郭建鋼，林文燔，陳必太，黃海南，陳金山，張文星

（福建農林大學交通學院，福建福州 350002）

在城市交通路網(wǎng)中，平面交叉口因其復雜的交通現(xiàn)象，成為制約道路網(wǎng)絡高效運行的瓶頸。為了消除路網(wǎng)瓶頸，目前比較普遍做法是設法改善瓶頸交叉口的渠化設計和信號控制［1-2］；盡管這種做法對特殊交叉口有一定的現(xiàn)實意義［3-4］。但當一條干道上的多個信號控制交叉口的間距較小時，如果各信號控制交叉口追求獨立交叉口的交通利益，往往會犧牲整條干道的通行效率。因此，從交通管理與控制著手，將干道上的各交叉口組成一個線控系統(tǒng)進行協(xié)調控制，能夠有效地減少車輛的停車次數(shù)和延誤時間［5-7］。盡管干道協(xié)調控制的理論研究和探討文獻很多，也有一些應用實例，但能夠真正成功的工程應用例子甚少。為此，本文結合廈門市市府大道的交通信號控制優(yōu)化項目，以廈門市市府大道北段的白鷺洲路（見圖1）為研究對象，首先，根據(jù)早晚高峰時段3個交叉口的實際調查數(shù)據(jù)（交通量和信號配時參數(shù)等），應用Synchro軟件對原控制方式的交通運行狀況進行了評價。其次，根據(jù)實際交通量的“潮汐現(xiàn)象”，采取“分時段分方向”的信號協(xié)調控制策略，建立基于原配時方案的信號協(xié)調控制系統(tǒng)（以下簡稱“優(yōu)化前協(xié)調控制系統(tǒng)”）；最后，在應用Synchro仿真軟件優(yōu)化3個交叉口的最佳周期時長、公用周期時長和相位差等參數(shù)的基礎上，構建優(yōu)化后的信號協(xié)調控制系統(tǒng)，并比較優(yōu)化前后協(xié)調控制系統(tǒng)的控制效果。結果表明，優(yōu)化后的協(xié)調控制系統(tǒng)的控制效果更好。該設計方法可為其它類似工程改善提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象分析

信號協(xié)調控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計所需原始數(shù)據(jù)采集于廈門市市府大道北端的白鷺洲路。廈門市市府大道位于廈門島西南部，北起廈門市政府，南抵鷺江路，總體呈南北走向，貫穿城市碼頭區(qū)、舊城、新區(qū)和新區(qū)中心。其道路性質以客運為主，兼具交通和生活功能，是連接新區(qū)和舊城的城市主干道。白鷺洲路作為市府大道的一部分，承擔著疏導南北交通的重要角色，其中3個交叉口為毗鄰交叉口，幾何結構特征（見圖1）。

圖1 白鷺洲路段上3個交叉口的幾何結構特征Fig.1 Geometricalstructure characteristicsof three intersectionson Bailuzhou Road

1.2 數(shù)據(jù)調查方法

本次調查采用人工調查和視頻分析相結合的方法，主要內容包含：各交叉口的現(xiàn)狀交通量（見表1，換算系數(shù)見文獻［8］）和現(xiàn)狀信號控制配時方案（見表2）。經分析各交叉口全天的交通流量流向數(shù)據(jù)可以得出，該路段的早高峰時段為8：00-10：00；晚高峰時段為17：00-19：00。為了書寫簡便，設白鷺洲路與湖濱南路交叉口的編號為1，與禾祥西路交叉口的編號為2，與廈禾路交叉口的編號為3。

表1 各交叉口現(xiàn)狀流量流向統(tǒng)計表Tab.1 Existing traffic volumesof each intersection pcu·h-1

1.3 信號控制仿真分析和優(yōu)化方法

表2 各交叉口原控制方案匯總表Tab.2 Controlparam etersof each intersection

SYNCHRO是當前最快捷和精確的交通信號協(xié)調及配時優(yōu)化軟件，其中的SIMTRAFFIC是交通信號配時優(yōu)化和交通模擬的核心模型，具有信號配時參數(shù)（相位、周期時長、綠信比、相位差等）的優(yōu)化、交叉口的微觀仿真和方案優(yōu)劣的評價之功能。Synchro中沿用HCM2000對服務水平的定義和Webster延誤模型，采用控制延誤和百分比延誤計算方法（PDM），用于評價交叉口的服務水平，更加適合于信號控制方案的調整和優(yōu)化，以及在近飽和或者超飽和時的信號控制交叉口的延誤計算。

目前，白鷺洲路的3個交叉口均為單點定時控制方式（信號配時方案由廈門市公安交通管理局經過多次調整后確定，見表2），根據(jù)現(xiàn)狀渠化設計、交通流數(shù)據(jù)、交通組織和信號相位控制策略，對3個交叉口進行仿真，結果見表3。

表3 原信號控制方案時的仿真結果Tab.3 The simulation resultsbased on original controlparameters

表3中，“交叉口延誤”為3個交叉口的延誤總和；“路段”是指通過第1個交叉口的進口道停車線至第3個交叉口的進口道停車線的范圍；“路網(wǎng)”是指由白鷺洲路以及與之交叉的3條道路上游不小于200m的范圍所構成區(qū)域。

通過分析白鷺洲路段的交通量（見表1）以及路段延誤情況（見表3）可以發(fā)現(xiàn)，該路段的交通流存在著潮汐現(xiàn)象，早高峰時段由南往北的交通量和路段延誤較大，而晚高峰則相反。目前實際使用的線控系統(tǒng)中，以單向協(xié)調控制為主，因為實現(xiàn)雙向綠波的條件比較苛刻，如果勉強實施雙向綠波效果不好［9-10］。因此，根據(jù)白鷺洲路段的幾何結構特征、交通流特性以及仿真結果，本文提出“分時段與分方向相結合、采用半周期時長”的協(xié)調控制方法，即在早高峰時段采取由南往北協(xié)調控制；在晚高峰時段采取由北往南協(xié)調控制，并最大限度提高主控方向的綠波帶寬度。同時考慮到該路段的實際幾何參數(shù)和交通量，2號交叉口采用了半周期時長。

2 結果與分析

2.1 基于原配時方案的協(xié)調控制設計

由于原配時方案為單點控制，造成主線上的車輛行駛延誤較大，行駛速度較慢。因此，以這3個交叉口的原配時方案為基礎，根據(jù)提出的協(xié)調控制方法，建立優(yōu)化前的信號協(xié)調控制系統(tǒng)。同時，根據(jù)現(xiàn)實道路、交通及管理狀況，設定協(xié)調控制系統(tǒng)的設計帶速為40 km·h-1。

2.1.1 早高峰時段的協(xié)調控制設計

由于早高峰時段1號交叉口的周期時間最長（160 s），故將其設為關鍵交叉口，并取共用周期為160 s，調整3號交叉口周期至共用周期，南北相位為關鍵相位。由于2號交叉口為兩相位信號控制且周期較短，因此采取半周期（周期調整為80 s）。運用軟件計算出合適的相位差，最終將3號交叉口到2號交叉口的相位差調整為29 s，2號至1號交叉口的相位差調整為11 s，帶寬為30 s。并用SYNCHRO軟件進行仿真，結果見表4。

2.1.2 晚高峰時段的協(xié)調控制設計

在晚高峰時段，將1號交叉口為關鍵交叉口，共用周期176 s，南北相位為關鍵相位，調整3號交叉口周期至共用周期，2號交叉口的半周期為88 s。最終將1號交叉口到2號交叉口的相位差調整為19 s，2號至3號交叉口的相位差調整為37 s，帶寬為25 s。仿真結果見表4。

表4 基于原配時方案的早晚高峰時段協(xié)調控制結果Tab.4 The coordination controlsim ulation resultsbase on original controlparam eters

通過比較表4和表3可以發(fā)現(xiàn)，經過協(xié)調控制后，白鷺洲路上的各交叉口、路段和路網(wǎng)的各項指標均有改善。在早高峰時段，由南往北的交叉口延誤降低11.9%，路段延誤降低27.6%，路網(wǎng)總延誤降低10.7%，總行程時間減少了9.2%；在晚高峰時段，由北往南的4個指標分別改善為7.0%，14.6%，7.0%和4.7%。此外，車輛的停車次數(shù)也有所降低，主線速度都有提高。但在晚高峰時段的改善幅度較小。

2.2 基于單點信號控制優(yōu)化基礎上的協(xié)調控制優(yōu)化設計

為了進一步優(yōu)化干道協(xié)調控制系統(tǒng)，改善其通行效率，必須確定干道上每一個交叉口的最佳信號周期時長以及相位差。根據(jù)白鷺洲路的實際調查數(shù)據(jù)，對路段上的各個交叉口進行獨立優(yōu)化設計。通過分析3個交叉口的現(xiàn)狀信號控制參數(shù)，選擇各交叉口的信號周期時長范圍為50～200 s，離散步長為2 s，并用Synchro8.0優(yōu)化線控系統(tǒng)中各交叉口在早晚高峰時段的信號優(yōu)化配時方案，得到優(yōu)化后各個交叉口的最佳信號周期，見表5。協(xié)調控制系統(tǒng)中的設計帶速仍為40 km·h-1。

2.2.1 早高峰時段的協(xié)調控制優(yōu)化設計

以白鷺洲路上各個交叉口的信號控制優(yōu)化方案作為協(xié)調控制系統(tǒng)優(yōu)化設計的基礎，對該路段進行協(xié)調控制優(yōu)化。在早高峰時段，以3號交叉口為關鍵交叉口，共用周期170 s，南北相位為關鍵相位。2號交叉口采取半周期，1號交叉口的信號周期與共用周期相等。優(yōu)化相位差后，得到南往北車流的帶寬為41 s，協(xié)調控制系統(tǒng)的時距圖見圖2。早高峰時段優(yōu)化后的仿真結果，見表6。

表5 各交叉口最佳信號周期時長Tab.5 The best cycle length of intersections

圖2 優(yōu)化后早高峰協(xié)調控制時距圖Fig.2 Tim e-space diagram of optim al coordination controlduringmorning peak hours

2.2.2 晚高峰時段的協(xié)調控制優(yōu)化設計

在晚高峰時段，以1號為關鍵交叉口，共用周期180 s，南北相位為關鍵相位；2號交叉口采取半周期（晚高峰周期為90 s），并調整3號交叉口的信號周期至共用周期，增加的相位時間全部給主線綠燈。優(yōu)化相位差后，得到的北往南車流的帶寬為49 s，協(xié)調控制時距圖見圖3。晚高峰時段優(yōu)化后的仿真結果，見表6。

圖3 優(yōu)化后晚高峰協(xié)調控制時距圖Fig.3 Time-space diagram of optimalcoordination controlduring evening peak hours

比較表6和表5的交通效益指標可以看出，采用優(yōu)化后的信號協(xié)調控制系統(tǒng)后，不管是早高峰還是晚高峰時段，從點（交叉口）、線（路段）、面（路網(wǎng)）3個方面來看，各交通效益指標都有不同程度的改善。

表6 基于優(yōu)化參數(shù)的早晚高峰時段協(xié)調控制仿真結果Tab.6 The simulation results duringmorning and evening peakhoursbased on optimal controlparameters

從交叉口來看，早晚高峰時段的交叉口延誤分別減少11.3%和21.6%。

從路段來看，在早高峰時段，路段延誤雖有改善，但并不十分明顯（僅為8.2%）。而在晚高峰時段，路段上的交通效益指標改善效果十分明顯，由北往南的路段延誤降低了55.9%。說明晚高峰時段的控制效果明顯優(yōu)于早高峰時段。

從路網(wǎng)來看，在早高峰時段，總延誤和停車次數(shù)分別降低13.3%和0.8%。在晚高峰時段，總延誤和停車次數(shù)分別降低22.0%和5.5%。晚高峰時段的路網(wǎng)改善效果較早高峰時段好。

因此，應用優(yōu)化設計后的信號協(xié)調控制系統(tǒng)，可以大大改善晚高峰時段的路網(wǎng)運行效果，彌補優(yōu)化前協(xié)調控制系統(tǒng)的不足。

3 結論與討論

3.1 結論

經過協(xié)調控制優(yōu)化設計后，運行Synchro軟件中的Simtraffic交通模擬模塊進行仿真，發(fā)現(xiàn)車輛在第一個交叉口遇綠燈通過后，只要行駛車輛按設計帶速行駛，可以在高峰時段實現(xiàn)“綠波”，交叉口的擁堵情況大大減少，整個路網(wǎng)交通運行狀況明顯好轉。

1）應用優(yōu)化前的協(xié)調控制系統(tǒng)進行信號控制時，在高峰時段其控制效果比單點控制效果好。協(xié)調控制后，明顯改善了高峰時段白鷺洲路上的交通運行狀況，但晚高峰時段的改善效果不夠理想。

2）應用優(yōu)化后的協(xié)調控制系統(tǒng)進行信號控制時，不但進一步改善早高峰時段的運行狀況，而且大幅度提高晚高峰時段的運行效果。說明這種優(yōu)化方法是可行的。

3）采用優(yōu)化后的協(xié)調控制系統(tǒng)后，從仿真結果來看，不僅提升了主線上的運行速度，而且路網(wǎng)的延誤、停車次數(shù)和總行程時間降低，提高了路網(wǎng)的通行效率。對于早晚高峰具有潮汐現(xiàn)象的主干道路，采取分時段分方向相結合的單向協(xié)調控制方式，能夠有效緩解不同時段主要方向的交通壓力。

3.2 討論

由于上述結論是由仿真軟件Synchro仿真結果得到的，實際改善效果需要實際應用結果驗證。

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