城市干线信号协调控制系统设计

刘艳，吴东阁，胡万欣

(西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031)*

0 引言

城市干线信号协调控制实际上就是将一条干线上若干相邻交叉口的交通信号连接起来，通过协调控制，使车流能够连续获得绿灯信号不间断地通过各交叉口，尽量遇少红灯次数以减少延误和停车时间.国内外对干线信号协调控制系统的研究已有半个多世纪，常用的2种研究方法为最大绿波法和最小延误法.前者以干线方向上绿波带宽度最大化为目标，从而确定干线系统的信号配时参数，以图解法、数解法、MAXBAND和PASSERⅡ等为典型方法［1］.后者以干线总延误最小为目标，建立城市道路交通干线的相位差优化模型，找到最优相位差组合，如SIGOP、结合法、TRANSYT 以及 SCOOT 等［2-4］.

在国外Park等提出了一种针对固定周期的随机信号优化方法，使用一种GA的接口与仿真模型相结合来对周期长度、绿信比、相位差同时进行优化［5］.Hakim等提出多种基于多智能体的道路交通分布式控制概念模型.Ceylan、Bell考虑信号变化的用户反应，使用遗传算法来得到优化信号配时方案［6］.Shenoaa和 Machemehl使用启发式算法来得到信号配时方案［7］.在国内，常云涛等提出了基于遗传算法的相位差优化设计法［8］.谭惠丽，黄乒花等用元胞自动机模型模拟二维交通流，研究主干路上交通激波的形成和传播，得出线控的有关规律［9］.裴玉龙、孙明哲等以交通调查数据为主要依据，根据信号协调控制系统设计的数学模型对数据进行分析处理，从而实现线控系统的自适应协调控制［10］.万绪军等建立了双向相位差优化调节算法［11］.

上述方法都是对干线信号协调控制系统设计理论性的探索，但在实际应用过程中都存在一些问题，基于此本文以武汉市龙阳大道为例，利用数解法设计干线信号协调控制系统具体方案，并通过VISSIM仿真软件，对该设计方案效果进行评价，对比分析干线设计前后的运行情况.

1 基本原理和流程

1.1 基本原理

通常进行干线信号协调控制的交叉口之间的距离不宜过长，一般不超过800 m.否则，线控效果较差.

在线制设计时，各系统中交叉口信号周期相等，选取系统中周期最大的交叉口作为关键交叉口，并将其作为干线的公共周期.其他非关键交叉口相应地改用系统公共周期时，绿灯时间均随之延长，非关键交叉口次要道路方向的绿灯时间只需保持原状即可，多出的绿灯时间全部加给主干线方向，同时可适当增加系统的通过带宽.由于交叉口间距离和车速不同，干线信号控制系统的协调方式一般有三种，同步式、交互式和续进式.

1.2 设计流程

在信号协调控制中，首先对各交叉口进行现状调查，根据所得数据分别对各交叉口信号配时进行优化;然后选定关键交叉口，确定系统周期，针对各交叉口信号配时进行干线协调优化，最终确定设计方案;最后再将设计前后的路段通行状况进行对比分析，评价方案效果.本文具体流程如图1所示.

图1 干线信号协调控制系统设计流程

2 现状分析

武汉市龙阳大道位于318国道上，全长8.8 km，穿越市区商业中心，是一条南北走向的城市主干道.其与十几条主次干道交汇，且各交叉口间距较短.由于个别交叉口几何条件不对称，交通流量不均衡，红绿灯多，交通延误较大.本文取龙阳大道上3个相邻的交叉口为研究对象，分别为龙阳大道—墨水湖路交叉口、龙阳大道—汉阳大道交叉口和龙阳大道—玫瑰街交叉口，设其编号依次为:A、B、C.其中 A、B 相距约510 m，B、C 相距约400 m.通过对武汉市龙阳大道实地调查，总结得出该干线具有以下特点:①交通量大:龙阳大道位于商业中心，又与各交通干线交叉的交通流汇集，交通繁忙.②车辆行驶速度低:各种外界干扰因素多，车辆只能低速行驶.③流量分布有潮汐性:高峰时段由于通勤交通量大，与非高峰时段交通量差异大.此外，因交通繁忙，龙阳大道周围交通噪声污染、空气污染等交通环境问题日益突出，影响着沿线居民生活和工作;干线车辆频频遭遇红灯，司机与乘客的行车舒适感很差.

综上所知，该路段总体服务水平并不高.因此，有必要对龙阳大道进行干线信号协调控制设计.

3 方案设计

3.1 单点信号配时

利用Webster法对龙阳大道各交叉口进行信号配时，结果见表1上半部分.为更好地进行交通分流，减少交通拥堵，发挥线控作用，故将各交叉口相位重新划分，如图2所示.

表1 龙阳大道选定交叉口及干线信号配时设计

图2 线控设计龙阳大道各交叉口相位图

3.2 选定系统公共周期

由表1可知，交叉口 B优化后的周期为138s，其周期时长最大，故系统公共周期定为138s.又因交叉口C交通量不是很大，故其信号周期可设置为公共周期的1/2，即C交叉口的周期为69 s.

非关键交叉口改用系统周期时长时，各相位.干线信号配时设计调整结果如表1所示.

3.3 确定信号时差及调控系统方案

数解法计算干线协制系统相邻信号间时差，结果如表2所示，计算步骤如下:

表2 数解法确定信号时差

(1)计算系统带速

将交叉口A、B、C之调控间距离列于表2中，交叉口A、B相距510 m，B、C相距400 m，可将其简写为51、40，并将其计入表中第二行.根据实地考察，本系统带速先设置为v=8 m/s(28.8 km/h).

(2)计算理想信号与实际信号的挪移量

假定各个交叉口之间的理想间距(字母a表示)取表2中的第一列数字.由于vC/2=1104/2=552 m(取有效数字55)，相距552 m信号的时差，正相当于交互式协调的时差(相差半个周期);相距1104 m的信号，正是同步式协调(相差一个周期).从交叉口A开始，在其下游同A相距为vC/2的整数倍地点，可以形成了互交式或同步式信号灯的最佳地点.然后vC/2的值在实际允许区间内可稍做调整，依次求出各信号灯协调效果最佳的设置地点，以实现双向时差信号间协调的最佳效果.以45～65(即55±10)作为最适当的vC2的变动范围，见表2中第一列a/下各数字.

求解第二、三列各行:由于AB、BC段的距离分别为51、60，从第三行a=45计算起，A点与理想信号距离差为51－45=6，故将6计入表中相应位置.此时，若B点前移60 m就可实现与A点的交互式协调控制.由6+40－45=1，知C同理想信号的距离差值为10 m，其它各行依次类推.

计算第四列各行:如a=45时，按实际信号位置与理想信号的挪移量值升序列出，并求出各相邻交叉口挪移量的差值，将差值最大者(字母b表示)填入第四列.a=45一行的b值为39.如此，计算其余各行.

(3)确定最合适信号位置

从表2中可看出，当a=48时，b=40为最大值.取b的最大值，对应a的值，即可得A、B、C各信号到理想信号的挪移量最小值，即，当vC/2=480 m时，就可实现最佳系统协调效果.由表2知，B到C同理想信号间的挪移量之差最大，为40，故理想信号同B间的挪移量为:(a－b)/2=(48－40)/2=4.理想信号距B为40 m，则距A为10 m，即自A前移10 m即为第一理想信号，然后依次每480 m间距将各理想信号列在各实际信号间，如图3所示.

图3 理想信号与实际信号的相对位置(单位:m)

(4)计算时差

A、B理想信号相应的实际信号间为交互式协调，时差为50% ～0.5λ%;C理想信号相应的实际信号间为同步式协调，时差为100% ～0.5λ%，列入表3第7行.求时差的实际值，用系统公共周期138 s与绿时差(%)相乘，得到时差实际值，列入表3的最后一行.

表3 绿时差表

图4 数解法计算所得时空分布图

根据以上分析，可以绘制出信号相位差的时间—距离分布图，如图4所示.

4 控制系统方案仿真评价

对龙阳大道干线控制协调系统方案，利用微观交通仿真软件VISSIM进行模拟仿真、分析及评价，将优化方案与现状进行比较.因本设计主要关注重点在于龙阳大道直行方向上的通行效率，故选取龙阳大道上的延误和停车次数为评价服务水平的指标，协调控制实施前后对比如表4.

表4 龙阳大道实施干线协调控制前后对比

从表4看出，现状信号控制方案下大多数车辆很难一次性顺利通过整条干线，途中会经常因红灯而停驶，拥堵情况与实际调查结果相似.实施线控设计方案以后，各交叉口延误时间和停车次数在整体上大幅减少，说明龙阳大道干线协调控制方案可行和有效.

5 结论

城市干线信号协调控制系统设计是一个系统工程，通过对该设计方案的仿真与评价，证明此方案有效的有效地减小了龙阳大道干线交叉口延误和停车次数，改善了交叉口运行状况.故而，可应用线控理论与方法，设计城市主干道信号协调系统方案.

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