城市道路干線協調控制信號配時優化研究
——以蘭州市交叉口為例

馬淑梅 康清鵬 馬忠學

蘭州有色冶金設計研究院有限公司 甘肅 蘭州 730000

1.1 叉口現狀及評價

受“河谷型”地形的限制，蘭州市城關區人口過度集聚，隨著城鎮化進程的快速推進，小汽車出行比例較高，城市交通設施承載的交通流迅速增加，難以滿足增長的出行需求，道路建設在創造規模效益的同時，已凸顯邊際效益遞減的趨勢，城市交通陷入交通擁堵、出行體驗差的困境[1]。在資源環境約束和高質量發展的背景下，不應再過分追求設施規模，而需要更加重視空間優化、組織管理乃至系統優化以尋求設施的最大化利用，提高城市交通系統可持續發展的能力。

本文選取蘭州市城關區典型道路作為研究對象，先利用交叉口可靠度模[2]型對單點交叉口進行研究，分析現狀交叉口存在的問題并提出優化方案，然后采用干線協調控制[3]交叉口進行信號配時優化，最后通過VISSIM軟件仿真檢驗方案的合理性、可行性。

1 現狀分析

研究路段平涼路（東崗西路—火車站）是南北向的一條交通性主干道，雙向4車道，路段長1.8km，由南向北依次與火車站西路、和政路、民主東路、麥積山路、甘南路、東崗西路-慶陽路相交，交叉口均為平面交叉，交叉口平均間距300m。路段沿線地塊開發成熟，商業、辦公用地集中，道路沿線分布有汽車站、火車站、廣場商圈、多所中小學校，地鐵2號線沿該路段南北向布置，路段人流密集、交通量較大，高峰時段經常發生交通擁堵[4]。

圖1 研究路段及交叉口平面圖

1.1.1 交叉口交通量

路段各交叉口交通流量（早高峰7：00-9：00，晚高峰18：00-19：30）如下表1。

表1 蘭州市城關區平涼路段早高峰交叉口的交通流量

1.1.2 交叉口信號現狀配時方案

圖2 平涼路—東崗西路交叉口現狀信號配時方案

利用VISSIM軟件仿真現狀交通運行狀況，早晚高峰交通流量變化不大，但各交叉口普遍存在南北方向通行能力較低，除民主東路、和政路交叉口外，其余四個交叉口進口道服務水平均介于E-F之間，較為擁堵，因此，需對各交叉口南北方向的信號配時方案進一步優化以提高服務水平和通行效率。各交叉口評價指標及計算結果見表2。

表2 平涼路各交叉口可靠度及交叉口延誤、服務水平

2 交叉口信號配時方案優化

2.1 單點優化

本文采用粒子群算法[7]求得交叉口信號周期時長和相位綠燈時間，因研究路段早、晚高峰交通量變化較小，優化后的信號配時方案可同時用于早、晚高峰。

2.1.1 平涼路-東崗西路交叉口

圖3 優化后早高峰、晚高峰信號配時方案

① 該交叉口位于廣場商圈，人流量、車流量均較大，沖突點多，信號周期延用現狀周期時長150s。

② 相序：南、北進口相位設置為搭接相位，優先放行交通量較大的南進口直行車道、左轉車道，30s后南進口左轉車道停止同時放行北進口直行車道；最后放行北進口左轉車道，在時空上分離直行與左轉車流，從而消除直行與左轉沖突點，雖減少了南、北進口直行車道的綠燈相位時長，但避免了因沖突造成車輛滯留交叉口內。

2.1.2 平涼路-甘南路交叉口

圖4 優化后早高峰、晚高峰信號配時方案

① 該交叉口西北角有初中、小學，早、晚接送學生的車流量較大，交叉口內非機動車、行人與機動車的沖突點多，車輛通行效率低，故將信號周期從100s增加至110s，適當增加車輛通行的綠燈時間。

② 相序：優先放行交通量較大的北進口直行車道、左轉車道，17s后放行南進口直行車道，減少對向車輛沖突。

③ 在交叉口設置“潮汐車道”，北進口左轉車輛借助潮汐車道通行。

④ 優先放行單側行人，避免左轉車輛與行人沖突，保障行人過街安全。

2.1.3 平涼路-麥積山路交叉口

圖5 優化后早高峰、晚高峰信號配時方案

該交叉口信控優化采用上一交叉口策略，以減少左轉車輛與直行車輛、左轉車輛與行人的沖突。

2.1.4 平涼路-民主東路交叉口

通過優化模型計算，該交叉口整體服務水平為C，滿足現狀交通需求，不進行優化。

2.1.5 平涼路-和政路交叉口

圖6 優化后早高峰、晚高峰信號配時方案

① 經評價，現狀信號配時方案能滿足交通需求。因該交叉口周圍有多所中小學校及地鐵二號線站點，人流量、非機動車流量均較大，故信號周期從75s調整為110s。

② 相序：先放行西進口左轉和直行，再放行南、北進口直行；因麥積山路和甘南路均為單行道，部分車輛在該交叉口掉頭和左轉，故設置南、北進口道左轉相位，減少直行與左轉沖突。

2.1.6 平涼路-火車站西路交叉口

圖7 優化后早高峰、晚高峰信號配時方案

① 該交叉口的信號周期由75s增加至90s。

② 相序：優先放行各進口道左轉，以減少直行和左轉沖突。

③ 調整行人過街信號時長，減少左轉車輛與行人沖突，但火車站人流量較大，建議相關部門配合其他工程措施，如設置立體行過街設施，在時空上分離行人和車輛，確保交叉口秩序。

3 干線協調控制優化

圖8 研究路段交叉口示意圖

根據改進的MAXBAND綠波帶控制模型對六個交叉口進行干線協調控制。結合單點信號控制優化得到各交叉口的周期時長為：

在多個交叉口信號協調控制中，確定公共周期不僅取決于單點信號配時結果，還需要考慮交叉口間距。在信號控制系統中，為使各交叉口的交通信號能取得協調[8]，各個交叉口的周期時長必須保持一致。為此，需按單點定時信號方法確定交叉口信號配時方案，根據系統各交叉口的布局及交通量，計算各個交叉口交通信號所需的周期時長，從中選出最大的周期時長作為干線系統的周期時長。在近代的控制系統中[9]，對交通量較小的交叉口可將信號周期時長定成系統周期時長的一半。因此公共周期需要經過不斷試算求得。根據單點交叉口優化方案，確定干線系統的周期時長為：，對六個交叉口重新配時。計算結果如表3所示[10]。

表3 基于交叉口可靠度的MAXBAND綠波帶控制模型干線信號配時方案

通過VISSIM仿真，得到優化后研究路段評價指標，與現狀評價指標對比如下：

圖9 平涼路-東崗西路交叉口優化前后排隊長度對比圖

圖10 平涼路-東崗西路交叉口優化前后車輛平均延誤對比圖

圖11 平涼路-甘南路交叉口優化前后排隊長度對比圖

圖12 平涼路-甘南路交叉口優化前后車輛平均延誤對比圖

由上圖可知，優化后各進口道車輛排隊長度、平均延誤明顯降低，車輛停車次數減少，車道占有率低，且車流相對勻速，減少了車輛的油耗損失，提高了通行能力，減少了因排隊或相位時間不當造成的車輛停車次數、延誤等。

4 仿真評價

以交通量為基礎，本文采用VISSIM交通軟件[11]對干線信號協調配時方案將進行仿真，基于可靠度的單點信號配時方案和干線協調配時方案與現狀方案綜合對比分析，結果如下表所示。

表4 各方案優化前后評價指標綜合對比

上表對比結果表明：單點交叉口的優化方案和干線協調控制方案在平均延誤、平均停車次數和排隊長度上均優于現狀方案。其中，干線協調優化方案相比現狀方案，車輛平均延誤時間降低了47.70%，平均停車次數降低了23.03%，排隊長度降低了50.88%。

5 結束語

城市交通具有隨機性和系統復雜性，本文在以下方面有待改進。

（1）路網可靠度研究的關鍵是基于車輛到達的不確實性，因未考慮行人和非機動車的影響，存在模型中車輛到達交叉口的方差設定偏小的可能。另外延誤方差是通過假設給定某一延誤分布的基礎上獲得的，沒有具體分析延誤與信號控制之間的關系。

（2）在單點交叉口算例中，僅考慮車輛到達服從正態分布的情況，未考慮其他分布情況下的信號控制方案。在干線協調控制算例中，當交叉口較多時，模型的適用性、可靠性有待進一步探究。

（3）模型方面，均采用單目標優化，沒有考慮多目標同時優化，且現有的研究多停留于宏觀框架和概念，實踐應用成果較少，有待根據應用情況反饋進一步改進。