橋梁兩端交叉口信號協(xié)調(diào)控制的優(yōu)化設(shè)計

陳必太，陳金山，康建設(shè)，郭建鋼

(福建農(nóng)林大學(xué)交通學(xué)院，福建 福州 350002)

隨著城市的不斷擴大，聯(lián)系新老城區(qū)之間的橋梁已成為許多南方中小城市的主要過江通道。由于這些橋梁的路幅寬度不足，使橋梁兩端的交叉口(下稱“橋頭交叉口”)成為整個城市路網(wǎng)的瓶頸和交通事故的多發(fā)點。目前，交通管理者出于對橋面上車輛排隊以及排隊車輛的制動和啟動對橋梁使用壽命影響的擔(dān)憂，對這類橋頭交叉口往往采用交通渠化，并謹慎使用信號控制方案。這種做法對于解決一些特殊形式的橋頭交叉口的交通擁擠和事故多發(fā)問題有一定的現(xiàn)實意義[1-2]。目前，雖然也有一些橋頭交叉口采用單點信號控制，甚至采用信號協(xié)調(diào)控制方法提高橋梁的通行效率，減少了車輛的排隊長度和停車次數(shù)[3-9]，但由于缺乏對橋梁上的交通流特性的詳細分析，控制方法的針對性不強，控制效果欠佳。本文以福建省建甌市水西橋及其橋頭交叉口為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，應(yīng)用Synchro仿真軟件對水西橋及其橋頭交叉口的現(xiàn)有信號協(xié)調(diào)控制方案進行仿真和分析，建立橋頭交叉口“分時段、分方向”的信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案，通過比較優(yōu)化設(shè)計前后的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制效果，可以看出使用優(yōu)化的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，能有效地降低橋面車輛的排隊長度，提高整條道路的行程車速。

作為建甌市中山路的一部分，水西橋是連接新老城區(qū)東西向的唯一主干道，其通行效率對整個城區(qū)的交通運行有著巨大影響。該橋面上機動車道為雙向兩車道，兩側(cè)設(shè)有非機動車道，橋面上機非混行，設(shè)計速度為30 km/h。由于東側(cè)橋頭路口和管葡路口距離較近，為了防止排隊車輛上溢，將兩側(cè)橋頭交叉口和管葡路口作為一個整體進行信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計，研究對象的幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示。

圖1 研究對象的幾何結(jié)構(gòu)

目前，水西橋各交叉口的管制方案為：西側(cè)交叉口西進口道車流由直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)構(gòu)成，東進口道車流由直行和右轉(zhuǎn)構(gòu)成，北進口道車流只能右轉(zhuǎn)，南進口道車流由直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)構(gòu)成；東側(cè)交叉口西進口道車流由直行和右轉(zhuǎn)構(gòu)成，東進口道車流由直行和右轉(zhuǎn)構(gòu)成，北進口道車流只有右轉(zhuǎn)，南進口道車流由直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)構(gòu)成；管葡路口西進口道車流由左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)構(gòu)成，東進口道車流由直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)構(gòu)成，北進口道車流由直行和右轉(zhuǎn)構(gòu)成，南進口道為單行道，只進不出。

1 研究方法

1.1 交通數(shù)據(jù)采集

通過攝像法與人工計數(shù)法相結(jié)合的方法，對各個交叉口的早高峰(7:30-8:30)和晚高峰(17:30-18:30)的交通量進行調(diào)查和統(tǒng)計。各交叉口的高峰小時流率見表1和表2。

表1 早高峰小時流量流向表 pcu/h

表2 晚高峰小時流量流向表 pcu/h

從表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，在早高峰時段由東往西方向橋面上的交通量(1 842 pcu/h)大于由西往東方向的交通量(1 706 pcu/h)，而晚高峰時段由西往東方向橋面上的交通量(2 071 pcu/h)大于由東往西方向的交通量(1 724 pcu/h)，即在早晚2個高峰時段交通量存在“潮汐現(xiàn)象”。由于現(xiàn)狀信號協(xié)調(diào)控制方案采用全天候的單向綠波控制方案(由東往西)，雖然在平峰時段橋面上的通行效率較好，但在早晚兩個高峰時段的通行效率不太理想；因此，根據(jù)該路段的幾何結(jié)構(gòu)和交通流特性，宜采用以交通量為導(dǎo)向的“分時段、分方向”的多方案信號協(xié)調(diào)控制形式，即在早高峰時段由東往西的協(xié)調(diào)控制，在晚高峰時段由西往東的協(xié)調(diào)控制，而平峰時段采用現(xiàn)狀信號協(xié)調(diào)控制方案。

1.2 現(xiàn)狀控制方案分析

該路段的現(xiàn)狀控制方式為單方案的信號協(xié)調(diào)控制，3個交叉口共用周期，周期時長為90 s，其關(guān)鍵路口為水西橋東側(cè)交叉口，關(guān)鍵相位為東西方向的直行，自東往西方向設(shè)綠波控制；水西橋西側(cè)交叉口與其相位差為15 s，管葡路口與其相位差為7 s，信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的設(shè)計帶速為30 km/h。現(xiàn)狀信號協(xié)調(diào)控制方案的配時方案見圖2—4。

圖2 水西橋西側(cè)交叉口信號配時方案

圖3 水西橋東側(cè)交叉口信號配時方案

圖4 管葡路口信號配時方案

1.3 仿真軟件的協(xié)調(diào)控制算法

在Synchro信號協(xié)調(diào)控制仿真系統(tǒng)中，其配時方案的優(yōu)化主要在于優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的周期時長和相位差。周期時長的優(yōu)化是通過系統(tǒng)周期時長在等距變化下計算得出目標評價指標。本文采用“排隊長度和行程時間”作為目標評價指標，以這2個目標評價指標的最小值所對應(yīng)的周期時長作為系統(tǒng)的最優(yōu)周期時長，見公式(1)—(4)。相位差的優(yōu)化方法采用“時差分析法”，以1～4 s為分析長度，在周期范圍內(nèi)求解出不同的延誤值，見公式(5)和公式(6)，選取其中綠波帶寬最大時的延誤值所對應(yīng)的相位差[10]作為協(xié)調(diào)控制優(yōu)化系統(tǒng)的最優(yōu)相位差，見公式(7)。

周期時長的計算公式為

(1)

式中:C為周期時長,s；L為總損失時間,s；CS為關(guān)鍵總交通量，輛/h；RS為參考總流率，輛/h。

通過式(2)和式(3)可以選取最佳周期時長。

Y=min(Yi)

(2)

C=CY

(3)

式中:Yi為目標評價指標；Y為最佳周期時的目標評價指標；CY為選取的目標評價指標值對應(yīng)的周期時長；C為系統(tǒng)最優(yōu)化周期時長,s。

交叉口車輛最大排隊長度的計算公式為

(4)

式中:Q為最大排隊長度，輛；PF2為信號聯(lián)動影響修正系數(shù)；vL為車道組中每條車道的流率,輛；C為系統(tǒng)的最優(yōu)化周期時長,s；g為有效綠燈時間,s；XL為流率與通行能力的比值；cL為車道組中每條車道通行能力,輛/h；T為分析時段長度,s；kB為增量項的修正系數(shù)；QbL為分析時段開始時車道組中每條車道的初始排隊長度,輛；C為系統(tǒng)最優(yōu)化周期時長,s。

1條進口道延誤時間的計算公式為

(5)

式中:dA為A進口道延誤時間，s/輛；di為A進口道車道組i的延誤時間，s/輛；vi為A進口道車道組i的修正流量，輛/h。

交叉口平均控制延誤時間的計算公式為

(6)

式中：dI為交叉口每一輛車的平均延誤時間，s/輛；dA為A進口道的延誤時間，s/輛；vA為A進口道的修正流量，輛/h。

相位差的計算公式為

(7)

式中：θij為相鄰交叉口直行方向的相位差，s；L為相鄰交叉口兩停止線之間的距離，m；S為相鄰交叉口兩停止線之間的平均車速，m/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)狀交通效益指標分析

基于現(xiàn)狀信號協(xié)調(diào)控制方案和早晚兩個高峰時段的交通量，應(yīng)用Synchro對早晚兩個高峰時段的信號協(xié)調(diào)控制方案進行仿真分析，結(jié)果見表3。

表3 早晚高峰時段仿真結(jié)果

由表3可以看出：從最大排隊長度來看，各交叉口在東西方向的排隊長度都較長，其中，在早高峰時段東西兩側(cè)橋面上的排隊長度分別為77 m和68 m，在晚高峰時段兩側(cè)橋頭的排隊長度分別為92 m和41 m，可見不管是早高峰還是晚時段，橋面上排隊的車輛都比較多；在早高峰時段，自東向西和自西向東的平均行程速度分別為16.6 km/h和15.1 km/h，與路段設(shè)計速度之比為0.553和0.503，晚高峰時段的平均行程速度分別為12.5 km/h和9.2 km/h，與路段設(shè)計速度之比為0.417和0.307，可見在高峰時段，特別是晚高峰時段的延誤較大，路段平均行程速度較低。

2.2 優(yōu)化設(shè)計及其交通效益指標分析

為了提高早晚高峰時段的通行效益，減小水西橋兩側(cè)橋面上的排隊長度，有必要進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.1 早高峰時段的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)早高峰時段的交通量，早高峰時段宜實施自東向西方向的綠波控制。以早高峰時段交通量為基礎(chǔ)，應(yīng)用Synchro對各交叉口的信號周期進行整體優(yōu)化計算，根據(jù)仿真計算結(jié)果，以水西橋東側(cè)交叉口為關(guān)鍵路口，3個交叉口的共用周期時長為74 s。各交叉口的絕對相位差分別為：水西橋西側(cè)交叉口與其相位差為39 s，管葡路口與其相位差為33 s。早高峰時段信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案時距見圖5，仿真結(jié)果見表4。

圖5 早高峰信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案時距圖

2.2.2 晚高峰時段的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)晚高峰時段的交通量，在晚高峰時段宜實施自西向東方向的綠波控制。以晚高峰時段的交通量為基礎(chǔ)，應(yīng)用Synchro對各交叉口的信號周期進行整體優(yōu)化計算。由于管葡路口的周期時長最長，因此以管葡路口作為關(guān)鍵路口，東西方向直行為關(guān)鍵相位，3個路口的共用周期為78 s，各交叉口的絕對相位差分別為：水西橋西側(cè)交叉口與其相位差為50 s，東側(cè)交叉口與其相位差為6 s。晚高峰信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案時距見圖6，仿真結(jié)果見表4。

圖6 晚高峰信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案時距圖

2.3 仿真結(jié)果分析

從優(yōu)化設(shè)計后的仿真結(jié)果(見表4)可以看出：在早高峰時段，東西兩側(cè)橋面上的排隊長度分別為28 m和32 m，與現(xiàn)狀控制效果(見表3)相比分別減少了63.64%和52.94%；在晚高峰時段，東西兩側(cè)橋頭的排隊長度分別為40 m和37 m，分別減少了56.52%和9.76%，可見在高峰時段，橋面上的排隊車輛均有明顯的減少。在早高峰時段，路段平均行程速度分別為20.0 km/h和15.3 km/h，與現(xiàn)狀控制效果相比分別提高了20.48%和1.32%；在晚高峰時段，路段平均行程速度分別為19.5 km/h和18.0 km/h，與現(xiàn)狀相比分別提高了56.00%和95.65%，可見在高峰時段，特別是晚高峰時段的平均行程速度明顯提高。

表4 優(yōu)化參數(shù)后早晚高峰時段仿真結(jié)果

3 結(jié)論

采用“不同時段不同方向”優(yōu)化后的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，2個高峰時段的交通效益指標都有明顯提高，橋頭兩端的車輛排隊現(xiàn)象得到明顯改善，平均行程速度得到提高。在早高峰時段，橋梁東西兩側(cè)的排隊長度分別減少63.64%和52.94%，在晚高峰時段，橋梁東西兩側(cè)的排隊長度分別減少56.52%和9.67%。說明橋頭交叉口信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計后，能有效縮短橋面上的車輛排隊長度。高峰時段的交通效益指標都得到一定的改善，其中晚高峰時段的平均行程速度有大幅度提高，說明橋頭交叉口采用優(yōu)化后的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能有效提高橋梁的通行效率。平峰時段采用現(xiàn)狀控制方案，高峰時段采用優(yōu)化后的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以改善這條干道的通行效果，經(jīng)過近2個月的實際試運行已經(jīng)得到很好的驗證。

在信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，由于只考慮主控方向(東西方向)車流的綠波控制，使得其他方向的車流暫時無法實現(xiàn)綠波控制。此外，由于本研究開始時，該路段已經(jīng)采用單方案的信號協(xié)調(diào)控制，沒有單點控制的定量參數(shù)，因此無法與單點控制效果進行定量比較。今后類似研究中應(yīng)事先調(diào)查“無信號控制”、“單點信號控制”的交通效益指標，以便作定量比較。

[1]郭建鋼，張文星，陳必太，等．基于VISSIM的橋頭交叉口改造優(yōu)化設(shè)計[J]．公路與汽運，2013 (1)：44-47．

[2]Guo Jian-Gang, Qiu Mei-hua, Chen Bi-tai. Study on the Secondary starting model used in a large Y-shaped intersection [J]. Applied Mechanics and Materials, 2013,255:1797-1802.

[3]伍雄斌，郭建鋼，程婉燕．基于遺傳算法的單一路口智能體優(yōu)化控制[J]．福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2008，37(2)：221-224．

[4]牟海波，俞建寧．城市交叉口群交通信號控制研究[J]．蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2011 (6)：106-109．

[5]周君．城市干道交通信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011，35 (10)：984-987．

[6]李繁.城市道路典型交叉口交通信號配時優(yōu)化[J]．武漢交通職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2012，14 (2)：80-82．

[7]郭彥東，李 歡，李夏苗．城市主干路信號配時優(yōu)化實證研究[J]．交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2011，11(z1)：167-174．

[8]Clement S J, Anderson J M. Traffic signal timing determination: the cable model [C]// 2nd TEEE International Conference on Genetic Algorithms in Engineering System: Innovations and Application.[S.l]:TEEE,1997.

[9]馬暢，敖谷昌，邵毅明．信號協(xié)調(diào)控制下城市干道運行效率評價研究[J]．交通信息與安全，2012，30(4)：62-65．

[10]胡佩峰，田宗忠，袁振洲，等．交通運行管理中的可變綠波帶優(yōu)化[J]．交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2011，11(1)：61-72．