干線交叉口群特性及協調控制方法研究與應用

摘要 該文分析了干線交叉口群的特性，利用最大綠波帶方法中MAXBAND法來構建模型，采用Webster配時法，運用數解法確定最大綠波帶法中相位差。選取南京市軟件大道代表路段為研究對象，對研究對象的現狀信號配時、交通流量以及車道渠化等各項關鍵交通要素進行分析，運用所選取方法計算各交叉口的信號配時方案，確定出公共周期時長及推導出非關鍵交叉口的信號配時方案。通過Vissim仿真軟件對車輛延誤時間、排隊長度及停車頻次等評價顯示所設計的協調控制方法可以取得較好效果。

關鍵詞 交叉口群；干線控制；協調控制方法；仿真

中國分類號 U491.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0031-03

0 引言

多國學者的深入研究與實踐驗證揭示：確保協調方向綠燈時段充足，能顯著增強交叉路口的通行效能。美國道路通行能力手冊HCM[1]中提道：干線協調控制在城市干線中的應用對于緩解交通擁堵現象及增強道路通行能力具有至關重要的作用。Little及其團隊[2]在優(yōu)化交通信號控制領域引入了MAXBAND策略，專注于“最大綠波控制”理念。Stamatiadis等人[3]在探索交通管理的創(chuàng)新路徑時，依據“最大綠波帶寬”理論，開創(chuàng)性地設計了MULTIBAND控制模型，旨在通過雙向協調，動態(tài)適應道路流量與信號燈時長的個性化需求。以歐海濤在研究中創(chuàng)新性地引入了多智能體協調控制策略為基礎，張磊[4]設計了一種以最大化綠波帶寬為目標的可變帶寬干線控制模型，巧妙融入雙協調相位模型。劉光柱[5]構建了雙向綠波模型，并巧妙利用粒子群優(yōu)化算法（PSO）對該模型進行精煉升級。

1 交叉口群特性分析

遵循既定的交叉口群劃分原則，干線交叉口群展現出以下幾個顯著特點：

（1）卓越的路網連通性與行車路線多樣性共存

在非主干交叉口集群中，任何兩個交匯點之間普遍鋪陳多條暢通路徑，一旦遭遇某路段堵塞，駕駛者可自如擇取順暢之路，有效繞開擁堵困境。

（2）緊密排列的交叉口，塑造車流鮮明的周期性涌入特點

區(qū)別于高速公路流暢不間斷的車流行進，此區(qū)域內的連續(xù)車流因信號燈的周期調控而展現出規(guī)律性的中斷，加之相鄰交叉口的短距離布局，促使車流密集且節(jié)奏感強烈地集體行進，為實施“綠波通行”協調策略提供了理想條件。

（3）路網結構均衡，等級相近，承載力均勻分布

該交叉口群主要構成是次級干道與支線，各級道路水平差異細微，確保了交通流量在各路段間的均衡分配。由于缺乏顯著的主要干道特征，難以直接辨識交通主導流向，故需依賴實時路況來靈活調整交通協調控制的優(yōu)先序列。

2 干線交叉口協調控制方法

最大綠波帶法，旨在通過精密計算，在特定車速區(qū)間內最大化綠燈持續(xù)時間的帶寬度，以此優(yōu)化路口間的相位差配置，確保車輛在干線上享受連續(xù)綠燈的順暢通行體驗。該策略聚焦于城市道路網中的連續(xù)交叉點，核心挑戰(zhàn)在于精準設定相位差，以協調各路口實現車流的最優(yōu)化放行。目前，最大綠波帶法中相位差的確定主要有三種方法：圖形解析法、數值解算法及模型優(yōu)化法[6]。這三大算法應用廣泛，憑借其原理的直觀性與效果的直接可視性，易于為廣大交通管理者所掌握，論文利用模型優(yōu)化法來作為最大綠波協調控制方法中相位差的確定方法，具體如下：

基本MAXBAND模型的原理主要是需要對圖1所示各類參數的處理，該模型通過設計目標函數，并確定一系列框架條件，旨在得到最優(yōu)方案。

圖1展示的時空曲線圖，描述了相鄰交叉路口在綠波協調控制下的參數關聯。其中，實線與虛線所表示的平行通行帶，分別為上行與下行方向，為確保論述的一致性，該文統(tǒng)一以信號周期作為所有時間變量的計量單位。

圖中：B（）——上行或下行信號處紅燈的持續(xù)時間（s）；Si——第i路口信號交匯點；ri（）——上行或下行信號處紅燈的持續(xù)時間（s）；wi（）——擾動因素，其界定的是紅燈終止（或啟動）與銜接的上下行車流綠波時段邊緣的時差（s）；T（h，i）[（h，i）]——從信號交叉口Sh～Si（或反向）的行駛時長（s）；Ф（h，i）

[（h，i）]——信號Sh上行（下行）紅燈中央至信號Si同向紅燈中心的時間間隔（s）；?i——ri與（）中心點間的最近距離（s）；τi（）——干線車流抵達前，排隊車輛完全清空所需時間（s）；C——干線協調控制的周期時段（s）；mi通常選取為周期持續(xù)時間的整數倍。

一旦干線協調系統(tǒng)周期及各交叉口紅燈時長設定妥當，借助線性規(guī)劃模型的精準求解，即可解鎖期望速度區(qū)間（35～40 km/h）內的綠波帶寬度，進而在時間－距離圖譜中細化相鄰交叉點的相位差調節(jié)策略。

3 實例應用

3.1 應用對象

根據實地調研和考察，結合實際流量特征選定為江蘇省南京市軟件大道上的四個交叉口，由西向東分別是軟件大道—西春路、軟件大道—云密路、軟件大道—安德門大街和軟件大道—華為路。

3.2 交叉口現狀分析

根據規(guī)劃的調查時間要求，對上述交叉口的早高峰（7：45～8：45）時段的交通量進行統(tǒng)計。運用RoadGee道路軟件進行數據分析，具體分析內容包括飽和度、延誤時間、排隊長度及交叉口服務水平等，分析結果如下：

（1）軟件大道—安德門大街交叉口

將軟件大道—安德門大街交叉口作為典型交叉口，針對其交叉口各進口不同轉向的交通流量進行統(tǒng)計，同時對不同轉向的通行能力、飽和度、延誤、排隊情況及服務水平計算分析，分析結果如表1所示。由分析可知：該交叉口的平均飽和度S為1.10，平均延誤T為170.7 s/pcu，平均排隊長度為403.3 m，交叉口服務水平

為F。

同理分析可以得到：

（2）軟件大道—西春路交叉口現狀分析

該交叉口的平均飽和度S為1.41，平均延誤T為238.3 s/pcu，平均排隊長度為774.7 m，交叉口服務水平為F。

（3）軟件大道—云密路交叉口現狀評價

該交叉口的平均飽和度S為1.03，平均延誤T為62.7 s/pcu，平均排隊長度為354.6 m，交叉口服務水平為E。

（4）軟件大道—華為路交叉口現狀評價

該交叉口的平均飽和度S為0.78，平均延誤T為70.3 s/pcu，平均排隊長度為130.8 m，交叉口服務水平為E。

3.3 基于MAXBAND模型相位差優(yōu)化的干線信號協調控制設計

在構建的模型基礎之上，借助線性規(guī)劃工具Lingo，對該問題展開了深入求解，具體所需數據細節(jié)，如表2所示。鑒于上行與下行的流量均衡，以及對綠波帶寬近乎等同的需求考量，在此假設上下行帶寬一致，設定k（當交叉口上下流量差異顯著時，引入帶寬比率k）值為1，并依據實際情況，將其實際取值設定為0，主要是考慮同一交叉路口上下的紅燈時長相等的情況。此外，還采用了車輛消散時間參數，其值設定為總時間的5/203比例，同時考慮了車輛行駛速度的合理區(qū)間，即介于30～40 km/h之間，以確保分析的準確性和實用性。

用Lingo求解的結果來看，最優(yōu)的上下行綠波通行最大帶寬為b=0.3276，換算成時間即為67 s，對各個交叉路口而言均效果良好。此外，依據仿真分析結果，獲得了上下行綠波帶中相鄰交叉點之間的相位差具體數據，詳細內容如表3所示。

以軟件大道—西春路為標準交叉口，取絕對相位差，軟件大道—云密路與軟件大道—西春路的絕對相位差是12 s，軟件大道—安德門大街與軟件大道—西春路的絕對相位差是143 s，軟件大道—華為路與軟件大道—西春路的絕對相位差為201 s，通過這些精細調控，成功實現了對軟件大道核心路段的協調管理優(yōu)化。

為進一步驗證控制方案的實際效能，采用VISSIM仿真技術平臺進行仿真檢驗，結果顯示：軟件大道干線在實施信號協調控制前后的變化顯著，尤其是在平均排隊長度、最長排隊長度以及車輛等待時間等方面。經過精心優(yōu)化后，干線的多項性能指標均有提升，突出表現在軟件大道與安德門大街交匯處及軟件大道與華為路交界區(qū)域，其改善效果尤為明顯。

4 結論

論文對干線交叉口群特性及協調控制方法展開研究，具體結論：分析研究了干線交叉口群的特性，剖析了干線協調控制的相關理論與方法；運用最大綠波帶法中的MAXBAND法構建了相關優(yōu)化模型，引入帶寬比率k作為調節(jié)因子，k取值不同相關約束條件亦需同步調整；針對所構建的MAXBAND模型進行實例應用，利用VISSIM模擬了不同控制策略下的交通運行狀況，通過對比分析優(yōu)化實施前后的交通流量分布、排隊等待長度及車輛延誤時間等一系列關鍵性能指標，有力地證明此優(yōu)化方案的實效性與優(yōu)勢。

參考文獻

[1]宋現敏.城市交叉口信號協調控制方法研究[D].長春：吉林大學， 2008.

[2]Little J D C， Kelson M D， Gartner N H. MAXBAND： a program for setting signals on arteries and triangular networks[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board， 1981：40-46.

[3]Stamatiadis C，Gaetner N H.MULTIBAND-96： A Program for Variable-Bandwidth Progression Op-timization of Multiarterial Traffic Networks[J]. Transportation Research Record Journal of the Tr-ansportation Research Board， 1996（1）：9-17.

[4]張磊.變帶速線控模型拓展及應用效果研究[D].青島：青島理工大學， 2010.

[5]劉光柱.動態(tài)雙向綠波優(yōu)化控制研究[D].合肥：中國科學技術大學， 2010.

[6]唐克雙，孔濤，王奮等.一種改進的多帶寬干線協調控制模型[J].同濟大學學報（自然科學版）， 2013（7）：1002-1008.

收稿日期：2024-07-05

作者簡介：錢思雅（2001—），女，本科，研究方向：交叉口群干線協調控制。

通訊作者：溫旭麗（1980—），女，博士，副院長/副教授，研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理。

基金項目：江蘇省教育廳2021年11月江蘇省高等學?；A科學（自然科學）研究面上項目“公共服務均等化視角下城鄉(xiāng)公共交通可達性研究”（21KJD580004）；東南大學成賢學院2023年11月國家級科研項目培育基金項目“雙碳背景下基于多源數據的步行交通設施配置方法研究”（2023NCF001）。