信號(hào)控制在道路交通組織中的作用與分析

黃鎮(zhèn)海， 劉廣萍

(1.昆山市公安局同心派出所，江蘇昆山 215300;2.中國人民公安大學(xué)，北京 100038)

0 引言

城市道路交叉口處的信號(hào)燈保障了車輛有序、安全、快速的通過路口。交通信號(hào)的作用是從時(shí)間上將相互沖突的交通流予以分離，使其在不同的時(shí)間通過。道路交通組織是在有限的道路空間上，科學(xué)合理地分時(shí)、分路、分車種、分流向使用道路，使路網(wǎng)交通壓力均分，實(shí)現(xiàn)道路交通的有序、高效運(yùn)行。交通信號(hào)控制是時(shí)間分離的一種交通組織形式。對(duì)交通信號(hào)控制作用的認(rèn)識(shí)，以往主要集中在信號(hào)控制參數(shù)對(duì)通行能力的影響上，而對(duì)其在交通組織中的作用未引起足夠的重視。這極大影響了交通信號(hào)控制功能的發(fā)揮，尤其在目前城市交通形勢(shì)日益嚴(yán)峻的情況下。鑒于交通信號(hào)在城市道路交通管理中的重要性，本文將就其在交通組織中的作用進(jìn)行分析，闡述其作用環(huán)境、作用原理，并進(jìn)行案例分析。

1 不同交通狀況對(duì)信號(hào)控制功能的需求分析

交通系統(tǒng)是一個(gè)開放復(fù)雜的系統(tǒng)。它的四大要素人、車、路、環(huán)境，決定了城市交通狀況時(shí)刻處于變化之中：飽和與非飽和;暢通與擁堵。不同狀況下要處理的主要矛盾不同，對(duì)信號(hào)控制的要求也不同。

1.1 飽和交通流與非飽和交通流

如何區(qū)分城市道路上的飽和交通流與非飽和交通流?筆者從車頭間距的角度給出界定：若車頭間距不存在可穿插間隙就屬于飽和交通流;若存在可穿插間隙就屬于非飽和交通流。若一條道路上的交通流屬于飽和交通流，那么該道路交通就處于擁擠狀態(tài)。擁擠狀態(tài)下，若車輛走走停停，那么該道路交通就處于擁堵狀態(tài)。

非飽和交通流為自由流，車與車之間存在可穿插間隙，主要表現(xiàn)為交叉、交織等沖突形式。飽和流的車頭間距不存在可穿插間隙，是一種連續(xù)的交通流。因此，在不同流向的交通流產(chǎn)生沖突時(shí)，實(shí)質(zhì)上是阻斷了一個(gè)流向。

1.2 非飽和交通對(duì)信號(hào)控制功能的需求

道路交通非飽和時(shí)的擁堵是流量集中造成的，矛盾主要集中在路口。交通非飽和時(shí)，信號(hào)控制要解決的問題是減少車輛在路口的等候時(shí)間，提高車輛通過路口的效率。解決非飽和交通擁堵，需要信號(hào)控制具有自適應(yīng)能力，即信號(hào)控制參數(shù)能自動(dòng)適應(yīng)變化的交通狀況：流量大的方向綠燈時(shí)間長，流量小的方向綠燈時(shí)間短，來盡快消除路口的擁堵。

1.3 飽和交通對(duì)信號(hào)控制功能的需求

道路交通飽和時(shí)的擁堵是流量積累快消散慢造成的。交通飽和時(shí)，信號(hào)控制的目的則是要疏導(dǎo)交通，避免路口擁堵。交通流飽和時(shí)，信號(hào)控制失去了自適應(yīng)的能力。解決飽和條件下的交通擁堵，需要信號(hào)控制具有流量調(diào)控能力，即自組織的能力，來緩解擁堵。因此，信號(hào)控制流量調(diào)控能力的作用環(huán)境將是飽和交通狀況。信號(hào)控制在交通組織的作用也主要體現(xiàn)在流量組織上。

2 信號(hào)控制參數(shù)對(duì)交通流量調(diào)控作用分析

交通組織的基本原則是“均分”原則。若將城市道路看作成網(wǎng)絡(luò)，那么路口就是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，其相應(yīng)的信號(hào)燈也是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。交通組織的均分原則要求不僅做到路網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)交通壓力的均分，而且要力爭做到路口各流向上交通壓力的均分。在此，文章將分析利用信號(hào)控制來實(shí)現(xiàn)流量“均分”的基本原理，闡述信號(hào)控制在交通組織中的流量調(diào)控作用。

2.1 信號(hào)控制參數(shù)對(duì)路網(wǎng)流量調(diào)控作用的理解

道路上相鄰的兩個(gè)信號(hào)控制路口，在同一流向上，若上游路口的綠燈時(shí)間短，則到達(dá)下游路口的車輛就少，相應(yīng)的下游該流向的交通壓力就小;反之，到達(dá)下游路口的車輛多，相應(yīng)的交通壓力大。信號(hào)燈相當(dāng)于“水龍頭”，注入流量和排出流量完全可以調(diào)控。綠燈為開，紅燈為關(guān)，放過多少流量取決于綠燈時(shí)間的長短。因此，可以通過改變信號(hào)控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)流量的控制，實(shí)現(xiàn)交通壓力的轉(zhuǎn)移。路網(wǎng)上的信號(hào)燈越多，這種流量調(diào)控能力就越強(qiáng)。如果路網(wǎng)上沒有信號(hào)燈，或者全是立交橋，則路網(wǎng)就失去這種流量調(diào)控能力。

2.2 信號(hào)控制參數(shù)對(duì)交通流量的調(diào)控作用

信號(hào)控制參數(shù)有信號(hào)周期、綠信比及相位差等，交通流量的變化與其有著密切關(guān)系。

路口通過能力與信號(hào)周期有關(guān)。信號(hào)周期越長，單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)換相的次數(shù)就越少，換相時(shí)產(chǎn)生的綠燈損失時(shí)間也就越少，路口通行能力相對(duì)較高。如果調(diào)整節(jié)點(diǎn)信號(hào)周期，實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)該節(jié)點(diǎn)及下游相鄰節(jié)點(diǎn)的交通壓力。延長信號(hào)周期時(shí)間，該節(jié)點(diǎn)壓力減輕，下游節(jié)點(diǎn)壓力加大?？s短信號(hào)周期時(shí)間，該節(jié)點(diǎn)壓力加大，下游節(jié)點(diǎn)壓力減輕。

路口通過的流量與綠信比有關(guān)，綠信比越大，在一個(gè)周期內(nèi)所占的綠燈時(shí)間就越長，而其他流向上所占的綠燈時(shí)間就相對(duì)較短，該流向通過的車輛較多，而其他流向通過的車輛相對(duì)較少。綠信比增加的流向壓力減輕導(dǎo)致下游路口壓力加大，綠信比減少的流向壓力加大導(dǎo)致下游路口壓力減輕。綠信比的調(diào)整實(shí)質(zhì)上是在調(diào)節(jié)路口不同流向的交通壓力。

對(duì)于一條雙方向綠波的線控信號(hào)協(xié)調(diào)道路，如果不調(diào)整各路口信號(hào)周期與綠信比，僅調(diào)整各路口之間的相位差，表面上是調(diào)節(jié)雙方向的信號(hào)綠波帶寬，實(shí)質(zhì)上是在調(diào)節(jié)雙方向的交通流量。綠波帶加寬的流向通過流量增加導(dǎo)致下游壓力加大，信號(hào)綠波帶縮窄的流向通過流量減少導(dǎo)致下游壓力減輕。

因此，信號(hào)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上是節(jié)點(diǎn)壓力與流向壓力的調(diào)節(jié)?？梢岳眠@些關(guān)系，對(duì)路網(wǎng)中產(chǎn)生擁堵的節(jié)點(diǎn)和流向進(jìn)行信號(hào)參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而對(duì)路網(wǎng)流量進(jìn)行調(diào)控作用，消散積累流量，以達(dá)到路網(wǎng)交通壓力均衡，緩解交通擁堵。

2.3 信號(hào)控制的流量調(diào)控手段

信號(hào)控制的流量調(diào)控作用的實(shí)現(xiàn)，不能僅靠調(diào)整某一路口信號(hào)控制參數(shù)，否則不但不能有效解決交通問題，還有可能會(huì)造成下游或其他流向負(fù)擔(dān)加重而導(dǎo)致?lián)矶虑闆r惡化，因此需要把路網(wǎng)上的信號(hào)燈并入信號(hào)控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行、統(tǒng)一調(diào)度。聯(lián)網(wǎng)的信號(hào)燈應(yīng)能根據(jù)情況需要，進(jìn)行組合，并可以按照調(diào)度人員要求對(duì)路網(wǎng)中某一節(jié)點(diǎn)、某條道路進(jìn)行減壓卸載、截流分流控制，來達(dá)到交通組織壓力均分的目的。實(shí)現(xiàn)調(diào)控的手段主要有本地卸載和上游截流。

本地卸載：本地卸載的具體方式，是在信號(hào)周期不變的前提下，調(diào)整綠信比，可以調(diào)整擁堵流向，減輕流向壓力。當(dāng)路口某個(gè)信號(hào)相位產(chǎn)生擁堵，可以適當(dāng)延長此相位的綠燈時(shí)間以增大該路口通行能力，即可將路口積累的流量消散掉?？捎行p輕當(dāng)前路口壓力，但缺點(diǎn)在于分散流量后加大了下游路口的壓力，也有可能造成路口其他流向上的流量積累，若不及時(shí)采取措施，便會(huì)令擁堵擴(kuò)散，嚴(yán)重的話會(huì)造成大面積交通癱瘓。對(duì)此，為防止下游路口流量積累過多而產(chǎn)生擁堵，可以擁堵路口為起點(diǎn)，從擁堵流向向下游方向設(shè)置單方向綠波帶，使壓力迅速轉(zhuǎn)移出市區(qū)后逐步消散，最終完成本地流量卸載。

上游截流：上游截流是基于壓力均分的基本原理，來減輕上游對(duì)堵點(diǎn)的交通壓力。與其在堵點(diǎn)上等五次信號(hào)燈通過，不如在上游五個(gè)路口各等一次燈通過。上游截流表面上增加停車次數(shù)，實(shí)質(zhì)上并不增加交通延誤。我們知道，信號(hào)綠波的作用是減少路網(wǎng)停車次數(shù)，加大下游路口流量積累速度。而下游路口流量積累快消散慢正是產(chǎn)生擁堵的真正原因。按照逆向思維的方法，綠波有加速下游積累的作用。如果堵點(diǎn)卸載不能奏效，則以堵點(diǎn)為終點(diǎn)，從上游向堵點(diǎn)設(shè)置一條信號(hào)紅波帶，則可以把大部分向下游堵點(diǎn)的流量均分地截流在上游各個(gè)路口，有效地減輕堵點(diǎn)壓力。

3 案例分析

2008年8月8日至24日，第29屆夏季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)在北京舉行。

面對(duì)奧運(yùn)期間復(fù)雜的交通形勢(shì)，北京交管部門積極應(yīng)對(duì)，充分發(fā)揮信號(hào)控制系統(tǒng)的作用，采取了一系列措施來管理交通。如高峰時(shí)采用上游截流控制通行量、平峰時(shí)信號(hào)協(xié)調(diào)控制、低峰時(shí)信號(hào)感應(yīng)控制等措施。特別是高峰時(shí)采用的措施，有力說明了信號(hào)控制對(duì)交通流量的調(diào)控作用。

在高峰時(shí)期，為了保證環(huán)路及高速路主路暢通，奧運(yùn)期間交管部門在二、三、四環(huán)路、八達(dá)嶺高速路、機(jī)場(chǎng)高速等高速路入口處設(shè)置信號(hào)燈及LED顯示屏幕，采取上游截流措施，限制路網(wǎng)最大通行量。以阜成門橋由南向北入口處為例，入口處立有一根燈桿，上面安裝了一個(gè)29寸電視般大小的LED顯示屏幕，寫有中英文對(duì)照“入口開放”字樣，屏幕上方是信號(hào)燈，顯示綠色、紅色箭頭。當(dāng)流量檢測(cè)系統(tǒng)認(rèn)為環(huán)路、高速路內(nèi)的交通流量正常時(shí)，信號(hào)燈則顯示綠燈，顯示屏則顯示“入口開放”。在快速路主路流量達(dá)到擁堵警示標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通過信號(hào)燈控制進(jìn)出主路車流，誘導(dǎo)駕駛?cè)藦妮o路通行。如果環(huán)路、高速路內(nèi)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的堵車，或當(dāng)快速路主路出口由于擁堵造成車流不暢時(shí)，信號(hào)燈顯示紅燈，顯示屏則顯示“入口關(guān)閉”，以阻止輔路車進(jìn)入，緩解主路壓力。出口信號(hào)燈控制出口上游輔路車流量，為主路出口提供更為順暢的通行條件，保證主動(dòng)脈的暢通;并通過可變信息板及時(shí)提示駕駛?cè)诉x擇路線，注意進(jìn)出口車輛，有效預(yù)防出入口交通事故。

在實(shí)行單雙號(hào)限行組織后，市區(qū)內(nèi)各環(huán)路的交通流量依然較大。“從源頭上減少交通擁堵”，環(huán)路信號(hào)燈控制措施能有效地協(xié)助上文提到的流量組織措施進(jìn)行流量控制，通過上游截流手段，減少外環(huán)帶來的交通壓力。并通過信號(hào)燈控制，將環(huán)路流量轉(zhuǎn)移至其他道路上，大大地提高了主路的放行效率，削減集散流量以減輕市區(qū)交通壓力。

實(shí)施以上控制措施以來，北京道路交通狀況有明顯的改善。從某種程度上說，奧運(yùn)信號(hào)控制措施的實(shí)施，有效緩解了道路交通壓力，保證了奧運(yùn)期間道路交通的順暢運(yùn)行，為奧運(yùn)的成功舉辦提供了有效保證。根據(jù)北京市交管局統(tǒng)計(jì)，市區(qū)的主要道路車流量明顯下降，比之前下降了21%，車速比限行前大約提高27%。高峰時(shí)段單車道機(jī)動(dòng)車流量均大幅降低，其中快速路降低了18.84%，主干道降低了22.13%，次干道下降幅度最大，達(dá)到38.5%，支路也下降了24.63%，這說明交通控制對(duì)道路機(jī)動(dòng)車交通流量的降低起到了決定性的作用。

信號(hào)控制措施在奧運(yùn)會(huì)交通流組織中功不可沒。在交通負(fù)荷過大，路網(wǎng)交通流量過飽和的情況下，采取其他組織措施難以有效地解決擁堵，上游截流措施限制路網(wǎng)最大通行量，合理控制路網(wǎng)交通量，并將交通壓力均分，對(duì)交通的組織作用非常明顯。

4 結(jié)語

本文對(duì)信號(hào)控制在交通組織的流量調(diào)控作用進(jìn)行了分析，可以明確的是交通信號(hào)對(duì)交通流有控制與組織雙重功能。非飽和條件下，控制作用大于組織作用，而在飽和條件下，組織作用大于控制作用。非飽和條件下，交通信號(hào)控制追求的是所控路口的通行能力最大，主要利用了信號(hào)對(duì)交通流的控制作用。而在飽和條件下，追求的不單是路口的最大通行能力，而是路口的最大流量調(diào)節(jié)能力，主要利用的是信號(hào)對(duì)交通流的組織能力。

全面認(rèn)識(shí)和理解交通信號(hào)的功能，有助于充分發(fā)揮交通信號(hào)在交通管理中的作用。在城市交通形勢(shì)日益嚴(yán)峻的情況下，利用好交通信號(hào)對(duì)流量的調(diào)控作用，使之更好地服務(wù)于城市交通的安全與暢通。

［1］ 翟忠民.道路交通實(shí)戰(zhàn)案例［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］ 黃鎮(zhèn)海.信號(hào)控制在道路交通組織中的作用與分析［D］.北京：中國人民公安大學(xué)，2009.

［3］ 劉廣萍.基于延誤的交叉口自適應(yīng)信號(hào)優(yōu)化控制研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

［4］ 翟潤平，周彤梅.道路交通控制原理及應(yīng)用［M］.北京：中國人民公安大學(xué)出版社，2002.

［5］ 劉明君，毛寶華.奧運(yùn)前后道路交通運(yùn)行狀況調(diào)查與分析［J］.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2008，8(6).