基于Synchro進行多交叉口信號配時優(yōu)化的應用

白　龍，白芳舒，楊　凱

(1. 天津市市政工程設計研究院，天津　300051；2.大連理工大學道路工程研究所，大連　116024)

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基于Synchro進行多交叉口信號配時優(yōu)化的應用

白龍1，白芳舒1，楊凱2

(1. 天津市市政工程設計研究院，天津300051；2.大連理工大學道路工程研究所，大連116024)

摘要：提供了一種基于信號配時優(yōu)化軟件Synchro進行多交叉口協(xié)調(diào)控制的方法，闡述了Synchro進行信號周期時長優(yōu)化的基本原理以及綠波交通的主要控制因素。以寧波通途路部分路段(徐戎路~滄海路)為例，詳細介紹了利用Synchro進行干道多交叉路口信號配時的協(xié)調(diào)控制的具體方法，得到優(yōu)化配時方案及沿線綠波時距圖。隨后利用SimTraffic進行交通仿真模擬，結(jié)果顯示各交叉口延誤率、路段平均車速、車輛排隊現(xiàn)象已得到顯著改善，部分車流可以實現(xiàn)綠波交通。

關鍵詞：交通工程；綠波交通；協(xié)調(diào)控制；多交叉口；Synchro

1概述

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市中的汽車保有量逐年攀升，現(xiàn)有的城市道路承擔了巨大的交通負荷，遠遠超出設計之初預計的交通流量和通行能力。面對現(xiàn)有道路狀況及根據(jù)現(xiàn)有交通量，制定對現(xiàn)有道路承載能力下交通流的優(yōu)化分析，協(xié)調(diào)各交叉口信號配時以形成綠波交通理念下的干線交通協(xié)調(diào)控制，對于緩解城市道路網(wǎng)擁堵，改善路網(wǎng)交通的暢通具有重要的意義。

本文以寧波通途路(徐戎路~滄海路)為例，基于路網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制理念，利用交通信號協(xié)調(diào)配時軟件Synchro，通過現(xiàn)有道路資料以及實測高峰小時交通量對該路段進行協(xié)調(diào)控制優(yōu)化，得到綠波協(xié)調(diào)配時方案，并結(jié)合Synchro中的Simtraffic組件對道路網(wǎng)建模進行交通仿真，對比分析包括延誤率、停車排隊長度等多項交通影響評價指標，獲得干道交通協(xié)調(diào)組織方案，以此緩解道路擁堵，改善路網(wǎng)交通。

2Synchro信號配時原理

Synchro作為一款交通信號協(xié)調(diào)及配時設計軟件是美國Trafficware公司基于美國交通部標準HCM2010規(guī)范研發(fā)的，具備通行能力分析仿真，協(xié)調(diào)信號控制，自適應信號控制仿真等功能，其中包括Synchro、SimTraffic等組件，能夠?qū)崿F(xiàn)制定路網(wǎng)配時方案、道路交通仿真以及路網(wǎng)交通影響評價。

Synchro對信號周期時長的優(yōu)化采用了從自然周期(即最短周期)開始依次判斷各相位所提供的綠燈時間是否能夠滿足百分比車道組交通流量的方法。若滿足一定的百分比車道組交通流量，則采用該周期時長，否則就增大信號周期時長，在達到所設定的最大信號周期時長之前，此步驟將會被不斷重復。例如:各相位提供的綠燈時間能夠滿足90%車道組流量，即意味著所有周期內(nèi)的90%的車隊長可以清空，若不滿足則依次會向下判斷是否滿足70% 、50%車道組流量。如果沒有滿足各百分比車道組流量的信號周期，則采用性能指標PI最優(yōu)的信號周期長度。性能指標PI的計算公式為

(1)

式中：PI為綜合性能指標；D為百分比信號延誤，s；St為交叉口停車數(shù)量(輛)。

3綠波交通

3.1公共周期時長的計算

為了得到協(xié)調(diào)控制下的公共周期時長，本文利用國際上常用的韋伯斯特配時法(以下簡稱Webster配時法)。對于協(xié)調(diào)控制配時，沿線各交叉口必須采用相同的周期時長，因此路網(wǎng)公共周期時長的確定應首先計算各交叉路口流率比，再利用Webster配時法根據(jù)流率比和信號周期配時的要求，獲得公共周期時長。

流率比是指車道的實際交通量或設計交通量與該車道的飽和流率的比值，是交叉口信號控制方案設計的關鍵參數(shù)，本質(zhì)上反映車道的交通負荷水平

(2)

式中：yi為流率比；Q為各個方向的交通流，(pcu/h)；n為車道數(shù)；Si為單車道飽和流量，(pcu/h)。

Webster配時法信號周期計算公式

(3)

式中：Ci為交叉口i周期時長，s；L為信號總損失時間，s，一般可取綠間隔時長；Y為周期內(nèi)所有相位的關鍵車道組的流率比之和；C為公共周期時長，s。

Webster配時法的核心是交叉口通行車輛的總延誤時間最少，對于協(xié)調(diào)控制的道路，沿線方向車道即為關鍵車道組。信號配時周期時長受各個交叉口相互影響，對于協(xié)調(diào)干線道路系統(tǒng)，計算出所有相位關鍵車道組的流率比之和，通過Webster配時法的信號周期計算公式計算出干道沿線各個交叉口的周期時長，選取各個交叉口中最大的周期時長作為協(xié)調(diào)聯(lián)動控制的公共周期。

3.2綠信比的計算

綠信比是指交通燈一個周期內(nèi)可用于車輛通行的時間比例，對于疏散交通流和減少交叉口總等待時間有著重要作用，通過合理地分配各車流方向的綠燈時間，可以使各方向停車次數(shù)、等待延誤時間減到最小。信號周期可分為信號損失和有效綠燈兩部分，有效綠燈時長是信號相位內(nèi)可利用的通行時間在相等效的理想通行狀態(tài)下所對應的綠燈時長，在一個周期內(nèi)，車輛可通行的時間包括綠燈顯示時間和黃燈時間。因此確定各交叉口的綠信比首先應考慮有效綠燈在交叉口各相位中的分配。

根據(jù)綠信比定義

(4)

式中：λ為綠信比；gE為有效綠燈時間，s。

根據(jù)等飽和度原則

(5)

根據(jù)式(4)、(5)得：

(6)

由式(6)看出相位的有效綠燈時間與該相位的關鍵車道組流率比成正比，所以第相位的有效綠燈時間為

(7)

3.3相位差的計算

相位差作為干線協(xié)調(diào)控制的關鍵參數(shù)，保證車輛能夠在連續(xù)通過交叉口是，相鄰信號間的綠燈時差與車輛駛過之間路段的行車時間相適應，保證車輛能夠在一定車速下盡可能連續(xù)遇到綠燈。

通常假定車隊在通過上游交叉口的時候，車隊處于運動狀態(tài)，因此不存在車隊的啟動時間，理想時差為

(8)

如果車隊在上游交叉口停車線前停下來，這樣交叉口的綠燈啟亮時車隊必須經(jīng)過最初的啟動延誤之后才能加速到正常的行駛速度，經(jīng)過標準化處理的時差計算公式為

(9)

n為整數(shù)，可以是負整數(shù)或0。

4多交叉口協(xié)調(diào)控制

(1)基本信息：建立道路網(wǎng)，根據(jù)實際道路狀況設置交叉口類型、道路長度、路段斷面等信息。

(2)輸入各交叉口道路信息：輸入各交叉口的現(xiàn)狀交通量、路段行車速度、理想飽和流量、路口渠化信息等。

(3)制定單個交叉口配時計劃，確定路口車道數(shù)和車道劃分、根據(jù)各方向交通量制定路口相位組合和相位順序，優(yōu)化單個交叉口的周期時長和相位時長，確定將道路網(wǎng)中信號周期最大的路口定位為關鍵交叉路口(Master Intersection)，其信號周期即為關鍵信號周期，作為道路網(wǎng)備選周期。

(4)劃分道路網(wǎng)，把道路網(wǎng)劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域可作為單獨系統(tǒng)來進行優(yōu)化。對于不同區(qū)域，通過延誤率信息進行信號配時僅保證各區(qū)域內(nèi)的交叉口信號周期相同，對于不同區(qū)域信號周期則難以保證。因此，對干線的協(xié)調(diào)控制，需要對綠波交通范圍內(nèi)的所有交叉口保證時長相同或整數(shù)倍的信號周期，把道路網(wǎng)劃分為一個區(qū)域。

(5)優(yōu)化道路網(wǎng)周期時長，參考關鍵周期時長制定道路網(wǎng)周期時長的取值范圍，設置周期時長增長幅值，通過道路網(wǎng)整體績效，特別是延誤率、綠波帶寬度兩條件來選取最優(yōu)周期時長的配時計劃。在全面優(yōu)化周期時長前需對相位差進行快速優(yōu)化，以保證周期時長的優(yōu)化滿足相位要求，具有合理意義。

(6)基于優(yōu)化后信號周期時長，對道路網(wǎng)的相位時長和相位差進行優(yōu)化，得出干線協(xié)調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)路網(wǎng)交通配時方案。

通過上述方法得出通途路(徐戎路~滄海路)的干線協(xié)調(diào)優(yōu)化后的信號周期為140 s，圖為通途路(徐戎路~滄海路)優(yōu)化后的綠波時距圖，如圖1所示。

圖1　綠波時距圖

在圖1中，左邊顯示干線各交叉口的道路信息，右邊為干線在各交叉口處的循環(huán)信號周期時長，紅、藍斜線之間的綠燈時長即為綠波帶，根據(jù)該配時方案，通途路可以實現(xiàn)雙向綠波交通，其中由西向東方向綠波帶寬29 s，由東向西方向綠波帶寬34 s。綠波時距圖中反映出各交叉口相對于關鍵交叉口的相位差，其中通途路與滄海路交叉口為關鍵交叉口，相位差為0，其余交叉口的相位差為自身相位相對其他關鍵交叉口的相位差值。

優(yōu)化后各交叉口的相位組合和相位順序可以在其配時設置(Timing Setting)中獲得，以中興路為例，圖3為通途路與中興路交叉口在一個周期時長內(nèi)的相位組合順序圖，如圖2所示。

圖2　相位組合順序圖

由圖2可以看出，通途路與中興路交叉口在一個信號周期內(nèi)先后經(jīng)歷了六種相位組合，每一個相位組合用箭頭表示該相位組合中車輛放行的方向，即該方向此時為綠燈，其余未顯示箭頭方向則為紅燈。例如，第一個相位組合表示為車輛放行方向為南北直行方向，其余方向則為紅燈。

Simtraffic軟件是Synchro系列中的一款交通仿真應用軟件，通過設置交通組成、車輛特性、車型比例、駕駛員特性等，通過Synchro得出的協(xié)調(diào)信號配時方案進行仿真模擬，可以得出各個交叉口的車輛延誤、車輛排隊、停車總時長等評價信息以及整個路網(wǎng)的行駛車速、總延誤以及能源消耗等信息。圖3為通途路與中興路交口的交通仿真模擬圖。

圖3　交叉口仿真模擬圖

通過Synchro以及Simtraffic軟件對干線路網(wǎng)進行協(xié)調(diào)優(yōu)化配時以及道路仿真，可以得出在優(yōu)化信號配時后的通途路，各交叉口延誤率、路網(wǎng)平均車速、車輛排隊現(xiàn)象相比現(xiàn)狀已得到顯著改善，并能夠保證路網(wǎng)中部分車流實現(xiàn)綠波交通。

由于高峰時段的交通量過大已超出現(xiàn)有道路的通行能力，僅通過對信號配時的優(yōu)化難以從根本上解決交通擁堵和車輛排隊，因此需要結(jié)合重新規(guī)劃路網(wǎng)、道路擴建或提及改造等共同解決交通問題。

5結(jié)語

利用SimTraffic軟件進行交通道路仿真，獲得模擬后通途路干線交通的各交叉口延誤率、路網(wǎng)平均車速以及車輛排隊等評價指標，得出結(jié)果利用Synchro信號配時軟件可以顯著改善干線交通，部分車流能夠?qū)崿F(xiàn)綠波交通。然而對于交通量過大，通過信號配時優(yōu)化僅提高道路通行能力，難以徹底消除道路擁堵和車輛排隊現(xiàn)象，需結(jié)合其他手段綜合治理，才能從根本上解決交通擁堵問題。

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The application of optimization of multi intersection signal based on the synchro

BAI Long1,BAI Fang-shu1,YANG Kai2

(1.Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300051,China;2.Dalian University

of Technology Road Engineering Research Institute,Daling 116024,China)

Abstract:This paper provided a method to optimize multi intersection signal based on the Synchro,and described the basic principle of Synchro and the main control factors of green traffic. In the case of Tongtu Road(part from Xurong Road to Canghai Road) in Ningbo,paper introduced a method of multi Road intersection signal timing coordination control and obtained the traffic timing scheme and Green wave time distance graph. After the traffic simulation by SimTraffic, the results showed that the intersection delay rate, average vehicle speed, vehicle queuing phenomenon had been significantly improved, part of the traffic flow cound realize the green wave traffic.

Keywords:traffic engineering; traffic control; coordinated control; multi intersection; Synchro

中圖分類號：U492

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)01-0132-03

作者簡介：白龍(1989-)，男，河北滄州人，助理工程師，研究方向：道路與鐵道工程。

收稿日期：2015-09-16