城市道路干线协调控制信号配时优化研究——以兰州市交叉口为例

马淑梅 康清鹏 马忠学

兰州有色冶金设计研究院有限公司 甘肃 兰州 730000

1.1 叉口现状及评价

受“河谷型”地形的限制，兰州市城关区人口过度集聚，随着城镇化进程的快速推进，小汽车出行比例较高，城市交通设施承载的交通流迅速增加，难以满足增长的出行需求，道路建设在创造规模效益的同时，已凸显边际效益递减的趋势，城市交通陷入交通拥堵、出行体验差的困境[1]。在资源环境约束和高质量发展的背景下，不应再过分追求设施规模，而需要更加重视空间优化、组织管理乃至系统优化以寻求设施的最大化利用，提高城市交通系统可持续发展的能力。

本文选取兰州市城关区典型道路作为研究对象，先利用交叉口可靠度模[2]型对单点交叉口进行研究，分析现状交叉口存在的问题并提出优化方案，然后采用干线协调控制[3]交叉口进行信号配时优化，最后通过VISSIM软件仿真检验方案的合理性、可行性。

1 现状分析

研究路段平凉路（东岗西路—火车站）是南北向的一条交通性主干道，双向4车道，路段长1.8km，由南向北依次与火车站西路、和政路、民主东路、麦积山路、甘南路、东岗西路-庆阳路相交，交叉口均为平面交叉，交叉口平均间距300m。路段沿线地块开发成熟，商业、办公用地集中，道路沿线分布有汽车站、火车站、广场商圈、多所中小学校，地铁2号线沿该路段南北向布置，路段人流密集、交通量较大，高峰时段经常发生交通拥堵[4]。

图1 研究路段及交叉口平面图

1.1.1 交叉口交通量

路段各交叉口交通流量（早高峰7：00-9：00，晚高峰18：00-19：30）如下表1。

表1 兰州市城关区平凉路段早高峰交叉口的交通流量

1.1.2 交叉口信号现状配时方案

图2 平凉路—东岗西路交叉口现状信号配时方案

利用VISSIM软件仿真现状交通运行状况，早晚高峰交通流量变化不大，但各交叉口普遍存在南北方向通行能力较低，除民主东路、和政路交叉口外，其余四个交叉口进口道服务水平均介于E-F之间，较为拥堵，因此，需对各交叉口南北方向的信号配时方案进一步优化以提高服务水平和通行效率。各交叉口评价指标及计算结果见表2。

表2 平凉路各交叉口可靠度及交叉口延误、服务水平

2 交叉口信号配时方案优化

2.1 单点优化

本文采用粒子群算法[7]求得交叉口信号周期时长和相位绿灯时间，因研究路段早、晚高峰交通量变化较小，优化后的信号配时方案可同时用于早、晚高峰。

2.1.1 平凉路-东岗西路交叉口

图3 优化后早高峰、晚高峰信号配时方案

① 该交叉口位于广场商圈，人流量、车流量均较大，冲突点多，信号周期延用现状周期时长150s。

② 相序：南、北进口相位设置为搭接相位，优先放行交通量较大的南进口直行车道、左转车道，30s后南进口左转车道停止同时放行北进口直行车道；最后放行北进口左转车道，在时空上分离直行与左转车流，从而消除直行与左转冲突点，虽减少了南、北进口直行车道的绿灯相位时长，但避免了因冲突造成车辆滞留交叉口内。

2.1.2 平凉路-甘南路交叉口

图4 优化后早高峰、晚高峰信号配时方案

① 该交叉口西北角有初中、小学，早、晚接送学生的车流量较大，交叉口内非机动车、行人与机动车的冲突点多，车辆通行效率低，故将信号周期从100s增加至110s，适当增加车辆通行的绿灯时间。

② 相序：优先放行交通量较大的北进口直行车道、左转车道，17s后放行南进口直行车道，减少对向车辆冲突。

③ 在交叉口设置“潮汐车道”，北进口左转车辆借助潮汐车道通行。

④ 优先放行单侧行人，避免左转车辆与行人冲突，保障行人过街安全。

2.1.3 平凉路-麦积山路交叉口

图5 优化后早高峰、晚高峰信号配时方案

该交叉口信控优化采用上一交叉口策略，以减少左转车辆与直行车辆、左转车辆与行人的冲突。

2.1.4 平凉路-民主东路交叉口

通过优化模型计算，该交叉口整体服务水平为C，满足现状交通需求，不进行优化。

2.1.5 平凉路-和政路交叉口

图6 优化后早高峰、晚高峰信号配时方案

① 经评价，现状信号配时方案能满足交通需求。因该交叉口周围有多所中小学校及地铁二号线站点，人流量、非机动车流量均较大，故信号周期从75s调整为110s。

② 相序：先放行西进口左转和直行，再放行南、北进口直行；因麦积山路和甘南路均为单行道，部分车辆在该交叉口掉头和左转，故设置南、北进口道左转相位，减少直行与左转冲突。

2.1.6 平凉路-火车站西路交叉口

图7 优化后早高峰、晚高峰信号配时方案

① 该交叉口的信号周期由75s增加至90s。

② 相序：优先放行各进口道左转，以减少直行和左转冲突。

③ 调整行人过街信号时长，减少左转车辆与行人冲突，但火车站人流量较大，建议相关部门配合其他工程措施，如设置立体行过街设施，在时空上分离行人和车辆，确保交叉口秩序。

3 干线协调控制优化

图8 研究路段交叉口示意图

根据改进的MAXBAND绿波带控制模型对六个交叉口进行干线协调控制。结合单点信号控制优化得到各交叉口的周期时长为：

在多个交叉口信号协调控制中，确定公共周期不仅取决于单点信号配时结果，还需要考虑交叉口间距。在信号控制系统中，为使各交叉口的交通信号能取得协调[8]，各个交叉口的周期时长必须保持一致。为此，需按单点定时信号方法确定交叉口信号配时方案，根据系统各交叉口的布局及交通量，计算各个交叉口交通信号所需的周期时长，从中选出最大的周期时长作为干线系统的周期时长。在近代的控制系统中[9]，对交通量较小的交叉口可将信号周期时长定成系统周期时长的一半。因此公共周期需要经过不断试算求得。根据单点交叉口优化方案，确定干线系统的周期时长为：，对六个交叉口重新配时。计算结果如表3所示[10]。

表3 基于交叉口可靠度的MAXBAND绿波带控制模型干线信号配时方案

通过VISSIM仿真，得到优化后研究路段评价指标，与现状评价指标对比如下：

图9 平凉路-东岗西路交叉口优化前后排队长度对比图

图10 平凉路-东岗西路交叉口优化前后车辆平均延误对比图

图11 平凉路-甘南路交叉口优化前后排队长度对比图

图12 平凉路-甘南路交叉口优化前后车辆平均延误对比图

由上图可知，优化后各进口道车辆排队长度、平均延误明显降低，车辆停车次数减少，车道占有率低，且车流相对匀速，减少了车辆的油耗损失，提高了通行能力，减少了因排队或相位时间不当造成的车辆停车次数、延误等。

4 仿真评价

以交通量为基础，本文采用VISSIM交通软件[11]对干线信号协调配时方案将进行仿真，基于可靠度的单点信号配时方案和干线协调配时方案与现状方案综合对比分析，结果如下表所示。

表4 各方案优化前后评价指标综合对比

上表对比结果表明：单点交叉口的优化方案和干线协调控制方案在平均延误、平均停车次数和排队长度上均优于现状方案。其中，干线协调优化方案相比现状方案，车辆平均延误时间降低了47.70%，平均停车次数降低了23.03%，排队长度降低了50.88%。

5 结束语

城市交通具有随机性和系统复杂性，本文在以下方面有待改进。

（1）路网可靠度研究的关键是基于车辆到达的不确实性，因未考虑行人和非机动车的影响，存在模型中车辆到达交叉口的方差设定偏小的可能。另外延误方差是通过假设给定某一延误分布的基础上获得的，没有具体分析延误与信号控制之间的关系。

（2）在单点交叉口算例中，仅考虑车辆到达服从正态分布的情况，未考虑其他分布情况下的信号控制方案。在干线协调控制算例中，当交叉口较多时，模型的适用性、可靠性有待进一步探究。

（3）模型方面，均采用单目标优化，没有考虑多目标同时优化，且现有的研究多停留于宏观框架和概念，实践应用成果较少，有待根据应用情况反馈进一步改进。