城市道路多交叉口協調控制方案設計與仿真研究

李鑫星+++郭文榮

摘 要：文章在對北京市朝陽區小營路、小營西路和北苑路交叉口進行實地交通調查的基礎上，設計了多交叉口交通信號協調控制方案。通過交通仿真軟件TransModele3.0對交通信號控制方案進行仿真以及對仿真結果的綜合分析，文章所設計的多交叉口協調控制方案能夠降低各交叉口的車輛延誤，提高車輛的通行效率，取得了良好的交通控制效果。

關鍵詞：多交叉口；協調控制方案；交通仿真；Transmodeler；通行效率

1 概述

隨著我國城市經濟的發展和人民生活水平的日益提高，機動車保有量呈現迅速增長的趨勢，隨之而來城市的交通負荷和交通擁堵日益加劇。作為交通擁堵的主要發生地，城市交叉口匯集了大量的車輛和行人，如何采取行之有效的交通信號控制方案對其進行交通控制，對于提高交叉口的通行效率，緩解擁堵，具有重要的意義。

文章所研究的交叉口是位于北京市朝陽區北四環東路附近的三個相鄰交叉口（小營路、小營西路和北苑路交叉口），由于這些交叉口地處北四環附近，周圍交通便利，生活休閑設施發達，來往的車輛和行人較多，在交叉口經常會出現擁堵和車輛排隊的現象，造成了通行效率的下降，因此，需要對這些交叉口的交通控制方案進行研究和改進，以提高交叉口的交通控制水平。由于這三個交叉口在東西方向相鄰，位于同一條線路上且距離較近，因此適合采用干線協調控制方式，通過設計各交叉口之間相互協調的信號配時方案，可以使車輛盡量以綠燈連續通過各交叉口，減少車輛在交叉口的停車和延誤時間，減少擁堵，提高交叉口的通行效率，具有積極的作用。

2 交叉口概況

文章所研究的小營路、小營西路和北苑路交叉口位于北京市朝陽區北四環東路以北，為東西方向相鄰的交叉口，如圖1所示。其中，小營路交叉口南側為北四環的惠新東橋，北側為小營北路，交通較發達，購物便利，來往的行人和車輛較多。小營西路交叉口緊鄰小營路交叉口西側，屬于小型交叉口，周邊有餐館、便利店、住宅區等，其行駛的車流主要集中在東西方向，南北方向車流量較少，行人不多。北苑路交叉口是三個交叉口中最大的一個交叉口，附近主要有地鐵、銀行、飯店、酒店等等，交通發達，生活娛樂設施完善，行人和車輛較多，有時會出現大規模排隊，易造成交通擁擠情況。這三個交叉口彼此距離較近，有時會出現車輛排隊現象，因此需要設計交叉口之間的協調信號控制方案以提高通行效率。

3 交通調查

3.1 路網幾何結構調查

通過實地調查，獲得了小營路、小營西路以及北苑路交叉口及其周邊道路的路網幾何結構數據，包括各交叉口及其周邊道路的車道類型、數量、車道長度和車道寬度等數據，并通過Transmodeler3.0交通仿真軟件建立了路網交通仿真模型，如圖2所示。

3.2 交通流量與飽和流量調查

采用錄像法對小營路、小營西路和北苑路交叉口在仿真時段14：00-16：00的交通流量和高峰時段的飽和流量進行了調查，并且分車型（小型車、中型車、大型車）進行了記錄。 通過對交通流量和飽和流量數據進行統計、整理和計算，得出各交叉口在仿真時段的交通流量和高峰時段的飽和流量數據，如表1至表3所示。

4 交叉口單點定時信號控制方案設計

交叉口單點定時信號控制方案設計是協調信號控制方案設計的基礎， 首先應根據實際調查的各交叉口的交流流量數據完成各交叉口的單點定時信號控制方案設計，以便使所設計的方案能夠滿足實際交通需求。根據表1、表2和表3中所調查的小營路、小營西路和北苑路交叉口的各進口交流流量和飽和流量數據，完成各交叉口的相位方案設計和單點定時信號配時方案的設計，信號配時方案的計算采用Webster方法。各交叉口的單點定時信號配時方案設計結果如表4、表5和表6所示。

5 多交叉口協調信號控制方案設計

5.1 設計思路

依據干線協調控制方案的設計理念和設計方法，在小營路、小營西路和北苑路交叉口的協調控制方案設計中需要確定各交叉口的協調相位、協調控制方式、系統公用周期、各交叉口的協調控制配時方案以及相位差。

根據小營路、小營西路和北苑路交叉口的地理位置情況和交通流量情況，將各交叉口的東西方向直行相位作為協調相位。由于小營路與小營西路交叉口的間距為180米，小營西路與北苑路交叉口的間距為350米，相鄰交叉口之間的間距不同，應根據不同交叉口的間距和期望車速采用不同的相位差以滿足各交叉口的通行需求，因此確定協調控制方式采用續進式協調控制方式。在完成以上設計后，隨后需完成系統公用周期、各交叉口協調控制方案設計以及相位差的設計，并通過TransModeler3.0交通仿真軟件對協調控制方案的時間-距離圖進行仿真分析，不斷調整相位差，以期獲得理想的綠波帶寬。

5.2 系統公用周期

通過表4至表6中各交叉口單點定時配時方案的設計結果可知，小營路交叉口的周期（91s）和小營西路交叉口的周期（65s）遠遠小于北苑路交叉口的周期（167s），因此協調控制方案的公用周期適合采用雙周期形式，即：將北苑路交叉口的協調周期設置為小營路和小營西路交叉口的雙倍。根據對各交叉口的周期進行分析，最終確定：將小營路交叉口的周期（91s）作為基準單周期，將小營西路交叉口的周期調整為單周期時長（91s），將北苑路交叉口周期調整為雙周期時長（182s）。

5.3 小營路交叉口協調控制方案設計

小營路交叉口的協調相位為第一相位（東西進口左/直/右），由于小營路交叉口的協調周期為其自身的單點定時配時方案周期，因此其信號配時方案保持不變，該交叉口的協調控制方案即為其單點定時配時方案，如表4所示。

5.4 小營西路交叉口協調控制方案設計

小營西路交叉口的協調相位為第一相位（東西進口左/直/右）。小營西路交叉口調整后的協調周期為91秒，比單點定時配時方案的周期（65秒）增加了26秒。各相位綠燈時間的調整方案為：保持非協調相位（南北進口左/直/右）的配時不變，將增加的26秒分配給協調相位（東西進口左/直/右），即協調相位（東西進口左/直/右）的顯示綠燈時間調整為30+26=56秒，從而確定了小營西路交叉口在該時段的協調控制方案，如表7所示。

5.5 北苑路交叉口協調控制方案設計

北苑路交叉口的協調相位為第一相位（東西進口直/右）。北苑路交叉口的協調周期為182秒，比單點定時配時方案的周期（167秒）增加了15秒。各相位綠燈時間的調整方案為：保持三個非協調相位的配時不變，將增加的15秒分配給協調相位（東西進口直/右），即協調相位（東西進口直/右）的顯示綠燈時間調整為39+15=54秒，從而確定了小營西路交叉口在該時段的協調控制方案，如表8所示。

5.6 相位差的設計

利用交叉口之間的距離和平均車速計算初始相位差（綠時差），小營路和小營西路交叉口之間距離為180m，小營西路和北苑路交叉口之間距離為350m，期望平均車速：40km/hr，以北苑路交叉口為基準交叉口，經計算得出小營西路與北苑路交叉口之間的初始相對相位差為32秒，小營路和小營西路交叉口之間的初始相對相位差為16秒。

在Transmodeler3.0仿真軟件中，從初始相位差開始進行各交叉口協調控制方案的仿真。通過對協調控制方案的時間-距離圖進行分析，不斷調整相位差以獲得較理想的綠波帶寬。通過對比分析，最終確定初始相位差的協調控制效果較理想。通過初始相位差的協調控制方案得到的時間-距離圖如圖3所示，西向東方向的綠波帶寬為44秒，東向西方向的綠波帶寬為24秒，平均車速為36.1km/hr，通過該協調控制方案獲得了較理想的綠波帶寬和車輛通行速度。

6 仿真結果與分析

通過Transmodeler3.0交通仿真軟件在小營路、小營西路和北苑路交叉口的路網仿真模型中對各交叉口的單點定時配時方案和協調控制方案進行了仿真，仿真3D視圖如圖4所示。

仿真結束后，對不同信號控制方案的仿真結果進行了對比分析，如表9所示。

從表9中可以看出，協調控制方案的各項交通性能指標均優于單點定時控制方案。相比單點定時控制方案，協調控制方案使交叉口平均延誤降低了29.7%，平均車速提高了23.21%，平均控制延誤降低了32.86%，平均停車時間減少了36.66%，交叉口的服務水平從D級提高到了C級，使交叉口的通行效率和交通控制水平得到很大改善。因此，綜合考慮各項交通性能指標，本文所設計的多交叉口協調控制方案取得了較好的交通控制效果。

7 結束語

本文基于實際交通調查，建立了小營路、小營西路和北苑路交叉口及其周邊的路網交通仿真模型，設計了各交叉口的單點定時控制方案和協調控制方案。通過Transmodeler仿真軟件對不同信號控制方案進行仿真以及對仿真結果的對比分析，確定了協調控制方案具有更好的控制效果，該方案對于提高小營路、小營西路和北苑路交叉口及其周邊的路網通行效率、緩解交通擁堵，將起到積極作用。

參考文獻

[1]任福田，劉小明，榮建.交通工程學[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]黃衛，路小波.智能運輸系統（ITS）概論（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]裴玉龍，孫明哲，董向輝.城市主干路交叉口信號協調控制系統設計研究[J].交通運輸工程與信息學報，2004，2（2）：41-46.

[4]孫亮，劉小勇.城市道路交叉口信號控制方案設計及優化[J].新疆農業大學學報，2010，33（5）：457-459.

[5]臧利林，賈磊，羅永剛.交通干線相鄰交叉口動態協調控制研究[J].公路交通科技，2007，24（7）：103-106，158.

[6]劉東，隗卓.近距離交叉口信號配時協調控制方法研究[J].中國人民公安大學學報（自然科學版），2006（3）：78-82.