基于Synchro系统的交叉口信号协调控制仿真—以秦皇岛市河北大街西段为例

王鹏飞，李 政，李双喜，康晓昱*，梁小霞*，李 宁*

(1河北科技师范学院城市建设学院，河北秦皇岛，066004;2秦皇岛市交通运输局)

目前，关于交通信号协调控制的研究主要集中在公用周期与相位差优化的方面上，例如:传统的绿波带设计方法［1］，进口单独放行方式下的绿波带设计方法［2］，基于模糊控制技术的绿波带控制技术［3］，基于驾驶员感知的信号相位顺序优化方法［4］等。以上研究的共同点是所假定的交通环境均非常简单，例如:交叉口处只存在直行车辆而没有转弯车辆，即没有考虑到转弯车辆对直行车辆的影响;没有考虑过街行人与其过街时间对协调控制的影响;没有考虑到交通量及其构成的多变性等。并且，除文献［5］外，使用专门进行信号配时优化的Synchro系统对协调控制效果进行评价的仿真研究几乎没有。

笔者以秦皇岛市河北大街西段为实例，在实际的道路与交通状况下对其主要的4个交叉口的信号周期与相位差进行优化，使4个交叉口(J2～W3)的信号灯进行协调控制，使得大部分车辆能够顺畅的通过各交叉口。并对协调控制前后的交通状况进行仿真实验，详细分析了定周期协调控制与感应协调控制等2种协调控制方式的优缺点。

1 河北大街西段的现状调查结果与分析

1.1 概述

河北大街西段是秦皇岛市城市主干道河北大街的重要组成部分(图1)，是连接市中心与开发区、北戴河区的重要交通纽带，其运行状态良好与否对秦皇岛市的旅游事业、教育事业的发展具有很大程度上的影响。因此，确保河北大街西段交通的安全与畅通对于保护秦皇岛市的城市环境，提升秦皇岛市的城市形象具有重要意义。

经调查可知，河北大街西段是实施交叉口信号协调控制的比较理想的干道，其理由如下:(1)河北大街西段是连接两区之间的重要干道，主次干道分明;(2)道路条件(车道宽度、侧向净空、路面平整度等)较好;(3)交通条件(交叉口处主次干道的交通流量差、交通秩序等)较好。即使这样，在实施东西向的交叉口信号协调控制之前还必须要考虑到以下问题:(1)交叉口间距参差不齐;(2)信号灯配时协调性差;(3)交通量及其构成多变;(4)过街行人较多。以上问题点(表1)若不妥善处理则会严重影响河北大街西段的交通运行状况与交叉口信号协调控制的实施效果。

1.2 交叉口间距参差不齐

绿灯信号相位差是由行驶车速与交叉口间距共同决定的。因此，在实施信号协调控制之前有必要对河北大街西段各交叉口间距(表2)及设计车速进行调查。调查结果显示，各交叉口间距参差不齐，与文献［6］中对交叉口间距的规定(城市干道交叉口间距宜大致相等)有差别。河北大街西段是秦皇岛市城市主干道，其东西向设计车速(双向)为60 km/h，而南北向支路双向设计车速为40 km/h(文献［7］对道路等级与相应设计车速进行了明确的规定)。

河北大街西段各交叉口间距参差不齐，而东西双向的设计车速却相同，使得双向车辆在同一时刻到达交叉口显得十分困难，这将严重影响绿波交通的实施效果。但如今改变城市道路网构造已不现实，对此，笔者提出两种改善方式:(1)在一定周期长度的前提下，将南北向绿灯信号时长设定为最小绿灯时间(其长度与行人过街状况紧密相关，详细分析见本文1.3与1.5部分);(2)以感应(Actuated)控制模式代替现行的定周期(Pre-timed)控制模式。在无请求(No Recall)的感应控制模式中，若次干道上无车辆通过，则可直接跳过其信号相位，并将这段相位时间加于主干道相位时间之上，这样就可以保证河北大街西段各交叉口东西向上的最大绿波带宽度。

图1 秦皇岛市河北大街中、西段各主要交叉口位置

表1 秦皇岛市河北大街西段道路与交通状况调查问题点

表2 河北大街西段的各交叉口间距L m

1.3 各交叉口信号相位及配时协调差

河北大街西段各交叉口的信号灯现状(表3)可总结如下:(1)各交叉口信号周期均不相同;(2)南北向机动车绿灯相位时间利用率不高。从各交叉口信号周期长度均不相同的现状可以看出河北大街西段尚未实施信号协调控制，若实施各交叉口信号协调控制则能大幅度减少车辆的时间延误。南北向机动车绿灯相位时间利用率不高则是由于:(1)各交叉口南北向交通量小;(2)某些交叉口最小绿灯时间设置过长。

交叉口最小绿灯时间的设置是为了保证:(1)车辆安全;(2)行人能够过街［8］。一般根据式(1)进行计算:

其中，G为行人过街绿灯信号时间;R为行人反应时间，一般为2 s;N为行人过街的排数;W为人行横道长度;1.2为行人步行速度(单位m/s)。河北大街西段南北向人行横道长度为35 m(防止行人与其垂直方向上的直行车辆相冲突)，若过街排数为1，则计算可得最小绿灯时间大约为30 s，根据表3调查所示，W1与W3处明显过长。另外，这些交叉口的过街行人主要为高校学生(成年人组)，平均步行速度应在1.2～1.5 m/s之间;且文献［6］中规定，人行横道长度为大于16 m时，应在人行横道中央设置行人二次过街的安全岛，组织行人二次过街;另外，根据德国现行信号控制规范规定［9］，行人绿灯时间应至少保证绿灯初期过街的行人能够在绿灯时间内通过1/2以上的人行横道。根据以上3点分析可知，现行各交叉口的南北向最小绿灯时间设置过长，应设定为20～25 s之间。

表3 交叉口信号协调控制实施前的河北大街西段各交叉口的信号灯参数 s

1.4 交通量及其构成多变

经调查可知在交通量及其构成方面，河北大街西段存在如下问题点:(1)实时交通量变化相较CBD大;(2)重车(Heavy Vehicle)混入率相较CBD大。而这两个因素将通过影响相位差与绿波带宽度来影响信号协调控制的实施效果。相位差是由交叉口间距与行驶车速共同决定的，而路段上行驶的车辆数将直接影响行驶车速(交通拥挤)，使绿灯信号开启时刻或早或晚于车辆到达时刻。绿波带宽度则是由行驶车队长度与通过停车线的地点车速(文献［6］中对交叉口处的设计车速有明确规定)决定的，而由多辆重车组成的车队就比相同数量的小轿车组成的车队长，并且重车的行驶速度偏低，车头时距也较大。

由于车辆性能的不同，重车在车身长度、行驶速度、起制动加减速度等方面较小轿车有很大差别。由于重车的存在而导致车队整体速度下降，对车队是否能在给定的绿灯时间内通过停车线产生较大影响。针对此问题，笔者建议在实施协调控制前应对河北大街西段重车混入率进行详细调查，并应对交通状况进行实时监控(应用感应式信号灯)，若交通信息的把握精确度不高，则会严重影响协调控制的效果。

1.5 过街行人较多

河北大街西段道路两旁的建筑物，尤其是高校及以服务学生为主的建筑物较多，导致南北向的过街行人量较大，过街行人中包括横穿马路的过街行人与利用人行横道的过街行人。横穿马路过街行人的存在增加了产生交通事故的隐患，而利用人行横道的过街行人量则会在很大程度上影响最小绿灯时间的设定。

对此问题，笔者提出两种改善方案。(1)根据河北大街西段的实际情况，适度降低文献［10］中对地下通道的选址标准(其标准主要为机动车流量与横穿马路行人交通量)，可以效仿W2～W3(河北科技师范学院处)，在J1～J2(秦皇岛海关处)，J2～W1(中国环境管理干部学院处)，W1～W2(河北建材职业技术学院处)等上述3处修建地下通道，强制性的将机动车与过街行人在空间上分离开，这样不但可以有效的防止行人横穿马路的现象，而且可以减少次干道上的最小绿灯时间的设置，可大幅度提高信号协调控制的实施效果。另外还可以将零售摊点收归地下，提高城市形象;(2)加强行人过街安全岛的建设，为不能一次性完成过街的行人在道路中央隔离带处提供安全的驻足区域。这样做不但可以缩短行人一次过街距离，配合采用二次过街信号控制增加同一周期内行人放行时间或次数，使交通控制更加灵活、可靠，从而提高整个交叉口的通行效率［11］。并且还可以减少行人等待绿灯时间与行人在地下通道或人行天桥处的绕行距离。(3)各交叉口采用感应控制模式信号灯，若次干道上无行人等待过街则跳过其行人绿灯相位，将其时间加于主干道相位时间之上(同1.2)。

2 干线信号协调控制的实施仿真与效果分析

2.1 Synchro系统介绍

Synchro系统是由美国Trafficware公司开发的专门用于信号配时优化的交通仿真软件，信号配时优化以HCM2000为基础。能够对信号相位、配时、周期、相位差等进行优化，并且可以对信号配位配时的方案给出相应的评价［12］。Synchro系统中对服务水平(Level of Service)的确定采用了HCM2000标准(表4)，并充分考虑了行人对交叉口通行状况的影响［13］，仿真模型实用性较好，仿真结果具有极高的工程参考价值。

表4 控制延误与服务水平评价

2.2 现状仿真及分析

2.2.1 交通量数据调查 表5，表6为全天早高峰小时(7:30－8:30)的河北大街西段各交叉口的各进口的机动车流量调查数据，其中括号中的百分数为平均重车混入率。本次研究以全天的早高峰小时为例进行分析，因为这是出行者最集中的时间段，若能在此时间段内通过协调控制手段改善交通状况，则其他平峰时间段处理起来将会更加容易。

表5 河北大街西段各交叉口东西向机动车数量统计 辆/h

表6 河北大街西段各交叉口南北向机动车数量统计 辆/h

2.2.2 配位与配时方案 河北大街西段J2～W3交叉口采用定周期信号控制模式，现行相位如图2，图3所示。但J2交叉口现行相位中机动车与过街行人的冲突点较多，因此文献［14］在保持原周期长度与相位数的基础之上对其进行改进设计(在交通仿真中不讨论交通安全系数)。

图2 W1～W3处现行信号相位

图3 J2处现行信号相位

2.2.3 现状仿真 根据上述的调查数据，运用Synchro系统对河北大街西段现行的交通状况进行仿真实验，结果如表7所示。其中，一些交叉口的V/C比较高，平均服务水平为B～D级之间。在这种服务水平之下，虽无较大拥挤状况出现，但外界环境一旦稍有恶化(恶劣天气、交通事故等)则有可能引发较大的时间延误。除此之外，停车次数与燃油消耗过多也是不容忽视的，因为这将对交通安全与生态环境造成很大的负面影响。

表7 交叉口信号协调控制实施前的河北大街西段各交叉口现状仿真结果

2.3 干线信号协调控制的实施仿真与分析

运用Synchro系统对各交叉口的周期长度与相位差进行优化，优化后所有交叉口的周期长度全部统一，这也是进行交叉口信号协调控制的基础(表8，表9，其中J2*为标准交叉口(Master Intersection)。使用以下7个具有代表性的指标对协调控制实施前后的交通状况进行评价:(1)车道服务水平;(2)交叉口服务水平;(3)服务流量与通行能力之比;(4)停车次数;(5)控制时间延误;(6)燃油消耗;(7)95%位排队长度。

笔者对各交叉口的信号控制推荐采用以下两种方案:(1)定周期协调控制模式;(2)感应协调控制模式。方案(1)的特点是初期投资与维护费用低且见效快，但对外界环境适应能力差，尤其是在交通量数据过时后，其配时方案将有可能造成极大的延误。方案(2)的特点是初期投资与维护费用高，建设周期长，但对外界环境适应能力极强，可称为一劳永逸的投资。

从现状仿真结果(表7)与定周期协调控制实施后的仿真结果(表10)比较来看，交叉口J2～W3的服务水平均显著提高(W1～W3从B级提高至A级，J2从D级提高至B级)，车辆时间延误、停车次数、燃油消耗量明显减少。而且，由公用周期长度96 s和98 s与最小绿灯时间25 s可推算南北向行人的最大等待时间为71 s和73 s，在国内调查结果的60～90 s［11］的范围之内，符合行人过街要求。

从定周期协调控制模式的仿真结果(表10)与感应协调控制模式的仿真结果(表11)比较来看，前者与后者在提高交叉口服务水平方面效果相当。但随着秦皇岛市旅游立市的战略不断深化，连接海港区与北戴河区的河北大街西段在不久的将来还会承担更加繁重的交通任务，特别是一年的春末到秋初的旅游旺季期间。而其交通量在一年四季将会比一般的非旅游城市变化大，因此，在河北大街西段各交叉口设置初期投资的感应协调控制模式的信号灯也是大势所趋。

表8 定周期协调控制实施后的河北大街西段各交叉口信号灯参数 s

表9 感应协调控制实施后的河北大街西段各交叉口信号灯参数 s

表10 交叉口信号协调控制实施后的河北大街西段各交叉口运行仿真结果(定周期协调控制模式)

表11 交叉口信号协调控制实施后的河北大街西段各交叉口运行仿真结果(感应协调控制模式)

3 结论与讨论

本次研究基于秦皇岛市河北大街西段的道路与交通条件的调查分析，对交叉口信号协调控制实施前后分别进行了仿真实验，得出了该控制实施后将可在很大程度上提高各交叉口服务水平的结论。并且，对导入的定周期协调控制模式与感应协调控制模式进行了对比，分析了两者在实际应用方面的利弊。

由调查结果可知，河北大街西段各交叉口的饱和度并不高，这也是在此实施信号协调控制的一个有利条件。即绿波交通的实施是有一定条件的，当交叉口的饱和度较低时，理论计算所得的绿波在实际中也易于实现。若交叉口出现过饱和情况，则会严重影响绿波交通的实施效果［15］。在这种情况下，为了提高实施效果，避免因交叉口过饱和而产生的“二次停车”现象的出现，就需要对河北大街西段的过饱和交叉口实施流入量控制，这也将是下一步研究的重点。

［1］ 王廷平，蒋珉.一种实现双向绿波信号控制的方法及其应用实现［J］.电子工程师，2003，29(1):31-33.

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［13］ 李建新，毛保华.混合交通流环境下有信号平面交叉口通行能力研究［J］.交通运输系统工程与信息，2001，1(2):119-123.

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［15］ 苏志忠，梅林，李学敏，等.一种新的双向绿波实用设计方法［J］.交通标准化，2009(23):223-226.