中小城市精细化信号控制研究

王娟 陈欢 刘伟

南京莱斯信息技术股份有限公司 江苏 南京 210000

引言

随着城市化进程的步伐不断加快，交通需求与交通供给之间的矛盾日益突出，不仅是大城市，中小城市的交通问题也日趋严峻，并成为困扰城市发展和制约城市经济建设的重要阻力。因此，针对中小城市的交通信号控制技术已逐渐成为控制领域和交通工程领域的研究热点和难点。

1 当前中小城市普遍存在的交通问题

1.1 出行规律方面[1]

1.1.1 市民的出行距离较短，耗时较少，多数在20分钟以内；早晚高峰拥堵持续时间相对较短，1小时左右，平峰较为畅通；工作日以通勤交通和通学交通为主，学校、医院周边易发生拥堵，节假日以休闲、购物、娱乐出行为主，商圈、景区周边易发生拥堵；

1.1.2 随着城市的发展，地理原因分隔了老城区与新城区，一个中心，多个组团形式造成了很多交通问题；交通组团之间的交通需求过大，存在组团跨越的刚性需求，各组团间的通道很少，所以新老成区交通压力较大，具有一定的潮汐现象，并且由于机动化不断提高，机动车保有量增加，新老城区节点服务水平E～F。

1.2 路网结构方面

毛细路网未打通，城市的很多问题都汇聚到主干道，造成了路网的大动脉，甚至次干道的不畅。

1.3 信号控制方面

1.3.1 信号控制以单点控制和预设为主，没有形成在线控制。信号机品牌杂乱，无法联网和统一管理，也无法满足针对复杂交通流的智能控制手段。

1.3.2 信号配时优化智能化水平不高。虽然路口信号配时方案人工设置精细化，但是对信号配时人员的专业依赖性大,且路口路况多变，导致工作效率不高。

1.3.3 部分路口信号配时设置不合理。信号控制路口虽然设置多时段放行方案，但是由于交通流复杂多变，导致信号配时方案与进口不同流向车流量实际运行情况不符，部分路口的车道数量变化较大时，有时交叉方向没车，也会使有车方向空等，浪费绿灯时间，造成无效等待。

1.3.4 主干道上下游未实现绿波协调或协调控制效果不理想。虽然部分城市主干道路已经实现绿波协调控制，但是由于车流量环境变化，没有周期性调整，车辆停车次数多，造成效果不理想。

2 以包头为例的中小城市精细化信号控制探索

2.1 背景概述

包头地处中国华北地区、蒙古高原南端、内蒙古中部、南濒黄河，阴山山脉横贯该市中部，位于环渤海经济圈和沿黄经济带的腹地，是连接华北和西北的重要枢纽，是内蒙古对外开放的重点发展地区。

由于机动车保有量大幅增加，城区内部功能区过于集中，道路通行能力有限，万达、正翔国际、包百商圈、娜琳商圈等人流集聚点段堵点逐年增多；钢铁、稀土等产业作为包头的龙头产业，早晚高峰潮汐现象明显[2]。由于道路资源有限，交通系统相对脆弱，承载能力有限，车流通行效率不高。上下班跨行交通需求和组团之间的交通出行需求旺盛，加上区内道路承载力的不足，致使区内道路交通时空资源调配不均衡、关键道路及关键节点拥堵已成常态。

2.2 总体解决方案

2.2.1 控制策略总体规划。本次规划交通信号控制系统的总体目标为：

高峰期通过在外围控制驶入需求、在内部梳理通行秩序，设立三层区域交通信号灯优化控制策略，缓解核心需求区域的拥堵程度，提高核心需求区域路段的可通过性，具体如下：

核心拥堵区：以团结大街、林荫路、友谊大街、福强路围成的繁华核心圈；西脑包大街、环城路、巴彦塔拉大街、工业路围成的繁华核心圈为界的第一区，高峰期时采用减少外层区驶入第一区、增加驶出第一区的配时方案。采用不对称放行策略。缓解核心道路需求量，减少车密度，提高核心区路段的通行能力。

二级缓行区：以三八路、黄河大街、满防线、青山路；西门大街、动门大街、阿尔善大街和巴彦塔拉大街为界的区域划定为二级缓行区域，作为进入主城区的缓冲区域，通过延长进入第一区信号时间，限制驶入，采用不对称放行和错时放行控制策略，降低核心路口的交通压力，将二级缓行区域维持在较稳定状态。

三级畅行区：以京藏高速、南绕城为界的区域划定为三级畅行区域，此区域主要承担泗阳城区过境车辆，同时也限制进入二级缓行区配比时间，重点提高过境车辆通行时间和效率，减少延误和排队次数，采用以干线协调为主的策略，保障区域内通行流畅。

2.3.2 基于区域干线路口的控制策略设计。

（1）区域拥堵控制策略。在交通吸引源型控制子区内，高峰期采用“缓进快出”原则，在驶入驶出关键路口，分别限制外围进入交通需求，优先分配驶出车辆的通行权，保持交通吸引源区域交通运转。平峰期提高过境通道的通行效率，降低旅行时间。

在相邻的控制子区之间，着重考虑邻接点周边上下游通行权的连续性，避免出现新溢出点以及拥堵转移问题。

控制子区内的路口关联性一般较强，并且交通特点十分相似性，控制策略需要协同考虑，特别是在交通拥堵的整治中，需要考量区域内各路口间的相互影响。

老城区需求控制。老城区周边学校、医院、商业等建设完善，道路本身通行能力有限，造成早晚高峰区内拥堵。本次将拥堵核心区域划为战略控制区，通过控制区域边界路口的绿信比时间，减少拥堵区域的车辆流入率，保持区域内一定的行车通畅度，缓解区域内的拥堵程度。

新城区分层协调控制。稀土新区内各路口时段、周期不统一，导致不同时段各路口通行能力不一致，全天路段排队情况多变，不利于掌控道路实际通行能力，影响管理者的管控策略。为此，将稀土新区左片区按照交通特性分别划分为S1、S2、S3，3个子区，右片区按照交通特性分别划分为S1、S2、S3、S4，4个子区，一方面可以利用控制子区的特点灵活地实行交通信号控制方案，满足不同区域范围对于交通信号控制的不同需求；另一方面可以以相对简单的方式实现整个区域路网的控制，大幅降低区域交通信号控制的复杂度，提高控制中心的运行效率。

拥堵商圈需求控制。以青年路、三八路、少先路、林荫路为界和以民族西路、少年路、呼得木林大街、文化路为届的区域为拥堵区，高峰期采用快出缓进的控制策略，调节外围信号路口，避免发生区域内拥堵，并在进出核心区域外围提示过境车辆提前绕行[3]。

区域内学校周边区域交通流具有明显规律性，以整体运行状态为基础，高峰期提示“前方学校路段，请绕行。”以此减少外围车辆进入控制区域的绿灯时间，有效调节区域内交通流量的动态平衡。通过控制区域边界路口的绿信比时间，减少拥堵区域的车辆流入率，保持区域内一定的行车通畅度，缓解区域内的拥堵程度。

针对社会车辆及公交车辆、救护车辆等特种车辆的单向交通的交通组织优化方案，实现区域内部微循环，优化交通管理秩序，减少交通冲突和延误，从而提高机动车通行效率，达到缓解拥堵的目的。

（2）干线协调整体控制策略。控制原理：在现有“绿波”控制的基础上，实时均衡主路口各方向的交通需求，动态调整“绿波”控制方案的公共周期时长和路口间相位差，并能够依据路口各流向车辆过车信息，研判路口排队情况，进一步调整各相位的相位时长。“动态绿波控制”能够显著的提高协调方向的车辆通行效率，合理的控制各路口非协调方向的相位时长，以缓解绿灯浪费和放行时间不足的现象。

表1 应用实例：友谊大街（阿尔丁大街～自由路）段

友谊大街是包头市东西向交通主干道，串联了生活区、学校、商业区、政府单位、公园、本次设计沿线共9个路口，上下游路口距离不远（1000m之内），路段均为双向八车道，路况良好，考虑到路段行人过街对全线的绿波控制产生影响，车辆通行效率较为缓慢，其中民族东路、富强南路关键路口较为拥堵，甚至溢出上游路口，本次建设采用动态绿波协调，实现实时“绿波”，减少车辆停车次数，提高通行效率。

（3）路口优化控制策略。动态自适应。控制原理：通过雷达检测器，在红灯末段、绿灯中段和绿灯末段分别采集渠化区域内车辆存在性数据、过车数据和排队长度分析计算流量、平均车速、车头时距、交通需求，综合分析得到车辆的到达/消散规律，排队的形成/消散规律，并根据路口各通行方向的实际交通需求，优化信号控制策略，实现交通信号智能化、精细化控制。

适用条件：相交道路等级相当，流量较大，存在“空等空放”现象的路口。

应用实例：以巴彦塔拉大街-南门外大街为例，东西方向车辆数较多，尤其东方向左转有溢出趋势，南北方向有一定的绿灯空放，路口通行效率较低。

预期效果：任意方向车辆无效等待时间不大于最小绿灯时间，放行方向有连续车辆通过时的等待时间不计算在内。信号灯配时可根据来车情况进行实时调整，极大提高了通行效率，降低车辆在路口等待时间。

溢出控制。控制原理：通过在路口布设的视频流量检测器，当路段排队达到一定位置时，立即切断上游路口驶入拥堵路段方向的绿灯，防止拥堵路段的排队溢出至上游路口，导致路口堵塞，进而引起大面积的连锁拥堵现象。

适用条件：适用于高峰期车辆排队较长且容易溢出至上游路口的路段。如钢铁大道-民族东路，由于两个路口距离较近，极易发生溢出问题。

应用实例：钢铁大道-民族东路-少先路间距约480米，周边为生活区，商业区与学校等，全天车流量较多，高峰时容易溢出，影响下一个路口的通行。

预期效果：在无须交警人工干预的情况下，路段不会出现排队溢出现象。

3 结束语

本文从中小城市交通现状问题入手，明确中小城市交通控制需求，不应过度的追求智能化控制，精细化的交通控制一定是根据不同路网特征而设定的。文章以包头为例，根据道路路网特征和交通需求特点在地理空间上构建针对性的管控策略部署，探索联网路口构建宏观、中观、微观3个层面针对性的精细化控制方式，旨在围绕城区调节进出流量，调控中心区交通饱和度；围绕城市的主通道，调节出入城区通道平均时速；围绕新区以及老城区交接点调节平均车速，保障区域内通行流畅。