基于Synchro系統的交叉口信號協調控制仿真—以秦皇島市河北大街西段為例

王鵬飛，李 政，李雙喜，康曉昱*，梁小霞*，李 寧*

(1河北科技師范學院城市建設學院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市交通運輸局)

目前，關于交通信號協調控制的研究主要集中在公用周期與相位差優化的方面上，例如:傳統的綠波帶設計方法［1］，進口單獨放行方式下的綠波帶設計方法［2］，基于模糊控制技術的綠波帶控制技術［3］，基于駕駛員感知的信號相位順序優化方法［4］等。以上研究的共同點是所假定的交通環境均非常簡單，例如:交叉口處只存在直行車輛而沒有轉彎車輛，即沒有考慮到轉彎車輛對直行車輛的影響;沒有考慮過街行人與其過街時間對協調控制的影響;沒有考慮到交通量及其構成的多變性等。并且，除文獻［5］外，使用專門進行信號配時優化的Synchro系統對協調控制效果進行評價的仿真研究幾乎沒有。

筆者以秦皇島市河北大街西段為實例，在實際的道路與交通狀況下對其主要的4個交叉口的信號周期與相位差進行優化，使4個交叉口(J2～W3)的信號燈進行協調控制，使得大部分車輛能夠順暢的通過各交叉口。并對協調控制前后的交通狀況進行仿真實驗，詳細分析了定周期協調控制與感應協調控制等2種協調控制方式的優缺點。

1 河北大街西段的現狀調查結果與分析

1.1 概述

河北大街西段是秦皇島市城市主干道河北大街的重要組成部分(圖1)，是連接市中心與開發區、北戴河區的重要交通紐帶，其運行狀態良好與否對秦皇島市的旅游事業、教育事業的發展具有很大程度上的影響。因此，確保河北大街西段交通的安全與暢通對于保護秦皇島市的城市環境，提升秦皇島市的城市形象具有重要意義。

經調查可知，河北大街西段是實施交叉口信號協調控制的比較理想的干道，其理由如下:(1)河北大街西段是連接兩區之間的重要干道，主次干道分明;(2)道路條件(車道寬度、側向凈空、路面平整度等)較好;(3)交通條件(交叉口處主次干道的交通流量差、交通秩序等)較好。即使這樣，在實施東西向的交叉口信號協調控制之前還必須要考慮到以下問題:(1)交叉口間距參差不齊;(2)信號燈配時協調性差;(3)交通量及其構成多變;(4)過街行人較多。以上問題點(表1)若不妥善處理則會嚴重影響河北大街西段的交通運行狀況與交叉口信號協調控制的實施效果。

1.2 交叉口間距參差不齊

綠燈信號相位差是由行駛車速與交叉口間距共同決定的。因此，在實施信號協調控制之前有必要對河北大街西段各交叉口間距(表2)及設計車速進行調查。調查結果顯示，各交叉口間距參差不齊，與文獻［6］中對交叉口間距的規定(城市干道交叉口間距宜大致相等)有差別。河北大街西段是秦皇島市城市主干道，其東西向設計車速(雙向)為60 km/h，而南北向支路雙向設計車速為40 km/h(文獻［7］對道路等級與相應設計車速進行了明確的規定)。

河北大街西段各交叉口間距參差不齊，而東西雙向的設計車速卻相同，使得雙向車輛在同一時刻到達交叉口顯得十分困難，這將嚴重影響綠波交通的實施效果。但如今改變城市道路網構造已不現實，對此，筆者提出兩種改善方式:(1)在一定周期長度的前提下，將南北向綠燈信號時長設定為最小綠燈時間(其長度與行人過街狀況緊密相關，詳細分析見本文1.3與1.5部分);(2)以感應(Actuated)控制模式代替現行的定周期(Pre-timed)控制模式。在無請求(No Recall)的感應控制模式中，若次干道上無車輛通過，則可直接跳過其信號相位，并將這段相位時間加于主干道相位時間之上，這樣就可以保證河北大街西段各交叉口東西向上的最大綠波帶寬度。

圖1 秦皇島市河北大街中、西段各主要交叉口位置

表1 秦皇島市河北大街西段道路與交通狀況調查問題點

表2 河北大街西段的各交叉口間距L m

1.3 各交叉口信號相位及配時協調差

河北大街西段各交叉口的信號燈現狀(表3)可總結如下:(1)各交叉口信號周期均不相同;(2)南北向機動車綠燈相位時間利用率不高。從各交叉口信號周期長度均不相同的現狀可以看出河北大街西段尚未實施信號協調控制，若實施各交叉口信號協調控制則能大幅度減少車輛的時間延誤。南北向機動車綠燈相位時間利用率不高則是由于:(1)各交叉口南北向交通量小;(2)某些交叉口最小綠燈時間設置過長。

交叉口最小綠燈時間的設置是為了保證:(1)車輛安全;(2)行人能夠過街［8］。一般根據式(1)進行計算:

其中，G為行人過街綠燈信號時間;R為行人反應時間，一般為2 s;N為行人過街的排數;W為人行橫道長度;1.2為行人步行速度(單位m/s)。河北大街西段南北向人行橫道長度為35 m(防止行人與其垂直方向上的直行車輛相沖突)，若過街排數為1，則計算可得最小綠燈時間大約為30 s，根據表3調查所示，W1與W3處明顯過長。另外，這些交叉口的過街行人主要為高校學生(成年人組)，平均步行速度應在1.2～1.5 m/s之間;且文獻［6］中規定，人行橫道長度為大于16 m時，應在人行橫道中央設置行人二次過街的安全島，組織行人二次過街;另外，根據德國現行信號控制規范規定［9］，行人綠燈時間應至少保證綠燈初期過街的行人能夠在綠燈時間內通過1/2以上的人行橫道。根據以上3點分析可知，現行各交叉口的南北向最小綠燈時間設置過長，應設定為20～25 s之間。

表3 交叉口信號協調控制實施前的河北大街西段各交叉口的信號燈參數 s

1.4 交通量及其構成多變

經調查可知在交通量及其構成方面，河北大街西段存在如下問題點:(1)實時交通量變化相較CBD大;(2)重車(Heavy Vehicle)混入率相較CBD大。而這兩個因素將通過影響相位差與綠波帶寬度來影響信號協調控制的實施效果。相位差是由交叉口間距與行駛車速共同決定的，而路段上行駛的車輛數將直接影響行駛車速(交通擁擠)，使綠燈信號開啟時刻或早或晚于車輛到達時刻。綠波帶寬度則是由行駛車隊長度與通過停車線的地點車速(文獻［6］中對交叉口處的設計車速有明確規定)決定的，而由多輛重車組成的車隊就比相同數量的小轎車組成的車隊長，并且重車的行駛速度偏低，車頭時距也較大。

由于車輛性能的不同，重車在車身長度、行駛速度、起制動加減速度等方面較小轎車有很大差別。由于重車的存在而導致車隊整體速度下降，對車隊是否能在給定的綠燈時間內通過停車線產生較大影響。針對此問題，筆者建議在實施協調控制前應對河北大街西段重車混入率進行詳細調查，并應對交通狀況進行實時監控(應用感應式信號燈)，若交通信息的把握精確度不高，則會嚴重影響協調控制的效果。

1.5 過街行人較多

河北大街西段道路兩旁的建筑物，尤其是高校及以服務學生為主的建筑物較多，導致南北向的過街行人量較大，過街行人中包括橫穿馬路的過街行人與利用人行橫道的過街行人。橫穿馬路過街行人的存在增加了產生交通事故的隱患，而利用人行橫道的過街行人量則會在很大程度上影響最小綠燈時間的設定。

對此問題，筆者提出兩種改善方案。(1)根據河北大街西段的實際情況，適度降低文獻［10］中對地下通道的選址標準(其標準主要為機動車流量與橫穿馬路行人交通量)，可以效仿W2～W3(河北科技師范學院處)，在J1～J2(秦皇島海關處)，J2～W1(中國環境管理干部學院處)，W1～W2(河北建材職業技術學院處)等上述3處修建地下通道，強制性的將機動車與過街行人在空間上分離開，這樣不但可以有效的防止行人橫穿馬路的現象，而且可以減少次干道上的最小綠燈時間的設置，可大幅度提高信號協調控制的實施效果。另外還可以將零售攤點收歸地下，提高城市形象;(2)加強行人過街安全島的建設，為不能一次性完成過街的行人在道路中央隔離帶處提供安全的駐足區域。這樣做不但可以縮短行人一次過街距離，配合采用二次過街信號控制增加同一周期內行人放行時間或次數，使交通控制更加靈活、可靠，從而提高整個交叉口的通行效率［11］。并且還可以減少行人等待綠燈時間與行人在地下通道或人行天橋處的繞行距離。(3)各交叉口采用感應控制模式信號燈，若次干道上無行人等待過街則跳過其行人綠燈相位，將其時間加于主干道相位時間之上(同1.2)。

2 干線信號協調控制的實施仿真與效果分析

2.1 Synchro系統介紹

Synchro系統是由美國Trafficware公司開發的專門用于信號配時優化的交通仿真軟件，信號配時優化以HCM2000為基礎。能夠對信號相位、配時、周期、相位差等進行優化，并且可以對信號配位配時的方案給出相應的評價［12］。Synchro系統中對服務水平(Level of Service)的確定采用了HCM2000標準(表4)，并充分考慮了行人對交叉口通行狀況的影響［13］，仿真模型實用性較好，仿真結果具有極高的工程參考價值。

表4 控制延誤與服務水平評價

2.2 現狀仿真及分析

2.2.1 交通量數據調查 表5，表6為全天早高峰小時(7:30－8:30)的河北大街西段各交叉口的各進口的機動車流量調查數據，其中括號中的百分數為平均重車混入率。本次研究以全天的早高峰小時為例進行分析，因為這是出行者最集中的時間段，若能在此時間段內通過協調控制手段改善交通狀況，則其他平峰時間段處理起來將會更加容易。

表5 河北大街西段各交叉口東西向機動車數量統計 輛/h

表6 河北大街西段各交叉口南北向機動車數量統計 輛/h

2.2.2 配位與配時方案 河北大街西段J2～W3交叉口采用定周期信號控制模式，現行相位如圖2，圖3所示。但J2交叉口現行相位中機動車與過街行人的沖突點較多，因此文獻［14］在保持原周期長度與相位數的基礎之上對其進行改進設計(在交通仿真中不討論交通安全系數)。

圖2 W1～W3處現行信號相位

圖3 J2處現行信號相位

2.2.3 現狀仿真 根據上述的調查數據，運用Synchro系統對河北大街西段現行的交通狀況進行仿真實驗，結果如表7所示。其中，一些交叉口的V/C比較高，平均服務水平為B～D級之間。在這種服務水平之下，雖無較大擁擠狀況出現，但外界環境一旦稍有惡化(惡劣天氣、交通事故等)則有可能引發較大的時間延誤。除此之外，停車次數與燃油消耗過多也是不容忽視的，因為這將對交通安全與生態環境造成很大的負面影響。

表7 交叉口信號協調控制實施前的河北大街西段各交叉口現狀仿真結果

2.3 干線信號協調控制的實施仿真與分析

運用Synchro系統對各交叉口的周期長度與相位差進行優化，優化后所有交叉口的周期長度全部統一，這也是進行交叉口信號協調控制的基礎(表8，表9，其中J2*為標準交叉口(Master Intersection)。使用以下7個具有代表性的指標對協調控制實施前后的交通狀況進行評價:(1)車道服務水平;(2)交叉口服務水平;(3)服務流量與通行能力之比;(4)停車次數;(5)控制時間延誤;(6)燃油消耗;(7)95%位排隊長度。

筆者對各交叉口的信號控制推薦采用以下兩種方案:(1)定周期協調控制模式;(2)感應協調控制模式。方案(1)的特點是初期投資與維護費用低且見效快，但對外界環境適應能力差，尤其是在交通量數據過時后，其配時方案將有可能造成極大的延誤。方案(2)的特點是初期投資與維護費用高，建設周期長，但對外界環境適應能力極強，可稱為一勞永逸的投資。

從現狀仿真結果(表7)與定周期協調控制實施后的仿真結果(表10)比較來看，交叉口J2～W3的服務水平均顯著提高(W1～W3從B級提高至A級，J2從D級提高至B級)，車輛時間延誤、停車次數、燃油消耗量明顯減少。而且，由公用周期長度96 s和98 s與最小綠燈時間25 s可推算南北向行人的最大等待時間為71 s和73 s，在國內調查結果的60～90 s［11］的范圍之內，符合行人過街要求。

從定周期協調控制模式的仿真結果(表10)與感應協調控制模式的仿真結果(表11)比較來看，前者與后者在提高交叉口服務水平方面效果相當。但隨著秦皇島市旅游立市的戰略不斷深化，連接海港區與北戴河區的河北大街西段在不久的將來還會承擔更加繁重的交通任務，特別是一年的春末到秋初的旅游旺季期間。而其交通量在一年四季將會比一般的非旅游城市變化大，因此，在河北大街西段各交叉口設置初期投資的感應協調控制模式的信號燈也是大勢所趨。

表8 定周期協調控制實施后的河北大街西段各交叉口信號燈參數 s

表9 感應協調控制實施后的河北大街西段各交叉口信號燈參數 s

表10 交叉口信號協調控制實施后的河北大街西段各交叉口運行仿真結果(定周期協調控制模式)

表11 交叉口信號協調控制實施后的河北大街西段各交叉口運行仿真結果(感應協調控制模式)

3 結論與討論

本次研究基于秦皇島市河北大街西段的道路與交通條件的調查分析，對交叉口信號協調控制實施前后分別進行了仿真實驗，得出了該控制實施后將可在很大程度上提高各交叉口服務水平的結論。并且，對導入的定周期協調控制模式與感應協調控制模式進行了對比，分析了兩者在實際應用方面的利弊。

由調查結果可知，河北大街西段各交叉口的飽和度并不高，這也是在此實施信號協調控制的一個有利條件。即綠波交通的實施是有一定條件的，當交叉口的飽和度較低時，理論計算所得的綠波在實際中也易于實現。若交叉口出現過飽和情況，則會嚴重影響綠波交通的實施效果［15］。在這種情況下，為了提高實施效果，避免因交叉口過飽和而產生的“二次停車”現象的出現，就需要對河北大街西段的過飽和交叉口實施流入量控制，這也將是下一步研究的重點。

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