基于Synchro仿真的交叉口渠化與信號(hào)配時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化

侯 淼，何子偉，賈志絢，楊春霞

（太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

交叉口作為城市交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，是城市交通擁擠的主要發(fā)生地，因此合理配置交叉口時(shí)空資源是解決交通擁堵問題的有效方法。信號(hào)交叉口優(yōu)化設(shè)計(jì)包括渠化設(shè)計(jì)和信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)兩方面，前者反映了車道對道路的空間使用權(quán)，后者反映了車道對道路的時(shí)間使用權(quán)，兩者相互關(guān)聯(lián)。渠化設(shè)計(jì)決定配時(shí)設(shè)計(jì)，同時(shí)又受配時(shí)設(shè)計(jì)的制約，需要和配時(shí)設(shè)計(jì)反復(fù)協(xié)調(diào)優(yōu)化。渠化設(shè)計(jì)、相位相序設(shè)計(jì)及配時(shí)參數(shù)的合理性共同決定了交叉口信號(hào)控制效果的優(yōu)劣。在以往交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，大部分學(xué)者主要關(guān)注采用某些優(yōu)化方法獲得較優(yōu)的信號(hào)配時(shí)方案，對渠化設(shè)計(jì)很少考慮[1-3]。事實(shí)上，根據(jù)配時(shí)方案得到的仿真結(jié)果對渠化有針對性地進(jìn)行改進(jìn)，可更大程度開發(fā)交叉口的潛力。因此，本文提出一種考慮交叉口渠化的信號(hào)配時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，并給出了具體技術(shù)路線，最后以太原市典型交叉口為研究對象，對協(xié)調(diào)優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

本文所述協(xié)調(diào)優(yōu)化方法分為以下幾個(gè)步驟。

（1）通過交叉口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查，利用Synchro仿真軟件[4-5]，結(jié)合現(xiàn)有渠化形式對現(xiàn)有交叉口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行評價(jià)。如果目前信號(hào)配時(shí)方案能夠滿足當(dāng)前的交通需求，就不需要再進(jìn)行優(yōu)化，可以繼續(xù)為交叉口運(yùn)行服務(wù)；如果不能滿足當(dāng)前的交通需求，則首先考慮對信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)到第二步。

（2）根據(jù)交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)，采用Synchro對交叉口進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，如果所得信號(hào)配時(shí)方案評價(jià)結(jié)果滿足交通需求，可直接將優(yōu)化的信號(hào)配時(shí)方案作為推薦方案；如果現(xiàn)有所得新哈配時(shí)方案仍不能滿足需要，則需考慮進(jìn)行渠化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)到第三步。

（3）對第一步所得信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行分析，找到存在問題，并有針對性地對現(xiàn)有渠化進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步獲得相應(yīng)的信號(hào)配時(shí)方案并進(jìn)行評價(jià)。

（4）最后，從第二、第三步配時(shí)方案中選擇較優(yōu)的作為最后方案。本文所述協(xié)調(diào)優(yōu)化方法考慮到了渠化設(shè)計(jì)對信號(hào)配時(shí)的影響，同時(shí)易于執(zhí)行，適用于交通量較大的交叉路口。

2 交叉口現(xiàn)狀分析

2.1 交叉口幾何現(xiàn)狀

本文所選交叉口地處太原市萬柏林區(qū)興華西街與和平北路相交路口，路口西北角是文體中心和一所中學(xué)，東北角是一大型超市，東南角是郵局和商鋪，西南角是商鋪，該交叉口位置特殊，人群集中。興華西街東西進(jìn)口道的車道數(shù)均為6車道，東進(jìn)口道有4條直行車道，1條左轉(zhuǎn)專用車道和一條右轉(zhuǎn)專用車道，西進(jìn)口道有3條直行車道，2條左轉(zhuǎn)專用車道和1條右轉(zhuǎn)專用車道。和平北路南北進(jìn)口車道數(shù)均為4車道，3條直行車道和1條專用左轉(zhuǎn)車道，右轉(zhuǎn)車輛轉(zhuǎn)入非機(jī)動(dòng)車道行駛。兩條道路的機(jī)動(dòng)車道道路寬度為2.75m，右側(cè)的非機(jī)動(dòng)車道寬度為5.5m，左側(cè)均為3m，本文所選用交叉口的平面示意圖如圖1所示。

圖1 交叉口道路幾何現(xiàn)狀圖

2.2 交叉口交通現(xiàn)狀

2.2.1 交通流量現(xiàn)狀

對興華西街-和平北路交叉口進(jìn)行調(diào)查，選取高峰時(shí)期有代表性的1h流量數(shù)據(jù)作為研究的主要依據(jù)，流量數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 興華西街-和平北路交叉口高峰時(shí)期流量表

從表1可以看出，東西方向直行車輛占很大比重，西進(jìn)口道的左轉(zhuǎn)車輛也比較多，而且比東西方向直行車輛多。南北進(jìn)口道的車輛流量不大但由于靠近購物中心，自行車、行人較多。

2.2.2 現(xiàn)有信號(hào)配時(shí)

交叉口采用四相位控制方式進(jìn)行控制，右轉(zhuǎn)均為許可型。高峰時(shí)期現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案如表2所示，現(xiàn)有配時(shí)相位圖如圖2所示。

表2 高峰時(shí)期現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案表（單位：s）

圖2 相位配時(shí)圖

2.3 現(xiàn)有配時(shí)方案效果分析

利用Synchro仿真軟件對信號(hào)配時(shí)現(xiàn)狀進(jìn)行效果分析評價(jià)，見表3。

表3 高峰時(shí)段現(xiàn)狀渠化方案下信號(hào)配時(shí)效果分析表

從表3中可以看出高峰時(shí)段東進(jìn)口和西進(jìn)口的仿真延誤比較大，服務(wù)水平到達(dá)F級(jí)水平，東進(jìn)口的停車次數(shù)達(dá)到794次，交叉口總延誤達(dá)到108.2s，依此看來，高峰時(shí)段的現(xiàn)狀配時(shí)方案確實(shí)存在問題，亟待解決。

3 交叉口渠化與信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)狀的分析結(jié)果，對該交叉口進(jìn)行交通組織與信號(hào)控制協(xié)調(diào)優(yōu)化，具體過程分為兩個(gè)階段，階段一，保持原交通渠化方式不改變，進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)；階段二，基于階段一的信號(hào)配時(shí)，進(jìn)行交通組織方案優(yōu)化比選，進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化。結(jié)合這兩個(gè)階段進(jìn)行調(diào)整分析，直到得到最優(yōu)方案。

階段一：原交通渠化方式不改變，利用Syn?chro仿真軟件進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，配時(shí)方案如表4所示，相位圖如圖3所示。

表4 優(yōu)化后各參數(shù)仿真結(jié)果

圖3 Synchro優(yōu)化后相位配時(shí)圖

由上述分析可知，Synchro系統(tǒng)對原有配時(shí)方案的相位相序都進(jìn)行了綜合的優(yōu)化，對相位1、2的車流進(jìn)行了重新組合。實(shí)際上優(yōu)化前配時(shí)方案中相位1和相位2中的東西進(jìn)口的雙向直行和雙向左轉(zhuǎn)在交通量及通行時(shí)間(左轉(zhuǎn)彎車流速度通常遠(yuǎn)低于直行車速)上存在差異，不合理的雙左、雙直的放行方式導(dǎo)致了路口延誤的增加；因此合理的放行方式應(yīng)該是如圖3所示的東、西進(jìn)口直左車流依次放行；相位3和相位4無需變化，但對綠信比進(jìn)行了優(yōu)化。

由表4可知，優(yōu)化后的交叉口的最大V/C比為0.96，平均控制延誤為48.2s，比優(yōu)化前減少了55.45%，交叉口的整體服務(wù)水平上升為D級(jí)，各進(jìn)口的控制延誤也比較均衡；總的排隊(duì)長度從優(yōu)化前的840.4m減少到728.6m。采用Synchro系統(tǒng)優(yōu)化后的信號(hào)周期從139s減少到116s，通常隨著信號(hào)周期的減少，延誤、通行能力會(huì)隨之減少，而停車次數(shù)會(huì)隨之增加；可以看到優(yōu)化后路口的總的停車次數(shù)從2683變?yōu)?001，也僅略有增加，達(dá)到了優(yōu)化的目的。容易看到優(yōu)化后東西進(jìn)口道的停車次數(shù)仍處于較高狀態(tài)，南北進(jìn)口的左轉(zhuǎn)服務(wù)水平仍偏低，建議采用改善交叉口幾何條件的方法進(jìn)行進(jìn)一步改善。

階段二：基于階段一優(yōu)化信號(hào)配時(shí)進(jìn)行交通渠化方案優(yōu)化比選，并利用Synchro軟件進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化。

由于東進(jìn)口直行的排隊(duì)長度和西進(jìn)口左轉(zhuǎn)的排隊(duì)長度比較長，而且車流量較大，因此根據(jù)路口的幾何現(xiàn)狀[6]將每個(gè)進(jìn)口渠化拓寬1個(gè)車道，東西進(jìn)口的非機(jī)動(dòng)車和行人的流量相對較少，所以考慮到南出口的行人和非機(jī)動(dòng)車也不會(huì)太多，因此考慮將南出口的機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車的隔離柵往外移3m，將原來的5.5m的非機(jī)動(dòng)車道縮減為2.5m。具體渠化方案如圖4所示，采用該方案后交叉口配時(shí)效果如表5所示。

圖4 新渠化方案圖

表5 高峰時(shí)期新渠化方案下優(yōu)化配時(shí)效果分析表

與階段一的配時(shí)方案相比，各方向延誤有較大改善，南北進(jìn)口道的服務(wù)水平有所提高，南進(jìn)口由E級(jí)升為D級(jí)水平，北進(jìn)口由D級(jí)升為C級(jí)水平。交叉口延誤明顯降低，由48.2s減少為38.3s，95%排隊(duì)長度也明顯降低，使得西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車輛和東進(jìn)口道直行車輛二次延誤的情況有了很大的改善。因此，最終渠化方案下信號(hào)優(yōu)化配時(shí)推薦方案如圖5所示。

圖5 高峰時(shí)期新渠化方案下優(yōu)化配時(shí)圖

4 結(jié)語

交叉口渠化與信號(hào)配時(shí)分別反映了車道對道路的空間使用權(quán)和車道對道路的時(shí)間使用權(quán)，兩者相互關(guān)聯(lián)。本文提出的渠化設(shè)計(jì)與信號(hào)配時(shí)方案協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法充分考慮了交叉口現(xiàn)狀及渠化對信號(hào)配時(shí)的影響，可以以較少的成本挖掘交叉口的通行潛力。以太原市興華西街與和平北路交叉口為實(shí)例對本文所述方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，本方法設(shè)計(jì)方案結(jié)合現(xiàn)場的調(diào)試，對相位相序進(jìn)行了全面優(yōu)化，將路口的服務(wù)水平從F級(jí)提高到了D級(jí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)也都得到了優(yōu)化，而且簡單實(shí)用。優(yōu)化后的配時(shí)方案應(yīng)用到現(xiàn)狀交叉口中，取得良好的控制效果。

[1]孫超，徐建閩.基于Synchro的單點(diǎn)交叉口信號(hào)配飾優(yōu)化研究[J].公路交通科技，2009，26（11）：117-122.

[2]沈堅(jiān)鋒，白雁，沈宇鵬，等.基于Synchro的干線交通信號(hào)配飾優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（10）：318-326.

[3]陳燕，劉乙霏.古棕路與滬城環(huán)路交叉口相位及信號(hào)配時(shí)優(yōu)化[J].交通與運(yùn)輸，2010（2）：24-27.

[4]WEI Heng,PERUGU Harikishan C.Oversaturation Inher?ence and Traffic Diversion Effect at Urban Intersections through Simulation[J].Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology,2009,9(4):72-82.

[5]鄒志云，陳紹寬，郭謹(jǐn)一.基于Synchro系統(tǒng)的典型信號(hào)交叉口配時(shí)優(yōu)化研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28（6）：61-65.

[6]王建麗.交叉口短車道渠化與信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué)，2011.