淮上大道與解放路交叉口信號(hào)控制方法研究

張斌斌 周宇林 張權(quán) 岳彩林 陳家旭

摘 要：以淮上大道與解放路交叉口為研究對(duì)象，針對(duì)該交叉口存在的交通問題，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，以交通流為控制單元，提出相適應(yīng)的控制策略，并通過燈組自主優(yōu)化控制算法設(shè)計(jì)控制預(yù)案后應(yīng)用實(shí)施，最后總結(jié)應(yīng)用效果，并對(duì)比分析交叉口優(yōu)化前后的平均車速及平均延誤數(shù)據(jù)，闡明本文提出的控制策略能夠明顯提高交叉口通行效率，解決交叉口實(shí)際問題。該案例為城市信控交叉口的信號(hào)控制優(yōu)化提供了方法指導(dǎo)和借鑒參考。

關(guān)鍵詞：信號(hào)控制;交通流;燈組自主優(yōu)化控制算法;控制預(yù)案

中圖分類號(hào)：U491.23;U491.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.048

本文著錄格式：張斌斌，周宇林，張權(quán)，等.淮上大道與解放路交叉口信號(hào)控制方法研究[J].軟件，2021，42（02）：154-158

Study on Signal Control Method of Intersection of Huaishang Avenue and Jiefang Road

ZHANG Binbin1， ZHOU Yulin1， ZHANG Quan1， YUE Cailin2， CHEN Jiaxu2

（1.Anhui Keli Information Industry CO.，Ltd.， Hefei? Anhui? 230088;

2.Anhui Province Key Laboratory of Intelligent Transportation， Hefei? Anhui? 230088）

【Abstract】：Taking the intersection of Huaishang Avenue and Jiefang Road as the research object， aiming at the traffic problems existing in the intersection， based on the full investigation， taking the traffic flow as the control unit， this paper puts forward the appropriate control strategy， designs the control plan through the independent optimization control algorithm of the signal group， and then applies it to the implementation. Finally， it summarizes the application effect， and compares and analyzes the average vehicle load before and after the optimization of the intersection The speed and average delay data show that the control strategy proposed in this paper can significantly improve the traffic efficiency of the intersection and solve the practical problems of the intersection. The case provides method guidance and reference for signal control optimization of urban signalized intersection.

【Key words】：signal control;traffic flow;signal group self optimization control algorithm;control plan

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升，人民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的逐漸升級(jí)，汽車保有量不斷增長(zhǎng)，并呈明顯上升的趨勢(shì)。隨之而來的，是城市交通面臨的巨大挑戰(zhàn)，交通擁堵、安全問題成為常態(tài)，也增加了交通管理者的管理成本。道路交叉口作為道路交通網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)樞紐[1]，解決交叉口問題，是治堵、緩堵、保障交通安全的關(guān)鍵。合理地對(duì)交叉口進(jìn)行信號(hào)優(yōu)化，能夠大大地提升道路通行效率，同時(shí)，由區(qū)域面統(tǒng)籌到交叉口點(diǎn)的控制[2]，是解決區(qū)域交通問題的重點(diǎn)。

截至2018年4月底，蚌埠市全市的汽車保有量為35.2萬輛，市區(qū)汽車保有量為16.4萬輛，交通擁堵問題也日益凸顯。為交叉口制定匹配的信號(hào)控制策略[3]，自然成為交通管理的要點(diǎn)。因此需針對(duì)路口本身的特征及問題，探索相適應(yīng)的交通優(yōu)化策略與方法[4]。

1淮上大道與解放路交叉口概況

本文研究的對(duì)象為淮上大道與解放路交叉口，淮上大道是淮河北岸東西向的商貿(mào)、物流軸，解放路是城市重要縱軸。該交叉口是蚌埠市中心與淮上區(qū)銜接的重要節(jié)點(diǎn)路口，附近有國(guó)購(gòu)廣場(chǎng)商圈及眾多產(chǎn)業(yè)、物流園，早晚高峰有眾多車輛通過該路口。且交叉口南側(cè)為淮河大橋，從雙向四車道漸變到橋上的雙向兩車道，形成道路瓶頸，極大降低了整體路口的通行效率。交叉口俯視布置圖見圖1。

2 淮上大道與解放路交叉口現(xiàn)狀分析

通過流量采集數(shù)據(jù)及路口實(shí)際調(diào)研，獲取現(xiàn)狀的配時(shí)（表1）及全天各進(jìn)口交通流量。早高峰（7：30～9：30）期間路口主要車流量集中在南北直行、南口左轉(zhuǎn)和東口左轉(zhuǎn);晚高峰（17：30～18：20）期間主要車流方向?yàn)楸笨谥毙?、東口左轉(zhuǎn)和西口右轉(zhuǎn);18：20之后西口右轉(zhuǎn)車輛逐漸減少，主要車流為北口直行和東口左轉(zhuǎn)。

2.1全天現(xiàn)狀分析

全天執(zhí)行的定時(shí)方案雖然不會(huì)引起擁堵，但定時(shí)控制下，信號(hào)配時(shí)無法根據(jù)根據(jù)車輛到達(dá)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，因而導(dǎo)致“綠燈空放、綠時(shí)不足”等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，增加了路口停車延誤，大大降低路口通行效率。例如南進(jìn)口左轉(zhuǎn)與直行通放情況下，當(dāng)南進(jìn)口無放行需求，仍空放綠燈。

2.2早高峰現(xiàn)狀分析

早高峰階段南口左轉(zhuǎn)及直行車流量都較大，只有一條左轉(zhuǎn)車道，形成排隊(duì)后，排隊(duì)過長(zhǎng)至淮河大橋，導(dǎo)致直行車輛擁積在橋上，無法通過“頸部”進(jìn)入直行進(jìn)口車道，在先放直行后放左轉(zhuǎn)的現(xiàn)狀路口信號(hào)放行規(guī)則下，南口直行通行效率受到極大影響。但由于路口施劃了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，先放左轉(zhuǎn)再放直行的放行規(guī)則與道路渠化相悖，早高峰交通現(xiàn)狀詳見圖2。

2.3晚高峰現(xiàn)狀分析

晚高峰階段，北進(jìn)口往主城區(qū)的直行車輛較多，同樣，由于道路自身?xiàng)l件限制[5]，存在橋梁與道路形成的瓶頸，多車道變成少車道，且下游的主城區(qū)內(nèi)交叉口疏散能力有限，導(dǎo)致南出口出現(xiàn)溢出的現(xiàn)象，東進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛及西進(jìn)口右轉(zhuǎn)車輛的不斷匯入，更加劇了溢出消散的減緩。溢出現(xiàn)象發(fā)生以后波及整個(gè)交叉口，四個(gè)進(jìn)口的通行均受到影響。隨著時(shí)間推移，如擁堵不能有效控制，交通溢出將會(huì)逐步擴(kuò)散到周邊多個(gè)交叉口，晚高峰交通現(xiàn)狀詳見圖3。

3交通控制策略

3.1全天執(zhí)行燈組控制

非高峰期間，交叉口整體交通流量不大，但各進(jìn)口車輛到達(dá)具有隨機(jī)性。利用檢測(cè)器檢測(cè)各方向進(jìn)口車道的實(shí)時(shí)車輛，并結(jié)合感應(yīng)控制的方法進(jìn)行信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的感應(yīng)控制方法，雖然能夠很大程度提高綠燈利用率，但固定相位的組合，仍然限制了交叉口通行效率的提升。例如在南北直行放行階段，南方向直行持續(xù)有車輛放行請(qǐng)求，而北方向直行已無車輛，造成北方向的直行綠燈損失。

本文利用基于燈組控制的燈組自主優(yōu)化控制算法，實(shí)現(xiàn)交通流的靈活組合，最大效率地提升交叉口綠燈利用率，減少延誤，實(shí)時(shí)燈組控制流程詳見圖4。

3.2排隊(duì)長(zhǎng)度控制預(yù)案

針對(duì)早高峰易出現(xiàn)的交通現(xiàn)象，設(shè)計(jì)排隊(duì)長(zhǎng)度控制預(yù)案，相當(dāng)于“溢出控制”增加放行方向。在南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車道設(shè)置排隊(duì)檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)左轉(zhuǎn)車排隊(duì)達(dá)到檢測(cè)點(diǎn)，判定左轉(zhuǎn)排隊(duì)到達(dá)“容許排隊(duì)長(zhǎng)度”。南進(jìn)口左轉(zhuǎn)排隊(duì)長(zhǎng)度控制策略詳見圖5。

（1）當(dāng)南進(jìn)口方向開始放行時(shí)，檢測(cè)到南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)達(dá)到容許排隊(duì)長(zhǎng)度，優(yōu)先放行南進(jìn)口左轉(zhuǎn)，并根據(jù)實(shí)際車流情況，放行與不沖突的交通流，提高綠燈利用率;

（2）當(dāng)南進(jìn)口方向開始放行時(shí)，檢測(cè)到南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)未達(dá)到容許排隊(duì)長(zhǎng)度，按原方案交通流放行順序（先直行）放行，并根據(jù)實(shí)際車流情況自適應(yīng)放行;

（3）考慮到各方向存在左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，需保證最后放行交通流包含左轉(zhuǎn)交通流，避免左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)車輛滯留造成交叉口安全隱患。

3.3分級(jí)溢出控制預(yù)案

針對(duì)晚高峰易出現(xiàn)的溢出現(xiàn)象，設(shè)計(jì)分級(jí)溢出控制預(yù)案，相當(dāng)于“溢出控制”減少放行方向。晚高峰南出口存在交通擁堵較嚴(yán)重的一種交通狀態(tài)，即交叉口過飽和狀態(tài)造成溢出，此時(shí)，車輛到達(dá)率超過了交叉口的通行能力。本文利用溢出檢測(cè)器，對(duì)溢出進(jìn)行判定，控制涌入交通流，實(shí)現(xiàn)溢出現(xiàn)象的有效控制，同時(shí)有利于減緩進(jìn)入主城區(qū)的車輛駛?cè)?，緩解主城區(qū)道路的交通壓力。

南出口設(shè)置兩處溢出檢測(cè)：溢出檢測(cè)位置1和溢出檢測(cè)位置2，并設(shè)置溢出檢測(cè)器占有率閾值，作為判定溢出的條件，南出口檢測(cè)器布局詳見圖6。

（1）當(dāng)車輛堵塞至溢出檢測(cè)處1時(shí)，對(duì)西進(jìn)口右轉(zhuǎn)和東進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)行控制：1）控制西進(jìn)口右轉(zhuǎn)信號(hào)燈為紅燈，禁止西進(jìn)口右轉(zhuǎn)車輛匯入;2）路口不具備誘導(dǎo)屏等提示設(shè)備，無法阻止東進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)，假如溢出時(shí)完全禁止東進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛通行，將導(dǎo)致左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)等待車輛影響整體交叉口車輛通行。因此，溢出產(chǎn)生時(shí)控制東進(jìn)口左轉(zhuǎn)交通流放行最小綠燈時(shí)間。

（2）當(dāng)車輛堵塞至溢出檢測(cè)位置2時(shí)，對(duì)北進(jìn)口直行車輛進(jìn)行控制：控制北進(jìn)口直行信號(hào)燈為紅燈，禁止北進(jìn)口直行車輛匯入。

當(dāng)各溢出檢測(cè)位置占有率閾值降低到設(shè)定值以下，退出相應(yīng)的溢出控制，溢出控制策略見圖7。

4應(yīng)用實(shí)施及效果分析

利用以交通流為控制單元燈組自主優(yōu)化控制算法，實(shí)現(xiàn)交通控制策略的應(yīng)用。

4.1路口檢測(cè)器及信號(hào)燈布局

如圖8所示，表示1號(hào)檢測(cè)器，1～30為機(jī)動(dòng)車檢測(cè)器，39為排隊(duì)檢測(cè)器，40～47為溢出檢測(cè)器;表示1號(hào)信號(hào)燈，圓形為機(jī)動(dòng)車燈，編號(hào)為1～8和13～16;表示21號(hào)信號(hào)燈，橢圓為行人信號(hào)燈，編號(hào)為21～24。實(shí)際路口采用微波檢測(cè)器布設(shè)檢測(cè)點(diǎn)位。

4.2應(yīng)用效果

（1）該路口全天應(yīng)用燈組自主優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了燈組的靈活組合和優(yōu)化控制，相位組合不再單一固定，大大降低了綠燈空放的現(xiàn)象的出現(xiàn)，充分利用了綠燈時(shí)間，提高了整體交叉口的通行效率。

（2）早高峰南進(jìn)口左轉(zhuǎn)排隊(duì)過長(zhǎng)情況下，南進(jìn)口優(yōu)先放行左轉(zhuǎn)，直行車輛能夠順利進(jìn)入直行車道，降低了直行綠燈期間車輛離散性，增加了直行綠燈時(shí)間的利用率，并有效緩解瓶頸段造成的直行與左轉(zhuǎn)車輛交織造成的擁堵。

（3）晚高峰南出口的溢出現(xiàn)象不再發(fā)生。以往發(fā)生溢出時(shí)，往往交通管理者需要人力進(jìn)行干預(yù)，避免造成路口的鎖死性擁堵。溢出控制策略的實(shí)施應(yīng)用，在提高其他交通流通行效率、交叉口整體安全性的同時(shí)，也解放了警力。

4.3數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為分析路口應(yīng)用效果，對(duì)比分析優(yōu)化前后的交叉口內(nèi)平均車速、平均停車百分?jǐn)?shù)和平均延誤，如圖9。

如表2、表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：

（1）優(yōu)化后，路口全天平均速度提升了6%，早高峰平均速度提升了3.4%，晚高峰平均速度提升了5.3%;

（2）優(yōu)化后早高峰平均停車百分?jǐn)?shù)降低7%，平均延誤降低10.3%;晚高峰平均停車百分?jǐn)?shù)降低5%，平均延誤下降11%;

（3）優(yōu)化后早高峰南進(jìn)口平均停車百分?jǐn)?shù)降低16%，平均延誤降低了27.8%;晚高峰北進(jìn)口平均停車百分?jǐn)?shù)上升了8%，平均延誤上升了10.7%。

5 結(jié)語

針對(duì)淮上大道與解放路交叉口制定的交通控制策略，并應(yīng)用靈活的基于燈組控制的燈組自主優(yōu)化控制算法進(jìn)行控制策略的實(shí)施，大大提高了該路口的綠燈利用率。并利用排隊(duì)控制及溢出控制預(yù)案的設(shè)置，解決了早晚高峰交通流干擾導(dǎo)致的通行效率低以及交通溢出問題。該案例的交通控制策略及應(yīng)用方法對(duì)城市交叉口信號(hào)控制優(yōu)化具有參考價(jià)值。

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