城市道路多交叉口協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)與仿真研究

李鑫星+++郭文榮

摘 要：文章在對(duì)北京市朝陽(yáng)區(qū)小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口進(jìn)行實(shí)地交通調(diào)查的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多交叉口交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案。通過(guò)交通仿真軟件TransModele3.0對(duì)交通信號(hào)控制方案進(jìn)行仿真以及對(duì)仿真結(jié)果的綜合分析，文章所設(shè)計(jì)的多交叉口協(xié)調(diào)控制方案能夠降低各交叉口的車輛延誤，提高車輛的通行效率，取得了良好的交通控制效果。

關(guān)鍵詞：多交叉口；協(xié)調(diào)控制方案；交通仿真；Transmodeler；通行效率

1 概述

隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，機(jī)動(dòng)車保有量呈現(xiàn)迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，隨之而來(lái)城市的交通負(fù)荷和交通擁堵日益加劇。作為交通擁堵的主要發(fā)生地，城市交叉口匯集了大量的車輛和行人，如何采取行之有效的交通信號(hào)控制方案對(duì)其進(jìn)行交通控制，對(duì)于提高交叉口的通行效率，緩解擁堵，具有重要的意義。

文章所研究的交叉口是位于北京市朝陽(yáng)區(qū)北四環(huán)東路附近的三個(gè)相鄰交叉口（小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口），由于這些交叉口地處北四環(huán)附近，周圍交通便利，生活休閑設(shè)施發(fā)達(dá)，來(lái)往的車輛和行人較多，在交叉口經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)擁堵和車輛排隊(duì)的現(xiàn)象，造成了通行效率的下降，因此，需要對(duì)這些交叉口的交通控制方案進(jìn)行研究和改進(jìn)，以提高交叉口的交通控制水平。由于這三個(gè)交叉口在東西方向相鄰，位于同一條線路上且距離較近，因此適合采用干線協(xié)調(diào)控制方式，通過(guò)設(shè)計(jì)各交叉口之間相互協(xié)調(diào)的信號(hào)配時(shí)方案，可以使車輛盡量以綠燈連續(xù)通過(guò)各交叉口，減少車輛在交叉口的停車和延誤時(shí)間，減少擁堵，提高交叉口的通行效率，具有積極的作用。

2 交叉口概況

文章所研究的小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口位于北京市朝陽(yáng)區(qū)北四環(huán)東路以北，為東西方向相鄰的交叉口，如圖1所示。其中，小營(yíng)路交叉口南側(cè)為北四環(huán)的惠新東橋，北側(cè)為小營(yíng)北路，交通較發(fā)達(dá)，購(gòu)物便利，來(lái)往的行人和車輛較多。小營(yíng)西路交叉口緊鄰小營(yíng)路交叉口西側(cè)，屬于小型交叉口，周邊有餐館、便利店、住宅區(qū)等，其行駛的車流主要集中在東西方向，南北方向車流量較少，行人不多。北苑路交叉口是三個(gè)交叉口中最大的一個(gè)交叉口，附近主要有地鐵、銀行、飯店、酒店等等，交通發(fā)達(dá)，生活?yuàn)蕵?lè)設(shè)施完善，行人和車輛較多，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模排隊(duì)，易造成交通擁擠情況。這三個(gè)交叉口彼此距離較近，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)車輛排隊(duì)現(xiàn)象，因此需要設(shè)計(jì)交叉口之間的協(xié)調(diào)信號(hào)控制方案以提高通行效率。

3 交通調(diào)查

3.1 路網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)調(diào)查

通過(guò)實(shí)地調(diào)查，獲得了小營(yíng)路、小營(yíng)西路以及北苑路交叉口及其周邊道路的路網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，包括各交叉口及其周邊道路的車道類型、數(shù)量、車道長(zhǎng)度和車道寬度等數(shù)據(jù)，并通過(guò)Transmodeler3.0交通仿真軟件建立了路網(wǎng)交通仿真模型，如圖2所示。

3.2 交通流量與飽和流量調(diào)查

采用錄像法對(duì)小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口在仿真時(shí)段14：00-16：00的交通流量和高峰時(shí)段的飽和流量進(jìn)行了調(diào)查，并且分車型（小型車、中型車、大型車）進(jìn)行了記錄。 通過(guò)對(duì)交通流量和飽和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理和計(jì)算，得出各交叉口在仿真時(shí)段的交通流量和高峰時(shí)段的飽和流量數(shù)據(jù)，如表1至表3所示。

4 交叉口單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)

交叉口單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)是協(xié)調(diào)信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)， 首先應(yīng)根據(jù)實(shí)際調(diào)查的各交叉口的交流流量數(shù)據(jù)完成各交叉口的單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)，以便使所設(shè)計(jì)的方案能夠滿足實(shí)際交通需求。根據(jù)表1、表2和表3中所調(diào)查的小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口的各進(jìn)口交流流量和飽和流量數(shù)據(jù)，完成各交叉口的相位方案設(shè)計(jì)和單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)配時(shí)方案的設(shè)計(jì)，信號(hào)配時(shí)方案的計(jì)算采用Webster方法。各交叉口的單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)結(jié)果如表4、表5和表6所示。

5 多交叉口協(xié)調(diào)信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)思路

依據(jù)干線協(xié)調(diào)控制方案的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，在小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口的協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)中需要確定各交叉口的協(xié)調(diào)相位、協(xié)調(diào)控制方式、系統(tǒng)公用周期、各交叉口的協(xié)調(diào)控制配時(shí)方案以及相位差。

根據(jù)小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口的地理位置情況和交通流量情況，將各交叉口的東西方向直行相位作為協(xié)調(diào)相位。由于小營(yíng)路與小營(yíng)西路交叉口的間距為180米，小營(yíng)西路與北苑路交叉口的間距為350米，相鄰交叉口之間的間距不同，應(yīng)根據(jù)不同交叉口的間距和期望車速采用不同的相位差以滿足各交叉口的通行需求，因此確定協(xié)調(diào)控制方式采用續(xù)進(jìn)式協(xié)調(diào)控制方式。在完成以上設(shè)計(jì)后，隨后需完成系統(tǒng)公用周期、各交叉口協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)以及相位差的設(shè)計(jì)，并通過(guò)TransModeler3.0交通仿真軟件對(duì)協(xié)調(diào)控制方案的時(shí)間-距離圖進(jìn)行仿真分析，不斷調(diào)整相位差，以期獲得理想的綠波帶寬。

5.2 系統(tǒng)公用周期

通過(guò)表4至表6中各交叉口單點(diǎn)定時(shí)配時(shí)方案的設(shè)計(jì)結(jié)果可知，小營(yíng)路交叉口的周期（91s）和小營(yíng)西路交叉口的周期（65s）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于北苑路交叉口的周期（167s），因此協(xié)調(diào)控制方案的公用周期適合采用雙周期形式，即：將北苑路交叉口的協(xié)調(diào)周期設(shè)置為小營(yíng)路和小營(yíng)西路交叉口的雙倍。根據(jù)對(duì)各交叉口的周期進(jìn)行分析，最終確定：將小營(yíng)路交叉口的周期（91s）作為基準(zhǔn)單周期，將小營(yíng)西路交叉口的周期調(diào)整為單周期時(shí)長(zhǎng)（91s），將北苑路交叉口周期調(diào)整為雙周期時(shí)長(zhǎng)（182s）。

5.3 小營(yíng)路交叉口協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)

小營(yíng)路交叉口的協(xié)調(diào)相位為第一相位（東西進(jìn)口左/直/右），由于小營(yíng)路交叉口的協(xié)調(diào)周期為其自身的單點(diǎn)定時(shí)配時(shí)方案周期，因此其信號(hào)配時(shí)方案保持不變，該交叉口的協(xié)調(diào)控制方案即為其單點(diǎn)定時(shí)配時(shí)方案，如表4所示。

5.4 小營(yíng)西路交叉口協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)

小營(yíng)西路交叉口的協(xié)調(diào)相位為第一相位（東西進(jìn)口左/直/右）。小營(yíng)西路交叉口調(diào)整后的協(xié)調(diào)周期為91秒，比單點(diǎn)定時(shí)配時(shí)方案的周期（65秒）增加了26秒。各相位綠燈時(shí)間的調(diào)整方案為：保持非協(xié)調(diào)相位（南北進(jìn)口左/直/右）的配時(shí)不變，將增加的26秒分配給協(xié)調(diào)相位（東西進(jìn)口左/直/右），即協(xié)調(diào)相位（東西進(jìn)口左/直/右）的顯示綠燈時(shí)間調(diào)整為30+26=56秒，從而確定了小營(yíng)西路交叉口在該時(shí)段的協(xié)調(diào)控制方案，如表7所示。

5.5 北苑路交叉口協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)

北苑路交叉口的協(xié)調(diào)相位為第一相位（東西進(jìn)口直/右）。北苑路交叉口的協(xié)調(diào)周期為182秒，比單點(diǎn)定時(shí)配時(shí)方案的周期（167秒）增加了15秒。各相位綠燈時(shí)間的調(diào)整方案為：保持三個(gè)非協(xié)調(diào)相位的配時(shí)不變，將增加的15秒分配給協(xié)調(diào)相位（東西進(jìn)口直/右），即協(xié)調(diào)相位（東西進(jìn)口直/右）的顯示綠燈時(shí)間調(diào)整為39+15=54秒，從而確定了小營(yíng)西路交叉口在該時(shí)段的協(xié)調(diào)控制方案，如表8所示。

5.6 相位差的設(shè)計(jì)

利用交叉口之間的距離和平均車速計(jì)算初始相位差（綠時(shí)差），小營(yíng)路和小營(yíng)西路交叉口之間距離為180m，小營(yíng)西路和北苑路交叉口之間距離為350m，期望平均車速：40km/hr，以北苑路交叉口為基準(zhǔn)交叉口，經(jīng)計(jì)算得出小營(yíng)西路與北苑路交叉口之間的初始相對(duì)相位差為32秒，小營(yíng)路和小營(yíng)西路交叉口之間的初始相對(duì)相位差為16秒。

在Transmodeler3.0仿真軟件中，從初始相位差開(kāi)始進(jìn)行各交叉口協(xié)調(diào)控制方案的仿真。通過(guò)對(duì)協(xié)調(diào)控制方案的時(shí)間-距離圖進(jìn)行分析，不斷調(diào)整相位差以獲得較理想的綠波帶寬。通過(guò)對(duì)比分析，最終確定初始相位差的協(xié)調(diào)控制效果較理想。通過(guò)初始相位差的協(xié)調(diào)控制方案得到的時(shí)間-距離圖如圖3所示，西向東方向的綠波帶寬為44秒，東向西方向的綠波帶寬為24秒，平均車速為36.1km/hr，通過(guò)該協(xié)調(diào)控制方案獲得了較理想的綠波帶寬和車輛通行速度。

6 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)Transmodeler3.0交通仿真軟件在小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口的路網(wǎng)仿真模型中對(duì)各交叉口的單點(diǎn)定時(shí)配時(shí)方案和協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行了仿真，仿真3D視圖如圖4所示。

仿真結(jié)束后，對(duì)不同信號(hào)控制方案的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，如表9所示。

從表9中可以看出，協(xié)調(diào)控制方案的各項(xiàng)交通性能指標(biāo)均優(yōu)于單點(diǎn)定時(shí)控制方案。相比單點(diǎn)定時(shí)控制方案，協(xié)調(diào)控制方案使交叉口平均延誤降低了29.7%，平均車速提高了23.21%，平均控制延誤降低了32.86%，平均停車時(shí)間減少了36.66%，交叉口的服務(wù)水平從D級(jí)提高到了C級(jí)，使交叉口的通行效率和交通控制水平得到很大改善。因此，綜合考慮各項(xiàng)交通性能指標(biāo)，本文所設(shè)計(jì)的多交叉口協(xié)調(diào)控制方案取得了較好的交通控制效果。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文基于實(shí)際交通調(diào)查，建立了小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口及其周邊的路網(wǎng)交通仿真模型，設(shè)計(jì)了各交叉口的單點(diǎn)定時(shí)控制方案和協(xié)調(diào)控制方案。通過(guò)Transmodeler仿真軟件對(duì)不同信號(hào)控制方案進(jìn)行仿真以及對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比分析，確定了協(xié)調(diào)控制方案具有更好的控制效果，該方案對(duì)于提高小營(yíng)路、小營(yíng)西路和北苑路交叉口及其周邊的路網(wǎng)通行效率、緩解交通擁堵，將起到積極作用。

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