基于MAXBAND 和VISSIM 的交通管理與控制信號綠波實驗設計

楊 震，馬健霄，王寶杰

（1. 南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037；2. 長安大學 運輸工程學院，陜西 西安 710064）

“交通控制與管理”是交通工程本科專業的一門必修課程，主要內容是在既有道路交通設施的約束下，如何科學合理地運用交通法規、行政管理、工程管理以及信號控制技術等措施，來管理、控制城市道路及公路的交通運行，以提高交通安全和交通效率[1-2]。課程著重培養學生分析復雜工程問題、設計解決方案和使用現代工具的能力，對交通工程專業的畢業要求和培養目標有著較強的支撐作用。在學習該課程之前，一般要求學生先掌握交通規劃和交通設計的相關知識。

信號控制技術是交通管理與控制課程的教學重點和難點，分為單點、干線及區域信號控制3 個層次。課程一般要求學生熟練掌握單點、干線兩個層面的信號控制方法，其中干線層面的信號控制稱為干線信號協調控制，指的是對干線上多個交叉路口的信號配時進行聯動設計。干線信號協調控制的目標有車輛延誤最小化和綠波帶寬最大化兩種[3]，其中交通管理與控制課程講解的是以綠波帶寬最大為目標的協調方法（又稱為信號綠波、綠波協調），即在干線各交叉口間形成一條可供車輛連續、不間斷通過的帶寬。該方法由于具有操作簡便、直觀易懂等優點，在工程上也有廣泛的應用，但對于初次接觸的學生來說還有一定難度。為了讓學生對信號綠波的控制原理和效果有更加直觀的認知，課程一般需要設置實驗環節，常用的信號綠波實驗工具有美國Trafficware 公司的Synchro Studio[4-5]、德國PTV 公司的VISSIM[6-7]、交通仿真沙盤[8]等。但截至目前，在信號綠波實驗方案的具體設計方面，還未見相關文獻報道。因此本文將基于綠波協調優化模型 MAXBAND 和微觀交通仿真軟件VISSIM，系統性地構建干線信號綠波的實驗方案。

1 實驗前準備

干線信號綠波控制主要以單點交叉口信號控制為基礎，兩者既相互聯系，又有所區別。在進行干線信號綠波實驗之前，學生在單點及干線信號控制方面的理論知識準備包括：①較為熟練地掌握單點信號控制的基本概念、原理及方法；②理解干線綠波協調3 個最重要的參數——公共周期、綠燈時間、相位差（即綠燈啟動時差）—— 的含義，能夠在相對相位差和絕對相位差之間進行轉換；③熟悉干線綠波協調配時的基本步驟。

2 實驗任務

本實驗的目標是對干線信號綠波控制參數進行合理設計和仿真模擬，使學生更直觀地理解和掌握信號綠波控制原理及效果。在具體的實驗過程中，學生需要在已知干線幾何形態、交通需求、單點信號配時參數、綠波帶速等基礎資料的前提下，利用協調控制模型優化綠波相位差，并在微觀交通仿真軟件中對綠波協調方案進行仿真模擬，得出實驗結論。

3 實驗步驟

干線綠波協調配時的基本步驟包括公共周期時長的確定、交叉口（包括關鍵交叉口和非關鍵交叉口）綠燈時間的確定、相位差的確定和協調控制效果仿真評價。考慮到干線信號協調涉及的交叉口數目較多，在本實驗中，各交叉口的公共周期時長和綠燈時間可設為已知條件，實驗具體步驟為：綠波相位差的確定；綠波控制方案的仿真模擬；綠波控制方案的評價分析。

3.1 綠波相位差的確定

相位差的確定是干線綠波協調配時的關鍵，決定著線控系統所能達到的最大綠波帶寬，在本實驗中，綠波相位差的確定采用MAXBAND 模型。MAXBAND是Little 等[9]建立的混合整數線性規劃模型，能夠在輸入交叉口間距、綠信比、公共周期范圍、路段交通量等條件下，對公共周期、相位差、相位順序、綠波帶寬等協調控制參數進行優化。MAXBAND 是綠波協調控制最常用、最重要的模型，其后又有很多學者在MAXBAND 的基礎上，提出了諸如MULTI- BAND[10]、AM-BAND[11]、OD-BAND[12]等模型的改進版本。本文根據學生知識水平和實驗教學的需要，將MAXBAND改進為雙環及單環相位條件下的綠波協調優化模型。

雙環相位是美國國家電氣制造商協會（NEMA）針對典型信號控制十字交叉口制定的標準相位結構，由8 個相位構成（見圖1(a)），其中位于同環、同屏障的兩個相位可調換順序，不會對其他相位的運行產生影響[13]。與雙環相位相對應的是單環相位，由4 個相位構成（見圖1(b)），在我國城市道路中有著廣泛的應用。

圖1 相位結構圖

假設干線協調方向為南北方向，且由南向北為上行方向，由北向南為下行方向。在雙環相位條件下，基于MAXBAND 的綠波協調優化模型構建過程如圖2所示，其目標函數為

其中：b(b′)為上行（下行）方向的綠波帶寬（s）。其約束條件為

圖2 基于MAXBAND 的綠波協調優化模型構建過程

在單環相位條件下，綠波協調優化模型的目標函數與雙環相位相同，而其約束條件為

在單環條件下，ri=且無內部相位差的約束。以上模型可在CPLEX、LINGO、MATLAB 優化工具箱等軟件中編碼求解[14]，其中求解得到相對相位差oi為后續實驗的重要參數，通過式（4）可將其轉化為絕對相位差：

其中ρi為交叉口i的上行絕對相位差（s）。在具體實驗操作中，以上模型可由學生自主編程完成求解，也可由教師提供程序代碼，學生代入參數的方式完成求解，可以依據實驗學時和學生的學習基礎、能力水平而定。

3.2 綠波控制方案的仿真模擬

在本實驗中，綠波控制方案的仿真模擬采用VISSIM 完成。VISSIM 由德國PTV 公司開發，是一款基于時間間隔和駕駛行為的微觀交通仿真軟件，可對各種條件下的交通運行狀況進行仿真模擬[15]。VISSIM 功能全面、成熟穩定，其仿真運行界面能夠讓學生對交通信號的控制效果有更直觀的理解，因而非常適合作為信號綠波的實驗工具。

圖3 VISSIM 仿真運行界面及Signal Control 選項卡

在VISSIM 構建干線道路的仿真模型（見圖3），輸入交通組成、車速分布、交通流量以及各交叉口的信號控制參數，即可對干線綠波控制方案進行仿真模擬。干線各交叉口的信號控制參數在Signal Control選項卡中輸入（見圖3），選項卡的左側為信號控制機（Signal Controller）列表，每個信號控制機對應一個交叉口；選項卡右側為信號燈組（Signal Groups）列表，每個信號燈組對應雙環或單環相位結構中的一個相位。綠波相位差在欄目Offset 中輸入，一般將干線上首個交叉口的相位差設為0，而其他交叉口則設置成與首個交叉口的絕對相位差。

3.3 綠波控制方案的評價分析

在干線仿真模型的兩個方向上分別設置行程時間檢測區間，同時激活行程時間（Travel Time）和延誤（Delay）評價類型，即可從延誤、停車次數、行程時間等方面對綠波控制方案的運行效果進行評價分析，運行仿真模型即可得到仿真評價文件。在實驗過程中，可要求學生從以下幾個方面構建實驗方案，并分析實驗結果。

（1）有信號協調和無信號協調時運行效果對比分析。在有信號協調的情況下，干線各交叉口的綠波相位差是模型的計算結果；而在無信號協調情況下，可設為0 或隨機值。學生分別在兩種情況下運行干線仿真模型，得到延誤、停車次數、行程時間等評價指標值，并進行對比分析。

（2）有信號協調時交通量對綠波協調效果的影響分析。在有信號協調的情況下，先設置一組基礎交通量，然后乘以不同的系數形成若干組交通量，分別運行干線仿真模型，根據延誤、停車次數、行程時間等評價指標值分析交通量對綠波協調的影響，并探究其原因。

（3）雙環相位和單環相位綠波協調效果的對比分析。在有信號協調的情況下，分別將各交叉口的相位結構設置為雙環相位和單環相位，在交通量相同的條件下分別運行干線仿真模型，根據延誤、停車次數、行程時間等評價指標值分析相位結構對綠波協調的影響，并探究其原因。

以上實驗方案可根據課程實驗學時以及學生的知識基礎、能力水平進行合理選擇。

4 結語

交通控制與管理是交通工程本科專業的一門必修課程，信號綠波控制技術是該課程的教學難點之一。為了讓學生更加直觀地理解信號綠波的控制原理和效果，本文基于綠波協調優化模型MAXBAND 和德國PTV 公司的VISSIM 軟件，構建了干線信號綠波的實驗方案。該實驗首先利用改進的MAXBAND 模型求解得到綠波相位差，然后在VISSIM 軟件中構建干線仿真模型，設置交通流量、信號控制及其他相關參數，最后在不同的實驗場景中，從延誤、停車次數、行程時間等指標上評價綠波控制方案的運行效果。該實驗能夠促進學生理解、掌握信號綠波的理論知識和技術要點，培養學生使用現代化的工具分析、解決交通控制問題的能力，使交通管理與控制課程對交通工程專業的畢業要求形成了更有力的支撐。