城市道路多交叉口协调控制方案设计与仿真研究

李鑫星+++郭文荣

摘 要：文章在对北京市朝阳区小营路、小营西路和北苑路交叉口进行实地交通调查的基础上，设计了多交叉口交通信号协调控制方案。通过交通仿真软件TransModele3.0对交通信号控制方案进行仿真以及对仿真结果的综合分析，文章所设计的多交叉口协调控制方案能够降低各交叉口的车辆延误，提高车辆的通行效率，取得了良好的交通控制效果。

关键词：多交叉口；协调控制方案；交通仿真；Transmodeler；通行效率

1 概述

随着我国城市经济的发展和人民生活水平的日益提高，机动车保有量呈现迅速增长的趋势，随之而来城市的交通负荷和交通拥堵日益加剧。作为交通拥堵的主要发生地，城市交叉口汇集了大量的车辆和行人，如何采取行之有效的交通信号控制方案对其进行交通控制，对于提高交叉口的通行效率，缓解拥堵，具有重要的意义。

文章所研究的交叉口是位于北京市朝阳区北四环东路附近的三个相邻交叉口（小营路、小营西路和北苑路交叉口），由于这些交叉口地处北四环附近，周围交通便利，生活休闲设施发达，来往的车辆和行人较多，在交叉口经常会出现拥堵和车辆排队的现象，造成了通行效率的下降，因此，需要对这些交叉口的交通控制方案进行研究和改进，以提高交叉口的交通控制水平。由于这三个交叉口在东西方向相邻，位于同一条线路上且距离较近，因此适合采用干线协调控制方式，通过设计各交叉口之间相互协调的信号配时方案，可以使车辆尽量以绿灯连续通过各交叉口，减少车辆在交叉口的停车和延误时间，减少拥堵，提高交叉口的通行效率，具有积极的作用。

2 交叉口概况

文章所研究的小营路、小营西路和北苑路交叉口位于北京市朝阳区北四环东路以北，为东西方向相邻的交叉口，如图1所示。其中，小营路交叉口南侧为北四环的惠新东桥，北侧为小营北路，交通较发达，购物便利，来往的行人和车辆较多。小营西路交叉口紧邻小营路交叉口西侧，属于小型交叉口，周边有餐馆、便利店、住宅区等，其行驶的车流主要集中在东西方向，南北方向车流量较少，行人不多。北苑路交叉口是三个交叉口中最大的一个交叉口，附近主要有地铁、银行、饭店、酒店等等，交通发达，生活娱乐设施完善，行人和车辆较多，有时会出现大规模排队，易造成交通拥挤情况。这三个交叉口彼此距离较近，有时会出现车辆排队现象，因此需要设计交叉口之间的协调信号控制方案以提高通行效率。

3 交通调查

3.1 路网几何结构调查

通过实地调查，获得了小营路、小营西路以及北苑路交叉口及其周边道路的路网几何结构数据，包括各交叉口及其周边道路的车道类型、数量、车道长度和车道宽度等数据，并通过Transmodeler3.0交通仿真软件建立了路网交通仿真模型，如图2所示。

3.2 交通流量与饱和流量调查

采用录像法对小营路、小营西路和北苑路交叉口在仿真时段14：00-16：00的交通流量和高峰时段的饱和流量进行了调查，并且分车型（小型车、中型车、大型车）进行了记录。 通过对交通流量和饱和流量数据进行统计、整理和计算，得出各交叉口在仿真时段的交通流量和高峰时段的饱和流量数据，如表1至表3所示。

4 交叉口单点定时信号控制方案设计

交叉口单点定时信号控制方案设计是协调信号控制方案设计的基础， 首先应根据实际调查的各交叉口的交流流量数据完成各交叉口的单点定时信号控制方案设计，以便使所设计的方案能够满足实际交通需求。根据表1、表2和表3中所调查的小营路、小营西路和北苑路交叉口的各进口交流流量和饱和流量数据，完成各交叉口的相位方案设计和单点定时信号配时方案的设计，信号配时方案的计算采用Webster方法。各交叉口的单点定时信号配时方案设计结果如表4、表5和表6所示。

5 多交叉口协调信号控制方案设计

5.1 设计思路

依据干线协调控制方案的设计理念和设计方法，在小营路、小营西路和北苑路交叉口的協调控制方案设计中需要确定各交叉口的协调相位、协调控制方式、系统公用周期、各交叉口的协调控制配时方案以及相位差。

根据小营路、小营西路和北苑路交叉口的地理位置情况和交通流量情况，将各交叉口的东西方向直行相位作为协调相位。由于小营路与小营西路交叉口的间距为180米，小营西路与北苑路交叉口的间距为350米，相邻交叉口之间的间距不同，应根据不同交叉口的间距和期望车速采用不同的相位差以满足各交叉口的通行需求，因此确定协调控制方式采用续进式协调控制方式。在完成以上设计后，随后需完成系统公用周期、各交叉口协调控制方案设计以及相位差的设计，并通过TransModeler3.0交通仿真软件对协调控制方案的时间-距离图进行仿真分析，不断调整相位差，以期获得理想的绿波带宽。

5.2 系统公用周期

通过表4至表6中各交叉口单点定时配时方案的设计结果可知，小营路交叉口的周期（91s）和小营西路交叉口的周期（65s）远远小于北苑路交叉口的周期（167s），因此协调控制方案的公用周期适合采用双周期形式，即：将北苑路交叉口的协调周期设置为小营路和小营西路交叉口的双倍。根据对各交叉口的周期进行分析，最终确定：将小营路交叉口的周期（91s）作为基准单周期，将小营西路交叉口的周期调整为单周期时长（91s），将北苑路交叉口周期调整为双周期时长（182s）。

5.3 小营路交叉口协调控制方案设计

小营路交叉口的协调相位为第一相位（东西进口左/直/右），由于小营路交叉口的协调周期为其自身的单点定时配时方案周期，因此其信号配时方案保持不变，该交叉口的协调控制方案即为其单点定时配时方案，如表4所示。

5.4 小营西路交叉口协调控制方案设计

小营西路交叉口的协调相位为第一相位（东西进口左/直/右）。小营西路交叉口调整后的协调周期为91秒，比单点定时配时方案的周期（65秒）增加了26秒。各相位绿灯时间的调整方案为：保持非协调相位（南北进口左/直/右）的配时不变，将增加的26秒分配给协调相位（东西进口左/直/右），即协调相位（东西进口左/直/右）的显示绿灯时间调整为30+26=56秒，从而确定了小营西路交叉口在该时段的协调控制方案，如表7所示。

5.5 北苑路交叉口协调控制方案设计

北苑路交叉口的协调相位为第一相位（东西进口直/右）。北苑路交叉口的协调周期为182秒，比单点定时配时方案的周期（167秒）增加了15秒。各相位绿灯时间的调整方案为：保持三个非协调相位的配时不变，将增加的15秒分配给协调相位（东西进口直/右），即协调相位（东西进口直/右）的显示绿灯时间调整为39+15=54秒，从而确定了小营西路交叉口在该时段的协调控制方案，如表8所示。

5.6 相位差的设计

利用交叉口之间的距离和平均车速计算初始相位差（绿时差），小营路和小营西路交叉口之间距离为180m，小营西路和北苑路交叉口之间距离为350m，期望平均車速：40km/hr，以北苑路交叉口为基准交叉口，经计算得出小营西路与北苑路交叉口之间的初始相对相位差为32秒，小营路和小营西路交叉口之间的初始相对相位差为16秒。

在Transmodeler3.0仿真软件中，从初始相位差开始进行各交叉口协调控制方案的仿真。通过对协调控制方案的时间-距离图进行分析，不断调整相位差以获得较理想的绿波带宽。通过对比分析，最终确定初始相位差的协调控制效果较理想。通过初始相位差的协调控制方案得到的时间-距离图如图3所示，西向东方向的绿波带宽为44秒，东向西方向的绿波带宽为24秒，平均车速为36.1km/hr，通过该协调控制方案获得了较理想的绿波带宽和车辆通行速度。

6 仿真结果与分析

通过Transmodeler3.0交通仿真软件在小营路、小营西路和北苑路交叉口的路网仿真模型中对各交叉口的单点定时配时方案和协调控制方案进行了仿真，仿真3D视图如图4所示。

仿真结束后，对不同信号控制方案的仿真结果进行了对比分析，如表9所示。

从表9中可以看出，协调控制方案的各项交通性能指标均优于单点定时控制方案。相比单点定时控制方案，协调控制方案使交叉口平均延误降低了29.7%，平均车速提高了23.21%，平均控制延误降低了32.86%，平均停车时间减少了36.66%，交叉口的服务水平从D级提高到了C级，使交叉口的通行效率和交通控制水平得到很大改善。因此，综合考虑各项交通性能指标，本文所设计的多交叉口协调控制方案取得了较好的交通控制效果。

7 结束语

本文基于实际交通调查，建立了小营路、小营西路和北苑路交叉口及其周边的路网交通仿真模型，设计了各交叉口的单点定时控制方案和协调控制方案。通过Transmodeler仿真软件对不同信号控制方案进行仿真以及对仿真结果的对比分析，确定了协调控制方案具有更好的控制效果，该方案对于提高小营路、小营西路和北苑路交叉口及其周边的路网通行效率、缓解交通拥堵，将起到积极作用。

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