城市干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉艷，吳東閣，胡萬欣

(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)*

0 引言

城市干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制實(shí)際上就是將一條干線上若干相鄰交叉口的交通信號(hào)連接起來，通過協(xié)調(diào)控制，使車流能夠連續(xù)獲得綠燈信號(hào)不間斷地通過各交叉口，盡量遇少紅燈次數(shù)以減少延誤和停車時(shí)間.國(guó)內(nèi)外對(duì)干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究已有半個(gè)多世紀(jì)，常用的2種研究方法為最大綠波法和最小延誤法.前者以干線方向上綠波帶寬度最大化為目標(biāo)，從而確定干線系統(tǒng)的信號(hào)配時(shí)參數(shù)，以圖解法、數(shù)解法、MAXBAND和PASSERⅡ等為典型方法［1］.后者以干線總延誤最小為目標(biāo)，建立城市道路交通干線的相位差優(yōu)化模型，找到最優(yōu)相位差組合，如SIGOP、結(jié)合法、TRANSYT 以及 SCOOT 等［2-4］.

在國(guó)外Park等提出了一種針對(duì)固定周期的隨機(jī)信號(hào)優(yōu)化方法，使用一種GA的接口與仿真模型相結(jié)合來對(duì)周期長(zhǎng)度、綠信比、相位差同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化［5］.Hakim等提出多種基于多智能體的道路交通分布式控制概念模型.Ceylan、Bell考慮信號(hào)變化的用戶反應(yīng)，使用遺傳算法來得到優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案［6］.Shenoaa和 Machemehl使用啟發(fā)式算法來得到信號(hào)配時(shí)方案［7］.在國(guó)內(nèi)，常云濤等提出了基于遺傳算法的相位差優(yōu)化設(shè)計(jì)法［8］.譚惠麗，黃乒花等用元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬二維交通流，研究主干路上交通激波的形成和傳播，得出線控的有關(guān)規(guī)律［9］.裴玉龍、孫明哲等以交通調(diào)查數(shù)據(jù)為主要依據(jù)，根據(jù)信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)線控系統(tǒng)的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制［10］.萬緒軍等建立了雙向相位差優(yōu)化調(diào)節(jié)算法［11］.

上述方法都是對(duì)干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論性的探索，但在實(shí)際應(yīng)用過程中都存在一些問題，基于此本文以武漢市龍陽大道為例，利用數(shù)解法設(shè)計(jì)干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具體方案，并通過VISSIM仿真軟件，對(duì)該設(shè)計(jì)方案效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)比分析干線設(shè)計(jì)前后的運(yùn)行情況.

1 基本原理和流程

1.1 基本原理

通常進(jìn)行干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的交叉口之間的距離不宜過長(zhǎng)，一般不超過800 m.否則，線控效果較差.

在線制設(shè)計(jì)時(shí)，各系統(tǒng)中交叉口信號(hào)周期相等，選取系統(tǒng)中周期最大的交叉口作為關(guān)鍵交叉口，并將其作為干線的公共周期.其他非關(guān)鍵交叉口相應(yīng)地改用系統(tǒng)公共周期時(shí)，綠燈時(shí)間均隨之延長(zhǎng)，非關(guān)鍵交叉口次要道路方向的綠燈時(shí)間只需保持原狀即可，多出的綠燈時(shí)間全部加給主干線方向，同時(shí)可適當(dāng)增加系統(tǒng)的通過帶寬.由于交叉口間距離和車速不同，干線信號(hào)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)方式一般有三種，同步式、交互式和續(xù)進(jìn)式.

1.2 設(shè)計(jì)流程

在信號(hào)協(xié)調(diào)控制中，首先對(duì)各交叉口進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，根據(jù)所得數(shù)據(jù)分別對(duì)各交叉口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化;然后選定關(guān)鍵交叉口，確定系統(tǒng)周期，針對(duì)各交叉口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行干線協(xié)調(diào)優(yōu)化，最終確定設(shè)計(jì)方案;最后再將設(shè)計(jì)前后的路段通行狀況進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)方案效果.本文具體流程如圖1所示.

圖1 干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2 現(xiàn)狀分析

武漢市龍陽大道位于318國(guó)道上，全長(zhǎng)8.8 km，穿越市區(qū)商業(yè)中心，是一條南北走向的城市主干道.其與十幾條主次干道交匯，且各交叉口間距較短.由于個(gè)別交叉口幾何條件不對(duì)稱，交通流量不均衡，紅綠燈多，交通延誤較大.本文取龍陽大道上3個(gè)相鄰的交叉口為研究對(duì)象，分別為龍陽大道—墨水湖路交叉口、龍陽大道—漢陽大道交叉口和龍陽大道—玫瑰街交叉口，設(shè)其編號(hào)依次為:A、B、C.其中 A、B 相距約510 m，B、C 相距約400 m.通過對(duì)武漢市龍陽大道實(shí)地調(diào)查，總結(jié)得出該干線具有以下特點(diǎn):①交通量大:龍陽大道位于商業(yè)中心，又與各交通干線交叉的交通流匯集，交通繁忙.②車輛行駛速度低:各種外界干擾因素多，車輛只能低速行駛.③流量分布有潮汐性:高峰時(shí)段由于通勤交通量大，與非高峰時(shí)段交通量差異大.此外，因交通繁忙，龍陽大道周圍交通噪聲污染、空氣污染等交通環(huán)境問題日益突出，影響著沿線居民生活和工作;干線車輛頻頻遭遇紅燈，司機(jī)與乘客的行車舒適感很差.

綜上所知，該路段總體服務(wù)水平并不高.因此，有必要對(duì)龍陽大道進(jìn)行干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì).

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)

利用Webster法對(duì)龍陽大道各交叉口進(jìn)行信號(hào)配時(shí)，結(jié)果見表1上半部分.為更好地進(jìn)行交通分流，減少交通擁堵，發(fā)揮線控作用，故將各交叉口相位重新劃分，如圖2所示.

表1 龍陽大道選定交叉口及干線信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)

圖2 線控設(shè)計(jì)龍陽大道各交叉口相位圖

3.2 選定系統(tǒng)公共周期

由表1可知，交叉口 B優(yōu)化后的周期為138s，其周期時(shí)長(zhǎng)最大，故系統(tǒng)公共周期定為138s.又因交叉口C交通量不是很大，故其信號(hào)周期可設(shè)置為公共周期的1/2，即C交叉口的周期為69 s.

非關(guān)鍵交叉口改用系統(tǒng)周期時(shí)長(zhǎng)時(shí)，各相位.干線信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整結(jié)果如表1所示.

3.3 確定信號(hào)時(shí)差及調(diào)控系統(tǒng)方案

數(shù)解法計(jì)算干線協(xié)制系統(tǒng)相鄰信號(hào)間時(shí)差，結(jié)果如表2所示，計(jì)算步驟如下:

表2 數(shù)解法確定信號(hào)時(shí)差

(1)計(jì)算系統(tǒng)帶速

將交叉口A、B、C之調(diào)控間距離列于表2中，交叉口A、B相距510 m，B、C相距400 m，可將其簡(jiǎn)寫為51、40，并將其計(jì)入表中第二行.根據(jù)實(shí)地考察，本系統(tǒng)帶速先設(shè)置為v=8 m/s(28.8 km/h).

(2)計(jì)算理想信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的挪移量

假定各個(gè)交叉口之間的理想間距(字母a表示)取表2中的第一列數(shù)字.由于vC/2=1104/2=552 m(取有效數(shù)字55)，相距552 m信號(hào)的時(shí)差，正相當(dāng)于交互式協(xié)調(diào)的時(shí)差(相差半個(gè)周期);相距1104 m的信號(hào)，正是同步式協(xié)調(diào)(相差一個(gè)周期).從交叉口A開始，在其下游同A相距為vC/2的整數(shù)倍地點(diǎn)，可以形成了互交式或同步式信號(hào)燈的最佳地點(diǎn).然后vC/2的值在實(shí)際允許區(qū)間內(nèi)可稍做調(diào)整，依次求出各信號(hào)燈協(xié)調(diào)效果最佳的設(shè)置地點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)雙向時(shí)差信號(hào)間協(xié)調(diào)的最佳效果.以45～65(即55±10)作為最適當(dāng)?shù)膙C2的變動(dòng)范圍，見表2中第一列a/下各數(shù)字.

求解第二、三列各行:由于AB、BC段的距離分別為51、60，從第三行a=45計(jì)算起，A點(diǎn)與理想信號(hào)距離差為51－45=6，故將6計(jì)入表中相應(yīng)位置.此時(shí)，若B點(diǎn)前移60 m就可實(shí)現(xiàn)與A點(diǎn)的交互式協(xié)調(diào)控制.由6+40－45=1，知C同理想信號(hào)的距離差值為10 m，其它各行依次類推.

計(jì)算第四列各行:如a=45時(shí)，按實(shí)際信號(hào)位置與理想信號(hào)的挪移量值升序列出，并求出各相鄰交叉口挪移量的差值，將差值最大者(字母b表示)填入第四列.a=45一行的b值為39.如此，計(jì)算其余各行.

(3)確定最合適信號(hào)位置

從表2中可看出，當(dāng)a=48時(shí)，b=40為最大值.取b的最大值，對(duì)應(yīng)a的值，即可得A、B、C各信號(hào)到理想信號(hào)的挪移量最小值，即，當(dāng)vC/2=480 m時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)協(xié)調(diào)效果.由表2知，B到C同理想信號(hào)間的挪移量之差最大，為40，故理想信號(hào)同B間的挪移量為:(a－b)/2=(48－40)/2=4.理想信號(hào)距B為40 m，則距A為10 m，即自A前移10 m即為第一理想信號(hào)，然后依次每480 m間距將各理想信號(hào)列在各實(shí)際信號(hào)間，如圖3所示.

圖3 理想信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的相對(duì)位置(單位:m)

(4)計(jì)算時(shí)差

A、B理想信號(hào)相應(yīng)的實(shí)際信號(hào)間為交互式協(xié)調(diào)，時(shí)差為50% ～0.5λ%;C理想信號(hào)相應(yīng)的實(shí)際信號(hào)間為同步式協(xié)調(diào)，時(shí)差為100% ～0.5λ%，列入表3第7行.求時(shí)差的實(shí)際值，用系統(tǒng)公共周期138 s與綠時(shí)差(%)相乘，得到時(shí)差實(shí)際值，列入表3的最后一行.

表3 綠時(shí)差表

圖4 數(shù)解法計(jì)算所得時(shí)空分布圖

根據(jù)以上分析，可以繪制出信號(hào)相位差的時(shí)間—距離分布圖，如圖4所示.

4 控制系統(tǒng)方案仿真評(píng)價(jià)

對(duì)龍陽大道干線控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)方案，利用微觀交通仿真軟件VISSIM進(jìn)行模擬仿真、分析及評(píng)價(jià)，將優(yōu)化方案與現(xiàn)狀進(jìn)行比較.因本設(shè)計(jì)主要關(guān)注重點(diǎn)在于龍陽大道直行方向上的通行效率，故選取龍陽大道上的延誤和停車次數(shù)為評(píng)價(jià)服務(wù)水平的指標(biāo)，協(xié)調(diào)控制實(shí)施前后對(duì)比如表4.

表4 龍陽大道實(shí)施干線協(xié)調(diào)控制前后對(duì)比

從表4看出，現(xiàn)狀信號(hào)控制方案下大多數(shù)車輛很難一次性順利通過整條干線，途中會(huì)經(jīng)常因紅燈而停駛，擁堵情況與實(shí)際調(diào)查結(jié)果相似.實(shí)施線控設(shè)計(jì)方案以后，各交叉口延誤時(shí)間和停車次數(shù)在整體上大幅減少，說明龍陽大道干線協(xié)調(diào)控制方案可行和有效.

5 結(jié)論

城市干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，通過對(duì)該設(shè)計(jì)方案的仿真與評(píng)價(jià)，證明此方案有效的有效地減小了龍陽大道干線交叉口延誤和停車次數(shù)，改善了交叉口運(yùn)行狀況.故而，可應(yīng)用線控理論與方法，設(shè)計(jì)城市主干道信號(hào)協(xié)調(diào)系統(tǒng)方案.

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