城市干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制的計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)

王 鋒

（河南警察學(xué)院交通管理系 鄭州 450046）

0 引 言

對(duì)幾個(gè)連續(xù)的交叉口采用獨(dú)立信號(hào)控制時(shí)，由于信號(hào)之間彼此不協(xié)調(diào)，車輛會(huì)經(jīng)常遇到紅燈，往往造成頻繁的停車和啟動(dòng)，不僅增加時(shí)間延誤，燃料浪費(fèi)，輪胎和制動(dòng)器的磨損，而且會(huì)加重空氣污染、噪聲以及路面的損壞程度，因此，有必要對(duì)干線或者主交通流方向的路段交叉口信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制［1－2］．只要汽車按照規(guī)定的速度行駛，基本上可以處處遇到綠燈．

現(xiàn)在多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都有自己的城市交通信號(hào)現(xiàn)代化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，如英國(guó)的SCOOT系統(tǒng)，西班牙的ITACA 系統(tǒng)等［3－4］．由于我國(guó)國(guó)情的特殊性，交通組成復(fù)雜，而且車輛性能也與國(guó)外有較大差距，所以，要利用國(guó)外先進(jìn)理論和經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)我國(guó)城市交通現(xiàn)狀，來(lái)研究我國(guó)城市交通協(xié)調(diào)控制問(wèn)題．城市干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制（線控）對(duì)解決城市交通擁擠，使車輛安全快速的到達(dá)目的地，保障城市干道暢通作用顯著，而投資增加不多，值得大力研究推廣．

線控系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，手工進(jìn)行，工作量巨大，且容易出錯(cuò)，必須利用計(jì)算機(jī)輔助分析，研究和開(kāi)發(fā)城市干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制的計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)軟件．

1 線控系統(tǒng)的相關(guān)概念

“干線協(xié)調(diào)控制”是指通過(guò)調(diào)節(jié)主干道上各信號(hào)交叉口之間的相位差，使干道上按照或者是接近設(shè)計(jì)車速行駛的車輛，獲得盡可能不停頓的通行權(quán)，這種控制方式稱為“干道信號(hào)協(xié)調(diào)控制”，也就是通常所說(shuō)的“線控”．

在設(shè)計(jì)干線協(xié)調(diào)控制時(shí)，必須確定線控的4個(gè)基本參數(shù)：周期、綠信比、相位差及系統(tǒng)速度．文獻(xiàn)［1］對(duì)其概念介紹的非常詳細(xì)，本文不再贅述，僅介紹各參數(shù)在干線協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的作用．

在信號(hào)控制系統(tǒng)中，為使各交叉口的交通信號(hào)能夠取得協(xié)調(diào)，各個(gè)交通信號(hào)的周期時(shí)長(zhǎng)必須是統(tǒng)一的［5－7］（有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)半周期路口，但是在操作上不宜進(jìn)行，故本文不做研究）．

綠信比是根據(jù)各個(gè)交叉口各個(gè)方向交通流量的流量比來(lái)確定，同時(shí)影響綠波帶的寬度．相位差是兩個(gè)交叉口同方向信號(hào)的綠燈或紅燈的起始時(shí)間的時(shí)間差，是協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵．系統(tǒng)速度是指在線控系統(tǒng)中車輛按要求移動(dòng)的速度．只有車輛按照要求的速度行駛，才能獲得不停車或少停車通過(guò)連續(xù)交叉口．

協(xié)調(diào)控制一般分為兩類，采用主控制器的協(xié)調(diào)控制和無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制，由于后者對(duì)技術(shù)要求比較高，在我國(guó)應(yīng)用不是很多，本文就重點(diǎn)討論采用主控制器的雙向綠波協(xié)調(diào)控制．

2 線控系統(tǒng)算法

綠波系統(tǒng)根據(jù)固定的車速和交叉口的間距決定各交叉口的綠燈開(kāi)始時(shí)間（即相位差）由于實(shí)際道路條件的限制，有些車輛難以處處遇綠燈，這與綠波帶的寬度有很大關(guān)系．

現(xiàn)有城市干線交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法有兩種：最大綠波帶法和最小延誤（停車次數(shù)）法．最大綠波帶法以車輛連續(xù)通過(guò)帶寬度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)研究系統(tǒng)協(xié)調(diào)的效果．

綠波帶寬度是指綠波通行時(shí)間的長(zhǎng)度，以秒計(jì)或者是占共同周期的百分比．由于各交叉口之間的距離不等，而且是雙向行駛，所以綠波帶時(shí)間的利用不可能是100%．本文的目的就是根據(jù)現(xiàn)有綠波帶計(jì)算方法，利用MATLAB，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)（由于篇幅限制，程序源碼略），自動(dòng)計(jì)算所需要的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的各種參數(shù)，并利用此程序?qū)ΜF(xiàn)有道路條件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，見(jiàn)圖1．

圖1 程序設(shè)計(jì)流程圖

雙向綠波帶，有2種比較實(shí)用的方法，數(shù)學(xué)解析法和圖解法，由于圖解法不適合計(jì)算機(jī)計(jì)算，且精度不高，而數(shù)學(xué)解析法可以用單純的數(shù)字解決，適于計(jì)算機(jī)計(jì)算，所以本文就只討論數(shù)學(xué)解析法．

3 軟件測(cè)試及仿真驗(yàn)證

利用軟件，選取合適的主干線進(jìn)行測(cè)試．經(jīng)過(guò)篩選，選取鄭州江山路銀河路至天河路段．這一段道路為主干線穿越城鎮(zhèn)，基本為過(guò)境車流，與江山路交叉的幾條道路車流量非常小，適合做綠波控制．基本條件參見(jiàn)表1～表3．

VISSIM仿真軟件以個(gè)體車輛為單位，對(duì)車輛的出行行為進(jìn)行細(xì)致的定義、跟蹤和記錄．車輛延誤時(shí)間為每輛車在定義斷面的行駛時(shí)間減去理想運(yùn)行速度行駛的時(shí)間，因此，可以更準(zhǔn)確地計(jì)算車輛延誤．然后利用流量進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到整個(gè)交叉口的平均延誤．

用VISSIM4．1對(duì)干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行仿真，模擬車速50 km／h（公交40 km／h）．對(duì)行程時(shí)間和延誤只統(tǒng)計(jì)南北直行車輛．實(shí)際車輛速度分布見(jiàn)圖2．

圖2 速度累計(jì)分布

表1 江山路基本路況 m

表2 各路口直行交通流量 輛／h

表3 江山路各路口信號(hào)周期 s

利用VISSIM4．1仿真1 h（見(jiàn)圖3），結(jié)果見(jiàn)表4．

圖3 Vissim仿真截圖

VISSIM檢測(cè)到有1 151輛車自南向北貫穿江山路，平均旅行時(shí)間280．1 s，有804輛車自北向南貫穿江山路，平均旅行時(shí)間233．0 s，與調(diào)查數(shù)據(jù) 基 本 相 似 （262，210 s）．累 計(jì) 旅 行 時(shí) 間509 727s．

表4 江山路各路口行程延誤（單點(diǎn)控制）

進(jìn)行單向綠波控制模擬，由于調(diào)查時(shí)間車流由南向北為主車流方向，所以設(shè)定單向綠波方向．仿真1 h，結(jié)果見(jiàn)表5．VISSIM檢測(cè)到有1 151輛車自南向北貫穿江山路，平均旅行時(shí)間220．3 s，有806輛車自北向南貫穿江山路，平均旅行時(shí)間242．9 s．累計(jì)旅行時(shí)間449 342 s．

表5 江山路各路口行程延誤（單向綠波）

在進(jìn)行雙向綠波控制的模擬，利用 MATLAB平臺(tái)的程序計(jì)算，將車行速度、路口間距、綠信比等條件輸入，計(jì)算結(jié)果如圖4．

圖4 雙向綠波控制計(jì)算結(jié)果

可得各路口綠燈開(kāi)始時(shí)刻分別為：16，56，21，16，56 s，綠波帶寬度為37．8 s，系統(tǒng)速度設(shè)置為42 km／h．模擬1 h，結(jié)果見(jiàn)表6．VISSIM 檢測(cè)到有1 151輛車自南向北貫穿江山路，平均旅行時(shí)間237．2 s，有806輛車自北向南貫穿江山路，平均旅行時(shí)間227．0 s．累計(jì)旅行時(shí)間455 979 s．

表6 江山路各路口行程延誤（雙向綠波）

圖5 延誤分析

圖6 停車時(shí)間分析

圖7 停車次數(shù)分析

從仿真結(jié)果可以分析得出：使用雙向的綠波控制與單點(diǎn)控制相比可減少交通延誤50%，減少停車時(shí)間50%，減少停車次數(shù)38．8%，減少行程時(shí)間11．5%；與單向綠波相比，也有很大的優(yōu)勢(shì)．而雙向綠波與單向綠波相比幾乎沒(méi)有任何投資，對(duì)中小城市甚至大城市而言都是很好的選擇．利用軟件的幫助，使得線控系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)．

對(duì)比表4～6中的清華園路口和三全路口，無(wú)論是單向綠波還是雙向綠波，由于三全路至清華園路間距過(guò)大，導(dǎo)致車流離散度加大，從而影響綠波效果．

4 結(jié)束語(yǔ)

分析現(xiàn)有線控系統(tǒng)技術(shù)，利用MATLAB使數(shù)學(xué)解析法程序化，選取合適的交通主干線，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，并利用VISSIM軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了雙向綠波系統(tǒng)可以大大改善道路通行條件，使得延誤與停車次數(shù)大幅度減少，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)施線控系統(tǒng)時(shí)，要適當(dāng)控制車流的離散度，使得線控效果達(dá)到最佳水平．

［1］楊佩昆，吳 兵．交通管理與控制［M］．2版．北京：人民交通出版社，2003．

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