天津市城市交通信號(hào)宏觀控制戰(zhàn)略研究與應(yīng)用

天津市公安交通管理局交通工程科技研究所 劉少堂 張 海 任 超

本文從天津市道路交通特征出發(fā)，依托天津市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的多種控制方式，靈活利用各種交通信號(hào)控制系統(tǒng)的控制方式特點(diǎn)，探討研究天津市城市交通信號(hào)整體控制戰(zhàn)略，用以實(shí)現(xiàn)天津市城市中心區(qū)的交通信號(hào)控制戰(zhàn)術(shù)，達(dá)到對(duì)整個(gè)城市交通有效控制的目的。通過(guò)合理科學(xué)地設(shè)計(jì)應(yīng)用城市整體信號(hào)控制戰(zhàn)略，提高城市交通信號(hào)控制水平，從交通信號(hào)控制系統(tǒng)角度提升城市路網(wǎng)的運(yùn)行效率，改善城市道路交通環(huán)境。

引言：先進(jìn)的城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的建設(shè)為實(shí)現(xiàn)城市交通智能化控制奠定了基礎(chǔ)，使得多種控制方式適應(yīng)不同的交通特征成為可能，為解決城市交通問(wèn)題，改善城市交通環(huán)境提供了有效的技術(shù)手段。

在城市交通管理控制中，交通設(shè)計(jì)師對(duì)于城市道路交叉口的設(shè)計(jì)，一般通過(guò)合理設(shè)計(jì)道路交叉口的渠化和控制方式，借助各類(lèi)檢測(cè)設(shè)備提高信號(hào)控制的適應(yīng)性，使得城市道路交叉口滿(mǎn)足交通流變化的需要；而針對(duì)城市交通干道的交通控制，一般采取綠波控制的方式提高城市干道的通行效率；對(duì)區(qū)域交通控制的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用更多的關(guān)注是多條道路的相交協(xié)調(diào)。而這些研究和應(yīng)用也僅僅局限在微觀和中微觀層面，對(duì)于城市整體的交通信號(hào)控制卻往往被忽略。對(duì)于整個(gè)城市宏觀層面的控制戰(zhàn)略的研究不足一般會(huì)導(dǎo)致一個(gè)路口、一條道路、一個(gè)區(qū)域的運(yùn)行效率提高了，卻造成其它區(qū)域的交通問(wèn)題更加突出。交通問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，單獨(dú)解決一個(gè)方面的問(wèn)題往往引起其它方面的問(wèn)題更加突出，顧此失彼。所以，對(duì)于城市的整體交通控制需要進(jìn)行宏觀層面的規(guī)劃，研究城市整體的控制戰(zhàn)略，在戰(zhàn)略方針的指引下，實(shí)施戰(zhàn)術(shù)控制，才能更好的發(fā)揮交通信號(hào)控制系統(tǒng)的功能，對(duì)城市交通實(shí)施有效的控制。

1.天津市交通信號(hào)控制系統(tǒng)建設(shè)

作為城市智能交通系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，交通信號(hào)控制系統(tǒng)是城市交通控制的主要手段，是實(shí)現(xiàn)城市交通智能化控制的根本保證。我國(guó)絕大部分大中型城市已經(jīng)建立了先進(jìn)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)，以減少路口停車(chē)次數(shù)、延誤時(shí)間及環(huán)境污染，提高城市交通運(yùn)轉(zhuǎn)效率。天津市自2013年初開(kāi)始全面建設(shè)中心城區(qū)交通信號(hào)控制系統(tǒng)，鋪裝地磁檢測(cè)器10000余個(gè)，中心城區(qū)有1500個(gè)路口已經(jīng)納入信號(hào)控制系統(tǒng)，所有燈控路口實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)集中控制，完全運(yùn)行在自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制模式下。 依托完善的檢測(cè)系統(tǒng)和系統(tǒng)自身優(yōu)化算法全面實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)智能化控制，天津市整體交通信號(hào)控制水平實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)，大大緩解了城市中心城區(qū)交通擁堵?tīng)顩r，使城市的道路交通環(huán)境有了明顯的改善。在這種情況下，研究城市宏觀交通信號(hào)控制戰(zhàn)略用以指導(dǎo)路口、道路、區(qū)域乃至整個(gè)城市范圍的交通控制戰(zhàn)術(shù)參數(shù)設(shè)定顯得更為重要。

2.天津市道路交通特征

在歷史沿革的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)，天津市中心城區(qū)的路網(wǎng)骨架基本形成，主要由四條環(huán)線（由內(nèi)到外依次為內(nèi)環(huán)線、中環(huán)線、快速環(huán)線、外環(huán)線）和十九條射線交織而成，形成“四環(huán)十九射”的道路格局，如圖1所示。其中，內(nèi)環(huán)線全長(zhǎng)15.21公里，由十一徑路、曲阜道、南京路等8條道路圍合而成，現(xiàn)有交叉路口54個(gè)。途經(jīng)3座橋梁；中環(huán)線全長(zhǎng)34.49公里，由紅星路、東興路、圍堤道等5條道路圍合而成，現(xiàn)有交叉路口76個(gè)。途經(jīng)14座橋梁；外環(huán)線全長(zhǎng)71.44公里，由外環(huán)東路、外環(huán)南路、外環(huán)西路、外環(huán)北路圍合而成，現(xiàn)有交叉路口81個(gè)。途經(jīng)23座橋梁；城市快速路已建成段全長(zhǎng)約130公里（其中快速環(huán)路長(zhǎng)48.9公里），現(xiàn)有立交橋32座，匝道133條，出入口173個(gè)；十九條射線包括友誼南路、衛(wèi)津南路、紅旗南路、復(fù)康路等主干道路。天津的城市主干路網(wǎng)由環(huán)形和放射形道路組成，因此其控制戰(zhàn)略也突出地反應(yīng)在保證環(huán)線暢通和射線進(jìn)出有別方面。

圖1 天津市路網(wǎng)布局示意圖

高德發(fā)布的擁堵數(shù)據(jù)顯示，天津市擁堵指數(shù)較高的區(qū)域仍然集中在中環(huán)線圍合的74平方公里區(qū)域。交通量發(fā)生相對(duì)集中，區(qū)域內(nèi)道路交叉口基本處在飽和或超飽和狀態(tài)，有效控制進(jìn)出這一區(qū)域的交通流量，使這一區(qū)域的交通路網(wǎng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，是制定天津市交通信號(hào)控制戰(zhàn)略的重點(diǎn)。

3.天津市交通信號(hào)控制戰(zhàn)略

交通運(yùn)行系統(tǒng)具有復(fù)雜的時(shí)空特征，但也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在空間方面，交通需求分布是城市路網(wǎng)空間布局的重要影響因素，路網(wǎng)空間布局又會(huì)反作用于交通需求分布，交通需求與路網(wǎng)空間特征對(duì)城市交通運(yùn)行規(guī)律的體現(xiàn)是可以相互印證的。天津市的交通信號(hào)控制戰(zhàn)略基于城市路網(wǎng)特征和交通流特征在空間和時(shí)間兩個(gè)維度進(jìn)行控制戰(zhàn)略的設(shè)計(jì)。

3.1 空間交通信號(hào)控制戰(zhàn)略

天津市的主干路網(wǎng)為環(huán)線和射線相結(jié)合模式，環(huán)線承擔(dān)集散交通和貫通交通，射線承擔(dān)進(jìn)出中心城區(qū)交通，承擔(dān)全市51%以上的交通量。因而，在空間維度的交通信號(hào)控制戰(zhàn)略主要基于環(huán)線和射線、城市快速路三個(gè)空間層面進(jìn)行制定。

3.1.1 環(huán)線交通信號(hào)控制戰(zhàn)略

天津市內(nèi)環(huán)線、中環(huán)線、外環(huán)線共包含燈控路口156個(gè)，全市的交通流量將近40%分布于環(huán)線，擁堵點(diǎn)位也基本分布于三個(gè)環(huán)線上，保證環(huán)線的通行效率將對(duì)全市的交通平穩(wěn)高效運(yùn)行提供有力的保障，因此天津市城市交通信號(hào)控制戰(zhàn)略的重點(diǎn)也在環(huán)線的交通信號(hào)控制環(huán)節(jié)。環(huán)線交通流流向涉及城市的各個(gè)方向，無(wú)進(jìn)出中心城區(qū)之分，保障環(huán)線交通流的雙向快速流動(dòng)，減少路口停車(chē)次數(shù)和延誤時(shí)間為主要控制目標(biāo)，因此戰(zhàn)略上采取分段設(shè)置雙向綠波控制的方式，使環(huán)線車(chē)流雙向流動(dòng)起來(lái)，如圖2所示。

內(nèi)環(huán)線交通以集散交通為主，車(chē)流通過(guò)相交干道和次干道路網(wǎng)疏散到周?chē)姓⑸虅?wù)、生活區(qū)，車(chē)流無(wú)明顯潮汐特征。高峰時(shí)段交通控制以交通流無(wú)溢出為目標(biāo)，以相鄰路口雙向綠波協(xié)調(diào)控制達(dá)到“擁而不堵”的平衡狀態(tài)；平峰時(shí)段交通控制以交通流通暢運(yùn)行為目標(biāo)，通過(guò)雙向綠波協(xié)調(diào)控制提升交通運(yùn)行效率。中環(huán)線道路交通特征與內(nèi)環(huán)線類(lèi)似，但路口間距較大，與重要射線相交路口交通集散功能突出。對(duì)中環(huán)線總體控制掌握以重要集散節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)，建立雙向綠波協(xié)調(diào)區(qū)間段，區(qū)段間實(shí)現(xiàn)有機(jī)銜接，延伸綠波帶長(zhǎng)度。隨著外環(huán)線的北部調(diào)線工程的完工、全天禁行貨運(yùn)機(jī)動(dòng)車(chē)措施的實(shí)施以及環(huán)城四區(qū)的快速發(fā)展，外環(huán)線的交通功能已經(jīng)與中環(huán)線趨于一致。但由于外環(huán)線遠(yuǎn)離中心城區(qū)，具有開(kāi)闊的路口間距，與射線相交路口適宜作為進(jìn)入中心城區(qū)的控流節(jié)點(diǎn)設(shè)置。因此，外環(huán)線上交通信號(hào)控制以相距較近的相鄰路口進(jìn)行雙向綠波協(xié)調(diào)控制，與射線交叉口作為控流節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

圖2 天津市環(huán)線雙向綠波控制示意圖

3.1.2 快速路交通信號(hào)控制戰(zhàn)略

快速路位于中環(huán)線和外環(huán)線之間，是環(huán)市貫通城市的的快速交通通道（圖3）。快速路交通信號(hào)控制戰(zhàn)略基于保障快速路交通通行功能，提高快速路通行效率為控制目標(biāo)。具體實(shí)施過(guò)程中根據(jù)入口容車(chē)量、匝道長(zhǎng)度設(shè)置不同的控制方略，大部分入口和匝道采用通行無(wú)控制的方式，以保證城市快速路應(yīng)有的交通功能。高峰擁堵時(shí)段采取短時(shí)部分入口和匝道信號(hào)控制，使車(chē)流斷續(xù)進(jìn)入，減少對(duì)主路交通的影響，減少對(duì)快速路整體交通飽和度的影響。

圖3 天津市中心城區(qū)快速路平面圖

3.1.3 射線交通信號(hào)控制戰(zhàn)略

對(duì)于射線的控制主要考慮進(jìn)出交通總量控制，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)形成閘口，通過(guò)截流實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)交通總量適中、均衡，使中心城區(qū)路網(wǎng)交通流均衡、維持有效運(yùn)轉(zhuǎn)，減少擁堵的發(fā)生。射線上控制以高峰快出慢進(jìn)、平峰雙向通暢為原則（圖4）。

在高峰時(shí)段，射線道路協(xié)調(diào)控制以降低車(chē)流進(jìn)城速度，加快車(chē)流出城速度為總控制原則：對(duì)于進(jìn)城流量明顯高于出城流量的射線道路，在路口防溢流精細(xì)配時(shí)優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)行進(jìn)城紅波協(xié)調(diào)控制，均衡分布流量于各個(gè)交叉口，對(duì)其他進(jìn)出城流量特征的道路實(shí)行出城單向綠波協(xié)調(diào)控制。在平峰時(shí)段，射線道路協(xié)調(diào)控制以道路雙向行駛通暢為目標(biāo)，實(shí)行雙向綠波協(xié)調(diào)控制。

圖4 天津市放射線干道高峰時(shí)段濾波控制示意圖

3.2 時(shí)間交通信號(hào)控制戰(zhàn)略

時(shí)間控制戰(zhàn)略基于交通流特征制定。通常情況下，每日的交通出行變化發(fā)生于工作時(shí)段和非工作時(shí)段，這兩個(gè)時(shí)段作為日常時(shí)間維度控制的主線。而由于限行措施、特殊事件、節(jié)假日也會(huì)造成交通出行發(fā)生變化，因此，提出特殊時(shí)間段的控制作為時(shí)間維度控制的輔助。

3.2.1 工作時(shí)段交通信號(hào)控制策略

工作時(shí)段實(shí)際上就是系統(tǒng)的日常控制階段，是系統(tǒng)控制的主要層面，有效實(shí)施工作時(shí)段的交通信號(hào)控制是提升城市交通信號(hào)控制效能的關(guān)鍵。我們將工作時(shí)段分為高峰時(shí)段和平峰時(shí)段，不同時(shí)段交通控制戰(zhàn)略目標(biāo)多樣化。高峰時(shí)段以交通運(yùn)行擁而不堵為目標(biāo)，利用外控內(nèi)疏、防溢流協(xié)調(diào)控制，使交通壓力均衡分布，避免交通秩序失控。平峰時(shí)段以交通運(yùn)行連續(xù)通暢為目標(biāo)，利用雙向綠波協(xié)調(diào)控制技術(shù)，提高車(chē)流運(yùn)行的連續(xù)性和駕駛舒暢度，減少停車(chē)次數(shù)和車(chē)輛停車(chē)延誤。

3.2.2 非工作時(shí)段交通信號(hào)控制策略

夜間非工作時(shí)段，控制車(chē)速、減少路口等候時(shí)間和增加行人安全性為目標(biāo)，通過(guò)路口配時(shí)精細(xì)化設(shè)置縮短行人和機(jī)動(dòng)車(chē)路口等待時(shí)間，通過(guò)非連續(xù)綠波協(xié)調(diào)控制避免車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間不停車(chē)行駛導(dǎo)致車(chē)速過(guò)高。同時(shí)，大型路口晚間（22：30至6：00）啟動(dòng)行人按鈕控制，以滿(mǎn)足行人安全過(guò)街為主要控制原則。

3.2.3 特殊時(shí)段交通信號(hào)控制戰(zhàn)略

特殊時(shí)段包括節(jié)假日出行時(shí)段、交通管制時(shí)段，主要影響到特定的區(qū)域道路交通環(huán)境的改變，引起交通流量的驟然增加和減少。針對(duì)這些局部和有限時(shí)間段的影響，交通信號(hào)控制以臨時(shí)控制預(yù)案為手段，即臨時(shí)提高區(qū)域交叉口的最大周期、調(diào)整綠信比方案為應(yīng)對(duì)策略，事件過(guò)后即行恢復(fù)原有控制策略。

4.交通信號(hào)控制戰(zhàn)略的實(shí)施

由于天津市的交通信號(hào)控制系統(tǒng)仍處在大規(guī)模建設(shè)過(guò)程中，先行落實(shí)控制戰(zhàn)略是首要環(huán)節(jié)。在城市交通控制宏觀戰(zhàn)略確立的情況下，依據(jù)控制戰(zhàn)略指導(dǎo)新建的道路交叉口進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)計(jì)和設(shè)定。天津市中心城區(qū)面積約為430平方公里，涉及1500個(gè)道路交叉口，實(shí)施城市整體交通信號(hào)控制戰(zhàn)略是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，通過(guò)截流控制節(jié)點(diǎn)、分流控制節(jié)點(diǎn)、緩沖控制節(jié)點(diǎn)、銜接控制節(jié)點(diǎn)等控制功能的設(shè)計(jì)，使每個(gè)路口根據(jù)地理位置和交通特征在城市整體交通控制中發(fā)揮不同的作用，進(jìn)而形成一個(gè)有機(jī)的控制整體，高效運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)天津市城市交通控制宏觀戰(zhàn)略控制目標(biāo)，系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中遵循先宏觀后微觀的原則，首先，在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中著手實(shí)施整體控制戰(zhàn)略，依據(jù)總體戰(zhàn)略對(duì)控制子區(qū)、協(xié)調(diào)周期、協(xié)調(diào)相位差等參數(shù)進(jìn)行同步設(shè)置。其次，系統(tǒng)大規(guī)模建設(shè)基本完成后，經(jīng)過(guò)一年的試運(yùn)行，根據(jù)交通流量的改變和運(yùn)行的效果評(píng)估，逐年進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，包括子區(qū)的重新劃分，協(xié)調(diào)控制參數(shù)的重新設(shè)置等。具體來(lái)講，全面考慮環(huán)線射線交叉口的作用定位，確定重點(diǎn)路口的控制功能，圍繞重點(diǎn)路口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整體控制策略的實(shí)施。實(shí)施過(guò)程中，制定實(shí)施時(shí)間表，從中心城區(qū)選定一條路、一個(gè)區(qū)域開(kāi)始優(yōu)化，因而向周邊延伸，最終完成整個(gè)城市的交通信號(hào)控制戰(zhàn)略的實(shí)施工作。