基于Synchro仿真的交叉口渠化与信号配时协调优化

侯 淼，何子伟，贾志绚，杨春霞

（太原科技大学交通与物流学院，山西 太原 030024）

0 引言

交叉口作为城市交通网络中的重要组成部分，是城市交通拥挤的主要发生地，因此合理配置交叉口时空资源是解决交通拥堵问题的有效方法。信号交叉口优化设计包括渠化设计和信号配时设计两方面，前者反映了车道对道路的空间使用权，后者反映了车道对道路的时间使用权，两者相互关联。渠化设计决定配时设计，同时又受配时设计的制约，需要和配时设计反复协调优化。渠化设计、相位相序设计及配时参数的合理性共同决定了交叉口信号控制效果的优劣。在以往交叉口信号配时优化设计中，大部分学者主要关注采用某些优化方法获得较优的信号配时方案，对渠化设计很少考虑[1-3]。事实上，根据配时方案得到的仿真结果对渠化有针对性地进行改进，可更大程度开发交叉口的潜力。因此，本文提出一种考虑交叉口渠化的信号配时协调优化方法，并给出了具体技术路线，最后以太原市典型交叉口为研究对象，对协调优化方案进行了验证。

1 协调优化方法

本文所述协调优化方法分为以下几个步骤。

（1）通过交叉口基础数据调查，利用Synchro仿真软件[4-5]，结合现有渠化形式对现有交叉口信号配时进行评价。如果目前信号配时方案能够满足当前的交通需求，就不需要再进行优化，可以继续为交叉口运行服务；如果不能满足当前的交通需求，则首先考虑对信号配时进行优化，转到第二步。

（2）根据交叉口调查数据，采用Synchro对交叉口进行信号配时优化，如果所得信号配时方案评价结果满足交通需求，可直接将优化的信号配时方案作为推荐方案；如果现有所得新哈配时方案仍不能满足需要，则需考虑进行渠化设计，转到第三步。

（3）对第一步所得信号配时方案进行分析，找到存在问题，并有针对性地对现有渠化进行改进，进一步获得相应的信号配时方案并进行评价。

（4）最后，从第二、第三步配时方案中选择较优的作为最后方案。本文所述协调优化方法考虑到了渠化设计对信号配时的影响，同时易于执行，适用于交通量较大的交叉路口。

2 交叉口现状分析

2.1 交叉口几何现状

本文所选交叉口地处太原市万柏林区兴华西街与和平北路相交路口，路口西北角是文体中心和一所中学，东北角是一大型超市，东南角是邮局和商铺，西南角是商铺，该交叉口位置特殊，人群集中。兴华西街东西进口道的车道数均为6车道，东进口道有4条直行车道，1条左转专用车道和一条右转专用车道，西进口道有3条直行车道，2条左转专用车道和1条右转专用车道。和平北路南北进口车道数均为4车道，3条直行车道和1条专用左转车道，右转车辆转入非机动车道行驶。两条道路的机动车道道路宽度为2.75m，右侧的非机动车道宽度为5.5m，左侧均为3m，本文所选用交叉口的平面示意图如图1所示。

图1 交叉口道路几何现状图

2.2 交叉口交通现状

2.2.1 交通流量现状

对兴华西街-和平北路交叉口进行调查，选取高峰时期有代表性的1h流量数据作为研究的主要依据，流量数据详见表1。

表1 兴华西街-和平北路交叉口高峰时期流量表

从表1可以看出，东西方向直行车辆占很大比重，西进口道的左转车辆也比较多，而且比东西方向直行车辆多。南北进口道的车辆流量不大但由于靠近购物中心，自行车、行人较多。

2.2.2 现有信号配时

交叉口采用四相位控制方式进行控制，右转均为许可型。高峰时期现状信号配时方案如表2所示，现有配时相位图如图2所示。

表2 高峰时期现状信号配时方案表（单位：s）

图2 相位配时图

2.3 现有配时方案效果分析

利用Synchro仿真软件对信号配时现状进行效果分析评价，见表3。

表3 高峰时段现状渠化方案下信号配时效果分析表

从表3中可以看出高峰时段东进口和西进口的仿真延误比较大，服务水平到达F级水平，东进口的停车次数达到794次，交叉口总延误达到108.2s，依此看来，高峰时段的现状配时方案确实存在问题，亟待解决。

3 交叉口渠化与信号配时优化设计

根据现状的分析结果，对该交叉口进行交通组织与信号控制协调优化，具体过程分为两个阶段，阶段一，保持原交通渠化方式不改变，进行信号配时优化设计；阶段二，基于阶段一的信号配时，进行交通组织方案优化比选，进行信号配时优化。结合这两个阶段进行调整分析，直到得到最优方案。

阶段一：原交通渠化方式不改变，利用Syn⁃chro仿真软件进行信号配时优化设计，配时方案如表4所示，相位图如图3所示。

表4 优化后各参数仿真结果

图3 Synchro优化后相位配时图

由上述分析可知，Synchro系统对原有配时方案的相位相序都进行了综合的优化，对相位1、2的车流进行了重新组合。实际上优化前配时方案中相位1和相位2中的东西进口的双向直行和双向左转在交通量及通行时间(左转弯车流速度通常远低于直行车速)上存在差异，不合理的双左、双直的放行方式导致了路口延误的增加；因此合理的放行方式应该是如图3所示的东、西进口直左车流依次放行；相位3和相位4无需变化，但对绿信比进行了优化。

由表4可知，优化后的交叉口的最大V/C比为0.96，平均控制延误为48.2s，比优化前减少了55.45%，交叉口的整体服务水平上升为D级，各进口的控制延误也比较均衡；总的排队长度从优化前的840.4m减少到728.6m。采用Synchro系统优化后的信号周期从139s减少到116s，通常随着信号周期的减少，延误、通行能力会随之减少，而停车次数会随之增加；可以看到优化后路口的总的停车次数从2683变为3001，也仅略有增加，达到了优化的目的。容易看到优化后东西进口道的停车次数仍处于较高状态，南北进口的左转服务水平仍偏低，建议采用改善交叉口几何条件的方法进行进一步改善。

阶段二：基于阶段一优化信号配时进行交通渠化方案优化比选，并利用Synchro软件进行信号配时优化。

由于东进口直行的排队长度和西进口左转的排队长度比较长，而且车流量较大，因此根据路口的几何现状[6]将每个进口渠化拓宽1个车道，东西进口的非机动车和行人的流量相对较少，所以考虑到南出口的行人和非机动车也不会太多，因此考虑将南出口的机动车与非机动车的隔离栅往外移3m，将原来的5.5m的非机动车道缩减为2.5m。具体渠化方案如图4所示，采用该方案后交叉口配时效果如表5所示。

图4 新渠化方案图

表5 高峰时期新渠化方案下优化配时效果分析表

与阶段一的配时方案相比，各方向延误有较大改善，南北进口道的服务水平有所提高，南进口由E级升为D级水平，北进口由D级升为C级水平。交叉口延误明显降低，由48.2s减少为38.3s，95%排队长度也明显降低，使得西进口道左转车辆和东进口道直行车辆二次延误的情况有了很大的改善。因此，最终渠化方案下信号优化配时推荐方案如图5所示。

图5 高峰时期新渠化方案下优化配时图

4 结语

交叉口渠化与信号配时分别反映了车道对道路的空间使用权和车道对道路的时间使用权，两者相互关联。本文提出的渠化设计与信号配时方案协调优化设计方法充分考虑了交叉口现状及渠化对信号配时的影响，可以以较少的成本挖掘交叉口的通行潜力。以太原市兴华西街与和平北路交叉口为实例对本文所述方案进行了验证，结果表明，本方法设计方案结合现场的调试，对相位相序进行了全面优化，将路口的服务水平从F级提高到了D级，各项性能指标也都得到了优化，而且简单实用。优化后的配时方案应用到现状交叉口中，取得良好的控制效果。

[1]孙超，徐建闽.基于Synchro的单点交叉口信号配饰优化研究[J].公路交通科技，2009，26（11）：117-122.

[2]沈坚锋，白雁，沈宇鹏，等.基于Synchro的干线交通信号配饰优化[J].计算机仿真，2012，29（10）：318-326.

[3]陈燕，刘乙霏.古棕路与沪城环路交叉口相位及信号配时优化[J].交通与运输，2010（2）：24-27.

[4]WEI Heng,PERUGU Harikishan C.Oversaturation Inher⁃ence and Traffic Diversion Effect at Urban Intersections through Simulation[J].Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology,2009,9(4):72-82.

[5]邹志云，陈绍宽，郭谨一.基于Synchro系统的典型信号交叉口配时优化研究[J].北京交通大学学报，2004，28（6）：61-65.

[6]王建丽.交叉口短车道渠化与信号配时设计的协同优化[D].大连：大连理工大学，2011.