城市干道交通信号协调控制优化设计

周 君

（淮阴工学院交通工程系 淮安 223003）

城市主干道是城市交通的主要承担者，主干道上的交叉口成为干道交通通行能力的瓶颈，将干道上若干个交叉口的交通信号进行联动控制，可以大大提高干道交通通行能力.城市干道协调控制的传统设计方法通常有2种：图解法，数解法.图解法是在时间－距离图上通过几何的方法来得到近似解；而数解法则是通过寻找使得系统中各实际信号距离理想信号的最大挪移量最小的相位差来获得最优控制方案［1］.这2种方法原理简单，使用较广.自20世纪末以来有很多学者提出改进的基于解析模型的交叉口干道协调控制及其求解方法，其中最著名的是J.D.C.Little［2］提出的Maxband协调控制模型，对给定周期时长、绿信比、信号间距和连续行车速优化相位差以获得最大带宽，并提出了混合整数线性规划求解方法；Gartner［3］等人在基于 Maxband的基础上研究了Multiband模型，克服了Maxband带宽不变的不足，其带宽与交通需求变化相对应.

1 交叉口简介以及信号相位的选择

信号协调控制的交叉口位于淮海南路水门桥到新民西路之间的4个交叉口，见图1.

图1中与淮海南路相交的都是支路或次干路，因为与淮海南路交叉的道路上交通流量较小所以都采用三相位的信号控制方式，其中第一相位表示淮海南路直行放行相位，第二相位为淮海南路左转和右转放行相位，第三相位为与淮海南路相交叉道路直行、左转、右转放行相位.

图1 淮海南路交叉口简介图

2 信号协调控制交叉口信号配时

在信号协调控制中，首先要进行配时方案的计算，计算备用配时方案，步骤如下［4］.

1）根据每一交叉口的平面布局及计算交通量，按单点定时控制的配时方法，确定每一交叉口所需的周期时长.

2）以所需的周期时长最大的交叉口为关键交叉口，以此周期时长为线控系统的备选系统周期时长.

3）以各交叉口所需的周期时长并根据主次道路的流量比，计算各交叉口各相位的绿信比及显示绿灯时间.

上步算得的关键交叉口上主干道相位显示绿灯时间，就是各交叉口上对干道方向所必须保持的最小绿灯长度.显示绿灯时间和有效绿灯时间.

2.1 各交叉口单点信号配时

采用Webster法进行单点信号配时，其各交叉口的单点配时见表1.

表1 各个交叉口的信号配时方案

表1中因为B路口是淮海南路与东大街与西大街的交叉口，东西方向虽然车流量很小，几乎可以忽略不计，但是人流量却非常大，因此，在协调控制时根据以往经验，东西方向必须保持每周期15s以上的绿灯时间以利于行人的通行.

2.2 交通信号协调控制配时方案［5－6］

将表1中最大的信号周期65s作为系统周期，根据各相位流量比确定各相位的绿灯时间，则各个交叉口的协调信号配时方案如表2和表3.

表2 协调控制信号配时方案

3 数解法求解协调控制信号相位差

淮海南路的4个交叉口设为A，B，C，D，其代表的具体交叉口及各交叉口之间的距离见图1，将A－D中各交叉口的距离写在表3第二行，并取距离的有效数字，如A－B距离270m写成27.已得到系统周期为65s，城市中车辆的速度一般为40km／h，则将系统速度暂定为v＝11m／s（40km／h）.

3.1 数解法计算结果

数解法计算结果见表3.

表3 数解法确定各交叉口信号时差

在表3中，以a＝40行为例，将实际信号位置与理想信号位置的挪移量，按顺序排列（从小到大）并计算各相邻挪移量之差，将此值最大者计入b列，a＝27一行的b值为21，计算方法如表4.

表4 实际信号位置与理想信号位置的挪移量

以此类推，计算a＝25～45各行的b值.

3.2 确定合适的理想信号位置

由表3知，当a＝40，b＝21为最大值，取b为最大值时对应的a的值，即可得A－D各信号到理想信号的挪移量最小，即当vC／2＝400m时，可以得到最好的系统协调效率，如图2所示，图上C，D距离理想信号间的挪移差最大为210m.则理想信号同C的挪移量最大为

即各实际信号距理想信号的挪移量最大是95m.

理想信号距A为65m，A后移65m即为理想信号的位置，然后依次按每400m间距将各理想信号列在各实际信号间，如图2所示.

3.3 求信号起始时差［7－11］

从图2可以看出，合用一个理想信号的左、右相邻实际信号间，用同步式协调；其他各实际信号间都用交互式协调，因此，每隔一个理想信号的实际信号间又是同步式协调.此时，凡是奇数理想信号相应的实际信号间为同步式协调；而偶数理想信号相应的实际信号间为交互式协调.因此，相应于奇数理想信号的实际信号的时差为100%～0.5λ%（例如，表5中第7行A交叉口相应的是理想信号①，属于奇数理想信号，那么它的时差为100%～0.5×53.8%＝73.1%）；相应于偶数理想信号的实际信号的时差为50%～0.5λ%（例如，表5中第7行B交叉口相应的是理想信号②，属于偶数理想信号，那么它的时差为50%～0.5×47.7% ＝26.2%）.与理想信号相位差等于周期与各个绿时差的乘积，其结果如表5中第8行所示.如果保持原定的周期时长，则系统带速必须调整为：v＝2s／C＝2×400／65＝12.3m／s＝44 km／h.

表5 计算绿时差

根据表5中的数据，用CAD绘图软件画出用数解法求出的交通信号相位差时空分布图，如图3所示.

图3 数解法计算所得时空图

4 协调控制方案和现行方案的仿真对比

用vissim软件进行仿真得到本文控制方案与现行控制方案的优劣对比，见表6、图4.

表6 各进口道现行控制方案与本文信号协调控制方仿真情况对比

图4 2个方案路网车辆平均车速、平均延误和平均停车延误对比

5 结束语

本文提出的淮安市淮海南路交通信号协调控制不仅使得淮海南路南北直行方向（协调控制方向）的交通运行得到改善，而且各个交叉口以及整个仿真路段的交通运行指标也得到了优化，从而可以得出不管是从宏观角度还是微观层面，本文信号协调控制方案比现行控制方案更为优越.从以上表格和图表中也可以看出，不管是总延误还是停车延误或者交叉口停车次数此协调控制方案都比现行控制方案要好，信号协调控制方案极大地改善了交通的运行状况，尤其是淮海南路的主干道的交通运行秩序得到质的提高.虽然有些支路与淮海南路相交叉的路口的某些进口道方向延误有所增加，但是由于起交通量较小，所以对大的车辆运行秩序没有多大影响，从以上直方图中可以清楚的看出淮海南路实行信号协调控制方案以后，路网总的行程时间和停车延误以及平均停车延误都下降很多，所以从宏观层面本文信号协调控制方案也减少了整个路网的交通拥挤程度.

［1］孙 剑，刘好德，李克平.城市干道交通信号协调控制仿真优化［J］.同济大学学报：自然科学版，2009，37（11）：1 467－1 471.

［2］Little J D C.The synchronization of traffic signals by mixed－integer linear programming［J］.Operations Re－search，1996，14（1）：568－572.

［3］Gartner N H，Stamatiadis C.Progression optimization featuring arterial－and route－based priority signal networks［J］.Intelligent Transportation System，2004，8（2）：77－81.

［4］栗红强.城市交通控制信号配时参数优化方法研究［D］.长春：吉林大学交通学院，2004.

［5］宋现敏.交叉口协调控制相位差优化方法研究［D］.长春：吉林大学交通学院，2005.

［6］吴 震，杨晓光.车道宽度、转弯半径对左转饱和流量的影响研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009，33（5）：996－999.

［7］吴 震.基于仿真的干线协调控制分析指标［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009，33（2）：349－352.

［8］李瑞敏，陆化普，史其信.基于遗传算法的交通信号多层模糊控制模型研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009，33（3）：407－410.

［9］张 本，商 蕾，高孝洪.基于遗传算法的交叉口信号配时多目标优化［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2010，34（4）：845－848.

［10］马永光.城市交通干线信号优化控制方法的研究［D］.天津：天津大学自动化学院，2007.

［11］姜桂艳.道路交通状态判别技术与应用［M］.北京：人民交通出版社，2004.