天津市城市交通信號宏觀控制戰略研究與應用

天津市公安交通管理局交通工程科技研究所 劉少堂 張 海 任 超

本文從天津市道路交通特征出發，依托天津市交通信號控制系統的多種控制方式，靈活利用各種交通信號控制系統的控制方式特點，探討研究天津市城市交通信號整體控制戰略，用以實現天津市城市中心區的交通信號控制戰術，達到對整個城市交通有效控制的目的。通過合理科學地設計應用城市整體信號控制戰略，提高城市交通信號控制水平，從交通信號控制系統角度提升城市路網的運行效率，改善城市道路交通環境。

引言：先進的城市交通信號控制系統的建設為實現城市交通智能化控制奠定了基礎，使得多種控制方式適應不同的交通特征成為可能，為解決城市交通問題，改善城市交通環境提供了有效的技術手段。

在城市交通管理控制中，交通設計師對于城市道路交叉口的設計，一般通過合理設計道路交叉口的渠化和控制方式，借助各類檢測設備提高信號控制的適應性，使得城市道路交叉口滿足交通流變化的需要；而針對城市交通干道的交通控制，一般采取綠波控制的方式提高城市干道的通行效率；對區域交通控制的實戰應用更多的關注是多條道路的相交協調。而這些研究和應用也僅僅局限在微觀和中微觀層面，對于城市整體的交通信號控制卻往往被忽略。對于整個城市宏觀層面的控制戰略的研究不足一般會導致一個路口、一條道路、一個區域的運行效率提高了，卻造成其它區域的交通問題更加突出。交通問題是一個系統性問題，單獨解決一個方面的問題往往引起其它方面的問題更加突出，顧此失彼。所以，對于城市的整體交通控制需要進行宏觀層面的規劃，研究城市整體的控制戰略，在戰略方針的指引下，實施戰術控制，才能更好的發揮交通信號控制系統的功能，對城市交通實施有效的控制。

1.天津市交通信號控制系統建設

作為城市智能交通系統建設的基礎，交通信號控制系統是城市交通控制的主要手段，是實現城市交通智能化控制的根本保證。我國絕大部分大中型城市已經建立了先進的交通信號控制系統，以減少路口停車次數、延誤時間及環境污染，提高城市交通運轉效率。天津市自2013年初開始全面建設中心城區交通信號控制系統，鋪裝地磁檢測器10000余個，中心城區有1500個路口已經納入信號控制系統，所有燈控路口實現了聯網集中控制，完全運行在自適應協調控制模式下。 依托完善的檢測系統和系統自身優化算法全面實現了交通信號智能化控制，天津市整體交通信號控制水平實現了質的飛躍。系統自運行以來，大大緩解了城市中心城區交通擁堵狀況，使城市的道路交通環境有了明顯的改善。在這種情況下，研究城市宏觀交通信號控制戰略用以指導路口、道路、區域乃至整個城市范圍的交通控制戰術參數設定顯得更為重要。

2.天津市道路交通特征

在歷史沿革的基礎上，經過多年的建設，天津市中心城區的路網骨架基本形成，主要由四條環線（由內到外依次為內環線、中環線、快速環線、外環線）和十九條射線交織而成，形成“四環十九射”的道路格局，如圖1所示。其中，內環線全長15.21公里，由十一徑路、曲阜道、南京路等8條道路圍合而成，現有交叉路口54個。途經3座橋梁；中環線全長34.49公里，由紅星路、東興路、圍堤道等5條道路圍合而成，現有交叉路口76個。途經14座橋梁；外環線全長71.44公里，由外環東路、外環南路、外環西路、外環北路圍合而成，現有交叉路口81個。途經23座橋梁；城市快速路已建成段全長約130公里（其中快速環路長48.9公里），現有立交橋32座，匝道133條，出入口173個；十九條射線包括友誼南路、衛津南路、紅旗南路、復康路等主干道路。天津的城市主干路網由環形和放射形道路組成，因此其控制戰略也突出地反應在保證環線暢通和射線進出有別方面。

圖1 天津市路網布局示意圖

高德發布的擁堵數據顯示，天津市擁堵指數較高的區域仍然集中在中環線圍合的74平方公里區域。交通量發生相對集中，區域內道路交叉口基本處在飽和或超飽和狀態，有效控制進出這一區域的交通流量，使這一區域的交通路網高效運轉，是制定天津市交通信號控制戰略的重點。

3.天津市交通信號控制戰略

交通運行系統具有復雜的時空特征，但也表現出一定的規律性。在空間方面，交通需求分布是城市路網空間布局的重要影響因素，路網空間布局又會反作用于交通需求分布，交通需求與路網空間特征對城市交通運行規律的體現是可以相互印證的。天津市的交通信號控制戰略基于城市路網特征和交通流特征在空間和時間兩個維度進行控制戰略的設計。

3.1 空間交通信號控制戰略

天津市的主干路網為環線和射線相結合模式，環線承擔集散交通和貫通交通，射線承擔進出中心城區交通，承擔全市51%以上的交通量。因而，在空間維度的交通信號控制戰略主要基于環線和射線、城市快速路三個空間層面進行制定。

3.1.1 環線交通信號控制戰略

天津市內環線、中環線、外環線共包含燈控路口156個，全市的交通流量將近40%分布于環線，擁堵點位也基本分布于三個環線上，保證環線的通行效率將對全市的交通平穩高效運行提供有力的保障，因此天津市城市交通信號控制戰略的重點也在環線的交通信號控制環節。環線交通流流向涉及城市的各個方向，無進出中心城區之分，保障環線交通流的雙向快速流動，減少路口停車次數和延誤時間為主要控制目標，因此戰略上采取分段設置雙向綠波控制的方式，使環線車流雙向流動起來，如圖2所示。

內環線交通以集散交通為主，車流通過相交干道和次干道路網疏散到周圍行政、商務、生活區，車流無明顯潮汐特征。高峰時段交通控制以交通流無溢出為目標，以相鄰路口雙向綠波協調控制達到“擁而不堵”的平衡狀態；平峰時段交通控制以交通流通暢運行為目標，通過雙向綠波協調控制提升交通運行效率。中環線道路交通特征與內環線類似，但路口間距較大，與重要射線相交路口交通集散功能突出。對中環線總體控制掌握以重要集散節點為關鍵點，建立雙向綠波協調區間段，區段間實現有機銜接，延伸綠波帶長度。隨著外環線的北部調線工程的完工、全天禁行貨運機動車措施的實施以及環城四區的快速發展，外環線的交通功能已經與中環線趨于一致。但由于外環線遠離中心城區，具有開闊的路口間距，與射線相交路口適宜作為進入中心城區的控流節點設置。因此，外環線上交通信號控制以相距較近的相鄰路口進行雙向綠波協調控制，與射線交叉口作為控流節點設計。

圖2 天津市環線雙向綠波控制示意圖

3.1.2 快速路交通信號控制戰略

快速路位于中環線和外環線之間，是環市貫通城市的的快速交通通道（圖3）。快速路交通信號控制戰略基于保障快速路交通通行功能，提高快速路通行效率為控制目標。具體實施過程中根據入口容車量、匝道長度設置不同的控制方略，大部分入口和匝道采用通行無控制的方式，以保證城市快速路應有的交通功能。高峰擁堵時段采取短時部分入口和匝道信號控制，使車流斷續進入，減少對主路交通的影響，減少對快速路整體交通飽和度的影響。

圖3 天津市中心城區快速路平面圖

3.1.3 射線交通信號控制戰略

對于射線的控制主要考慮進出交通總量控制，在關鍵節點形成閘口，通過截流實現中心城區交通總量適中、均衡，使中心城區路網交通流均衡、維持有效運轉，減少擁堵的發生。射線上控制以高峰快出慢進、平峰雙向通暢為原則（圖4）。

在高峰時段，射線道路協調控制以降低車流進城速度，加快車流出城速度為總控制原則：對于進城流量明顯高于出城流量的射線道路，在路口防溢流精細配時優化的基礎上實行進城紅波協調控制，均衡分布流量于各個交叉口，對其他進出城流量特征的道路實行出城單向綠波協調控制。在平峰時段，射線道路協調控制以道路雙向行駛通暢為目標，實行雙向綠波協調控制。

圖4 天津市放射線干道高峰時段濾波控制示意圖

3.2 時間交通信號控制戰略

時間控制戰略基于交通流特征制定。通常情況下，每日的交通出行變化發生于工作時段和非工作時段，這兩個時段作為日常時間維度控制的主線。而由于限行措施、特殊事件、節假日也會造成交通出行發生變化，因此，提出特殊時間段的控制作為時間維度控制的輔助。

3.2.1 工作時段交通信號控制策略

工作時段實際上就是系統的日常控制階段，是系統控制的主要層面，有效實施工作時段的交通信號控制是提升城市交通信號控制效能的關鍵。我們將工作時段分為高峰時段和平峰時段，不同時段交通控制戰略目標多樣化。高峰時段以交通運行擁而不堵為目標，利用外控內疏、防溢流協調控制，使交通壓力均衡分布，避免交通秩序失控。平峰時段以交通運行連續通暢為目標，利用雙向綠波協調控制技術，提高車流運行的連續性和駕駛舒暢度，減少停車次數和車輛停車延誤。

3.2.2 非工作時段交通信號控制策略

夜間非工作時段，控制車速、減少路口等候時間和增加行人安全性為目標，通過路口配時精細化設置縮短行人和機動車路口等待時間，通過非連續綠波協調控制避免車輛長時間不停車行駛導致車速過高。同時，大型路口晚間（22：30至6：00）啟動行人按鈕控制，以滿足行人安全過街為主要控制原則。

3.2.3 特殊時段交通信號控制戰略

特殊時段包括節假日出行時段、交通管制時段，主要影響到特定的區域道路交通環境的改變，引起交通流量的驟然增加和減少。針對這些局部和有限時間段的影響，交通信號控制以臨時控制預案為手段，即臨時提高區域交叉口的最大周期、調整綠信比方案為應對策略，事件過后即行恢復原有控制策略。

4.交通信號控制戰略的實施

由于天津市的交通信號控制系統仍處在大規模建設過程中，先行落實控制戰略是首要環節。在城市交通控制宏觀戰略確立的情況下，依據控制戰略指導新建的道路交叉口進行控制參數的設計和設定。天津市中心城區面積約為430平方公里，涉及1500個道路交叉口，實施城市整體交通信號控制戰略是一個長期的過程，通過截流控制節點、分流控制節點、緩沖控制節點、銜接控制節點等控制功能的設計，使每個路口根據地理位置和交通特征在城市整體交通控制中發揮不同的作用，進而形成一個有機的控制整體，高效運轉。根據天津市城市交通控制宏觀戰略控制目標，系統建設過程中遵循先宏觀后微觀的原則，首先，在系統建設過程中著手實施整體控制戰略，依據總體戰略對控制子區、協調周期、協調相位差等參數進行同步設置。其次，系統大規模建設基本完成后，經過一年的試運行，根據交通流量的改變和運行的效果評估，逐年進行精細化調整，包括子區的重新劃分，協調控制參數的重新設置等。具體來講，全面考慮環線射線交叉口的作用定位，確定重點路口的控制功能，圍繞重點路口節點進行整體控制策略的實施。實施過程中，制定實施時間表，從中心城區選定一條路、一個區域開始優化，因而向周邊延伸，最終完成整個城市的交通信號控制戰略的實施工作。