基于Synchro的廈門市白鷺洲路信號協(xié)調(diào)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭建鋼，林文燔，陳必太，黃海南，陳金山，張文星

（福建農(nóng)林大學(xué)交通學(xué)院，福建福州 350002）

在城市交通路網(wǎng)中，平面交叉口因其復(fù)雜的交通現(xiàn)象，成為制約道路網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行的瓶頸。為了消除路網(wǎng)瓶頸，目前比較普遍做法是設(shè)法改善瓶頸交叉口的渠化設(shè)計(jì)和信號控制［1-2］；盡管這種做法對特殊交叉口有一定的現(xiàn)實(shí)意義［3-4］。但當(dāng)一條干道上的多個(gè)信號控制交叉口的間距較小時(shí)，如果各信號控制交叉口追求獨(dú)立交叉口的交通利益，往往會犧牲整條干道的通行效率。因此，從交通管理與控制著手，將干道上的各交叉口組成一個(gè)線控系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，能夠有效地減少車輛的停車次數(shù)和延誤時(shí)間［5-7］。盡管干道協(xié)調(diào)控制的理論研究和探討文獻(xiàn)很多，也有一些應(yīng)用實(shí)例，但能夠真正成功的工程應(yīng)用例子甚少。為此，本文結(jié)合廈門市市府大道的交通信號控制優(yōu)化項(xiàng)目，以廈門市市府大道北段的白鷺洲路（見圖1）為研究對象，首先，根據(jù)早晚高峰時(shí)段3個(gè)交叉口的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)（交通量和信號配時(shí)參數(shù)等），應(yīng)用Synchro軟件對原控制方式的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行了評價(jià)。其次，根據(jù)實(shí)際交通量的“潮汐現(xiàn)象”，采取“分時(shí)段分方向”的信號協(xié)調(diào)控制策略，建立基于原配時(shí)方案的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（以下簡稱“優(yōu)化前協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)”）；最后，在應(yīng)用Synchro仿真軟件優(yōu)化3個(gè)交叉口的最佳周期時(shí)長、公用周期時(shí)長和相位差等參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建優(yōu)化后的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并比較優(yōu)化前后協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制效果。結(jié)果表明，優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制效果更好。該設(shè)計(jì)方法可為其它類似工程改善提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象分析

信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)所需原始數(shù)據(jù)采集于廈門市市府大道北端的白鷺洲路。廈門市市府大道位于廈門島西南部，北起廈門市政府，南抵鷺江路，總體呈南北走向，貫穿城市碼頭區(qū)、舊城、新區(qū)和新區(qū)中心。其道路性質(zhì)以客運(yùn)為主，兼具交通和生活功能，是連接新區(qū)和舊城的城市主干道。白鷺洲路作為市府大道的一部分，承擔(dān)著疏導(dǎo)南北交通的重要角色，其中3個(gè)交叉口為毗鄰交叉口，幾何結(jié)構(gòu)特征（見圖1）。

圖1 白鷺洲路段上3個(gè)交叉口的幾何結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Geometricalstructure characteristicsof three intersectionson Bailuzhou Road

1.2 數(shù)據(jù)調(diào)查方法

本次調(diào)查采用人工調(diào)查和視頻分析相結(jié)合的方法，主要內(nèi)容包含：各交叉口的現(xiàn)狀交通量（見表1，換算系數(shù)見文獻(xiàn)［8］）和現(xiàn)狀信號控制配時(shí)方案（見表2）。經(jīng)分析各交叉口全天的交通流量流向數(shù)據(jù)可以得出，該路段的早高峰時(shí)段為8：00-10：00；晚高峰時(shí)段為17：00-19：00。為了書寫簡便，設(shè)白鷺洲路與湖濱南路交叉口的編號為1，與禾祥西路交叉口的編號為2，與廈禾路交叉口的編號為3。

表1 各交叉口現(xiàn)狀流量流向統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Existing traffic volumesof each intersection pcu·h-1

1.3 信號控制仿真分析和優(yōu)化方法

表2 各交叉口原控制方案匯總表Tab.2 Controlparam etersof each intersection

SYNCHRO是當(dāng)前最快捷和精確的交通信號協(xié)調(diào)及配時(shí)優(yōu)化軟件，其中的SIMTRAFFIC是交通信號配時(shí)優(yōu)化和交通模擬的核心模型，具有信號配時(shí)參數(shù)（相位、周期時(shí)長、綠信比、相位差等）的優(yōu)化、交叉口的微觀仿真和方案優(yōu)劣的評價(jià)之功能。Synchro中沿用HCM2000對服務(wù)水平的定義和Webster延誤模型，采用控制延誤和百分比延誤計(jì)算方法（PDM），用于評價(jià)交叉口的服務(wù)水平，更加適合于信號控制方案的調(diào)整和優(yōu)化，以及在近飽和或者超飽和時(shí)的信號控制交叉口的延誤計(jì)算。

目前，白鷺洲路的3個(gè)交叉口均為單點(diǎn)定時(shí)控制方式（信號配時(shí)方案由廈門市公安交通管理局經(jīng)過多次調(diào)整后確定，見表2），根據(jù)現(xiàn)狀渠化設(shè)計(jì)、交通流數(shù)據(jù)、交通組織和信號相位控制策略，對3個(gè)交叉口進(jìn)行仿真，結(jié)果見表3。

表3 原信號控制方案時(shí)的仿真結(jié)果Tab.3 The simulation resultsbased on original controlparameters

表3中，“交叉口延誤”為3個(gè)交叉口的延誤總和；“路段”是指通過第1個(gè)交叉口的進(jìn)口道停車線至第3個(gè)交叉口的進(jìn)口道停車線的范圍；“路網(wǎng)”是指由白鷺洲路以及與之交叉的3條道路上游不小于200m的范圍所構(gòu)成區(qū)域。

通過分析白鷺洲路段的交通量（見表1）以及路段延誤情況（見表3）可以發(fā)現(xiàn)，該路段的交通流存在著潮汐現(xiàn)象，早高峰時(shí)段由南往北的交通量和路段延誤較大，而晚高峰則相反。目前實(shí)際使用的線控系統(tǒng)中，以單向協(xié)調(diào)控制為主，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)雙向綠波的條件比較苛刻，如果勉強(qiáng)實(shí)施雙向綠波效果不好［9-10］。因此，根據(jù)白鷺洲路段的幾何結(jié)構(gòu)特征、交通流特性以及仿真結(jié)果，本文提出“分時(shí)段與分方向相結(jié)合、采用半周期時(shí)長”的協(xié)調(diào)控制方法，即在早高峰時(shí)段采取由南往北協(xié)調(diào)控制；在晚高峰時(shí)段采取由北往南協(xié)調(diào)控制，并最大限度提高主控方向的綠波帶寬度。同時(shí)考慮到該路段的實(shí)際幾何參數(shù)和交通量，2號交叉口采用了半周期時(shí)長。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于原配時(shí)方案的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

由于原配時(shí)方案為單點(diǎn)控制，造成主線上的車輛行駛延誤較大，行駛速度較慢。因此，以這3個(gè)交叉口的原配時(shí)方案為基礎(chǔ)，根據(jù)提出的協(xié)調(diào)控制方法，建立優(yōu)化前的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)道路、交通及管理狀況，設(shè)定協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶速為40 km·h-1。

2.1.1 早高峰時(shí)段的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

由于早高峰時(shí)段1號交叉口的周期時(shí)間最長（160 s），故將其設(shè)為關(guān)鍵交叉口，并取共用周期為160 s，調(diào)整3號交叉口周期至共用周期，南北相位為關(guān)鍵相位。由于2號交叉口為兩相位信號控制且周期較短，因此采取半周期（周期調(diào)整為80 s）。運(yùn)用軟件計(jì)算出合適的相位差，最終將3號交叉口到2號交叉口的相位差調(diào)整為29 s，2號至1號交叉口的相位差調(diào)整為11 s，帶寬為30 s。并用SYNCHRO軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果見表4。

2.1.2 晚高峰時(shí)段的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

在晚高峰時(shí)段，將1號交叉口為關(guān)鍵交叉口，共用周期176 s，南北相位為關(guān)鍵相位，調(diào)整3號交叉口周期至共用周期，2號交叉口的半周期為88 s。最終將1號交叉口到2號交叉口的相位差調(diào)整為19 s，2號至3號交叉口的相位差調(diào)整為37 s，帶寬為25 s。仿真結(jié)果見表4。

表4 基于原配時(shí)方案的早晚高峰時(shí)段協(xié)調(diào)控制結(jié)果Tab.4 The coordination controlsim ulation resultsbase on original controlparam eters

通過比較表4和表3可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過協(xié)調(diào)控制后，白鷺洲路上的各交叉口、路段和路網(wǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)均有改善。在早高峰時(shí)段，由南往北的交叉口延誤降低11.9%，路段延誤降低27.6%，路網(wǎng)總延誤降低10.7%，總行程時(shí)間減少了9.2%；在晚高峰時(shí)段，由北往南的4個(gè)指標(biāo)分別改善為7.0%，14.6%，7.0%和4.7%。此外，車輛的停車次數(shù)也有所降低，主線速度都有提高。但在晚高峰時(shí)段的改善幅度較小。

2.2 基于單點(diǎn)信號控制優(yōu)化基礎(chǔ)上的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步優(yōu)化干道協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，改善其通行效率，必須確定干道上每一個(gè)交叉口的最佳信號周期時(shí)長以及相位差。根據(jù)白鷺洲路的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，對路段上的各個(gè)交叉口進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析3個(gè)交叉口的現(xiàn)狀信號控制參數(shù)，選擇各交叉口的信號周期時(shí)長范圍為50～200 s，離散步長為2 s，并用Synchro8.0優(yōu)化線控系統(tǒng)中各交叉口在早晚高峰時(shí)段的信號優(yōu)化配時(shí)方案，得到優(yōu)化后各個(gè)交叉口的最佳信號周期，見表5。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)帶速仍為40 km·h-1。

2.2.1 早高峰時(shí)段的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

以白鷺洲路上各個(gè)交叉口的信號控制優(yōu)化方案作為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對該路段進(jìn)行協(xié)調(diào)控制優(yōu)化。在早高峰時(shí)段，以3號交叉口為關(guān)鍵交叉口，共用周期170 s，南北相位為關(guān)鍵相位。2號交叉口采取半周期，1號交叉口的信號周期與共用周期相等。優(yōu)化相位差后，得到南往北車流的帶寬為41 s，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的時(shí)距圖見圖2。早高峰時(shí)段優(yōu)化后的仿真結(jié)果，見表6。

表5 各交叉口最佳信號周期時(shí)長Tab.5 The best cycle length of intersections

圖2 優(yōu)化后早高峰協(xié)調(diào)控制時(shí)距圖Fig.2 Tim e-space diagram of optim al coordination controlduringmorning peak hours

2.2.2 晚高峰時(shí)段的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

在晚高峰時(shí)段，以1號為關(guān)鍵交叉口，共用周期180 s，南北相位為關(guān)鍵相位；2號交叉口采取半周期（晚高峰周期為90 s），并調(diào)整3號交叉口的信號周期至共用周期，增加的相位時(shí)間全部給主線綠燈。優(yōu)化相位差后，得到的北往南車流的帶寬為49 s，協(xié)調(diào)控制時(shí)距圖見圖3。晚高峰時(shí)段優(yōu)化后的仿真結(jié)果，見表6。

圖3 優(yōu)化后晚高峰協(xié)調(diào)控制時(shí)距圖Fig.3 Time-space diagram of optimalcoordination controlduring evening peak hours

比較表6和表5的交通效益指標(biāo)可以看出，采用優(yōu)化后的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)后，不管是早高峰還是晚高峰時(shí)段，從點(diǎn)（交叉口）、線（路段）、面（路網(wǎng)）3個(gè)方面來看，各交通效益指標(biāo)都有不同程度的改善。

表6 基于優(yōu)化參數(shù)的早晚高峰時(shí)段協(xié)調(diào)控制仿真結(jié)果Tab.6 The simulation results duringmorning and evening peakhoursbased on optimal controlparameters

從交叉口來看，早晚高峰時(shí)段的交叉口延誤分別減少11.3%和21.6%。

從路段來看，在早高峰時(shí)段，路段延誤雖有改善，但并不十分明顯（僅為8.2%）。而在晚高峰時(shí)段，路段上的交通效益指標(biāo)改善效果十分明顯，由北往南的路段延誤降低了55.9%。說明晚高峰時(shí)段的控制效果明顯優(yōu)于早高峰時(shí)段。

從路網(wǎng)來看，在早高峰時(shí)段，總延誤和停車次數(shù)分別降低13.3%和0.8%。在晚高峰時(shí)段，總延誤和停車次數(shù)分別降低22.0%和5.5%。晚高峰時(shí)段的路網(wǎng)改善效果較早高峰時(shí)段好。

因此，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以大大改善晚高峰時(shí)段的路網(wǎng)運(yùn)行效果，彌補(bǔ)優(yōu)化前協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的不足。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

經(jīng)過協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)后，運(yùn)行Synchro軟件中的Simtraffic交通模擬模塊進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)車輛在第一個(gè)交叉口遇綠燈通過后，只要行駛車輛按設(shè)計(jì)帶速行駛，可以在高峰時(shí)段實(shí)現(xiàn)“綠波”，交叉口的擁堵情況大大減少，整個(gè)路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況明顯好轉(zhuǎn)。

1）應(yīng)用優(yōu)化前的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行信號控制時(shí)，在高峰時(shí)段其控制效果比單點(diǎn)控制效果好。協(xié)調(diào)控制后，明顯改善了高峰時(shí)段白鷺洲路上的交通運(yùn)行狀況，但晚高峰時(shí)段的改善效果不夠理想。

2）應(yīng)用優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行信號控制時(shí)，不但進(jìn)一步改善早高峰時(shí)段的運(yùn)行狀況，而且大幅度提高晚高峰時(shí)段的運(yùn)行效果。說明這種優(yōu)化方法是可行的。

3）采用優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)后，從仿真結(jié)果來看，不僅提升了主線上的運(yùn)行速度，而且路網(wǎng)的延誤、停車次數(shù)和總行程時(shí)間降低，提高了路網(wǎng)的通行效率。對于早晚高峰具有潮汐現(xiàn)象的主干道路，采取分時(shí)段分方向相結(jié)合的單向協(xié)調(diào)控制方式，能夠有效緩解不同時(shí)段主要方向的交通壓力。

3.2 討論

由于上述結(jié)論是由仿真軟件Synchro仿真結(jié)果得到的，實(shí)際改善效果需要實(shí)際應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證。

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