基于“快出慢进”的城区出入干道的信号协调控制

陈金山,陆立峥,崔金垚,戴剑敏,郭建钢

(1.福建农林大学交通与土木工程学院；2.福建农林大学计算机与信息学院 ,福建福州350002)

基于“快出慢进”的城区出入干道的信号协调控制

陈金山1,陆立峥2,崔金垚1,戴剑敏1,郭建钢1

(1.福建农林大学交通与土木工程学院；2.福建农林大学计算机与信息学院 ,福建福州350002)

通过采取“快出慢进”交通协调控制优化策略 ,主线车流早、晚高峰时段的总停车次数比现有的单点信号控制方案分别下降了40%和47%；主线车流由西往东方向的早、晚高峰时段的平均行程车速比现有的单点信号控制方案分别提高了52%和76% ,由东往西方向的早、晚高峰时段的平均行程车速比现有的单点信号控制方案分别提高了105%和163%.表明“快出慢进”的交通管理策略能满足交通管理需求 ,提高主线车流的运行效率.

快出慢进；信号协调控制；城区；出入干道；绿波带宽度；总停车次数；平均行程车速

随着城市化进程的快速发展 ,中心城区与外围新区联系日益密切 ,中心城区出入干道在城市经济社会发展活动中的地位日益突显.由于实行无差异化的交通管理策略 ,进出交通快速地抵近中心城区各主要出入口 ,导致其与外围快速通道相衔接的中心城区出入干道交通问题频发 ,高峰时段出入干道的重要点段已呈常态化的交通拥堵.目前 ,通过交通渠化和单点信号优化控制来缓解和消除该类交通拥堵是最为普遍的处理方法[1－4],但该方法未能从系统的角度精细化地分析出入干道的交通特性 ,适应性、可持续性较差.

近年来 ,干道信号协调控制的研究已较成熟.郭建钢等[5 ,6]在现有道路交通设施条件下 ,实现干道上信号协调控制 ,有效地提高了主干道的通行能力；陈必太等[7]研究了桥梁两端交叉口信号协调控制 ,在保证桥梁交通正常通行的情况下有效地降低了桥面车辆的排队长度；邓明君等[8]研究了组合放行方式下干路交叉口协调控制优化 ,成功优化了信号协调控制参数(放行方式、各交叉口绿波起始、双向绿波带宽等).然而干道信号协调控制方法与出入干道交通特性相结合的应用例子还比较少.本文以福建省泉州市中心城区丰泽街上的3个重要节点为研究对象 ,基于节点的高峰小时交通流量 ,应用Synchro和Vissim仿真软件 ,采用“快出慢进”的交通管理策略优化城区出入干道的信号协调控制.

1 仿真算法

Synchro软件是一套完整的城市道路信号配时分析和优化仿真软件 ,能有效仿真道路通行能力和信号配时优化设计[9－10].软件通过周期时长、绿信比等参数实现单点信号控制配时方案优化设计(式(1)、式(2))；该软件基于最优单点信号配时方案 ,通过对信号协调控制系统中不同周期时长的关键交通效益指标的比较 ,选取最优交通效益指标(即干道平均行程速度和总停车次数)对应的周期时长作为协调控制系统的最佳周期时长(式(3)、式(4)).选取协调控制系统绿波带宽度作为最佳指标时 ,行程延误所对应的相位差也就是协调控制系统的最佳相位差[11],结果见式(5).

周期的计算方法为:

式中 ,C为周期长/s；L为总损失时间/s；CS为关键总交通量/(vehűh－1)；RS为参考总流率/ (辆űh－1).

选取最佳周期的方法为:

式中 ,Yi为交通效益评价指标；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长；C为系统的最优化周期长/s.

路段平均行程速度的计算方法:

式中 ,ν为干道平均行程速度/(kműh－1)；n为统计行程时间的次数；L为研究对象路段长度/km；ti为第i辆车通过路段的行程时间/h.

干道交叉口控制延误的计算方法:

式中 ,d为交叉口控制延误/(sűveh－1)；PF为信号协调控制修正系数；X为车道组的饱和度 ,C为信号周期时长 ,S为车道组的通行能力/(sű辆－1) ,g为车道组有效绿灯时间/s ,T为持续分析时间/h ,I为按上游信号灯车辆换车道和调节的增量延误修正系数 ,d3为增量延误/s.

相位差的计算方法为:

式中 ,θij为相邻交叉口直行方向的相位差/s；L为相邻两交叉口停止线之间的距离/km；ν为相邻两交叉口停止线之间的平均车速/(kműh－1).

2 方案设计

2.1 研究对象

丰泽街是泉州市中心城区东西向的交通性主干道之一 ,东与对外快速通道安吉路衔接 ,其交通运行状况直接影响到周边路网的交通运行状态.本文选取田安路交叉口、刺桐路交叉口、祥远路交叉口及所在路段 ,进行干道协调控制优化设计 ,路段设计车速为40 kműh－1.研究对象交通几何结构见图1.

图1 研究对象的几何结构Fig.1 The geometric structure of research object

2.2 数据采集

采用录像与人工计数相结合的方法调查统计研究对象各个交叉口早高峰(7:30－8:30)和晚高峰(17: 30－18:30)的小时交通量 ,并将其换算为标准小客车后的各个交叉口高峰小时流量 ,结果见表1、2.

表1 早高峰小时流量流向表Table 1 Traffic flow in morning peak-hour pcuűh－1

表2 晚高峰小时流量流向表Table 2 Traffic flow in evening peak-hour pcuűh－1

从表1、2可以发现 ,3个交叉口早、晚高峰时段东西方向直行交通量明显大于其他方向的交通量 ,可见东西方向直行车流为研究对象主线车流；田安路交叉口和刺桐路交叉口由东往西方向(进城方向)的交通量明显大于从西往东方向的交通量 ,然而祥远路交叉口由东往西方向的交通量却不同程度地小于从西往东方向的交通量；同时刺桐路交叉口东进口道直行交通量明显大于其他进口道直行交通量.可见由东往西方向直行车流在刺桐路交叉口出现了因有效绿灯时间不足而导致的多次停车现象.现场调研发现 ,为了降低刺桐路交叉口东进口的饱和度 ,减少了其他进口道的有效绿灯时间 ,这会导致刺桐路交叉口西进口道直行绿灯出现闲置和东西进口道左转车道通行能力不足.因此 ,根据路段的几何结构、交通流特性和高效控制进出城交通 ,宜采用“快出慢进”的交通管理策略 ,即在保证出城方向交通协调控制达到最佳的条件下 ,最大程度地实现进城方向交通均衡分布、协调控制.

2.3 协调控制方案设计

研究对象的3个交叉口均采用定时式单点信号控制 ,单一的信号配时方案已经无法满足不同时段交通流的时变特征.本文根据实际的交通流量 ,应用Synchro软件中单点信号配时优化模块分别对3个交叉口的单点信号配时方案进行优化设计 ,结果见表3.应用Synchro软件协调控制优化模块 ,设定系统最佳周期时长范围为60－200 s ,分析间隔时长为2 sű次－1,得到调控制优化系统的最佳周期时长 ,通过合理优化相位差进一步调节关键相位绿波带宽度.

表3 各交叉口单点信号控制的最佳周期时长Table 3 Optimal cycle length of single intersection signal control at every intersection s

2.3.1 早高峰时段优化设计 基于早高峰时段的交通量 ,设置东西方向为关键相位 ,优先满足研究对象由西往东相位绿波的要求.由单点信号配时方案优化设计的计算结果(表3)可知 ,刺桐路交叉口的最佳周期时长最大 ,为127 s.因此以该交叉口作为协调控制优化系统的关键交叉口 ,应用Synchro软件协调控制系统优化计算 ,得到如下结果:设计带速为40 kműh－1,系统共用周期时长为115 s ,相位差分别为70和27 s.早高峰时段信号协调控制的时距图如图2所示.

图2 早高峰和晚高峰信号协调控制优化方案时距图Fig.2 The time distance diagram of signal coordinated control strategy in morning and evening peak-hour

2.3.2 晚高峰时段优化设计 基于晚高峰时段的交通量 ,设置东西方向为关键相位 ,优先满足研究对象由西往东的相位绿波要求.由单点信号配时方案优化设计的计算结果(表3)可知 ,刺桐路交叉口最佳周期时长最大 ,为113 s.因此以该交叉口作为协调控制优化系统的关键交叉口 ,应用Synchro软件协调控制系统优化计算 ,得到如下结果:设计带速为40 kműh－1,系统共用周期时长为120 s ,相位差分别为64和116 s.晚高峰时段信号协调控制的时距图如图2所示.

3 控制效果分析

基于现状单点信号配时方案和Synchro软件得出的不同控制类型的信号配时优化方案 ,应用Vissim软件对各方案进行模拟仿真.仿真评价结果见表4－6.

表4 研究对象V/C仿真评价结果Table 4 The V/C simulation evaluation results of research objects

表5 研究对象总停车次数仿真评价结果Table 5 The simulation evaluation results of research object total number stops

从表4可以看出 ,优化方案的各个主要交叉口的V/C与现状方案相比均有一定程度的减少.因此 ,优化方案下各相交路口能够满足通行要求 ,有效避免了与主线连接路段产生新的拥堵.从不同类型控制方案总停车次数评价结果(表5)可以看出 ,研究对象采用协调控制优化系统后 ,早高峰和晚高峰总停车次数分别为8037和8654次űh－1,比现状单点信号控制方案减少了47%和40%.可见 ,通过协调控制能有效减少车辆的停车次数.同时由于采用“快出慢进”的交通管理策略 ,早高峰时段减少的车辆停车次数效果优于晚高峰时段.

表6 主线方向关键评价指标仿真结果Table 6 The simulation evaluation results on mainline direction key evaluation indexes

由表6可以看出 ,优化协调控制后早、晚高峰时段由西往东方向的绿波带宽带明显优于由东往西方向 ,可见 ,实现出城方向交通流绿波是“快出慢进”交通管理策略的基本要求.研究对象采用协调控制优化系统后 ,由西往东方向的早、晚高峰时段的平均行程车速分别为29.12和26.12 kműh－1,比现有的单点信号控制方案分别提高了52%和76%；由东往西方向的早、晚高峰时段的平均行程车速分别为26.67和24.23 kműh－1,比现有的单点信号控制方案分别提高了105%和163%.可见 ,“快出慢进”的协调控制策略能有效地提高主线方向的交通运行效率.

4 小结

(1)采用协调控制优化系统后 ,与单点信号控制系统相比 ,早、晚高峰时段路段的总停车次数分别减少了47%和40% ,由东往西方向的早、晚高峰时段的平均行程车速比现有的单点信号控制方案分别提高了105%和163%.说明路段采用协调控制优化系统后 ,有效地减少了车辆的停车次数 ,最大程度上提高了交通流的连续性.

(2)采用协调控制优化系统后 ,在满足由西往东(出城)方向通行效率的基础上 ,由东往西(进城)方向的平均行程速度也得到了较大的改善 ,减少了信号控制引起的延误 ,说明信号协调控制优化系统能有效降低固定延误.

(3)通过调整协调控制系统的绿波带宽度 ,采用主线车流“快出慢进”的交通管理策略 ,提高了主线车流的运行效率.

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(责任编辑:叶济蓉)

Exit and entrance trunk road signal coordinated control of urban region based on fast exit and slow entrance

CHEN Jian-shan1,LU Li-zheng2,CUI Jin-yao1,DAI Jian-min1,GUO Jian-gang1
(1.College of Transportation and Civil Engineering；2.College of Computer and Information Sciences ,Fujian Agriculture and Forestry University ,Fuzhou ,Fujian 350002 ,China)

Compared with the situation single point signal control scheme ,the mainline traffic flow total number of section stops in morning and evening peak-hour reduced by 40%and 47%respectively；the mainline traffic flow average travel speed in morning and evening peak-hour from west to east increased by 52%and 76%respectively ,the mainline traffic flow average travel speed in morn-ing and evening peak-hour from east to west increased by 105%and 163%respectively ,by use of the traffic coordinated control op-timization strategy such as“fast exit and slow entrance”.It suggested that the traffic management strategy could meet the demand of traffic management ,and improve the operation efficiency of mainline traffic flow.

fast exit and slow entrance；signal coordinated control；urban region；exit and entrance trunk road；green wave band-width；total number of stop；average travel speed

U491.51

A

1671-5470(2015)06-0668-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.06.019

2014－12－25

2015－05－12

国家自然科学基金资助项目(41201100)；福建省重点学科建设经费资助项目(6112C1700)；福建省教育厅资助项目(JB13061、JB12082).

陈金山(1977－) ,男 ,讲师 ,硕士研究生.研究方向:交通运输规划与系统优化.通讯作者郭建钢(1962－) ,男 ,教授 ,博士.研究方向:智能交通.Email:fafugjg＠126.com.