樂山市綠心路信號線控方案優(yōu)化設(shè)計

徐桃讓，趙 斌，蔣陽升

樂山市綠心路信號線控方案優(yōu)化設(shè)計

徐桃讓，趙 斌，蔣陽升

（西南交通大學(xué)，交通運輸與物流學(xué)院，成都 611756）

針對樂山市綠心路部分路段交通效率低下的問題, 在完成交通調(diào)查的基礎(chǔ)上分別使用圖解法和Synchro并結(jié)合渠化措施對其進(jìn)行信號線控方案的優(yōu)化設(shè)計, 然后使用VISSIM分別對現(xiàn)狀配時方案和兩種線控方案進(jìn)行仿真評價。結(jié)果表明兩種線控方案控制下主干道的延誤、停車次數(shù)等參數(shù)均小于原配時方案, 且在相同時間內(nèi)均能通過更多的車輛數(shù)。進(jìn)一步比較兩種線控方案得知, 基于Synchro的線控方案能使線控系統(tǒng)整體的延誤等參數(shù)更小, 而基于圖解法的線控方案能讓干道通過的車輛數(shù)更多, 證明兩種線控方案具有各自的優(yōu)勢, 從而為不同的控制需求提供了多樣化的選擇。

交通工程；干道信號協(xié)調(diào)控制；Synchro；圖解法；樂山市綠心路；VISSIM仿真

0 引 言

干道交通信號協(xié)調(diào)控制是優(yōu)化干道交通運行的常見方式，國際上信號配時方法常用的有英國的TRRL法、澳大利亞的ARRB法、美國的HCM法等，已用的系統(tǒng)有TRANSYT、SCATS、SCOOT、Synchro，以及VISSIM等[1]。國內(nèi)常用的信號配時方法有“停車線法”和“沖突點法”等[2]。在系統(tǒng)應(yīng)用方面，早期我國大多數(shù)城市引進(jìn)的是采用實時自適應(yīng)控制的SCOOT和SCATS系統(tǒng)。

對這幾種控制系統(tǒng)而言，SCATS和SCOOT系統(tǒng)均以飽和度限制作為系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)，對于過飽和交通流的控制效果并不是很理想。TRANSYT通過比較不同方案的延誤和停車次數(shù)確定最終方案[3]。相比之下，Synchro內(nèi)部使用了HCM2000中提供的韋伯斯特延誤模型[4]，通過控制延誤和百分比延誤這兩個參數(shù)評價交叉口服務(wù)水平，故能更加精確、合理地適合于信號配時方案的調(diào)整和優(yōu)化。基于Synchro的研究應(yīng)用比較多[4-13]，鄭長江等[5]以T型交叉口的控制延誤、排隊長度和服務(wù)水平為指標(biāo)，使用Synchro對其進(jìn)行配時優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的控制效果得到極大改善；曹凌峰[6]選取了三個交叉口作為協(xié)調(diào)控制交叉口，并分別應(yīng)用Synchro建立了基于原交叉口配時方案參數(shù)和基于Synchro優(yōu)化的單個交叉口配時參數(shù)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；白龍等[7]使用Synchro得到了寧波通途路部分路段的信號綠波時距圖，并通過Simtraffic仿真證明優(yōu)化后的交叉口延誤率、路段平均車速、排隊現(xiàn)象等得到了顯著改善。

除了使用信號配時系統(tǒng)，圖解法也是優(yōu)化協(xié)調(diào)控制相位差的常用方法[14-16]，通常情況下通過圖解法可以實現(xiàn)通過帶寬最大化。李鑫等[14]以高德大數(shù)據(jù)獲取的路段平均速度為基礎(chǔ)，使用圖解法得到了綠波帶模型的相位差，并以實際浮動車測試和高德?lián)矶轮笖?shù)評價了協(xié)調(diào)控制的效果，結(jié)果表明高德?lián)矶轮笖?shù)下降了3.7%，協(xié)調(diào)效果得到改善。Lin Guo[15]在MATLAB中用圖解法完成了對四個交叉口的協(xié)調(diào)控制，并通過實例驗證了該方案比原配時方案具有更優(yōu)的控制效果。

在控制效果的評價方面，VISSIM是一種微觀并基于駕駛行為和時間間隔的仿真建模工具[17]。它既可以通過交通建模可視化交通運行狀況，也可以通過運行仿真輸出排隊長度、延誤、停車次數(shù)等參數(shù)用于量化分析和評價，因此是常用交通方案仿真平臺。

由于在計算協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵參數(shù)時，Synchro是以系統(tǒng)延誤等參數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，而常用的圖解法、數(shù)解法則以通過帶寬最大為目標(biāo)，因此本文分別使用Synchro和圖解法并結(jié)合適當(dāng)?shù)那桨笇飞绞芯G心路三個交叉口進(jìn)行信號協(xié)調(diào)控制方案的設(shè)計，然后通過使用VISSIM對現(xiàn)狀控制方案以及兩種信號線控方案進(jìn)行仿真比較。一方面獲得改善該干道運行的控制方案，另一方面也進(jìn)一步驗證和探究這兩種不同的信號協(xié)調(diào)控制參數(shù)優(yōu)化方法各自優(yōu)勢所在，便于在實際工程應(yīng)用中根據(jù)控制需求進(jìn)行選擇。

1 方法介紹

1.1 基于圖解法的線控方案設(shè)計方法

使用圖解法計算線控系統(tǒng)相位差時首先需要確定線控系統(tǒng)的公共周期，關(guān)鍵步驟如下：

（1）確定單個交叉口的周期時長，多用韋伯斯特法，按下式確定：

（2）確定線控系統(tǒng)的公共周期C

一般將前面計算出的周期最大的交叉口作為關(guān)鍵交叉口，關(guān)鍵交叉口的周期即為線控系統(tǒng)的公共周期。

（3）確定線控系統(tǒng)中各交叉口各相綠燈時長

關(guān)鍵交叉口各相綠燈時長等于單點配時計算得到的結(jié)果。各交叉口在各自的協(xié)調(diào)相位保持的最小綠燈時長等于關(guān)鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的綠燈顯示時長，即：

式中，L表示關(guān)鍵交叉口總損失時間（s）；y表示關(guān)鍵交叉口協(xié)調(diào)相位臨界車道車流比；Y表示關(guān)鍵交叉口各相臨界車道車流比之和。

② 確定非關(guān)鍵交叉口非協(xié)調(diào)相位的最小有效綠燈時間。

非關(guān)鍵交叉口非協(xié)調(diào)相位在其交通飽和度x達(dá)到實用限值（一般取0.9）時[18]，有下式成立：

③ 確定非關(guān)鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的有效綠燈時間t：

式中，L表示非關(guān)鍵交叉口總損失時間（s）；表示非關(guān)鍵交叉口非協(xié)調(diào)相位的總個數(shù)。其余符號意義同前。

（4）確定線控系統(tǒng)相位差

如圖1所示，首先根據(jù)線控系統(tǒng)中各交叉口的配時方案和實際位置建立時間-距離圖，從第一個交叉口開始作速度推進(jìn)線，令其斜率等于設(shè)計車速的倒數(shù)。速度推進(jìn)線決定了各個交叉口協(xié)調(diào)相位綠燈時間的起點，并以速度推進(jìn)線為基準(zhǔn)作平行線形成寬度為min（最小綠燈時間）的通過帶[19]。在保證協(xié)調(diào)方向最小通過帶的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步根據(jù)雙向平均每車道直行車流量比例確定雙向綠波帶寬。

圖1 圖解法示意圖

1.2 基于Synchro的線控方案設(shè)計方法

使用軟件Synchro進(jìn)行線控方案設(shè)計時首先需要將調(diào)查獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入車道窗口和流量窗口，后續(xù)優(yōu)化的思路和步驟如圖2所示。

（1）系統(tǒng)周期時長優(yōu)化

Synchro默認(rèn)的線控系統(tǒng)周期范圍為50至150 s，步長為10 s，優(yōu)化系統(tǒng)周期時Synchro會從最小周期開始按步長遞增，尋找使得性能指標(biāo)最小的周期長度作為最佳周期時長，性能指標(biāo)確定如下所示：

式中：P表示性能指標(biāo)；D表示總延誤（s），包括控制延誤和排隊延誤兩部分；S表示排隊長度（veh）。

（2）系統(tǒng)相位差及綠信比優(yōu)化

優(yōu)化相位差是進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的最后一步。Synchro優(yōu)化系統(tǒng)相位差時以最小延誤或接近最小延誤為目標(biāo)，通常以步長為1或4 s進(jìn)行。

在優(yōu)化相位差的同時可以選擇優(yōu)化綠信比（在優(yōu)化系統(tǒng)周期時綠信比會同時得到優(yōu)化）。Synchro首先會嘗試分配綠燈時間以滿足90%的車道流量，如果不能滿足則考慮70%和50%的車道組流量，剩余的綠燈時長會分配給主要協(xié)調(diào)相位。

2 現(xiàn)狀分析

以樂山市綠心路三個相鄰的交叉口（綠心路-綠心路環(huán)線交叉口（編號A）、綠心路-竹公溪路交叉口（編號B）、綠心路-朝霞路交叉口（編號C））為例，三個交叉口之間的位置及間距如圖3所示。首先對其進(jìn)行交通調(diào)查，調(diào)查方式為人工調(diào)查，內(nèi)容包括各個交叉口渠化方案、信號配時及交通流量的調(diào)查（流量以晚高峰17：00~18：00為例）。

圖3 綠心路交叉口示意

2.1 轉(zhuǎn)向流量

流量調(diào)查時段為晚高峰，各個交叉口的流量調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 各交叉口流量調(diào)查結(jié)果

Tab.1 Traffic survey results of vehicular volume at each intersection

2.2 配時方案

現(xiàn)三個交叉口均采用定時控制。交叉口A兩相位配時，周期長106 s；交叉口B采用四相位控制，但存在相位的早啟和遲閉組合，周期時長166 s；交叉口C三相位控制，周期時長165 s。具體各交叉口各相綠信比如圖4所示。

圖4 各交叉口現(xiàn)狀信號配時方案

2.3 問題分析與優(yōu)化設(shè)計思路

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該路段各交叉口在紅燈期間存在較嚴(yán)重的排隊溢出現(xiàn)象，進(jìn)一步分析原因可知該路段各個交叉口的信號控制相互獨立，信號控制的協(xié)調(diào)性較差，因此為提高控制效率可考慮進(jìn)行信號協(xié)調(diào)控制。

使用不同的線控優(yōu)化方法可以得到不同表現(xiàn)性能的線控方案。為獲得適合該干道的線控方案，同時進(jìn)一步驗證和比較圖解法和配時軟件Synchro兩者的優(yōu)勢，使用圖解法確定線控系統(tǒng)相位差，而使用軟件Synchro優(yōu)化線控方案的參數(shù)，優(yōu)化思路如圖5所示。

3 線控方案的設(shè)計

3.1 基于圖解法的線控方案設(shè)計

3.1.1 單交叉口配時方案

通過前面所述的方法計算得到交叉口A的周期長為44 s，交叉口B的周期時長為522 s，由于理論值過大，故按照實際工程經(jīng)驗取為150 s。交叉口C的周期時長為113 s，故關(guān)鍵交叉口為交叉口B，公共周期時長為150 s。計算得到交叉口B協(xié)調(diào)相位（南北方向直行車輛）的綠燈時間為53 s，故線控系統(tǒng)協(xié)調(diào)相位最小綠燈時長為53 s。在滿足最小綠燈時長的基礎(chǔ)上對關(guān)鍵交叉口的配時方案進(jìn)行相位的合理搭配，并對非關(guān)鍵交叉口的各相有效綠燈時長進(jìn)行調(diào)整，計算得到線控系統(tǒng)中各個交叉口的配時方案如圖6所示（具體的調(diào)整、計算步驟略）。

圖5 優(yōu)化設(shè)計思路

3.1.2 線控系統(tǒng)相位差

為簡化描述，將主路綠心路交通流量大的方向定義為線控系統(tǒng)中的正向，即定義綠心路由南至北為正向，由北至南為反向。

（1）繪制速度推進(jìn)線確定綠波帶速。在時-距圖中作斜率為0.1（此時斜率為0.1，其倒數(shù)為10，即對應(yīng)36km/h的帶速）的直線。

圖6 圖解法方案中各交叉口配時方案

（2）調(diào)整相位差，在滿足正向最小綠燈時間為53 s的基礎(chǔ)上使正反向帶寬等于或接近1.2（通過計算得到正反向直行車流量比為1.2）。調(diào)整后的時-距圖如圖7所示，正反向帶速均為36 km/h，正向帶寬53 s，反向帶寬41 s；以交叉口A綠燈起始時間為基準(zhǔn)，沿車流正向行駛方向相位差均為40 s。

3.2 基于Synchro的線控方案設(shè)計

3.2.1 單交叉口配時方案

依據(jù)前面所述的方法和步驟，在Synchro中首先創(chuàng)建路網(wǎng)，輸入各進(jìn)口道的流量，優(yōu)化各個交叉口的周期和綠信比，以及線控系統(tǒng)的周期，得到各個交叉口的配時方案如圖8所示。由圖8可知線控系統(tǒng)公共周期為150 s，每個交叉口的黃燈時長均為3 s。

圖7 基于圖解法的線控方案時-距圖

圖8 Synchro方案中各交叉口配時方案

3.2.2 線控系統(tǒng)相位差

將路段的設(shè)計速度設(shè)為36 km/h，最后一步優(yōu)化線控系統(tǒng)相位差，優(yōu)化后的線控系統(tǒng)時距圖如圖9所示：正向帶寬40 s，反向帶寬30 s；以交叉口A為基準(zhǔn)，正向上相位差依次為15 s，29 s。

圖9 基于Synchro的線控方案時-距圖

4 仿真與評價

4.1 線控方案優(yōu)化

將線控方案在VISSIM中進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)反方向交叉口A比較擁堵，進(jìn)一步結(jié)合渠化和配時方案分析，可知原因在于該交叉口北進(jìn)口直行和左轉(zhuǎn)同相位同車道放行，渠化方案如圖10（a）所示。由于南北方向該交叉口對向直行車流量比較大，因此北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛即使在綠燈時間也需要排隊等候?qū)ο蛑毙熊嚵鏖g隙通過，進(jìn)一步使本車道左轉(zhuǎn)車輛后的直行車輛排隊，從而造成了該交叉口的擁堵。

具體的改進(jìn)措施為：在交叉口A北進(jìn)口道向右拓寬一條車道，車道寬度仍為3.5 m，此時車道功能由左至右依次設(shè)置為較左、直行、直右，如圖10（b）。

改進(jìn)后該進(jìn)口道的直行和左轉(zhuǎn)采取同相位放行，即配時方案不變。此時左轉(zhuǎn)車輛仍需等待對向直行車輛間隙通過，但由于與本向直行車輛車道分離，故不會在排隊期間阻擋本向直行車輛的通行，從而減緩該進(jìn)口道的擁堵。

4.2 評價指標(biāo)

完成線控方案設(shè)計和渠化改進(jìn)后，對原控制方案和兩種線控方案分別進(jìn)行評價，評價內(nèi)容包括干道評價和支路評價兩個部分。干道評價指標(biāo)包括行程時間、車均延誤、車均停車時間、車均停車次數(shù)以及通過的車輛數(shù)；支路評價指標(biāo)包括最大排隊長度、平均排隊長度以及車均停車延誤。指標(biāo)“通過的車輛數(shù)”值越大表明方案控制效果越好，其余指標(biāo)值則越小越好。

4.3 仿真結(jié)果

4.3.1 干道評價結(jié)果

在VISSIM分別輸入三種不同控制方案（原方案、基于圖解法的線控方案以及基于Synchro的線控方案）的控制參數(shù)，仿真得到三種信 號配時方案的主干路各項參數(shù)評價，結(jié)果如表2所示。

表2 三種配時方案干道評價參數(shù)對比

Tab.2 The comparison of arterial evaluation parameters in three kinds of timing scheme

通過表2可做以下對比分析：

（1）與原配時方案相比

① 從表中可以看出，基于Synchro的線控方案除了反向路段的一個參數(shù)（車均停車時間）優(yōu)化量為負(fù)值（-0.9%）外，其余所有延誤參數(shù)的優(yōu)化量皆為正值，表明基于Synchro的線控方案在控制延誤參數(shù)方面整體優(yōu)于原配時方案；同理，基于圖解法中所有的優(yōu)化量均為正值，故基于圖解法的線控方案在控制延誤參數(shù)方面也要優(yōu)于原方案。

② 兩種線控方案控制下通過的車輛數(shù)均大于原配時方案，說明通過效率均高于原配時方案。

（2）兩種線控方案相比

① 對比兩個評價值可以發(fā)現(xiàn)：正向上除“通過的車輛數(shù)”以外，基于Synchro線控方案的各項延誤參數(shù)均小于基于圖解法的線控方案；反向上基于圖解法的線控方案的各項延誤參數(shù)則均小于基于Synchro的線控方案。

② 基于圖解法的線控方案在正反向通過的車輛數(shù)均大于基于Synchro的線控方案，表明基于圖解法的線控方案更能實現(xiàn)雙向帶寬最大。

4.3.2 支路評價結(jié)果

支路最大排隊長度可用來反映線控方案是否需要調(diào)整，若其超過與支路上最近交叉口之間的距離，說明擁堵影響到了支路上相鄰的交叉口，此時需要根據(jù)情況對主線配時方案進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)實際調(diào)查，交叉口A距離支路上相鄰最近交叉口的距離約為1600 m，交叉口B為386 m，交叉口C為180 m，三種方案的最大排隊長度分析結(jié)果如表3所示。

表3 支路最大排隊長度分析

支路平均排隊長度和停車延誤的評價結(jié)果如表4所示。

表4 支路評價參數(shù)對比

（1）與原配時方案相比

由表3可知，兩種線控方案下三個交叉口支路的最大排隊長度均小于其與相鄰最近的交叉口之間的距離，故對支路的影響都在可接受范圍內(nèi)。

（2）兩種線控方案相比

從表4中可以看到除交叉口A的平均排隊長度外，基于Synchro的線控方案在三個交叉口支路的平均排隊長度和停車延誤均小于基于圖解法的線控方案，因此證明了基于Synchro的線控方案在控制支路延誤方面更優(yōu)于基于圖解法的線控方案。

5 結(jié) 論

本文首先介紹了常用的信號協(xié)調(diào)控制方法，然后以樂山市綠心路為例，首先對其展開了交通調(diào)查，然后分別使用圖解法和Synchro法對綠心路進(jìn)行信號線控設(shè)計及渠化改進(jìn)。最后借助仿真軟件VISSIM，分別對原配時方案和兩種線控方案進(jìn)行仿真評價，并對比得出以下結(jié)論：與原方案相比，在主路層面兩種線控方案均能提高車輛通過數(shù)和減少延誤、停車次數(shù)等；在支路層面兩種線控方案對支路的影響都在可接受的范圍內(nèi)；兩種線控方案相比，基于Synchro的線控方案在主路正向延誤上小于基于圖解法的線控方案，而后者則在主路雙向帶寬和反向行程延誤上更優(yōu)于前者，且基于Synchro的線控方案在支路產(chǎn)生的延誤要小于基于圖解法的線控方案。總體而言，基于Synchro的線控方案在控制系統(tǒng)總延誤上優(yōu)于基于圖解法的線控方案，而后者則趨于使主路雙向通過帶寬更大。

公交車行駛速度低，需要多次停靠，因此實現(xiàn)公交車優(yōu)先通行對綠波控制方案有一定的影響。文章在進(jìn)行信號線控方案設(shè)計時沒有考慮公交優(yōu)先通行。除了公交車，轉(zhuǎn)彎車流到達(dá)交叉口在時間上具有隨機(jī)性，紅燈期間到達(dá)后引起的排隊也會影響綠波控制方案的效果，因此后續(xù)研究可以進(jìn)一步通過考慮更多的影響因素實現(xiàn)更優(yōu)的控制效果。除此以外，由于仿真與現(xiàn)實之間存在的差異，文中線控方案在現(xiàn)實中實施后的改善效果可能與仿真結(jié)果并不完全一致，還需進(jìn)一步驗證。

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The Optimization Design of Signal Coordinated Control for Lvxin Road in Leshan City

XU Tao-rang，ZHAO Bin，JIANG Yang-sheng

(School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

In regard to the issue of low traffic efficiency in the Lvxin Road segment in Leshan City, the graphic and synchro method combined with channelizing measures were applied to design the signal coordinated control plan. Besides, VISSIM was used to simulate and evaluate the performances of original timing plan and two coordinated timing plans. The results show that parameters, such as travel delay stops in two coordinated control plans are both smaller than in the original. It was further found that the timing plan based on the synchro method can make parameters like travel delay smaller in the whole system while the plan based on the graphic method can ensure that more cars pass on the arterial simultaneously; This indicates that the two coordinated control plans have their individual advantages, thus providing different choices for different control demands.

traffic engineering; arterial signal coordinated control; synchro; graphic method; Lvxin Road in Leshan City; VISSIM simulation

U491.4

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.003

1672-4747（2020）01-0016-10

2019-03-04

2019年研究生學(xué)術(shù)素養(yǎng)提升計劃專題項目（2019KCJS46）

徐桃讓（1995—），男，甘肅隴南人，漢族，西南交通大學(xué)碩士研究生，研究方向為交通工程，E-mail：1922417433@qq.com

徐桃讓，趙斌，蔣陽升. 樂山市綠心路信號線控方案優(yōu)化設(shè)計[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報，2020，18（1）：16-25.

（責(zé)任編輯：劉娉婷）