干线交叉口信号协调控制优化设计及评价分析

张宇宁 王景升

摘要：文章以辽宁省大连市长春路干线中部的三个交叉口为实例，基于干线信号协调控制的基本原理与方法，对各交叉口的信号配时进行优化设计，并运用PTV Vissim、Vistro等仿真软件对优化方案进行仿真评价分析，取得了较好的效果。

关键词：干线协调;信号配时;交通调查;仿真评价

中图分类号：U491. 5+1 文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 043

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0163 - 04

0 引言

近年来，随着机动车保有量的井喷式增长，越来越多的城市通勤高峰受到不同程度的拥堵威胁，干线道路作为城市道路的“主动脉”，其重要性不言而喻。因此，结合实地情况，实现干线交叉口协调控制对城市道路交通管理与控制具有重要价值。

本文结合干线协调基本原理与方法，通过大连市长春路干线信号协调控制实例，设计优化方案，并利用PTV Vissim、Vistro等仿真软件，对优化效果进行评价。

1 干线信号协调控制的设计思路

1.1 干线信号协调控制的工作原理

干线信号协调是连接干道上相邻交叉口的交通信号，通过特定的配时方案，使车辆在通过这些交叉口时，不会经常遇上红灯，从而提升通行效率的一种交通控制方式[1]。

1.2 干线信号协调的基本步骤

1.2.1 优化周期

根据单点控制配时方法，利用韦伯斯特公式计算各交叉口周期，选取周期最长的交叉口作为关键交叉口，而关键交叉口的周期就是系统的共同周期[2]。

1.2.2 确定绿灯时间

利用等饱和度（或不等饱和度）算法确定关键交叉口与非关键交叉口在协调方向上以及非协调方向上的绿灯时间。

1.2.3 确定绿波速度

绿波的推进速度V是研究干线协调的一个重要参数，它取决于路段上车流的平均空间速度。

1.2.4优化相位差

常见的优化方法有图解法、数解法。

（1）图解法

图解法的基本思路是：通过几何作图的方法，反复调整通过带速度和周期时长，最终获得理想的绿波带宽。

（2）数解法

数解法的本质是通过寻找使得系统中各实际信号距理想信号的最大挪移量最小来获得最优相位差控制方案的方法[3]。

1.3 干线信号协调的意义及注意事项

交叉口信号间的协调优化，使得交通流在交叉口处遇到绿灯信号时而不停车等待[4]。应用干线信号协调控制后与应用前相比，将会显著降低车辆的停车延误时间，提升整条干线的交通流量和服务水平，避免交通堵塞，减少污染[5]。其中，实现“绿波交通”的关键是精确设计相邻交叉口之间的相位差[6]。

但并非任何情况都可以采用干线协调控制。实践表明，有的路口为保证一定的绿波带宽而损失非干线方向绿灯时间致使车辆延误时间增加，通行能力反而下降。因此在优化时，也需要考虑非干线车流的影响，为车流提供均等的服务[7]。

2 干线信号协调控制优化方案设计

长春路是连接大连市内四区的交通要道，交通量较大，沿途有三个重要的交叉口，由北向南依次为民政街一长春路交叉口、中山路一长春路交叉口、五四路一民政街交叉口。三个交叉口的信号配时数据如表1所示。

在调查时发现，高峰期南北方向车辆受红灯阻滞现象严重，五四路一长春路北进口排队的车辆甚至会溢出至下一交叉口（即中山路一长春路交叉口）。如图1所示。

利用前期采集的流量数据，计算各进口道流率比，依据等饱和度原理，计算出优化后的各相位绿灯时间，具体数据如表2所示。

2.1 优化方案一

2.1.1 确定共同周期、绿信比

根据各交叉口的交通量和饱和流量，利用韦伯斯特公式对各交叉口进行单点优化：

2.1.2 确定绿波推进速度、相位差

鉴于3个路口间距分别为184 m、153 m，路口间距较小，故采用同步式协调控制，即在同一时刻，相邻交叉口对干道车流显示相同的灯色，相位差为零，车流推进速度拟为40 km/h，接近城市道路车速的上限值。

2.2 优化方案二

2.2.1 确定协调控制的共同周期、绿信比

考虑到方案一中关键交叉口（五四路一长春路）的南北方向左转车流对干线协调的影响过于显著，故在高峰期对五四路一长春路交叉口南北方向采取禁左的措施，在满足行人过街要求的最小绿灯条件下，改变五四路一长春路交叉口的相位后，重新对其进行单点优化。具体数据如表3所示。

2.2.2 确定相位差

对南北干线采用交互式信号协调，即当行驶时间t为信号周期C/2的整数倍时，可获得双向绿波交通，t作为两交叉口的相位差：

t12= t21 =K C/5

（2）

式中：

t12——上行行駛时间（s）;

t21 ——下行行驶时间（s）;

C——共同信号周期（s）。

双向相位差t12=t21=O，t23=t32= 68/2= 34 s，车流推进速度为33 km/h。民政街一长春路与中山路一长春路交叉口相位差为0，五四路一长春路交叉口相位差为34 s。

在此基础上利用图解法，进一步优化相位差。为方便表述，依次给交叉口进行编号，五四路一长春路、中山路一长春路、民政街一长春路依次记为A、B、C，横坐标反应各交叉口之间的距离，纵坐标反应时间过程，各竖线上的粗线段表示绿灯时段，细竖线表示红灯时段，具体步骤如下：

（1）从A点引一条斜线，代表速度推进线，其斜率等于车辆平均速度的倒数。此斜线与BB'上的交点设为D，B-D段即A、B交叉口的相位差。

（2）不断改变各交叉口绿灯时间、车速，直至绿波带宽达到最大。

由图2生成最后的绿波通行带，算出带速约为30 km/h，带宽为19 s，为周期时长的28%。

3 干线信号协调控制优化方案仿真评价

3.1 优化方案的静态评价

Vistro是由德国PTV公司研制开发，提供交通工程与交通规划评估研究的软件，其中包含评估所需全部工具，是一种静态交通评价软件[8]。为检验实行干线协调后的绿波带效果，选取Vistro仿真软件，对实行线控后的绿波带宽度进行分析评价（见表4和图3～4）。

由此可以看出，在绿波带宽相差不大的情况下，方案二由于共同周期小，带宽效率明显高于方案一，优化效果更佳。

3.2 优化方案的动态评价

PTV Vissim是一个离散的、随机的、以1/10 s为时间步长的微观仿真模型软件。其中，车辆的纵向运动采用了心理一生理跟车模型，横向运动（车道变换）采用了基于规则（Rule- based）的算法。Vissim仿真软件用于描述交通行为的参数主要有：车辆参数、换道参数、强制换道参数、跟驰行为参数、横向行为参数等[9]。

由于本文主要关注干线的通行状况，故选取交叉口延误、行程车速、停车次数三个重要指标进行优化方案的对比分析。为方便记录，将民政街一长春路、中山路一长春路、五四路一长春路交叉口分别编号为1、2、3。如表5～7所示。

由表5～7可以看出，协调后车辆通过交叉口的停车次数、停车延误基本都有所降低，行程车速大幅度提升。

相比于优化方案一，方案二的各项指标值在整体上都有更大程度的改善，说明该方案具有更强的优越性。但该方案也存在一定问题，即实行禁左后车辆的绕行距离可能会加大，可选取区域路网通行能力为评价指标，分时段禁左，减少车辆绕行给其他道路带来的交通压力。鉴于篇幅有限，在此不做展开。

4 结语

通过对长春路干线的调查和分析，优化交叉口配时并相应地辅以渠化措施，利用PTV Vissim，Vistro交通仿真软件标定参数，辅助分析模型，取得了较好的优化效果。但由于受到交叉口间距的限制，在相位差优化方式的选择上具有一定的局限性，各类相位差优化方法及其适用条件还有待于进一步研究。

参考文献

[1]于吴坤.道路交通干线协调控制信号配时方法研究及应用[D].南京：东南大学，201 5.

[2]贺冰花.城市干线交通信号协调控制优化与仿真研究[D].西安：长安大学，2014.

[3]栗红強.城市交通控制信号配时参数优化方法研究[D].长春：吉林大学，2004.

[4]胥勇.城市干线信号协调控制方法研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[5]臧利林，贾磊，罗永刚.交通干线相邻交叉口动态协调控制研究[J].公路交通科技，2007（7）：103 -106，1 58.

[6]王炜，过秀成.交通工程学[M].南京：东南大学出版社，2000.

[7]张亮.流量不对称信号交叉口干线协调控制方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[8]臧志刚，陆锋，李海峰，等.7种微观交通系统的性能评价比较研究[J].交通与计算机，2007，25（1）：66 - 70.

[9]褚建萍.典型城市信号交叉口通行能力及交通仿真分析[D].西安：长安大学，2009.

作者简介：张宇宁（1996-），硕士研究生，研究方向：交通管理工程;

王景升（1970-），副教授，研究方向：交通管理工程。

基金项目：国家科技支撑计划课题项目“振兴城市智能交通管理规划”（2013BAG18BOO）