城市干线道路交通信号协调优化控制关键问题研究与实践

李亚军

摘 要：城市干线道路作为城市路网的重要组成部分，其通畅与否直接影响整个城市路网运行的效率。传统城市道路干线交通信号协同控制方法注重交通运行个体研究，没有细致考虑干线交叉口信号协调优化控制的核心关键，由于城市道路交通需求在空间上存在分布不均匀、干线道路相邻交叉口间车流行驶速度具有随机波动的特性，因此干线交通信号协调优化没有达到理想的实践效果。通过研究城市干线交通流运行过程，利用红绿灯数学建模对城市干线交通流运行状态与实际情况进行合理拟合，系统分析干线行驶车辆在干线各交叉口延误情况的内在规律，提出了城市道路干线交通信号协调优化控制的关键问题，这对改善城市交通拥挤状况、提高公安交通管理部门的城市交通管理和服务能力具有重要的学术意义和实践价值。

关键词：城市主干道；交通信号；协调控制；红绿灯模型

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城市干线交通信号协调优化控制关键问题研究背景和意义

1.1研究背景

随着我国道路交通系统的日益发展完善，城市主干线在保证城市社会经济正常活动的方面起到了越来越重要的作用，以城市主干道、城市快速路为代表的主干线交通犹如人体动脉血管发挥的作用，直接影响着干线周边大范围路网的交通运行状态。目前，提高城市主干线交通运行效率最有效的办法是对干线交通信号进行协调优化控制，使其尽量保证主干线交通流的连续性和通畅性，但由于我国各大城市主干线所在路网与次干线之间大部分是平交路口，因此在对主干线进行交通信号协调优化时，必须考虑次干线交通运行状态以及周边路网的交通需求和交通流时空分布。常见的城市主干线交通信号优化控制研究思路是根据主干线道路周边交通环境条件，对所有交叉口进行统一分组考虑，对沿线交通信号系统控制策略采取以联动形式为特征的系统控制方案。这种交通信号系统控制思路从整体形式上符合干线信号协调控制的思路和要求，但实际运行操作过程是以相邻两个交叉口之间的个体交通流为研究目标，缺失干线信号协调控制核心问题的研究和运用。具体表现在干线交通流出现上游通畅下游堵塞；干线信号红灯下车辆排队长度是否与实际道路交通情況相适应；干线绿灯亮起时交叉口滞留车辆消散所占用时间与信号周期是否相协调。由此可见，城市道路干线交通信号协调优化控制问题研究应当从基于过程的研究导向转变为基于问题的研究导向，这样才能符合交通运行实际状况。

1.2研究意义

在城市交通管理工作中，对城市主干线进行交通信号优化协调控制是目前最为常见的方式，通常意义上来讲，城市主干线连续交叉口之间的交通流运行过程，表象上遇到的红灯越少，停车次数越少，这条主干线的通畅程度越好、运行效率越高，也就是所谓的“绿波带”信号控制思路。但是实际情况是城市干线交通流从不饱和的某一个时刻起，这种“绿波带”信号控制效果逐步呈现出衰减的现象，而且衰减程度随信号周期推移和交通流密度增加越来越大，造成这种现象既有宏观的交通流量增加，车辆在主干线的空间和时间占有率增加的原因，也有微观的个体车辆运行过程急减速、左转弯车流引起交通冲突、突发交通事件影响交通流稳定状态的原因。因此，要实现干线信号协调控制应当放眼干线整体，以整体交通流为研究目标按交叉口顺序系统分析干线信号协调关键问题，确定系统信号周期、车辆排队长度、车流消散耗时之间的关联性，采取科学合理、与实际交通运行状态高度拟合的信号协调控制方案，这样才能使通过该区段主干线的交通流最大限度的顺畅，信号控制系统达到最佳的运行效果。

2基于红绿灯模型的干线交通信号协调优化控制关键问题研究

对于干线信号协调优化控制而言，其最主要的功能和作用是在时间上对交通流进行合理分配，使干线车辆和交叉口其它车辆根据所设的相位在信号周期内最大限度的利用通行时间，提高信号周期的时间占用率和交叉口的空间占用率。对于主干线连续的交叉口而言，上游交叉口在绿灯亮起后交通流以饱和的运行状态大体上按照车辆排队次序驶向下游交叉口，如果以整体干线交通流运行状态为研究目标，合理计算消除由于上游红灯亮起车辆排队造成的延误和绿灯亮起时车辆排队消散造成的时间延误，使干线车流尽可能达到无需停车、超车形成稳定交通流的运行状态，这样就系统全面的兼顾考虑到了上下游交通流是否一直通畅、红灯下车辆排队长度是否与实际道路交通情况是否向拟合、绿灯亮起时滞留排队车辆消散时间是否会引起干线信号协调控制效果衰变等关键问题。因此，本文利用交通流守恒模型对城市干线交通流运行狀态进行定性描述，通过建立干线红绿灯模型对交通流量、速度、密度三者之间的关系进行分析研究，精确量化的提出城市道路干线交通信号协调优化控制的关键问题。

2.1交通流守恒基础理论模型的建立

2.1.1引入三个基本函数

流量q（x，t）：时刻t单位时间内通过点x的车辆数。

密度ρ（x，t）：时刻t点x处单位长度内的车辆数。

2.2城市主干线红绿灯模型的系统建立与关键问题的确定

2.2.1模型的建立求解

当路况、车流密度均保持不变时，改善交通状况的关键便在于对交叉口交通流的管理，因此有必要研究在红绿灯下的车流模型。为方便起见，设交通信号灯置于x=0处，若原来城市主干道上的交通流处于稳定状态，设初始密度f（x）为常数，某时刻红灯一亮，信号灯前面（x>0）的车辆继续行驶，而后面（x<0）的车辆则一辆辆的逐步在交叉口形成堵塞，等红灯熄灭绿灯亮起的时候，被堵塞的车辆快速地向前行驶，如何利用车流密度函数的变化来描述这一过程；红灯期间排队等候通过交叉口的车队长度有多长；绿灯亮起后被堵塞的车辆多长时间才能追上远离的车队；多长时间后堵塞状态才会消失交通恢复正常，这就是红绿灯模型需要研究分析的问题。红绿灯的变化必然引起密度函数ρ（x，t）的间断，故可以应用间断线方程来研究间断点处的情形，而其余点处仍可用交通流守恒方程（式5）（式6）。

3红绿灯模型在干线交通信号协调优化控制的创新应用

3.1提高城市主干线交通信号协调优化控制的运行效率

在城市主干线运行的车流在行经连续交叉口时受到红灯停车、排队延续、绿灯起步、排队消散等各种交通流因素的影响；还受到运行过程中意外交通冲突、不定交通事件等其他因素的影响。如果在干线下游的交叉口设置偏小的相位差，干线上游交通流在运行过程中会空当；如果设置偏大的相位差，干线上游靠前的交通流在运行过程中会出现受阻现象。因此在干线交通信号协调控制方案的实际操作运行过程中，交通流的运行状态与模拟仿真实验的结果会有较大出入，上述情况都会造成交通流运行的不稳定，车辆出现停车、堵塞等现象，这就是产生交通流运行延误的根源。由于红绿灯研究的交通流对象从微观转向宏观，模型在干线协调控制中的运用将上述影响进行了考虑，将干线下游交通信号协调优化效果衰减的效果进行了适度的缩小，优化控制思路以保障交通流运行的连贯性和稳定性为前提，由此，干线交叉口交通信号控制的效率得到了较大的提高。

3.2为城市主干线主动式交通信号优化方式提供有效支撑

目前运用较为普遍的交通信号优化控制方式是建立在城市主干线交通流信息集成采集后通过经验算法进行信号协调控制的思路，这种被动的管理控制方法存在最大的问题是控制优化策略永远滞后于现实的交通运行状况，因此对于城市主干线路网交通需求的时空分布调节发挥的功效有限，特别是交通流密度接近饱和状态下，这种控制方式无法在源头上对干线交通拥堵问题进行有效的应对和解决。当前较为先进的城市主干线主动式交通信号优化控制方式的核心原理是采用预先估算仿真模拟的思想来缓解城市主干线交通拥堵问题，而红绿灯模型通过对城市主干线交通流车辆运行特性进行系统研究，从宏观层面对主干线及其周边路网的交通需求时空分布进行计算，通过对交通流排队时间、车流消散时间、交叉口交通流恢复时间的准确把握，为主动式城市主干线信号协调优化控制技术提供了有效的交通信号配时参数支持。

3.3为实现城市主干线绿波带信号控制提供简化的模型算法

现行的干线绿波带信号控制优化协调算法通常设定的前提是在干线内运行的车辆按照相同的行车速度均匀行驶，但实际情况是在干线不同交叉口区段内车辆运行的行车速度有较大差别，如果按照传统的经验模型算法，就需要对整个绿波带信号优化控制系统进行调节，而调节后的干线交通流运行效果需要一段时间才能反映出来，在此过程中随着交通流量和车流密度的变化，绿波带信号优化控制会产生新的问题，这样以来就陷入一个无休止的调整、适应、再调整、再适应过程。红绿灯模型以交通流整体为研究对象，以交通流排队时间、车流消散时间、交叉口交通流恢复时间为研究导向，可以直接根据实际情况利用模型求解，避免了繁琐复杂的计算过程，同时可以将模型进一步延伸变换成以停车次数为参数的间接反映车辆延误的模型，全面系统的描述干线绿波信号控制下的交通流运行效果，因此红绿灯模型不仅为绿波信号控制提供了简化的模型算法，而且通过变换为准确描述干线交通流运行提供了更为全面的参数。

4基于红绿灯模型的城市干线道路交通信号协调优化控制实践

2018年10月至2019年10月，兰州市公安局交警支队根据基于红绿灯模型的城市干线道路交通信号协调优化控制策略和方法，对兰州市城关区重点交叉口和周边街区的交通主干道共22个交叉口进行基于在线仿真的大范围路网主动式交通信号控制优化，其中20个路口采用于道协调控制方案优化的方式，另外对12条干道采用区域协调控制优化的方式。通过道路交通信号控制系统对路网交通信号控制方案优化，城市主干线和交叉口都取得了良好的协调控制效果，达到了城市干线道路交通信號协调优化控制方案优化预期的技术指标，道路通行能力得到了有效提升，收到了明显的应用效果、取得了良好的社会反应。

4.1平峰时段城市主干线交通信号协调优化控制的运行效果评估

（1）平峰时段对信号控制方案进行优化后，平均停车次数减少35.7%，达到平均停车次数减少30%的要求；

（2）平峰时段对信号控制方案进行优化后，交叉口延误减少31.2%，达到平局交叉口延误减少30%的要求；

（3）平峰时段对信号控制方案进行优化后，路段行程时间减少24.8%，达到平均路段行程时间减少20%的要求。

4.2高峰时段城市主干线交通信号协调优化控制的运行效果评估

（1）晚高峰时段对信号控制方案进行优化后，平均停车次数减少30.4%，达到平均停车次数减少30%的要求；

（2）平峰时段对信号控制方案进行优化后，路段行程时间减少22.8%，达到平均路段行程时间减少20%的要求。

5结语

城市干线道路交通信号协调优化控制的研究一直是国内外交通流研究的关键问题。本文介绍了城市干线道路交通信号协调优化控制关键问题的研究背景，分析了该研究对于城市交通管理工作的理论意义和实际意义。在较好拟合城市主干线交通流运行实际情况的前提下，通过利用交通流守恒模型建立红绿灯模型，通过模型求解确定了城市道路干线交通信号协调优化控制需要研究的关键问题，同时归纳总结出了红绿灯模型在干线交通信号优化控制研究中的实践运用价值，同时将基于红绿灯模型的城市干线道路交通信号协调优化控制技术在兰州市的应用，对有效效果进行了综合评价，取得了预期的效果。由此可见，基于红绿灯模型的城市干线道路交通信号协调优化控制关键问题研究，一方面能够提升城市干线交通信号协调优化控制技术的研究层次和应用水平，更加系统全面、高效的实现城市智能交通发展目标。另一方面能够提高公安交通管理部门在城市交通管理中的科技应用水平，更好的实现交通管理和服务职能。

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