交通信号控制最佳相位配时实用经验方法

陈丰，黄思恒，庄赟翀，王壮壮，蒋建明

（1.江西同联城市与交通规划设计研究院有限公司，南昌330000，中国；2.上饶市公安局交通警察支队，上饶334000，中国；3.上海交通大学，上海200240，中国）

随着国民经济的不断发展，机动车等各种交通出行工具的保有量也随之迅猛增长，交通拥堵已俨然成为了影响社会经济发展的问题之一。交通信号控制作为交通组织管理的最后一道防线，对缓解城市道路交通拥堵、保持良好交通秩序起到至关重要的作用。

在高峰时期，很多城市的主干道路往往处于超饱和运行状态。当前的智能交通信号控制系统很难满足短时交通需求的动态性和复杂性。因此，为了提高交叉口运行效率，现绝大多数情况是由执勤民警手动控制信号灯放行。然而，受调节者主观因素的影响，控制周期很难被有效锁定。这容易导致主相位时长超过200秒、信号控制周期时长接近500秒的现象。过长的信号周期会极大地增加交叉口的总体延误、排队长度和停车次数，降低通行效率。此外，城市交叉口并非孤立存在，彼此之间可以通过协调作用缓解拥堵，拥堵同样可以在节点之间相互传递。当一个关键节点发生严重阻塞时，周边与之关联的道路交叉口也会受其影响，出现排队溢出现象，严重时可引发大面积交通瘫痪。

为了缓解手动控制周期时长超长所导致的拥堵问题，本文首先介绍了城市道路信号控制交叉口在饱和交通条件下的交通分布场景，然后分析研究了信控交叉口在饱和交通条件下不同场景的基本运行特征，得到了估算最佳周期的计算方法，为现场执勤民警手动信号控制时提供参考依据，也可为非手动信控交叉口精细化配时提供基础信控方案。

1 城市道路信号控制交叉口在饱和交通条件下的交通分布场景

城市道路可以分为道路路段和交叉口两部分，道路路段又可分为中、上游段主路段和下游渠化导向分道段，下游渠化导向分道段的长度一般为50米至100米，并且渠化导向分道段通常会有一定量的车道数拓展，如中、上游路段为单向两车道或三车道，下游渠化导向分道段展宽为三车道至六车道。由于渠化导向分道段的长度有限，在饱和交通条件下，等待排队的车辆往往会超出渠化导向分道段，因此某个信号控制道路交叉口主相位的配时时长不仅要将绿初信号时，将已在渠化导向分道段的全部车辆放空，同时还要适当延长该相位绿灯时长，将后续的跟进车辆也要放行一部分，这便形成了该相位的完整绿灯信号时长。在整个绿灯信号时长期间，会存在先后不同交通流率的两股交通流依次通过道路交叉口停止线的场景，即前一股以饱和流率通过停止线，后一股以非饱和流率通过停止线的场景。

2 饱和交通条件下车辆通过道路交叉口时的基本运行特征分析

2.1 理想化的饱和流率车辆通过交叉口时的基本运行特征

图1 为理想化的饱和流率车辆通过交叉口时的基本运行特征图，在很多教科书及相关资料中都可以找对该图相关描述。

图1 理想化的饱和流率车辆通过交叉口时的基本运行特征

若要出现类似图1所呈现的车辆通过交叉口时的基本运行特征，会有两种场景：

场景一：道路路段至下游邻近道路交叉口的末段有车道拓展，如主路段为三车道，下游末段渠化导向分道拓展为四车道或五车道，则必须同时满足以下两个条件：

条件1：该相位有足够大的交通需求，即驶向前方道路交叉口的排队车辆所对应的相位绿灯信号初始前，超出了渠化导向分道区域。

条件2：该相位对应的绿灯信号配时时长最多仅能满足在渠化导向分道区域内的排队车辆通过对应的前方道路交叉口停止线。

场景二：整个道路路段至下游邻近道路交叉口末段没有拓展，路段末段渠化导向分道无实质性变化，如整个路段为三车道，路段末段渠化导向分道还是三车道，该相位的交通需求始终大于对应相位绿灯信号配时时长内可通过的交通流量。场景二可归类为问题缺陷道路交叉口，本文不对其表述。

图1在整个绿灯时段只被分成了A、B两段，A段为绿初时刻排队头车启动至后续车辆能以正常车速通过道路交叉口停止线时刻所需要的时长，B段为有效绿灯信号时间（时长），整个有效绿灯信号时长内，车辆均是以饱和流率通过道路交叉口停止线。

图1中E段为绿灯结束迟滞时间，结束迟滞时间跟很多因素有关，如通过道路交叉口的车速、车型、道路交叉口的路况条件、几何形状等，以及信号灯（色）序，对结束迟滞时间都有非常大的影响。结合个人经验，在此主要阐述信号灯灯序对结束迟滞时间的影响，在我国最常见使用的信号灯序有两种，分别是“红→绿→黄→红”灯序和“红→绿→绿闪（3秒）→黄→红”灯序。在没有信号倒计时器的道路交叉口使用“红→绿→黄→红”灯序，会出现较为明显的结束迟滞现象，原因是当某一个相位结束时，该相位最后一辆通过道路交叉口停止线的车辆，有很大的概率是在绿灯信号结束后且已进入黄灯时段通过停止线的，即所谓的闯黄灯现象，结束迟滞时长约1～3秒，这种现象是随机不可确定的。本地感应信号控制路口通常只使用“红→绿→黄→红”灯序（本地感应信号控制完全排斥信号倒计时器），符合本地感应控制技术要求的路口，结束迟滞时长一般不会超过1秒。使用“红→绿→绿闪→黄→红”灯序的信号控制交叉口总绿灯信号时长=绿信号+绿闪信号，绿闪信号表示绿灯信号即将结束，等同于进入黄灯信号前的警示信号，由于警示信号的存在，极大程度的降低了闯黄灯现象，因此结束迟滞只会占用黄灯信号的很少时间（通常小于1秒）。有信号倒计时器且使用“红→绿→黄→红”灯序的道路交叉口，与无信号倒计时器使用“红→绿→绿闪→黄→红”灯序的道路交叉口情况基本相同。对于结束迟滞时间如何取值，可根据以上描述的场景，结合现场调研情况确定。

2.2 趋近真实场景下的流率变化及车辆通过交叉口时的基本运行特征

饱和交通或超饱和交通情况下的现实场景，则会呈现出如图2的流率变化及车辆通过道路交叉口停止线时的基本运行特征。

图2趋近真实场景下所呈现的流率变化及车辆通过交叉口时的基本运行特征

图2 在整个绿灯时段被分成A、B两段的基础上，又将B段分成了C段和D段，C段是绿初信号时，排队在道路路段下游渠化导向分道拓展段的车辆，获得绿灯信号后呈现的基本运行特征，此时段车辆基本是以饱和流率通过道路交叉口停止线，而且在饱和交通条件下，每个信号周期C段的用时时长主要取决于渠化导向分道拓展段的车道长度内的空间车容量，正常情况下，每个信号控制周期中，同一相位C段的用时时长基本上不会有明显的变化，D段则是在道路中段，即将进入渠化导向分道拓展段的排队车辆或后续跟进车辆的基本运行特征，车辆是以非饱和流率通过交叉口停止线。在不考虑启动延时和绿灯间隔损失时，如果C段时长与D段时长相等，那么C段明显要比D段能通过停止线的车辆要多，也就是C段比D段更高效。

图3 是与图2对应的车辆分布示意图，即已在渠化导向分道区域等待绿灯信号欲通过路口B的排队车辆以及后续即将进入渠化导向分道区域的排队或跟进车辆，将图2的车辆运行与图3的车辆分布进行对应，先计算出Ta+Tc的时间，通常情况下Ta经验值取4到5秒，特殊情况时Ta值会有所增大，应根据现场调研情况酌情取值。

图3 示意路口B西向东直行相位信号即将转为绿灯信号时的车辆运动分布及排队情况

3 最佳相位配时时长估算

Tp：相位时间

Tg：实际绿灯信号时间

Tig：绿灯间隔时间（黄灯加全红）

Ta：启动损失时间

Tb：有效绿灯时间

Tc：渠化导向分道区域排队车辆全部以正常车速通过路口B停止线所需要的时间（未计算启动延误时间）

Td：即将进入渠化导向分道区域的队头车辆及后续跟进的尾部车辆全部车通过路口B停止线所需的时间

Te：结束迟滞（根据具体情况取值或忽略）

L：为渠化导向分道段实际直行或左转车道数或等价车道数

Cv：C段（高饱和段）绿信时长内通过车辆数

Dv：D段（低饱和段）绿信时长内通过车辆数

绿灯间隔损失时间和启动损失时间都应算在C段（高饱和段）中，即上一相位绿灯结束开始，且当前相位绿初时刻已进入渠化导向分道区域队尾车辆放完为止，不论D段（低饱和段）是否存在，C段都将存在，可以把C段看作是一个完整相位的最小时段，D段看作是一个完整相位的扩展时段。

按照这个原则，若将完成C段车辆全部放行所用时长定义为Tph

饱和段和非饱和段流率均可通过现场调研采集，若未经现场调研采集，可先参照国家标准《城市道路交叉口规划规范》（GB 50647-2011）给出的每车道每小时可连续通过的小汽车当量数，直行车辆1650pcu/h，左转车辆1550pcu/h计算，道路条件差及干扰因素多时应酌情折减。现以图3直行车辆为例：

则：Tph = Tig + Ta + Tc = Tig + Ta +（Cv/L）×（3600/1650）计算结果向上取整数值（单位：秒）

在D段（低饱和段）放行结束时，存在一个结束迟滞时间，若将完成D段车辆放行所用时长定义为Tpl

D段车辆进入渠化导向分道区域后的平均流率按路段车道数×车流向比例/渠化导向分道段该相位车道数计算，

假设D段后续跟进车辆平均流率为饱和流率的75%，则：

Tpl = Dv/L×3600/(1650 × 0.75）- Te

Tp = Tph + Tpl

Tg = Tp - Tig

以上的计算结果符合下式条件时，则最接近最佳相位周期时长：

当Tph/Cv =Tpl/Dv时，即为该相位的最佳极限绿灯时长，用上述方法先计算出每个单独相位的最佳配时时长，然后根据不同相位的最大时长进行组合搭接后，再计算出最大周期极限时长，原则上，对于独立道路交叉口Tph/Cv 与 Tpl/Dv的偏差值不应超过10%，特殊场景时Tph/Cv 与 Tpl/Dv的偏差值不应超过25%。

如果针对某个区域或干道做协调控制配时设计时，则该区域的统一周期时长应优先满足饱和度最大的道路交叉口，并以该道路交叉口的周期时长，做为整个区域或干道统一的周期时长。

图4 为最佳周期（相位）时长与延误损失的关系曲线变化图，无论是高峰饱和交通条件，还是非饱和交通条件，信号控制周期均由多个放行相位组合连接后组成，周期时长是由相位配时时长决定的。通过图4最佳周期（相位）时长与延误损失的关系曲线变化特征，可以非常明确得出“并非周期（相位）时长越大越好”的结论。只有当每个放行相位时长都接近最佳相位时长时，才能使得交通通行能力越接近最大化，尽可能使每个放行相位根据不同的交通需求情况，预先估算出每个相位的最佳配时时长，以获得事半功倍的结果。

图4 最佳周期（相位）时长与延误损失的关系

4 实例

图5 为上饶市某道路交叉口，由于该道路交叉口四个方向车流分布不均匀，因此采用了单口轮流方形模式，原始高峰时段配时周期为120秒，绿灯间隔时间为3秒黄灯加0秒全红，图5中右侧车流相位时长为60秒，右侧路段为双向两车道桥面，下桥后渠化分道拓展为二进口车道和二出口车道，渠化分道拓展长度约50米左右，高峰时段拥堵情况很严重，图中场景为右侧进口相位绿初车辆排队分布情况，进入右侧渠化分道拓展段的排队车辆为平均每车道8辆小车当量数，两车道合计为16辆小车当量数，获得绿灯信号后用时25秒（Ta + Tc），进入右侧渠化分道拓展段的排队车辆通过停车线，后续32秒平均通过停车线小车当量数为12辆，根据上述车流统计情况，可得出：

图5 上饶市某道路交叉口高峰时段航拍场景

C段（高饱和段）数据：

Tph = Tig + Ta +（Cv/L）×（3600/1650）= 3 + 5 +（16/2）＊（3600/1650）= 25.45（s），向上取整Tph = 26s，

实际观测平均值：Tph = Tig +25 = 3+25 =28s。

D段（低饱和段）数据：

Tpl = Dv/L×3600/(1650 ＊ 0.4) - Te =12/2 x 3600/(1650 x 0.4) - 1 =31.73（s）

向上取整Tpl = 32s，

实际观测平均值：Tpl= 32s。

当一车道的跟进车辆进入两车道时，D段的理想平均流率应接近C段饱和流率的50%，但实际计算结果只有40%。

Tph/Cv = 28/16 = 1.75

Tpl/Dv = 32/12 = 2.64

实际计算结果Tph/Cv值远远小于Tpl/Dv，

所有计算结果均表明该相位D段浪费极为严重，

若要满足Tph/Cv ≈ Tpl/Dv的条件，需修正Tpl和Dv，修正结果如下：

Tpl = Dv/L×3600/(16500.5) - Te =2/2 x 3600/(1650 x 0.5) - 1= 3.36

向上取整Tpl = 4s，

Tph/Cv = 28/16 = 1.75

Tpl/Dv = 4/2 =2

Tp = Tph + Tpl = 28 + 4 = 32s。

根据以上计算结果，建议该路口配时周期限制在84秒以内，图中右侧相位时长不超过32秒，其他相位同时做了相应的调整后，信号控制效果得到改善。

5 总结

通过对重点道路交叉口高峰时段最佳相位（周期）时长的估算，据此预先编制成对应道路交叉口最佳配时参考数据资料，非手动信号控制道路交叉在此基础上在进行精细化调试，对于现场执勤民警经常会手动控制的道路交叉口，交给相关的道路交叉口现场执勤民警，在确实需要进行手动信号控制时，以预先编制好的最佳配时做参考，避免无节制加长相位（周期）配时，避免出现疏点堵面的情况，确保高峰时段区域交通需求的整体均衡分布。