信号控制在道路交通组织中的作用与分析

黄镇海， 刘广萍

(1.昆山市公安局同心派出所，江苏昆山 215300;2.中国人民公安大学，北京 100038)

0 引言

城市道路交叉口处的信号灯保障了车辆有序、安全、快速的通过路口。交通信号的作用是从时间上将相互冲突的交通流予以分离，使其在不同的时间通过。道路交通组织是在有限的道路空间上，科学合理地分时、分路、分车种、分流向使用道路，使路网交通压力均分，实现道路交通的有序、高效运行。交通信号控制是时间分离的一种交通组织形式。对交通信号控制作用的认识，以往主要集中在信号控制参数对通行能力的影响上，而对其在交通组织中的作用未引起足够的重视。这极大影响了交通信号控制功能的发挥，尤其在目前城市交通形势日益严峻的情况下。鉴于交通信号在城市道路交通管理中的重要性，本文将就其在交通组织中的作用进行分析，阐述其作用环境、作用原理，并进行案例分析。

1 不同交通状况对信号控制功能的需求分析

交通系统是一个开放复杂的系统。它的四大要素人、车、路、环境，决定了城市交通状况时刻处于变化之中：饱和与非饱和;畅通与拥堵。不同状况下要处理的主要矛盾不同，对信号控制的要求也不同。

1.1 饱和交通流与非饱和交通流

如何区分城市道路上的饱和交通流与非饱和交通流?笔者从车头间距的角度给出界定：若车头间距不存在可穿插间隙就属于饱和交通流;若存在可穿插间隙就属于非饱和交通流。若一条道路上的交通流属于饱和交通流，那么该道路交通就处于拥挤状态。拥挤状态下，若车辆走走停停，那么该道路交通就处于拥堵状态。

非饱和交通流为自由流，车与车之间存在可穿插间隙，主要表现为交叉、交织等冲突形式。饱和流的车头间距不存在可穿插间隙，是一种连续的交通流。因此，在不同流向的交通流产生冲突时，实质上是阻断了一个流向。

1.2 非饱和交通对信号控制功能的需求

道路交通非饱和时的拥堵是流量集中造成的，矛盾主要集中在路口。交通非饱和时，信号控制要解决的问题是减少车辆在路口的等候时间，提高车辆通过路口的效率。解决非饱和交通拥堵，需要信号控制具有自适应能力，即信号控制参数能自动适应变化的交通状况：流量大的方向绿灯时间长，流量小的方向绿灯时间短，来尽快消除路口的拥堵。

1.3 饱和交通对信号控制功能的需求

道路交通饱和时的拥堵是流量积累快消散慢造成的。交通饱和时，信号控制的目的则是要疏导交通，避免路口拥堵。交通流饱和时，信号控制失去了自适应的能力。解决饱和条件下的交通拥堵，需要信号控制具有流量调控能力，即自组织的能力，来缓解拥堵。因此，信号控制流量调控能力的作用环境将是饱和交通状况。信号控制在交通组织的作用也主要体现在流量组织上。

2 信号控制参数对交通流量调控作用分析

交通组织的基本原则是“均分”原则。若将城市道路看作成网络，那么路口就是网络的节点，其相应的信号灯也是网络的节点。交通组织的均分原则要求不仅做到路网各节点交通压力的均分，而且要力争做到路口各流向上交通压力的均分。在此，文章将分析利用信号控制来实现流量“均分”的基本原理，阐述信号控制在交通组织中的流量调控作用。

2.1 信号控制参数对路网流量调控作用的理解

道路上相邻的两个信号控制路口，在同一流向上，若上游路口的绿灯时间短，则到达下游路口的车辆就少，相应的下游该流向的交通压力就小;反之，到达下游路口的车辆多，相应的交通压力大。信号灯相当于“水龙头”，注入流量和排出流量完全可以调控。绿灯为开，红灯为关，放过多少流量取决于绿灯时间的长短。因此，可以通过改变信号控制参数来实现路网流量的控制，实现交通压力的转移。路网上的信号灯越多，这种流量调控能力就越强。如果路网上没有信号灯，或者全是立交桥，则路网就失去这种流量调控能力。

2.2 信号控制参数对交通流量的调控作用

信号控制参数有信号周期、绿信比及相位差等，交通流量的变化与其有着密切关系。

路口通过能力与信号周期有关。信号周期越长，单位时间内信号换相的次数就越少，换相时产生的绿灯损失时间也就越少，路口通行能力相对较高。如果调整节点信号周期，实质上是调节该节点及下游相邻节点的交通压力。延长信号周期时间，该节点压力减轻，下游节点压力加大。缩短信号周期时间，该节点压力加大，下游节点压力减轻。

路口通过的流量与绿信比有关，绿信比越大，在一个周期内所占的绿灯时间就越长，而其他流向上所占的绿灯时间就相对较短，该流向通过的车辆较多，而其他流向通过的车辆相对较少。绿信比增加的流向压力减轻导致下游路口压力加大，绿信比减少的流向压力加大导致下游路口压力减轻。绿信比的调整实质上是在调节路口不同流向的交通压力。

对于一条双方向绿波的线控信号协调道路，如果不调整各路口信号周期与绿信比，仅调整各路口之间的相位差，表面上是调节双方向的信号绿波带宽，实质上是在调节双方向的交通流量。绿波带加宽的流向通过流量增加导致下游压力加大，信号绿波带缩窄的流向通过流量减少导致下游压力减轻。

因此，信号控制参数的调节，实质上是节点压力与流向压力的调节。可以利用这些关系，对路网中产生拥堵的节点和流向进行信号参数的调整，进而对路网流量进行调控作用，消散积累流量，以达到路网交通压力均衡，缓解交通拥堵。

2.3 信号控制的流量调控手段

信号控制的流量调控作用的实现，不能仅靠调整某一路口信号控制参数，否则不但不能有效解决交通问题，还有可能会造成下游或其他流向负担加重而导致拥堵情况恶化，因此需要把路网上的信号灯并入信号控制系统联网运行、统一调度。联网的信号灯应能根据情况需要，进行组合，并可以按照调度人员要求对路网中某一节点、某条道路进行减压卸载、截流分流控制，来达到交通组织压力均分的目的。实现调控的手段主要有本地卸载和上游截流。

本地卸载：本地卸载的具体方式，是在信号周期不变的前提下，调整绿信比，可以调整拥堵流向，减轻流向压力。当路口某个信号相位产生拥堵，可以适当延长此相位的绿灯时间以增大该路口通行能力，即可将路口积累的流量消散掉。可有效减轻当前路口压力，但缺点在于分散流量后加大了下游路口的压力，也有可能造成路口其他流向上的流量积累，若不及时采取措施，便会令拥堵扩散，严重的话会造成大面积交通瘫痪。对此，为防止下游路口流量积累过多而产生拥堵，可以拥堵路口为起点，从拥堵流向向下游方向设置单方向绿波带，使压力迅速转移出市区后逐步消散，最终完成本地流量卸载。

上游截流：上游截流是基于压力均分的基本原理，来减轻上游对堵点的交通压力。与其在堵点上等五次信号灯通过，不如在上游五个路口各等一次灯通过。上游截流表面上增加停车次数，实质上并不增加交通延误。我们知道，信号绿波的作用是减少路网停车次数，加大下游路口流量积累速度。而下游路口流量积累快消散慢正是产生拥堵的真正原因。按照逆向思维的方法，绿波有加速下游积累的作用。如果堵点卸载不能奏效，则以堵点为终点，从上游向堵点设置一条信号红波带，则可以把大部分向下游堵点的流量均分地截流在上游各个路口，有效地减轻堵点压力。

3 案例分析

2008年8月8日至24日，第29届夏季奥林匹克运动会在北京举行。

面对奥运期间复杂的交通形势，北京交管部门积极应对，充分发挥信号控制系统的作用，采取了一系列措施来管理交通。如高峰时采用上游截流控制通行量、平峰时信号协调控制、低峰时信号感应控制等措施。特别是高峰时采用的措施，有力说明了信号控制对交通流量的调控作用。

在高峰时期，为了保证环路及高速路主路畅通，奥运期间交管部门在二、三、四环路、八达岭高速路、机场高速等高速路入口处设置信号灯及LED显示屏幕，采取上游截流措施，限制路网最大通行量。以阜成门桥由南向北入口处为例，入口处立有一根灯杆，上面安装了一个29寸电视般大小的LED显示屏幕，写有中英文对照“入口开放”字样，屏幕上方是信号灯，显示绿色、红色箭头。当流量检测系统认为环路、高速路内的交通流量正常时，信号灯则显示绿灯，显示屏则显示“入口开放”。在快速路主路流量达到拥堵警示标准时，通过信号灯控制进出主路车流，诱导驾驶人从辅路通行。如果环路、高速路内出现较为严重的堵车，或当快速路主路出口由于拥堵造成车流不畅时，信号灯显示红灯，显示屏则显示“入口关闭”，以阻止辅路车进入，缓解主路压力。出口信号灯控制出口上游辅路车流量，为主路出口提供更为顺畅的通行条件，保证主动脉的畅通;并通过可变信息板及时提示驾驶人选择路线，注意进出口车辆，有效预防出入口交通事故。

在实行单双号限行组织后，市区内各环路的交通流量依然较大。“从源头上减少交通拥堵”，环路信号灯控制措施能有效地协助上文提到的流量组织措施进行流量控制，通过上游截流手段，减少外环带来的交通压力。并通过信号灯控制，将环路流量转移至其他道路上，大大地提高了主路的放行效率，削减集散流量以减轻市区交通压力。

实施以上控制措施以来，北京道路交通状况有明显的改善。从某种程度上说，奥运信号控制措施的实施，有效缓解了道路交通压力，保证了奥运期间道路交通的顺畅运行，为奥运的成功举办提供了有效保证。根据北京市交管局统计，市区的主要道路车流量明显下降，比之前下降了21%，车速比限行前大约提高27%。高峰时段单车道机动车流量均大幅降低，其中快速路降低了18.84%，主干道降低了22.13%，次干道下降幅度最大，达到38.5%，支路也下降了24.63%，这说明交通控制对道路机动车交通流量的降低起到了决定性的作用。

信号控制措施在奥运会交通流组织中功不可没。在交通负荷过大，路网交通流量过饱和的情况下，采取其他组织措施难以有效地解决拥堵，上游截流措施限制路网最大通行量，合理控制路网交通量，并将交通压力均分，对交通的组织作用非常明显。

4 结语

本文对信号控制在交通组织的流量调控作用进行了分析，可以明确的是交通信号对交通流有控制与组织双重功能。非饱和条件下，控制作用大于组织作用，而在饱和条件下，组织作用大于控制作用。非饱和条件下，交通信号控制追求的是所控路口的通行能力最大，主要利用了信号对交通流的控制作用。而在饱和条件下，追求的不单是路口的最大通行能力，而是路口的最大流量调节能力，主要利用的是信号对交通流的组织能力。

全面认识和理解交通信号的功能，有助于充分发挥交通信号在交通管理中的作用。在城市交通形势日益严峻的情况下，利用好交通信号对流量的调控作用，使之更好地服务于城市交通的安全与畅通。

［1］ 翟忠民.道路交通实战案例［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］ 黄镇海.信号控制在道路交通组织中的作用与分析［D］.北京：中国人民公安大学，2009.

［3］ 刘广萍.基于延误的交叉口自适应信号优化控制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.

［4］ 翟润平，周彤梅.道路交通控制原理及应用［M］.北京：中国人民公安大学出版社，2002.

［5］ 刘明君，毛宝华.奥运前后道路交通运行状况调查与分析［J］.交通运输系统工程与信息，2008，8(6).