城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制關鍵問題研究與實踐

李亞軍

摘 要：城市干線道路作為城市路網的重要組成部分，其通暢與否直接影響整個城市路網運行的效率。傳統(tǒng)城市道路干線交通信號協(xié)同控制方法注重交通運行個體研究，沒有細致考慮干線交叉口信號協(xié)調優(yōu)化控制的核心關鍵，由于城市道路交通需求在空間上存在分布不均勻、干線道路相鄰交叉口間車流行駛速度具有隨機波動的特性，因此干線交通信號協(xié)調優(yōu)化沒有達到理想的實踐效果。通過研究城市干線交通流運行過程，利用紅綠燈數學建模對城市干線交通流運行狀態(tài)與實際情況進行合理擬合，系統(tǒng)分析干線行駛車輛在干線各交叉口延誤情況的內在規(guī)律，提出了城市道路干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制的關鍵問題，這對改善城市交通擁擠狀況、提高公安交通管理部門的城市交通管理和服務能力具有重要的學術意義和實踐價值。

關鍵詞：城市主干道；交通信號；協(xié)調控制；紅綠燈模型

The study and practice on key problems of traffic signal coordination and optimization control of urban arterial road

LI Yajun

（Gansu Police Vocational College，Lanzhou730046，China）

Abstract： Urban trunk road as an important part of urban road network， its smooth or not directly affect the efficiency of the entire city road network operation. The traditional urban road trunk road traffic signal coordination control method pays great attention to the individual research of traffic operation， and does not consider the core key of signal coordination and optimization control of trunk intersection. Because of the uneven distribution of urban road traffic demand and the random fluctuation of traffic flow speed in the intersections of trunk roads， the coordination and optimization of trunk traffic signals has not achieved the desired effect. This paper studies the running process of urban trunk traffic flow and uses traffic lights mathematical modeling to reasonably simulate the running status and actual situation of urban trunk traffic flow. By analyzing the main vehicle in the inner mechanism of the trunk line each intersection delay case， puts forward the main city road traffic signal coordination control of key problem. This has the positive practical significance to the improvement urban traffic crowds condition， enhances the main line road service ability.

Keywords： Urban trunk road；traffic signal；coordinated control；traffic light model

1城市干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制關鍵問題研究背景和意義

1.1研究背景

隨著我國道路交通系統(tǒng)的日益發(fā)展完善，城市主干線在保證城市社會經濟正?；顒拥姆矫嫫鸬搅嗽絹碓街匾淖饔?，以城市主干道、城市快速路為代表的主干線交通猶如人體動脈血管發(fā)揮的作用，直接影響著干線周邊大范圍路網的交通運行狀態(tài)。目前，提高城市主干線交通運行效率最有效的辦法是對干線交通信號進行協(xié)調優(yōu)化控制，使其盡量保證主干線交通流的連續(xù)性和通暢性，但由于我國各大城市主干線所在路網與次干線之間大部分是平交路口，因此在對主干線進行交通信號協(xié)調優(yōu)化時，必須考慮次干線交通運行狀態(tài)以及周邊路網的交通需求和交通流時空分布。常見的城市主干線交通信號優(yōu)化控制研究思路是根據主干線道路周邊交通環(huán)境條件，對所有交叉口進行統(tǒng)一分組考慮，對沿線交通信號系統(tǒng)控制策略采取以聯(lián)動形式為特征的系統(tǒng)控制方案。這種交通信號系統(tǒng)控制思路從整體形式上符合干線信號協(xié)調控制的思路和要求，但實際運行操作過程是以相鄰兩個交叉口之間的個體交通流為研究目標，缺失干線信號協(xié)調控制核心問題的研究和運用。具體表現(xiàn)在干線交通流出現(xiàn)上游通暢下游堵塞；干線信號紅燈下車輛排隊長度是否與實際道路交通情況相適應；干線綠燈亮起時交叉口滯留車輛消散所占用時間與信號周期是否相協(xié)調。由此可見，城市道路干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制問題研究應當從基于過程的研究導向轉變?yōu)榛趩栴}的研究導向，這樣才能符合交通運行實際狀況。

1.2研究意義

在城市交通管理工作中，對城市主干線進行交通信號優(yōu)化協(xié)調控制是目前最為常見的方式，通常意義上來講，城市主干線連續(xù)交叉口之間的交通流運行過程，表象上遇到的紅燈越少，停車次數越少，這條主干線的通暢程度越好、運行效率越高，也就是所謂的“綠波帶”信號控制思路。但是實際情況是城市干線交通流從不飽和的某一個時刻起，這種“綠波帶”信號控制效果逐步呈現(xiàn)出衰減的現(xiàn)象，而且衰減程度隨信號周期推移和交通流密度增加越來越大，造成這種現(xiàn)象既有宏觀的交通流量增加，車輛在主干線的空間和時間占有率增加的原因，也有微觀的個體車輛運行過程急減速、左轉彎車流引起交通沖突、突發(fā)交通事件影響交通流穩(wěn)定狀態(tài)的原因。因此，要實現(xiàn)干線信號協(xié)調控制應當放眼干線整體，以整體交通流為研究目標按交叉口順序系統(tǒng)分析干線信號協(xié)調關鍵問題，確定系統(tǒng)信號周期、車輛排隊長度、車流消散耗時之間的關聯(lián)性，采取科學合理、與實際交通運行狀態(tài)高度擬合的信號協(xié)調控制方案，這樣才能使通過該區(qū)段主干線的交通流最大限度的順暢，信號控制系統(tǒng)達到最佳的運行效果。

2基于紅綠燈模型的干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制關鍵問題研究

對于干線信號協(xié)調優(yōu)化控制而言，其最主要的功能和作用是在時間上對交通流進行合理分配，使干線車輛和交叉口其它車輛根據所設的相位在信號周期內最大限度的利用通行時間，提高信號周期的時間占用率和交叉口的空間占用率。對于主干線連續(xù)的交叉口而言，上游交叉口在綠燈亮起后交通流以飽和的運行狀態(tài)大體上按照車輛排隊次序駛向下游交叉口，如果以整體干線交通流運行狀態(tài)為研究目標，合理計算消除由于上游紅燈亮起車輛排隊造成的延誤和綠燈亮起時車輛排隊消散造成的時間延誤，使干線車流盡可能達到無需停車、超車形成穩(wěn)定交通流的運行狀態(tài)，這樣就系統(tǒng)全面的兼顧考慮到了上下游交通流是否一直通暢、紅燈下車輛排隊長度是否與實際道路交通情況是否向擬合、綠燈亮起時滯留排隊車輛消散時間是否會引起干線信號協(xié)調控制效果衰變等關鍵問題。因此，本文利用交通流守恒模型對城市干線交通流運行狀態(tài)進行定性描述，通過建立干線紅綠燈模型對交通流量、速度、密度三者之間的關系進行分析研究，精確量化的提出城市道路干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制的關鍵問題。

2.1交通流守恒基礎理論模型的建立

2.1.1引入三個基本函數

流量q（x，t）：時刻t單位時間內通過點x的車輛數。

密度ρ（x，t）：時刻t點x處單位長度內的車輛數。

2.2城市主干線紅綠燈模型的系統(tǒng)建立與關鍵問題的確定

2.2.1模型的建立求解

當路況、車流密度均保持不變時，改善交通狀況的關鍵便在于對交叉口交通流的管理，因此有必要研究在紅綠燈下的車流模型。為方便起見，設交通信號燈置于x=0處，若原來城市主干道上的交通流處于穩(wěn)定狀態(tài)，設初始密度f（x）為常數，某時刻紅燈一亮，信號燈前面（x>0）的車輛繼續(xù)行駛，而后面（x<0）的車輛則一輛輛的逐步在交叉口形成堵塞，等紅燈熄滅綠燈亮起的時候，被堵塞的車輛快速地向前行駛，如何利用車流密度函數的變化來描述這一過程；紅燈期間排隊等候通過交叉口的車隊長度有多長；綠燈亮起后被堵塞的車輛多長時間才能追上遠離的車隊；多長時間后堵塞狀態(tài)才會消失交通恢復正常，這就是紅綠燈模型需要研究分析的問題。紅綠燈的變化必然引起密度函數ρ（x，t）的間斷，故可以應用間斷線方程來研究間斷點處的情形，而其余點處仍可用交通流守恒方程（式5）（式6）。

3紅綠燈模型在干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制的創(chuàng)新應用

3.1提高城市主干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制的運行效率

在城市主干線運行的車流在行經連續(xù)交叉口時受到紅燈停車、排隊延續(xù)、綠燈起步、排隊消散等各種交通流因素的影響；還受到運行過程中意外交通沖突、不定交通事件等其他因素的影響。如果在干線下游的交叉口設置偏小的相位差，干線上游交通流在運行過程中會空當；如果設置偏大的相位差，干線上游靠前的交通流在運行過程中會出現(xiàn)受阻現(xiàn)象。因此在干線交通信號協(xié)調控制方案的實際操作運行過程中，交通流的運行狀態(tài)與模擬仿真實驗的結果會有較大出入，上述情況都會造成交通流運行的不穩(wěn)定，車輛出現(xiàn)停車、堵塞等現(xiàn)象，這就是產生交通流運行延誤的根源。由于紅綠燈研究的交通流對象從微觀轉向宏觀，模型在干線協(xié)調控制中的運用將上述影響進行了考慮，將干線下游交通信號協(xié)調優(yōu)化效果衰減的效果進行了適度的縮小，優(yōu)化控制思路以保障交通流運行的連貫性和穩(wěn)定性為前提，由此，干線交叉口交通信號控制的效率得到了較大的提高。

3.2為城市主干線主動式交通信號優(yōu)化方式提供有效支撐

目前運用較為普遍的交通信號優(yōu)化控制方式是建立在城市主干線交通流信息集成采集后通過經驗算法進行信號協(xié)調控制的思路，這種被動的管理控制方法存在最大的問題是控制優(yōu)化策略永遠滯后于現(xiàn)實的交通運行狀況，因此對于城市主干線路網交通需求的時空分布調節(jié)發(fā)揮的功效有限，特別是交通流密度接近飽和狀態(tài)下，這種控制方式無法在源頭上對干線交通擁堵問題進行有效的應對和解決。當前較為先進的城市主干線主動式交通信號優(yōu)化控制方式的核心原理是采用預先估算仿真模擬的思想來緩解城市主干線交通擁堵問題，而紅綠燈模型通過對城市主干線交通流車輛運行特性進行系統(tǒng)研究，從宏觀層面對主干線及其周邊路網的交通需求時空分布進行計算，通過對交通流排隊時間、車流消散時間、交叉口交通流恢復時間的準確把握，為主動式城市主干線信號協(xié)調優(yōu)化控制技術提供了有效的交通信號配時參數支持。

3.3為實現(xiàn)城市主干線綠波帶信號控制提供簡化的模型算法

現(xiàn)行的干線綠波帶信號控制優(yōu)化協(xié)調算法通常設定的前提是在干線內運行的車輛按照相同的行車速度均勻行駛，但實際情況是在干線不同交叉口區(qū)段內車輛運行的行車速度有較大差別，如果按照傳統(tǒng)的經驗模型算法，就需要對整個綠波帶信號優(yōu)化控制系統(tǒng)進行調節(jié)，而調節(jié)后的干線交通流運行效果需要一段時間才能反映出來，在此過程中隨著交通流量和車流密度的變化，綠波帶信號優(yōu)化控制會產生新的問題，這樣以來就陷入一個無休止的調整、適應、再調整、再適應過程。紅綠燈模型以交通流整體為研究對象，以交通流排隊時間、車流消散時間、交叉口交通流恢復時間為研究導向，可以直接根據實際情況利用模型求解，避免了繁瑣復雜的計算過程，同時可以將模型進一步延伸變換成以停車次數為參數的間接反映車輛延誤的模型，全面系統(tǒng)的描述干線綠波信號控制下的交通流運行效果，因此紅綠燈模型不僅為綠波信號控制提供了簡化的模型算法，而且通過變換為準確描述干線交通流運行提供了更為全面的參數。

4基于紅綠燈模型的城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制實踐

2018年10月至2019年10月，蘭州市公安局交警支隊根據基于紅綠燈模型的城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制策略和方法，對蘭州市城關區(qū)重點交叉口和周邊街區(qū)的交通主干道共22個交叉口進行基于在線仿真的大范圍路網主動式交通信號控制優(yōu)化，其中20個路口采用于道協(xié)調控制方案優(yōu)化的方式，另外對12條干道采用區(qū)域協(xié)調控制優(yōu)化的方式。通過道路交通信號控制系統(tǒng)對路網交通信號控制方案優(yōu)化，城市主干線和交叉口都取得了良好的協(xié)調控制效果，達到了城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制方案優(yōu)化預期的技術指標，道路通行能力得到了有效提升，收到了明顯的應用效果、取得了良好的社會反應。

4.1平峰時段城市主干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制的運行效果評估

（1）平峰時段對信號控制方案進行優(yōu)化后，平均停車次數減少35.7%，達到平均停車次數減少30%的要求；

（2）平峰時段對信號控制方案進行優(yōu)化后，交叉口延誤減少31.2%，達到平局交叉口延誤減少30%的要求；

（3）平峰時段對信號控制方案進行優(yōu)化后，路段行程時間減少24.8%，達到平均路段行程時間減少20%的要求。

4.2高峰時段城市主干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制的運行效果評估

（1）晚高峰時段對信號控制方案進行優(yōu)化后，平均停車次數減少30.4%，達到平均停車次數減少30%的要求；

（2）平峰時段對信號控制方案進行優(yōu)化后，路段行程時間減少22.8%，達到平均路段行程時間減少20%的要求。

5結語

城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制的研究一直是國內外交通流研究的關鍵問題。本文介紹了城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制關鍵問題的研究背景，分析了該研究對于城市交通管理工作的理論意義和實際意義。在較好擬合城市主干線交通流運行實際情況的前提下，通過利用交通流守恒模型建立紅綠燈模型，通過模型求解確定了城市道路干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制需要研究的關鍵問題，同時歸納總結出了紅綠燈模型在干線交通信號優(yōu)化控制研究中的實踐運用價值，同時將基于紅綠燈模型的城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制技術在蘭州市的應用，對有效效果進行了綜合評價，取得了預期的效果。由此可見，基于紅綠燈模型的城市干線道路交通信號協(xié)調優(yōu)化控制關鍵問題研究，一方面能夠提升城市干線交通信號協(xié)調優(yōu)化控制技術的研究層次和應用水平，更加系統(tǒng)全面、高效的實現(xiàn)城市智能交通發(fā)展目標。另一方面能夠提高公安交通管理部門在城市交通管理中的科技應用水平，更好的實現(xiàn)交通管理和服務職能。

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