基于Synchro系統(tǒng)的交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制仿真—以秦皇島市河北大街西段為例

王鵬飛，李 政，李雙喜，康曉昱*，梁小霞*，李 寧*

(1河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市交通運(yùn)輸局)

目前，關(guān)于交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制的研究主要集中在公用周期與相位差優(yōu)化的方面上，例如:傳統(tǒng)的綠波帶設(shè)計(jì)方法［1］，進(jìn)口單獨(dú)放行方式下的綠波帶設(shè)計(jì)方法［2］，基于模糊控制技術(shù)的綠波帶控制技術(shù)［3］，基于駕駛員感知的信號(hào)相位順序優(yōu)化方法［4］等。以上研究的共同點(diǎn)是所假定的交通環(huán)境均非常簡單，例如:交叉口處只存在直行車輛而沒有轉(zhuǎn)彎車輛，即沒有考慮到轉(zhuǎn)彎車輛對(duì)直行車輛的影響;沒有考慮過街行人與其過街時(shí)間對(duì)協(xié)調(diào)控制的影響;沒有考慮到交通量及其構(gòu)成的多變性等。并且，除文獻(xiàn)［5］外，使用專門進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化的Synchro系統(tǒng)對(duì)協(xié)調(diào)控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的仿真研究幾乎沒有。

筆者以秦皇島市河北大街西段為實(shí)例，在實(shí)際的道路與交通狀況下對(duì)其主要的4個(gè)交叉口的信號(hào)周期與相位差進(jìn)行優(yōu)化，使4個(gè)交叉口(J2～W3)的信號(hào)燈進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使得大部分車輛能夠順暢的通過各交叉口。并對(duì)協(xié)調(diào)控制前后的交通狀況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析了定周期協(xié)調(diào)控制與感應(yīng)協(xié)調(diào)控制等2種協(xié)調(diào)控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 河北大街西段的現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果與分析

1.1 概述

河北大街西段是秦皇島市城市主干道河北大街的重要組成部分(圖1)，是連接市中心與開發(fā)區(qū)、北戴河區(qū)的重要交通紐帶，其運(yùn)行狀態(tài)良好與否對(duì)秦皇島市的旅游事業(yè)、教育事業(yè)的發(fā)展具有很大程度上的影響。因此，確保河北大街西段交通的安全與暢通對(duì)于保護(hù)秦皇島市的城市環(huán)境，提升秦皇島市的城市形象具有重要意義。

經(jīng)調(diào)查可知，河北大街西段是實(shí)施交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制的比較理想的干道，其理由如下:(1)河北大街西段是連接兩區(qū)之間的重要干道，主次干道分明;(2)道路條件(車道寬度、側(cè)向凈空、路面平整度等)較好;(3)交通條件(交叉口處主次干道的交通流量差、交通秩序等)較好。即使這樣，在實(shí)施東西向的交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制之前還必須要考慮到以下問題:(1)交叉口間距參差不齊;(2)信號(hào)燈配時(shí)協(xié)調(diào)性差;(3)交通量及其構(gòu)成多變;(4)過街行人較多。以上問題點(diǎn)(表1)若不妥善處理則會(huì)嚴(yán)重影響河北大街西段的交通運(yùn)行狀況與交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制的實(shí)施效果。

1.2 交叉口間距參差不齊

綠燈信號(hào)相位差是由行駛車速與交叉口間距共同決定的。因此，在實(shí)施信號(hào)協(xié)調(diào)控制之前有必要對(duì)河北大街西段各交叉口間距(表2)及設(shè)計(jì)車速進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，各交叉口間距參差不齊，與文獻(xiàn)［6］中對(duì)交叉口間距的規(guī)定(城市干道交叉口間距宜大致相等)有差別。河北大街西段是秦皇島市城市主干道，其東西向設(shè)計(jì)車速(雙向)為60 km/h，而南北向支路雙向設(shè)計(jì)車速為40 km/h(文獻(xiàn)［7］對(duì)道路等級(jí)與相應(yīng)設(shè)計(jì)車速進(jìn)行了明確的規(guī)定)。

河北大街西段各交叉口間距參差不齊，而東西雙向的設(shè)計(jì)車速卻相同，使得雙向車輛在同一時(shí)刻到達(dá)交叉口顯得十分困難，這將嚴(yán)重影響綠波交通的實(shí)施效果。但如今改變城市道路網(wǎng)構(gòu)造已不現(xiàn)實(shí)，對(duì)此，筆者提出兩種改善方式:(1)在一定周期長度的前提下，將南北向綠燈信號(hào)時(shí)長設(shè)定為最小綠燈時(shí)間(其長度與行人過街狀況緊密相關(guān)，詳細(xì)分析見本文1.3與1.5部分);(2)以感應(yīng)(Actuated)控制模式代替現(xiàn)行的定周期(Pre-timed)控制模式。在無請(qǐng)求(No Recall)的感應(yīng)控制模式中，若次干道上無車輛通過，則可直接跳過其信號(hào)相位，并將這段相位時(shí)間加于主干道相位時(shí)間之上，這樣就可以保證河北大街西段各交叉口東西向上的最大綠波帶寬度。

圖1 秦皇島市河北大街中、西段各主要交叉口位置

表1 秦皇島市河北大街西段道路與交通狀況調(diào)查問題點(diǎn)

表2 河北大街西段的各交叉口間距L m

1.3 各交叉口信號(hào)相位及配時(shí)協(xié)調(diào)差

河北大街西段各交叉口的信號(hào)燈現(xiàn)狀(表3)可總結(jié)如下:(1)各交叉口信號(hào)周期均不相同;(2)南北向機(jī)動(dòng)車綠燈相位時(shí)間利用率不高。從各交叉口信號(hào)周期長度均不相同的現(xiàn)狀可以看出河北大街西段尚未實(shí)施信號(hào)協(xié)調(diào)控制，若實(shí)施各交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制則能大幅度減少車輛的時(shí)間延誤。南北向機(jī)動(dòng)車綠燈相位時(shí)間利用率不高則是由于:(1)各交叉口南北向交通量小;(2)某些交叉口最小綠燈時(shí)間設(shè)置過長。

交叉口最小綠燈時(shí)間的設(shè)置是為了保證:(1)車輛安全;(2)行人能夠過街［8］。一般根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算:

其中，G為行人過街綠燈信號(hào)時(shí)間;R為行人反應(yīng)時(shí)間，一般為2 s;N為行人過街的排數(shù);W為人行橫道長度;1.2為行人步行速度(單位m/s)。河北大街西段南北向人行橫道長度為35 m(防止行人與其垂直方向上的直行車輛相沖突)，若過街排數(shù)為1，則計(jì)算可得最小綠燈時(shí)間大約為30 s，根據(jù)表3調(diào)查所示，W1與W3處明顯過長。另外，這些交叉口的過街行人主要為高校學(xué)生(成年人組)，平均步行速度應(yīng)在1.2～1.5 m/s之間;且文獻(xiàn)［6］中規(guī)定，人行橫道長度為大于16 m時(shí)，應(yīng)在人行橫道中央設(shè)置行人二次過街的安全島，組織行人二次過街;另外，根據(jù)德國現(xiàn)行信號(hào)控制規(guī)范規(guī)定［9］，行人綠燈時(shí)間應(yīng)至少保證綠燈初期過街的行人能夠在綠燈時(shí)間內(nèi)通過1/2以上的人行橫道。根據(jù)以上3點(diǎn)分析可知，現(xiàn)行各交叉口的南北向最小綠燈時(shí)間設(shè)置過長，應(yīng)設(shè)定為20～25 s之間。

表3 交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制實(shí)施前的河北大街西段各交叉口的信號(hào)燈參數(shù) s

1.4 交通量及其構(gòu)成多變

經(jīng)調(diào)查可知在交通量及其構(gòu)成方面，河北大街西段存在如下問題點(diǎn):(1)實(shí)時(shí)交通量變化相較CBD大;(2)重車(Heavy Vehicle)混入率相較CBD大。而這兩個(gè)因素將通過影響相位差與綠波帶寬度來影響信號(hào)協(xié)調(diào)控制的實(shí)施效果。相位差是由交叉口間距與行駛車速共同決定的，而路段上行駛的車輛數(shù)將直接影響行駛車速(交通擁擠)，使綠燈信號(hào)開啟時(shí)刻或早或晚于車輛到達(dá)時(shí)刻。綠波帶寬度則是由行駛車隊(duì)長度與通過停車線的地點(diǎn)車速(文獻(xiàn)［6］中對(duì)交叉口處的設(shè)計(jì)車速有明確規(guī)定)決定的，而由多輛重車組成的車隊(duì)就比相同數(shù)量的小轎車組成的車隊(duì)長，并且重車的行駛速度偏低，車頭時(shí)距也較大。

由于車輛性能的不同，重車在車身長度、行駛速度、起制動(dòng)加減速度等方面較小轎車有很大差別。由于重車的存在而導(dǎo)致車隊(duì)整體速度下降，對(duì)車隊(duì)是否能在給定的綠燈時(shí)間內(nèi)通過停車線產(chǎn)生較大影響。針對(duì)此問題，筆者建議在實(shí)施協(xié)調(diào)控制前應(yīng)對(duì)河北大街西段重車混入率進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并應(yīng)對(duì)交通狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控(應(yīng)用感應(yīng)式信號(hào)燈)，若交通信息的把握精確度不高，則會(huì)嚴(yán)重影響協(xié)調(diào)控制的效果。

1.5 過街行人較多

河北大街西段道路兩旁的建筑物，尤其是高校及以服務(wù)學(xué)生為主的建筑物較多，導(dǎo)致南北向的過街行人量較大，過街行人中包括橫穿馬路的過街行人與利用人行橫道的過街行人。橫穿馬路過街行人的存在增加了產(chǎn)生交通事故的隱患，而利用人行橫道的過街行人量則會(huì)在很大程度上影響最小綠燈時(shí)間的設(shè)定。

對(duì)此問題，筆者提出兩種改善方案。(1)根據(jù)河北大街西段的實(shí)際情況，適度降低文獻(xiàn)［10］中對(duì)地下通道的選址標(biāo)準(zhǔn)(其標(biāo)準(zhǔn)主要為機(jī)動(dòng)車流量與橫穿馬路行人交通量)，可以效仿W2～W3(河北科技師范學(xué)院處)，在J1～J2(秦皇島海關(guān)處)，J2～W1(中國環(huán)境管理干部學(xué)院處)，W1～W2(河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院處)等上述3處修建地下通道，強(qiáng)制性的將機(jī)動(dòng)車與過街行人在空間上分離開，這樣不但可以有效的防止行人橫穿馬路的現(xiàn)象，而且可以減少次干道上的最小綠燈時(shí)間的設(shè)置，可大幅度提高信號(hào)協(xié)調(diào)控制的實(shí)施效果。另外還可以將零售攤點(diǎn)收歸地下，提高城市形象;(2)加強(qiáng)行人過街安全島的建設(shè)，為不能一次性完成過街的行人在道路中央隔離帶處提供安全的駐足區(qū)域。這樣做不但可以縮短行人一次過街距離，配合采用二次過街信號(hào)控制增加同一周期內(nèi)行人放行時(shí)間或次數(shù)，使交通控制更加靈活、可靠，從而提高整個(gè)交叉口的通行效率［11］。并且還可以減少行人等待綠燈時(shí)間與行人在地下通道或人行天橋處的繞行距離。(3)各交叉口采用感應(yīng)控制模式信號(hào)燈，若次干道上無行人等待過街則跳過其行人綠燈相位，將其時(shí)間加于主干道相位時(shí)間之上(同1.2)。

2 干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的實(shí)施仿真與效果分析

2.1 Synchro系統(tǒng)介紹

Synchro系統(tǒng)是由美國Trafficware公司開發(fā)的專門用于信號(hào)配時(shí)優(yōu)化的交通仿真軟件，信號(hào)配時(shí)優(yōu)化以HCM2000為基礎(chǔ)。能夠?qū)π盘?hào)相位、配時(shí)、周期、相位差等進(jìn)行優(yōu)化，并且可以對(duì)信號(hào)配位配時(shí)的方案給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)［12］。Synchro系統(tǒng)中對(duì)服務(wù)水平(Level of Service)的確定采用了HCM2000標(biāo)準(zhǔn)(表4)，并充分考慮了行人對(duì)交叉口通行狀況的影響［13］，仿真模型實(shí)用性較好，仿真結(jié)果具有極高的工程參考價(jià)值。

表4 控制延誤與服務(wù)水平評(píng)價(jià)

2.2 現(xiàn)狀仿真及分析

2.2.1 交通量數(shù)據(jù)調(diào)查 表5，表6為全天早高峰小時(shí)(7:30－8:30)的河北大街西段各交叉口的各進(jìn)口的機(jī)動(dòng)車流量調(diào)查數(shù)據(jù)，其中括號(hào)中的百分?jǐn)?shù)為平均重車混入率。本次研究以全天的早高峰小時(shí)為例進(jìn)行分析，因?yàn)檫@是出行者最集中的時(shí)間段，若能在此時(shí)間段內(nèi)通過協(xié)調(diào)控制手段改善交通狀況，則其他平峰時(shí)間段處理起來將會(huì)更加容易。

表5 河北大街西段各交叉口東西向機(jī)動(dòng)車數(shù)量統(tǒng)計(jì) 輛/h

表6 河北大街西段各交叉口南北向機(jī)動(dòng)車數(shù)量統(tǒng)計(jì) 輛/h

2.2.2 配位與配時(shí)方案 河北大街西段J2～W3交叉口采用定周期信號(hào)控制模式，現(xiàn)行相位如圖2，圖3所示。但J2交叉口現(xiàn)行相位中機(jī)動(dòng)車與過街行人的沖突點(diǎn)較多，因此文獻(xiàn)［14］在保持原周期長度與相位數(shù)的基礎(chǔ)之上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)(在交通仿真中不討論交通安全系數(shù))。

圖2 W1～W3處現(xiàn)行信號(hào)相位

圖3 J2處現(xiàn)行信號(hào)相位

2.2.3 現(xiàn)狀仿真 根據(jù)上述的調(diào)查數(shù)據(jù)，運(yùn)用Synchro系統(tǒng)對(duì)河北大街西段現(xiàn)行的交通狀況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。其中，一些交叉口的V/C比較高，平均服務(wù)水平為B～D級(jí)之間。在這種服務(wù)水平之下，雖無較大擁擠狀況出現(xiàn)，但外界環(huán)境一旦稍有惡化(惡劣天氣、交通事故等)則有可能引發(fā)較大的時(shí)間延誤。除此之外，停車次數(shù)與燃油消耗過多也是不容忽視的，因?yàn)檫@將對(duì)交通安全與生態(tài)環(huán)境造成很大的負(fù)面影響。

表7 交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制實(shí)施前的河北大街西段各交叉口現(xiàn)狀仿真結(jié)果

2.3 干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的實(shí)施仿真與分析

運(yùn)用Synchro系統(tǒng)對(duì)各交叉口的周期長度與相位差進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后所有交叉口的周期長度全部統(tǒng)一，這也是進(jìn)行交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)(表8，表9，其中J2*為標(biāo)準(zhǔn)交叉口(Master Intersection)。使用以下7個(gè)具有代表性的指標(biāo)對(duì)協(xié)調(diào)控制實(shí)施前后的交通狀況進(jìn)行評(píng)價(jià):(1)車道服務(wù)水平;(2)交叉口服務(wù)水平;(3)服務(wù)流量與通行能力之比;(4)停車次數(shù);(5)控制時(shí)間延誤;(6)燃油消耗;(7)95%位排隊(duì)長度。

筆者對(duì)各交叉口的信號(hào)控制推薦采用以下兩種方案:(1)定周期協(xié)調(diào)控制模式;(2)感應(yīng)協(xié)調(diào)控制模式。方案(1)的特點(diǎn)是初期投資與維護(hù)費(fèi)用低且見效快，但對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)能力差，尤其是在交通量數(shù)據(jù)過時(shí)后，其配時(shí)方案將有可能造成極大的延誤。方案(2)的特點(diǎn)是初期投資與維護(hù)費(fèi)用高，建設(shè)周期長，但對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)能力極強(qiáng)，可稱為一勞永逸的投資。

從現(xiàn)狀仿真結(jié)果(表7)與定周期協(xié)調(diào)控制實(shí)施后的仿真結(jié)果(表10)比較來看，交叉口J2～W3的服務(wù)水平均顯著提高(W1～W3從B級(jí)提高至A級(jí)，J2從D級(jí)提高至B級(jí))，車輛時(shí)間延誤、停車次數(shù)、燃油消耗量明顯減少。而且，由公用周期長度96 s和98 s與最小綠燈時(shí)間25 s可推算南北向行人的最大等待時(shí)間為71 s和73 s，在國內(nèi)調(diào)查結(jié)果的60～90 s［11］的范圍之內(nèi)，符合行人過街要求。

從定周期協(xié)調(diào)控制模式的仿真結(jié)果(表10)與感應(yīng)協(xié)調(diào)控制模式的仿真結(jié)果(表11)比較來看，前者與后者在提高交叉口服務(wù)水平方面效果相當(dāng)。但隨著秦皇島市旅游立市的戰(zhàn)略不斷深化，連接海港區(qū)與北戴河區(qū)的河北大街西段在不久的將來還會(huì)承擔(dān)更加繁重的交通任務(wù)，特別是一年的春末到秋初的旅游旺季期間。而其交通量在一年四季將會(huì)比一般的非旅游城市變化大，因此，在河北大街西段各交叉口設(shè)置初期投資的感應(yīng)協(xié)調(diào)控制模式的信號(hào)燈也是大勢(shì)所趨。

表8 定周期協(xié)調(diào)控制實(shí)施后的河北大街西段各交叉口信號(hào)燈參數(shù) s

表9 感應(yīng)協(xié)調(diào)控制實(shí)施后的河北大街西段各交叉口信號(hào)燈參數(shù) s

表10 交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制實(shí)施后的河北大街西段各交叉口運(yùn)行仿真結(jié)果(定周期協(xié)調(diào)控制模式)

表11 交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制實(shí)施后的河北大街西段各交叉口運(yùn)行仿真結(jié)果(感應(yīng)協(xié)調(diào)控制模式)

3 結(jié)論與討論

本次研究基于秦皇島市河北大街西段的道路與交通條件的調(diào)查分析，對(duì)交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制實(shí)施前后分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得出了該控制實(shí)施后將可在很大程度上提高各交叉口服務(wù)水平的結(jié)論。并且，對(duì)導(dǎo)入的定周期協(xié)調(diào)控制模式與感應(yīng)協(xié)調(diào)控制模式進(jìn)行了對(duì)比，分析了兩者在實(shí)際應(yīng)用方面的利弊。

由調(diào)查結(jié)果可知，河北大街西段各交叉口的飽和度并不高，這也是在此實(shí)施信號(hào)協(xié)調(diào)控制的一個(gè)有利條件。即綠波交通的實(shí)施是有一定條件的，當(dāng)交叉口的飽和度較低時(shí)，理論計(jì)算所得的綠波在實(shí)際中也易于實(shí)現(xiàn)。若交叉口出現(xiàn)過飽和情況，則會(huì)嚴(yán)重影響綠波交通的實(shí)施效果［15］。在這種情況下，為了提高實(shí)施效果，避免因交叉口過飽和而產(chǎn)生的“二次停車”現(xiàn)象的出現(xiàn)，就需要對(duì)河北大街西段的過飽和交叉口實(shí)施流入量控制，這也將是下一步研究的重點(diǎn)。

［1］ 王廷平，蔣珉.一種實(shí)現(xiàn)雙向綠波信號(hào)控制的方法及其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)［J］.電子工程師，2003，29(1):31-33.

［2］ 盧凱，徐建閩，李秩舜.進(jìn)口單獨(dú)放行方式下的干道雙向綠波協(xié)調(diào)控制數(shù)解算法［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2010，23(3):95-101.

［3］ 沈國江，許衛(wèi)明.交通干線動(dòng)態(tài)雙向綠波帶控制技術(shù)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2008，42(9):1 625-1 630.

［4］ 馬楠，邵福春，趙熠.基于雙向綠波帶寬最大化的交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2009，39(增刊2):19-24.

［5］ 劉洋，史忠科.基于Synchro的多交叉口信號(hào)控制研究［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2005，23(6):35-38.

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程(CJJ152-2010)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［7］ 中華人民共和國建設(shè)部.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ37-90)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1991.

［8］ 徐吉謙.交通工程總論［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［9］ 德國道路與交通工程研究學(xué)會(huì).交通信號(hào)控制指南:德國現(xiàn)行規(guī)范［M］.李克平譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［10］ 中華人民共和國建設(shè)部.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范(CJJ69-95)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996.

［11］ 李克平，倪穎.信號(hào)控制交叉口行人過街交通組織與控制［J］.城市交通，2011，9(1):65-71.

［12］ HUSCH D，ALBECK J.Synchro Studio 7 User Guide［M］.Sugar Land:Trafficware Ltd，2006.

［13］ 李建新，毛保華.混合交通流環(huán)境下有信號(hào)平面交叉口通行能力研究［J］.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2001，1(2):119-123.

［14］ 王鵬飛，李政，房媛，等.秦皇島市河北大街中、西段各交叉口信號(hào)相位的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.河北科技師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25(4):5-9.

［15］ 蘇志忠，梅林，李學(xué)敏，等.一種新的雙向綠波實(shí)用設(shè)計(jì)方法［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009(23):223-226.