交通干線協調控制與評價

郭浩宇，王景升

（中國人民公安大學，北京 100038）

引言

交通擁堵將會導致一系列的經濟問題與環境問題，緩解交通擁堵對于城市發展有著至關重要的意義。包頭市東西向主干道鋼鐵大街歷經多次規劃改建，在全天范圍內行車速度仍較為緩慢且早晚高峰會出現擁堵，團結大街作為平行于鋼鐵大街的城市次干道恰好可以為其分擔交通流，緩解交通擁堵問題。

1 干線信號協調設計方法

1.1 干線信號協調原理

干線信號協調是利用統一信號配時，將干線上的若干個相鄰交叉口的信號配時視為為配時對象統一協調，使得車輛在經過交叉口時能夠獲得更多綠燈時間，從而提高通行效率的一種控制方式[1]。干線信號協調控制在一定程度上可以減少城市交通的車輛延誤、停車次數以及排隊長度，提高城市干線道路的通行效率與服務水平[2]。

1.2 干線協調方案設計方法

1.2.1 確定信號周期

根據交通調查所得歷史數據，按單點信號控制方法，計算每個交叉口信號周期，以所需周期時長最大的交叉口為關鍵交叉口，該周期時長為干線周期時長[3]。

1.2.2 確定綠燈時間及綠波推進速度

計算關鍵交叉口干線方向綠燈時間，以該時間為干線方向所必須保持的最小綠燈時間。綠波的推進速度對于流量大的情況，采用流量、密度和速度方法，也就是調查車速，即車輛運行的實際最高速度；在流量可控、沒有達到飽和狀態下，可以按照V=L/t（V—綠波速度，m/s；L—協調干線長度, m；t—期待車輛通過干線時長，s）定綠波設計車速。

1.2.3 確定相位差

單向相位差可以取車隊在路段中運行時間，雙向相位差可以使用圖解法與數解法確定。

2 團結大街信號協調方案

2.1 現階段配時方案

團結大街由東向西沿途有三個交叉口，分別是團結大街-林蔭路交叉口、團結大街-鞍山道交叉口、團結大街-白云鄂博路交叉口。現階段黃燈時長均為3 s，信號配時情況見表1、表2。

表1 早高峰時段團結大街信號配時

表2 平峰時段團結大街信號配時

現階段配時在早高峰期間給平行于林蔭路的民族西路、民族東路西向東方向帶來了通行壓力；平峰期間各交叉口周期過長，但東西雙向綠波帶寬僅為5 ～8 s，各方向空放時長較長，造成延誤。針對以上情況，提出了早高峰期間東向西方向形成綠波帶，加快車輛出城速度，減少市區內通行壓力和平峰期間雙向綠波減少延誤和提高車輛行駛素的兩種分時段信號配時方案。

2.2 早高峰時段優化配時方案

2.2.1 確定信號周期

早高峰時段經過計算，三個交叉口中團結大街-林蔭路，團結大街-白云鄂博路飽和度均超過0.95，故應采用實用周期公式：

式中：C0—最佳周期，s；Y—周期損失時間，s；L—交叉口關鍵流率比；V—交叉口流量，veh/s；C—交叉口通行能力，veh/s。

計算得團結大街-林蔭路交叉口周期最長為112 s，以該時長為三個交叉口的共同信號周期時長。

2.2.2 確定綠燈時間及綠波推進速度

根據各相位流率比算出分配系數，得出綠燈時間相序見表3（黃燈時間均為3 s）。東向西方向的綠波速度按照車輛能達到的最高速度35 km/h 設定，調查得西向東方向行駛平均車速為11.40 km/h，西向東方向按車輛實際運行速度設定。

表3 早高峰時段優化后團結大街信號配時

2.2.3 確定相位差

單向綠波相位差采取調試的方法，最終確定三個交叉口相位差為0-33-78。

2.3 平峰時段優化配時方案

2.3.1 確定信號周期

平峰時段各交叉口按照webster method 計算最佳周期：

式中：C0—最佳周期，s；Y—周期損失時間，s；L—交叉口關鍵流率比；k1、k2—實驗計算所得固定值，k1=1.5, k2=5。

根據調查數據得出團結大街-林蔭路交叉口最佳周期最長為76 s，以該時長為3 個交叉口的共同信號周期時長。

2.3.2 確定綠燈時間及綠波推進速度

根據各相位流率比算出分配系數，最終得出綠燈時間相序見表4（黃燈時間均為3 s）。東西方向綠波推進速度均按綠波設計速度確定，西向東方向綠波推進速度為40 km/h，東向西方向林蔭路至鞍山道綠波推進速度為42 km/h，鞍山道至白云鄂博路綠波推進速度為38 km/h。

表4 平峰時段優化后團結大街信號配時

2.3.3 確定相位差

由于協調綠波東向西方向兩段推進速度不同，故采用改進的圖解法來確定相位差，由于改進圖解法所繪制的時距圖的直觀性，在某些交叉口不改變綠信比的條件下適當地調整相序、相位并設置搭接相位，可以確保在干道不同行駛方向都能取得較良好的綠波效果[4]。步驟見圖1：（1）A、B、C 分別代表團結大街-林蔭路交叉口、團結大街-鞍山道交叉口、團結大街-白云鄂博路交叉口。首先從A到B 段東向西方向進行圖解，從交叉口A 的向西直行綠燈起始時刻引一條相當于 42 km/h 的斜線①，此斜線與 AA'、BB'分別交于點A1、B1，B1 點與B路口向西直行起始時刻有一小段時間間隔，該時間間隔為B 路口東向西方向的啟動清空時間，這樣B路口的向西直行綠燈起始時刻確定。（2）再對B到C 兩個交叉口進行圖解，從B1 處繼續引相當于38 km/h 的斜線①與CC'相較于C1，C1 點與C 路口向西直行起始時刻有一小段時間間隔，此時間間隔為C 路口東向西方向的啟動清空時間，這樣C 路口的向西直行綠燈起始時刻確定。（3）作斜線①的平行線②，從A1 點開始向右平移，觀察發現當斜線②平移至A 路口向西直行結束時刻 A2'時，剛好能兼顧B 與C 路口的東向西時段，此時已達到斜線②平移的極限。記斜線②與BB'交于 B2'點。（4）從B2'點繼續做B1 點延伸出來的斜線①的平行線斜線②，與CC'相交于C2'，此時發現相交點已超過交叉口C 的綠燈時間，所以將交叉口AB、BC 間斜線②同時向左平移，直到斜線②與AA'相交于A交叉口綠燈結束前3 s 處A2，此時能同時兼顧C 交叉口的綠燈時間形成綠波，此時斜線②與BB'相交于B2，與CC'相交于C2。（5）采用同樣的方法，在兼顧從東向西綠波帶的前提下，可以適當調整各交叉口的綠燈起始位置（即適當地左右移動AA'，BB'，CC'），做出從西向東的綠波帶，從而實現干線的雙向綠波信號控制。（6）以縱軸為基準線，通過圖1 量出此干線早高峰時段的綠波控制方案的相位差，得出此時由東向西相位差為0-37-1，由西向東相位差為0-39-75。

圖1 團結大街平峰時段時距

根據圖解法得出團結大街東西方向雙向綠波帶寬為17 s，帶寬效率22.4 %。

3 干線信號協調仿真評價

3.1 動態仿真評價

VISSIM 是一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，主要用于城市交通和公共交通運行的交通建模，是評價交通工程設計和城市規劃方案的有效工具[5]。由于VISSIM 軟件能模擬現實狀況下的駕駛行為與跟車行為，因此，在交叉口混合交通研究中，能較為真實地反映交叉口的交通狀況[6]。

由于干線協調的目的是使車輛快速通過交叉口，故選取交叉口延誤、服務水平、東西方向行程車速和停車次數4 個指標進行評價分析，A、B、C 分別代表團結大街-林蔭路交叉口、團結大街-鞍山道交叉口、團結大街-白云鄂博路交叉口。

3.1.1 早高峰期間團結大街優化前后對比

早高峰期間團結大街優化前后延誤和服務水平對比見表5。

表5 早高峰期間團結大街優化前后延誤、服務水平對比

現階段早高峰期間三交叉口間東向西方向行駛平均行程車速為12.11 km/h，優化后平均行程車速為 20.4 km/h，提升68.5%；停車次數由2.15 減少為1.72。

3.1.2 平峰期間團結大街優化前后對比

平峰期間由于考慮東西向干線協調所以造成部分交叉口南北向延誤稍有增加，見表6。

表6 平峰期間團結大街優化前后對比

現階段平峰期間三交叉口間東向西方向行駛平均行程車速為28.6 km/h，西向東方向行駛平均行程車速為26.3 km/h，優化后東向西平均行程車速為35.2 km/h，提升23.07 %，西向東平均行程車速為33.6 km/h，提升27.76 %；停車次數由2.15減少為1.72。

3.2 靜態仿真評價

PTV Vistro 是交通規劃的仿真軟件，可以優化并重新計算信號周期，得出飽和度（VC），還可對綠波帶進行分析評價，團結大街兩時段時空距離見圖2、圖3。

圖2 早高峰時空距離

圖3 平峰時空距離

可以看出，早高峰期間團結大街東向西方向綠波帶寬33 s，帶寬效率29.46 %，相位差0-33-78；平峰期間東西方向雙向綠波帶寬為17 s，帶寬效率22.4 %，達到了較好的綠波，可以有效減少東西向停車次數，提高行程車速。

4 結語

針對團結大街部分交叉口提出平峰期間和早高峰期間兩種協調控制信號配時方案，并利用PTV Vissim、Vistro 交通仿真軟件進行評價分析，取得了較好的優化結果。城市交通系統是一個協同的整體，在取得團結大街東西方向綠波帶的同時可能對各交叉口南北向乃至其他更遠路段產生一定的影響，還需要更深層次分析。而且，還需要對早晚高峰期間對出城方向綠波控制進城方向紅波控制這一信號控制方法的可行性做進一步研究。