Synchro系統在綠波信號控制中的應用①

摘 要:基于Synchro系統與理論模型的差別分析，提出了在實際道路與交通狀況下制定綠波信號控制方案方面，前者明顯優于后者的結論。最后以秦皇島市河北大街中段為對象，對影響綠波信號控制的若干問題點進行改善之后，應用Synchro系統進行了配時優化與仿真實驗，其結果為各交叉口的服務水平均顯著提高。

關鍵詞:Synchro系統 綠波信號控制 仿真實驗 秦皇島市 河北大街

中圖分類號:U491.51文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0016-02

1 研究背景

隨著工業化和城市化在全世界的發展，許多城市都面臨著日益嚴重的交通擁堵問題。而在城市道路網中，最易發生交通擁堵的地方就是交叉口，若能有效的提高交叉口的通行能力則會在很大程度上解決城市交通擁堵問題。將干道上連續若干個交叉口的交通信號通過一定的方式連接起來，同時對各交叉口設計一種相互協調的配時方案，各交叉口的信號燈按此協調方案聯合運行，使車輛通過這些交叉口時，不致經常遇上紅燈，稱為干線交叉口信號協調控制，也叫做綠波信號控制[1]。

1.1 綠波信號控制的理論模型

目前，關于綠波信號控制的理論模型主要集中在信號周期與相位差的優化算法上。主要有圖解法[2]、進口對稱放行[3]、進口單獨放行[4]算法等。而上述理論為了簡化計算與分析，大都基于固定車速、單一車種、無過街行人、無轉彎車輛等與現實相差較遠的假設，而這常導致理論計算所得到的綠波信號控制方案在實際中無法收到良好的效果。因此，本文針對秦皇島市河北大街中段的實際道路與交通狀況，使用具有交通仿真功能的、專門對信號配位配時進行優化的Synchro系統對綠波信號控制方案進行制定。

1.2 Synchro軟件系統

Synchro系統是由美國Trafficware公司開發的，以HCM2000為基礎的信號配時優化的交通仿真軟件[1]。專門用于信號配位配時優化、干線或區域協調控制方案的制定，并可以對方案給出相應的評價。另外，其運算速度快，采用自由設定步長的窮舉法能夠在較短時間內對較大的路網給出信號配時優化方案。其仿真系統中還充分考慮到了道路線形、行人等對交叉口通行狀況的影響，仿真結果具有極高的工程參考價值。在我國，除了文獻[5]之外，運用Synchro系統對干線交叉口進行綠波信號控制方案制定的研究非常少。

2 現實與模型的差別

在實際應用方面，Synchro系統要比理論模型更有優勢。因為系統在制定綠波信號控制最佳方案時會充分考慮到實際道路與交通狀況，并且采用窮舉法把有限的控制方案列舉出來再逐一比較。本章主要從交通擁擠、轉彎車輛、車輛性能、車道變換、過街行人等5個方面，詳細分析了Synchro系統較理論模型的優越性。

2.1 交通擁擠(Traffic Congestion)

在理論模型中，假設所有車輛均按照路段的設計車速進行行駛。而在現實中，隨著車流量的增加，車輛的行駛車速逐漸下降，這就是交通擁擠效應。并且在一天不同的時間段內，交通擁擠程度是不一樣的。因此，若不考慮交通擁擠對車輛行駛車速的影響，則有可能導致綠燈信號相位差(由交叉口間距與行駛車速計算得出)的計算出現偏差，進而影響綠波信號控制的實施效果。

2.2 轉彎車輛(Turning Vehicles)

在交叉口處，無論何種信號相位設置，左轉車輛都要在一定程度上對對面直行車輛和信號周期長度產生影響。特別是許可型左轉相位下的左轉通行能力是依據可插間隙理論進行計算的，這將涉及到車頭時距、駕駛員心理及行為分析。而理論模型中，因缺少上述分析，只能簡單的認為左轉車輛對直行車輛沒有影響或其影響為一個定值。

2.3 車輛性能(Vehicle Performance)

實際道路上所行駛的車輛并非均為同種車輛，而是由某種車輛為主的混合車隊。不同車輛在車長、平均載重量、加減速度等性能方面均不相同。這些車輛在行駛的過程中往往表現出不同的性能，這不僅與車輛本身的物理特性有關，還與駕駛員的心理密不可分，而這些在綠波信號控制的理論模型中均沒有體現。

2.4 車道變換(Lane Changing)

部分理論模型中，對車輛的行駛速度進行了統一化的假設，即所有車輛均按照路段的設計車速進行行駛，沒有變換車道現象。而在現實中，因超車而變換車道的現象并不少見。這樣就整體而言，車輛的到達是隨機性的，而非按照一定時間間隔的均勻達到。并且，這種隨機性的程度是受到交通流量大小影響的。

2.5 過街行人(Pedestrian)

理論模型均沒有對過街行人、最小綠燈時間、等待綠燈時間等方面進行研究。而在周期一定的情況下，次干道的最小綠燈時間與主干道的綠波帶寬度呈現此消彼長的關系。因此，在保證行人安全與暢通過街的前提下，盡量縮短次干道的綠燈時間，增加主干道綠波帶寬度是提高綠波信號控制效果的有效途徑。

2.6 其他

除上述差別外，道路線形、機非混行車道、交叉口處車速、行人違法行為(橫穿馬路)、重車混入率、信號燈控制模式等也會對綠波信號控制的實施效果產生很大的影響。且這些因素都是直接作用于車輛行駛車速，進而使相位差與綠波帶寬度的計算出現偏差，影響綠波信號控制的實施效果。

3 影響因素分析與改善

3.1 概述

河北大街是秦皇島市城市主干道，是連接海港與北戴河兩組團的交通紐帶，肩負著異常繁重的客貨運輸任務。其暢通與否對秦皇島市旅游事業、教育事業的發展有著重大影響。以下幾處為河北大街中段上的主要交叉口:M1(民族路)、M2(文化路)、M3(海陽路)、M4(紅旗路)、M5(友誼路)。本文擬在以上5處實行綠波信號控制，最大限度的挖掘其通行能力，這對緩解秦皇島市的交通擁堵具有重要意義。

3.2 行人橫過馬路

河北大街中段兩側公共建筑與住宅小區出入口多，行人流量較大，橫穿馬路行人較多。行人違法橫穿馬路不但會誘發交通事故，而且會嚴重影響車輛的行駛速度。針對此問題，本為提出以下三種解決方案:(1)增加中央護欄高度以防止行人橫穿馬路。(2)在適當位置建設人行天橋或地下通道。(3)在交叉口的中央隔離帶處設置安全島用以組織行人二次過街。

3.3 區域特征明顯

M1～M2處無主次干道區別，而M3～M5處主次干道區別明顯，并且交叉口的相位設置具有明顯差別[6]。對此，本文將河北大街中段M1～M2納入區域A，而將M3～M5納入區域B，分別對其進行綠波信號控制，主要著眼于M3～M5處交叉口服務水平的提高。

3.4 四道橋交叉口

在M2～M3處之間的四道橋處存在面積較小的信號交叉口，此處過街行人較多導致車輛排隊長度較長，等待時間延誤較大。對此，本文建議取消此交叉口信號燈裝置，并將中央斷開的隔離帶連接上。而對于其他需要在交叉口處穿行的車輛，可以利用河北大街兩側的支路繞行(組織單向交通)，對于行人則可使其在相鄰交叉口處繞行，或為其設置人行天橋、地下通道等。

3.5 交通量及其構成多變

河北大街中段橫穿秦皇島市CBD，交通量及其構成在一天不同的時間段內變化較大。若仍沿用對外界狀況變化敏感性較差的定周期控制模式信號燈則顯得力不從心。因此，有必要在各個交叉口采用成本較高的感應控制模式信號燈，以提高對外界交通狀況變化的適應能力如表1。

4 仿真實驗

4.1 實驗內容

根據河北大街中段各交叉口的調查數據(本文不做詳述)，首先，運用Synchro系統對各交叉口的周期、相位差、綠波帶寬度等參數進行優化，制定出綠波信號控制(各交叉口仍為定周期控制模式信號燈)方案。最后，對綠波信號控制實施前后的交通狀況進行仿真實驗。主要通過:(1)交叉口服務水平。(2)服務車流量與最大車流量比值(V/C)。(3)停車次數。(4)時間延誤。(5)燃油消耗等五個指標(表1中數值均為主干道雙向平均數值)對其實施效果進行評價。

4.2 結果分析

從綠波信號控制實施后的仿真結果看，M3～M5處交叉口的服務水平均有所提高。同時，所有交叉口處的時間延誤、停車次數、燃油消耗均明顯減少。這對保護秦皇島市的生態環境，提升秦皇島市的城市形象具有重大意義。另外，針對河北大街中段的交通狀況實時多變的特點，若在各交叉口采用投資與運營成本都較高的感應控制模式信號燈，還可以進一步降低車輛的等待時間延誤。

參考文獻

[1]于泉.城市交通信號控制基礎[M].北京:冶金工業出版社，2011.

[2]周君，周凌云.基于圖解法的城市干道信號協調控制設計[J].中國安全科學學報，2011，1(1):55～59.

[3]王廷平，蔣珉.一種實現雙向綠波信號控制的方法及其應用實現[J].電子工程師，2003(1):31～33.

[4]盧凱，徐建閩，李秩舜.進口單獨放行方式下的干道雙向綠波協調控制數解算法[J].中國公路學報，2010，5(3):96～101.

[5]劉洋，史忠科.基于Synchro的多交叉口信號控制研究[J].交通與計算機，2005，23(6):35～38.

[6]王鵬飛，李政，房媛，等.秦皇島市河北大街中、西段各交叉口信號相位的改進設計[J].河北科技師范學院學報:自然科學版，2011，25(4):5～9.