桥梁两端交叉口信号协调控制的优化设计

陈必太，陈金山，康建设，郭建钢

(福建农林大学交通学院，福建 福州 350002)

随着城市的不断扩大，联系新老城区之间的桥梁已成为许多南方中小城市的主要过江通道。由于这些桥梁的路幅宽度不足，使桥梁两端的交叉口(下称“桥头交叉口”)成为整个城市路网的瓶颈和交通事故的多发点。目前，交通管理者出于对桥面上车辆排队以及排队车辆的制动和启动对桥梁使用寿命影响的担忧，对这类桥头交叉口往往采用交通渠化，并谨慎使用信号控制方案。这种做法对于解决一些特殊形式的桥头交叉口的交通拥挤和事故多发问题有一定的现实意义[1-2]。目前，虽然也有一些桥头交叉口采用单点信号控制，甚至采用信号协调控制方法提高桥梁的通行效率，减少了车辆的排队长度和停车次数[3-9]，但由于缺乏对桥梁上的交通流特性的详细分析，控制方法的针对性不强，控制效果欠佳。本文以福建省建瓯市水西桥及其桥头交叉口为研究对象，根据现场调查数据，应用Synchro仿真软件对水西桥及其桥头交叉口的现有信号协调控制方案进行仿真和分析，建立桥头交叉口“分时段、分方向”的信号协调控制优化方案，通过比较优化设计前后的信号协调控制系统的控制效果，可以看出使用优化的信号协调控制系统，能有效地降低桥面车辆的排队长度，提高整条道路的行程车速。

作为建瓯市中山路的一部分，水西桥是连接新老城区东西向的唯一主干道，其通行效率对整个城区的交通运行有着巨大影响。该桥面上机动车道为双向两车道，两侧设有非机动车道，桥面上机非混行，设计速度为30 km/h。由于东侧桥头路口和管葡路口距离较近，为了防止排队车辆上溢，将两侧桥头交叉口和管葡路口作为一个整体进行信号协调控制优化设计，研究对象的几何结构及参数如图1所示。

图1 研究对象的几何结构

目前，水西桥各交叉口的管制方案为：西侧交叉口西进口道车流由直行、左转和右转构成，东进口道车流由直行和右转构成，北进口道车流只能右转，南进口道车流由直行、左转和右转构成；东侧交叉口西进口道车流由直行和右转构成，东进口道车流由直行和右转构成，北进口道车流只有右转，南进口道车流由直行、左转和右转构成；管葡路口西进口道车流由左转和右转构成，东进口道车流由直行、左转和右转构成，北进口道车流由直行和右转构成，南进口道为单行道，只进不出。

1 研究方法

1.1 交通数据采集

通过摄像法与人工计数法相结合的方法，对各个交叉口的早高峰(7:30-8:30)和晚高峰(17:30-18:30)的交通量进行调查和统计。各交叉口的高峰小时流率见表1和表2。

表1 早高峰小时流量流向表 pcu/h

表2 晚高峰小时流量流向表 pcu/h

从表1和表2可以发现，在早高峰时段由东往西方向桥面上的交通量(1 842 pcu/h)大于由西往东方向的交通量(1 706 pcu/h)，而晚高峰时段由西往东方向桥面上的交通量(2 071 pcu/h)大于由东往西方向的交通量(1 724 pcu/h)，即在早晚2个高峰时段交通量存在“潮汐现象”。由于现状信号协调控制方案采用全天候的单向绿波控制方案(由东往西)，虽然在平峰时段桥面上的通行效率较好，但在早晚两个高峰时段的通行效率不太理想；因此，根据该路段的几何结构和交通流特性，宜采用以交通量为导向的“分时段、分方向”的多方案信号协调控制形式，即在早高峰时段由东往西的协调控制，在晚高峰时段由西往东的协调控制，而平峰时段采用现状信号协调控制方案。

1.2 现状控制方案分析

该路段的现状控制方式为单方案的信号协调控制，3个交叉口共用周期，周期时长为90 s，其关键路口为水西桥东侧交叉口，关键相位为东西方向的直行，自东往西方向设绿波控制；水西桥西侧交叉口与其相位差为15 s，管葡路口与其相位差为7 s，信号协调控制系统中的设计带速为30 km/h。现状信号协调控制方案的配时方案见图2—4。

图2 水西桥西侧交叉口信号配时方案

图3 水西桥东侧交叉口信号配时方案

图4 管葡路口信号配时方案

1.3 仿真软件的协调控制算法

在Synchro信号协调控制仿真系统中，其配时方案的优化主要在于优化协调控制系统的周期时长和相位差。周期时长的优化是通过系统周期时长在等距变化下计算得出目标评价指标。本文采用“排队长度和行程时间”作为目标评价指标，以这2个目标评价指标的最小值所对应的周期时长作为系统的最优周期时长，见公式(1)—(4)。相位差的优化方法采用“时差分析法”，以1～4 s为分析长度，在周期范围内求解出不同的延误值，见公式(5)和公式(6)，选取其中绿波带宽最大时的延误值所对应的相位差[10]作为协调控制优化系统的最优相位差，见公式(7)。

周期时长的计算公式为

(1)

式中:C为周期时长,s；L为总损失时间,s；CS为关键总交通量，辆/h；RS为参考总流率，辆/h。

通过式(2)和式(3)可以选取最佳周期时长。

Y=min(Yi)

(2)

C=CY

(3)

式中:Yi为目标评价指标；Y为最佳周期时的目标评价指标；CY为选取的目标评价指标值对应的周期时长；C为系统最优化周期时长,s。

交叉口车辆最大排队长度的计算公式为

(4)

式中:Q为最大排队长度，辆；PF2为信号联动影响修正系数；vL为车道组中每条车道的流率,辆；C为系统的最优化周期时长,s；g为有效绿灯时间,s；XL为流率与通行能力的比值；cL为车道组中每条车道通行能力,辆/h；T为分析时段长度,s；kB为增量项的修正系数；QbL为分析时段开始时车道组中每条车道的初始排队长度,辆；C为系统最优化周期时长,s。

1条进口道延误时间的计算公式为

(5)

式中:dA为A进口道延误时间，s/辆；di为A进口道车道组i的延误时间，s/辆；vi为A进口道车道组i的修正流量，辆/h。

交叉口平均控制延误时间的计算公式为

(6)

式中：dI为交叉口每一辆车的平均延误时间，s/辆；dA为A进口道的延误时间，s/辆；vA为A进口道的修正流量，辆/h。

相位差的计算公式为

(7)

式中：θij为相邻交叉口直行方向的相位差，s；L为相邻交叉口两停止线之间的距离，m；S为相邻交叉口两停止线之间的平均车速，m/s。

2 结果与分析

2.1 现状交通效益指标分析

基于现状信号协调控制方案和早晚两个高峰时段的交通量，应用Synchro对早晚两个高峰时段的信号协调控制方案进行仿真分析，结果见表3。

表3 早晚高峰时段仿真结果

由表3可以看出：从最大排队长度来看，各交叉口在东西方向的排队长度都较长，其中，在早高峰时段东西两侧桥面上的排队长度分别为77 m和68 m，在晚高峰时段两侧桥头的排队长度分别为92 m和41 m，可见不管是早高峰还是晚时段，桥面上排队的车辆都比较多；在早高峰时段，自东向西和自西向东的平均行程速度分别为16.6 km/h和15.1 km/h，与路段设计速度之比为0.553和0.503，晚高峰时段的平均行程速度分别为12.5 km/h和9.2 km/h，与路段设计速度之比为0.417和0.307，可见在高峰时段，特别是晚高峰时段的延误较大，路段平均行程速度较低。

2.2 优化设计及其交通效益指标分析

为了提高早晚高峰时段的通行效益，减小水西桥两侧桥面上的排队长度，有必要进行优化设计。

2.2.1 早高峰时段的优化设计

根据早高峰时段的交通量，早高峰时段宜实施自东向西方向的绿波控制。以早高峰时段交通量为基础，应用Synchro对各交叉口的信号周期进行整体优化计算，根据仿真计算结果，以水西桥东侧交叉口为关键路口，3个交叉口的共用周期时长为74 s。各交叉口的绝对相位差分别为：水西桥西侧交叉口与其相位差为39 s，管葡路口与其相位差为33 s。早高峰时段信号协调控制优化方案时距见图5，仿真结果见表4。

图5 早高峰信号协调控制优化方案时距图

2.2.2 晚高峰时段的优化设计

根据晚高峰时段的交通量，在晚高峰时段宜实施自西向东方向的绿波控制。以晚高峰时段的交通量为基础，应用Synchro对各交叉口的信号周期进行整体优化计算。由于管葡路口的周期时长最长，因此以管葡路口作为关键路口，东西方向直行为关键相位，3个路口的共用周期为78 s，各交叉口的绝对相位差分别为：水西桥西侧交叉口与其相位差为50 s，东侧交叉口与其相位差为6 s。晚高峰信号协调控制优化方案时距见图6，仿真结果见表4。

图6 晚高峰信号协调控制优化方案时距图

2.3 仿真结果分析

从优化设计后的仿真结果(见表4)可以看出：在早高峰时段，东西两侧桥面上的排队长度分别为28 m和32 m，与现状控制效果(见表3)相比分别减少了63.64%和52.94%；在晚高峰时段，东西两侧桥头的排队长度分别为40 m和37 m，分别减少了56.52%和9.76%，可见在高峰时段，桥面上的排队车辆均有明显的减少。在早高峰时段，路段平均行程速度分别为20.0 km/h和15.3 km/h，与现状控制效果相比分别提高了20.48%和1.32%；在晚高峰时段，路段平均行程速度分别为19.5 km/h和18.0 km/h，与现状相比分别提高了56.00%和95.65%，可见在高峰时段，特别是晚高峰时段的平均行程速度明显提高。

表4 优化参数后早晚高峰时段仿真结果

3 结论

采用“不同时段不同方向”优化后的信号协调控制系统，2个高峰时段的交通效益指标都有明显提高，桥头两端的车辆排队现象得到明显改善，平均行程速度得到提高。在早高峰时段，桥梁东西两侧的排队长度分别减少63.64%和52.94%，在晚高峰时段，桥梁东西两侧的排队长度分别减少56.52%和9.67%。说明桥头交叉口信号协调控制系统进行优化设计后，能有效缩短桥面上的车辆排队长度。高峰时段的交通效益指标都得到一定的改善，其中晚高峰时段的平均行程速度有大幅度提高，说明桥头交叉口采用优化后的信号协调控制系统能有效提高桥梁的通行效率。平峰时段采用现状控制方案，高峰时段采用优化后的信号协调控制系统可以改善这条干道的通行效果，经过近2个月的实际试运行已经得到很好的验证。

在信号协调控制系统的优化过程中，由于只考虑主控方向(东西方向)车流的绿波控制，使得其他方向的车流暂时无法实现绿波控制。此外，由于本研究开始时，该路段已经采用单方案的信号协调控制，没有单点控制的定量参数，因此无法与单点控制效果进行定量比较。今后类似研究中应事先调查“无信号控制”、“单点信号控制”的交通效益指标，以便作定量比较。

[1]郭建钢，张文星，陈必太，等．基于VISSIM的桥头交叉口改造优化设计[J]．公路与汽运，2013 (1)：44-47．

[2]Guo Jian-Gang, Qiu Mei-hua, Chen Bi-tai. Study on the Secondary starting model used in a large Y-shaped intersection [J]. Applied Mechanics and Materials, 2013,255:1797-1802.

[3]伍雄斌，郭建钢，程婉燕．基于遗传算法的单一路口智能体优化控制[J]．福建农林大学学报，2008，37(2)：221-224．

[4]牟海波，俞建宁．城市交叉口群交通信号控制研究[J]．兰州交通大学学报，2011 (6)：106-109．

[5]周君．城市干道交通信号协调控制优化设计[J]．武汉理工大学学报，2011，35 (10)：984-987．

[6]李繁.城市道路典型交叉口交通信号配时优化[J]．武汉交通职业学院学报，2012，14 (2)：80-82．

[7]郭彦东，李 欢，李夏苗．城市主干路信号配时优化实证研究[J]．交通运输系统工程与信息，2011，11(z1)：167-174．

[8]Clement S J, Anderson J M. Traffic signal timing determination: the cable model [C]// 2nd TEEE International Conference on Genetic Algorithms in Engineering System: Innovations and Application.[S.l]:TEEE,1997.

[9]马畅，敖谷昌，邵毅明．信号协调控制下城市干道运行效率评价研究[J]．交通信息与安全，2012，30(4)：62-65．

[10]胡佩峰，田宗忠，袁振洲，等．交通运行管理中的可变绿波带优化[J]．交通运输系统工程与信息，2011，11(1)：61-72．