基于“快出慢進”的城區出入干道的信號協調控制

陳金山,陸立崢,崔金垚,戴劍敏,郭建鋼

(1.福建農林大學交通與土木工程學院；2.福建農林大學計算機與信息學院 ,福建福州350002)

基于“快出慢進”的城區出入干道的信號協調控制

陳金山1,陸立崢2,崔金垚1,戴劍敏1,郭建鋼1

(1.福建農林大學交通與土木工程學院；2.福建農林大學計算機與信息學院 ,福建福州350002)

通過采取“快出慢進”交通協調控制優化策略 ,主線車流早、晚高峰時段的總停車次數比現有的單點信號控制方案分別下降了40%和47%；主線車流由西往東方向的早、晚高峰時段的平均行程車速比現有的單點信號控制方案分別提高了52%和76% ,由東往西方向的早、晚高峰時段的平均行程車速比現有的單點信號控制方案分別提高了105%和163%.表明“快出慢進”的交通管理策略能滿足交通管理需求 ,提高主線車流的運行效率.

快出慢進；信號協調控制；城區；出入干道；綠波帶寬度；總停車次數；平均行程車速

隨著城市化進程的快速發展 ,中心城區與外圍新區聯系日益密切 ,中心城區出入干道在城市經濟社會發展活動中的地位日益突顯.由于實行無差異化的交通管理策略 ,進出交通快速地抵近中心城區各主要出入口 ,導致其與外圍快速通道相銜接的中心城區出入干道交通問題頻發 ,高峰時段出入干道的重要點段已呈常態化的交通擁堵.目前 ,通過交通渠化和單點信號優化控制來緩解和消除該類交通擁堵是最為普遍的處理方法[1－4],但該方法未能從系統的角度精細化地分析出入干道的交通特性 ,適應性、可持續性較差.

近年來 ,干道信號協調控制的研究已較成熟.郭建鋼等[5 ,6]在現有道路交通設施條件下 ,實現干道上信號協調控制 ,有效地提高了主干道的通行能力；陳必太等[7]研究了橋梁兩端交叉口信號協調控制 ,在保證橋梁交通正常通行的情況下有效地降低了橋面車輛的排隊長度；鄧明君等[8]研究了組合放行方式下干路交叉口協調控制優化 ,成功優化了信號協調控制參數(放行方式、各交叉口綠波起始、雙向綠波帶寬等).然而干道信號協調控制方法與出入干道交通特性相結合的應用例子還比較少.本文以福建省泉州市中心城區豐澤街上的3個重要節點為研究對象 ,基于節點的高峰小時交通流量 ,應用Synchro和Vissim仿真軟件 ,采用“快出慢進”的交通管理策略優化城區出入干道的信號協調控制.

1 仿真算法

Synchro軟件是一套完整的城市道路信號配時分析和優化仿真軟件 ,能有效仿真道路通行能力和信號配時優化設計[9－10].軟件通過周期時長、綠信比等參數實現單點信號控制配時方案優化設計(式(1)、式(2))；該軟件基于最優單點信號配時方案 ,通過對信號協調控制系統中不同周期時長的關鍵交通效益指標的比較 ,選取最優交通效益指標(即干道平均行程速度和總停車次數)對應的周期時長作為協調控制系統的最佳周期時長(式(3)、式(4)).選取協調控制系統綠波帶寬度作為最佳指標時 ,行程延誤所對應的相位差也就是協調控制系統的最佳相位差[11],結果見式(5).

周期的計算方法為:

式中 ,C為周期長/s；L為總損失時間/s；CS為關鍵總交通量/(veh?h－1)；RS為參考總流率/ (輛?h－1).

選取最佳周期的方法為:

式中 ,Yi為交通效益評價指標；Y為最佳周期時的目標評價指標；CY為選取的目標評價指標值對應的周期長；C為系統的最優化周期長/s.

路段平均行程速度的計算方法:

式中 ,ν為干道平均行程速度/(km?h－1)；n為統計行程時間的次數；L為研究對象路段長度/km；ti為第i輛車通過路段的行程時間/h.

干道交叉口控制延誤的計算方法:

式中 ,d為交叉口控制延誤/(s?veh－1)；PF為信號協調控制修正系數；X為車道組的飽和度 ,C為信號周期時長 ,S為車道組的通行能力/(s?輛－1) ,g為車道組有效綠燈時間/s ,T為持續分析時間/h ,I為按上游信號燈車輛換車道和調節的增量延誤修正系數 ,d3為增量延誤/s.

相位差的計算方法為:

式中 ,θij為相鄰交叉口直行方向的相位差/s；L為相鄰兩交叉口停止線之間的距離/km；ν為相鄰兩交叉口停止線之間的平均車速/(km?h－1).

2 方案設計

2.1 研究對象

豐澤街是泉州市中心城區東西向的交通性主干道之一 ,東與對外快速通道安吉路銜接 ,其交通運行狀況直接影響到周邊路網的交通運行狀態.本文選取田安路交叉口、刺桐路交叉口、祥遠路交叉口及所在路段 ,進行干道協調控制優化設計 ,路段設計車速為40 km?h－1.研究對象交通幾何結構見圖1.

圖1 研究對象的幾何結構Fig.1 The geometric structure of research object

2.2 數據采集

采用錄像與人工計數相結合的方法調查統計研究對象各個交叉口早高峰(7:30－8:30)和晚高峰(17: 30－18:30)的小時交通量 ,并將其換算為標準小客車后的各個交叉口高峰小時流量 ,結果見表1、2.

表1 早高峰小時流量流向表Table 1 Traffic flow in morning peak-hour pcu?h－1

表2 晚高峰小時流量流向表Table 2 Traffic flow in evening peak-hour pcu?h－1

從表1、2可以發現 ,3個交叉口早、晚高峰時段東西方向直行交通量明顯大于其他方向的交通量 ,可見東西方向直行車流為研究對象主線車流；田安路交叉口和刺桐路交叉口由東往西方向(進城方向)的交通量明顯大于從西往東方向的交通量 ,然而祥遠路交叉口由東往西方向的交通量卻不同程度地小于從西往東方向的交通量；同時刺桐路交叉口東進口道直行交通量明顯大于其他進口道直行交通量.可見由東往西方向直行車流在刺桐路交叉口出現了因有效綠燈時間不足而導致的多次停車現象.現場調研發現 ,為了降低刺桐路交叉口東進口的飽和度 ,減少了其他進口道的有效綠燈時間 ,這會導致刺桐路交叉口西進口道直行綠燈出現閑置和東西進口道左轉車道通行能力不足.因此 ,根據路段的幾何結構、交通流特性和高效控制進出城交通 ,宜采用“快出慢進”的交通管理策略 ,即在保證出城方向交通協調控制達到最佳的條件下 ,最大程度地實現進城方向交通均衡分布、協調控制.

2.3 協調控制方案設計

研究對象的3個交叉口均采用定時式單點信號控制 ,單一的信號配時方案已經無法滿足不同時段交通流的時變特征.本文根據實際的交通流量 ,應用Synchro軟件中單點信號配時優化模塊分別對3個交叉口的單點信號配時方案進行優化設計 ,結果見表3.應用Synchro軟件協調控制優化模塊 ,設定系統最佳周期時長范圍為60－200 s ,分析間隔時長為2 s?次－1,得到調控制優化系統的最佳周期時長 ,通過合理優化相位差進一步調節關鍵相位綠波帶寬度.

表3 各交叉口單點信號控制的最佳周期時長Table 3 Optimal cycle length of single intersection signal control at every intersection s

2.3.1 早高峰時段優化設計 基于早高峰時段的交通量 ,設置東西方向為關鍵相位 ,優先滿足研究對象由西往東相位綠波的要求.由單點信號配時方案優化設計的計算結果(表3)可知 ,刺桐路交叉口的最佳周期時長最大 ,為127 s.因此以該交叉口作為協調控制優化系統的關鍵交叉口 ,應用Synchro軟件協調控制系統優化計算 ,得到如下結果:設計帶速為40 km?h－1,系統共用周期時長為115 s ,相位差分別為70和27 s.早高峰時段信號協調控制的時距圖如圖2所示.

圖2 早高峰和晚高峰信號協調控制優化方案時距圖Fig.2 The time distance diagram of signal coordinated control strategy in morning and evening peak-hour

2.3.2 晚高峰時段優化設計 基于晚高峰時段的交通量 ,設置東西方向為關鍵相位 ,優先滿足研究對象由西往東的相位綠波要求.由單點信號配時方案優化設計的計算結果(表3)可知 ,刺桐路交叉口最佳周期時長最大 ,為113 s.因此以該交叉口作為協調控制優化系統的關鍵交叉口 ,應用Synchro軟件協調控制系統優化計算 ,得到如下結果:設計帶速為40 km?h－1,系統共用周期時長為120 s ,相位差分別為64和116 s.晚高峰時段信號協調控制的時距圖如圖2所示.

3 控制效果分析

基于現狀單點信號配時方案和Synchro軟件得出的不同控制類型的信號配時優化方案 ,應用Vissim軟件對各方案進行模擬仿真.仿真評價結果見表4－6.

表4 研究對象V/C仿真評價結果Table 4 The V/C simulation evaluation results of research objects

表5 研究對象總停車次數仿真評價結果Table 5 The simulation evaluation results of research object total number stops

從表4可以看出 ,優化方案的各個主要交叉口的V/C與現狀方案相比均有一定程度的減少.因此 ,優化方案下各相交路口能夠滿足通行要求 ,有效避免了與主線連接路段產生新的擁堵.從不同類型控制方案總停車次數評價結果(表5)可以看出 ,研究對象采用協調控制優化系統后 ,早高峰和晚高峰總停車次數分別為8037和8654次?h－1,比現狀單點信號控制方案減少了47%和40%.可見 ,通過協調控制能有效減少車輛的停車次數.同時由于采用“快出慢進”的交通管理策略 ,早高峰時段減少的車輛停車次數效果優于晚高峰時段.

表6 主線方向關鍵評價指標仿真結果Table 6 The simulation evaluation results on mainline direction key evaluation indexes

由表6可以看出 ,優化協調控制后早、晚高峰時段由西往東方向的綠波帶寬帶明顯優于由東往西方向 ,可見 ,實現出城方向交通流綠波是“快出慢進”交通管理策略的基本要求.研究對象采用協調控制優化系統后 ,由西往東方向的早、晚高峰時段的平均行程車速分別為29.12和26.12 km?h－1,比現有的單點信號控制方案分別提高了52%和76%；由東往西方向的早、晚高峰時段的平均行程車速分別為26.67和24.23 km?h－1,比現有的單點信號控制方案分別提高了105%和163%.可見 ,“快出慢進”的協調控制策略能有效地提高主線方向的交通運行效率.

4 小結

(1)采用協調控制優化系統后 ,與單點信號控制系統相比 ,早、晚高峰時段路段的總停車次數分別減少了47%和40% ,由東往西方向的早、晚高峰時段的平均行程車速比現有的單點信號控制方案分別提高了105%和163%.說明路段采用協調控制優化系統后 ,有效地減少了車輛的停車次數 ,最大程度上提高了交通流的連續性.

(2)采用協調控制優化系統后 ,在滿足由西往東(出城)方向通行效率的基礎上 ,由東往西(進城)方向的平均行程速度也得到了較大的改善 ,減少了信號控制引起的延誤 ,說明信號協調控制優化系統能有效降低固定延誤.

(3)通過調整協調控制系統的綠波帶寬度 ,采用主線車流“快出慢進”的交通管理策略 ,提高了主線車流的運行效率.

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(責任編輯:葉濟蓉)

Exit and entrance trunk road signal coordinated control of urban region based on fast exit and slow entrance

CHEN Jian-shan1,LU Li-zheng2,CUI Jin-yao1,DAI Jian-min1,GUO Jian-gang1
(1.College of Transportation and Civil Engineering；2.College of Computer and Information Sciences ,Fujian Agriculture and Forestry University ,Fuzhou ,Fujian 350002 ,China)

Compared with the situation single point signal control scheme ,the mainline traffic flow total number of section stops in morning and evening peak-hour reduced by 40%and 47%respectively；the mainline traffic flow average travel speed in morning and evening peak-hour from west to east increased by 52%and 76%respectively ,the mainline traffic flow average travel speed in morn-ing and evening peak-hour from east to west increased by 105%and 163%respectively ,by use of the traffic coordinated control op-timization strategy such as“fast exit and slow entrance”.It suggested that the traffic management strategy could meet the demand of traffic management ,and improve the operation efficiency of mainline traffic flow.

fast exit and slow entrance；signal coordinated control；urban region；exit and entrance trunk road；green wave band-width；total number of stop；average travel speed

U491.51

A

1671-5470(2015)06-0668-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.06.019

2014－12－25

2015－05－12

國家自然科學基金資助項目(41201100)；福建省重點學科建設經費資助項目(6112C1700)；福建省教育廳資助項目(JB13061、JB12082).

陳金山(1977－) ,男 ,講師 ,碩士研究生.研究方向:交通運輸規劃與系統優化.通訊作者郭建鋼(1962－) ,男 ,教授 ,博士.研究方向:智能交通.Email:fafugjg＠126.com.