算例中，僅考慮車(chē)輛到達(dá)服從正態(tài)分布的情況，未考慮其他分布情況下的信號(hào)控制方案。在干線協(xié)調(diào)控制算例中，當(dāng)交叉口較多時(shí)，模型的適用性、可靠性有待進(jìn)一步探究。

（3）模型方面，均采用單目標(biāo)優(yōu)化，沒(méi)有考慮多目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化，且現(xiàn)有的研究多停留于宏觀框架和概念，實(shí)踐應(yīng)用成果較少，有待根據(jù)應(yīng)用情況反饋進(jìn)一步改進(jìn)。