基于Synchro进行多交叉口信号配时优化的应用

白　龙，白芳舒，杨　凯

(1. 天津市市政工程设计研究院，天津　300051；2.大连理工大学道路工程研究所，大连　116024)



基于Synchro进行多交叉口信号配时优化的应用

白龙1，白芳舒1，杨凯2

(1. 天津市市政工程设计研究院，天津300051；2.大连理工大学道路工程研究所，大连116024)

摘要：提供了一种基于信号配时优化软件Synchro进行多交叉口协调控制的方法，阐述了Synchro进行信号周期时长优化的基本原理以及绿波交通的主要控制因素。以宁波通途路部分路段(徐戎路~沧海路)为例，详细介绍了利用Synchro进行干道多交叉路口信号配时的协调控制的具体方法，得到优化配时方案及沿线绿波时距图。随后利用SimTraffic进行交通仿真模拟，结果显示各交叉口延误率、路段平均车速、车辆排队现象已得到显著改善，部分车流可以实现绿波交通。

关键词：交通工程；绿波交通；协调控制；多交叉口；Synchro

1概述

近年来，随着经济的高速发展，城市中的汽车保有量逐年攀升，现有的城市道路承担了巨大的交通负荷，远远超出设计之初预计的交通流量和通行能力。面对现有道路状况及根据现有交通量，制定对现有道路承载能力下交通流的优化分析，协调各交叉口信号配时以形成绿波交通理念下的干线交通协调控制，对于缓解城市道路网拥堵，改善路网交通的畅通具有重要的意义。

本文以宁波通途路(徐戎路~沧海路)为例，基于路网协调优化控制理念，利用交通信号协调配时软件Synchro，通过现有道路资料以及实测高峰小时交通量对该路段进行协调控制优化，得到绿波协调配时方案，并结合Synchro中的Simtraffic组件对道路网建模进行交通仿真，对比分析包括延误率、停车排队长度等多项交通影响评价指标，获得干道交通协调组织方案，以此缓解道路拥堵，改善路网交通。

2Synchro信号配时原理

Synchro作为一款交通信号协调及配时设计软件是美国Trafficware公司基于美国交通部标准HCM2010规范研发的，具备通行能力分析仿真，协调信号控制，自适应信号控制仿真等功能，其中包括Synchro、SimTraffic等组件，能够实现制定路网配时方案、道路交通仿真以及路网交通影响评价。

Synchro对信号周期时长的优化采用了从自然周期(即最短周期)开始依次判断各相位所提供的绿灯时间是否能够满足百分比车道组交通流量的方法。若满足一定的百分比车道组交通流量，则采用该周期时长，否则就增大信号周期时长，在达到所设定的最大信号周期时长之前，此步骤将会被不断重复。例如:各相位提供的绿灯时间能够满足90%车道组流量，即意味着所有周期内的90%的车队长可以清空，若不满足则依次会向下判断是否满足70% 、50%车道组流量。如果没有满足各百分比车道组流量的信号周期，则采用性能指标PI最优的信号周期长度。性能指标PI的计算公式为

(1)

式中：PI为综合性能指标；D为百分比信号延误，s；St为交叉口停车数量(辆)。

3绿波交通

3.1公共周期时长的计算

为了得到协调控制下的公共周期时长，本文利用国际上常用的韦伯斯特配时法(以下简称Webster配时法)。对于协调控制配时，沿线各交叉口必须采用相同的周期时长，因此路网公共周期时长的确定应首先计算各交叉路口流率比，再利用Webster配时法根据流率比和信号周期配时的要求，获得公共周期时长。

流率比是指车道的实际交通量或设计交通量与该车道的饱和流率的比值，是交叉口信号控制方案设计的关键参数，本质上反映车道的交通负荷水平

(2)

式中：yi为流率比；Q为各个方向的交通流，(pcu/h)；n为车道数；Si为单车道饱和流量，(pcu/h)。

Webster配时法信号周期计算公式

(3)

式中：Ci为交叉口i周期时长，s；L为信号总损失时间，s，一般可取绿间隔时长；Y为周期内所有相位的关键车道组的流率比之和；C为公共周期时长，s。

Webster配时法的核心是交叉口通行车辆的总延误时间最少，对于协调控制的道路，沿线方向车道即为关键车道组。信号配时周期时长受各个交叉口相互影响，对于协调干线道路系统，计算出所有相位关键车道组的流率比之和，通过Webster配时法的信号周期计算公式计算出干道沿线各个交叉口的周期时长，选取各个交叉口中最大的周期时长作为协调联动控制的公共周期。

3.2绿信比的计算

绿信比是指交通灯一个周期内可用于车辆通行的时间比例，对于疏散交通流和减少交叉口总等待时间有着重要作用，通过合理地分配各车流方向的绿灯时间，可以使各方向停车次数、等待延误时间减到最小。信号周期可分为信号损失和有效绿灯两部分，有效绿灯时长是信号相位内可利用的通行时间在相等效的理想通行状态下所对应的绿灯时长，在一个周期内，车辆可通行的时间包括绿灯显示时间和黄灯时间。因此确定各交叉口的绿信比首先应考虑有效绿灯在交叉口各相位中的分配。

根据绿信比定义

(4)

式中：λ为绿信比；gE为有效绿灯时间，s。

根据等饱和度原则

(5)

根据式(4)、(5)得：

(6)

由式(6)看出相位的有效绿灯时间与该相位的关键车道组流率比成正比，所以第相位的有效绿灯时间为

(7)

3.3相位差的计算

相位差作为干线协调控制的关键参数，保证车辆能够在连续通过交叉口是，相邻信号间的绿灯时差与车辆驶过之间路段的行车时间相适应，保证车辆能够在一定车速下尽可能连续遇到绿灯。

通常假定车队在通过上游交叉口的时候，车队处于运动状态，因此不存在车队的启动时间，理想时差为

(8)

如果车队在上游交叉口停车线前停下来，这样交叉口的绿灯启亮时车队必须经过最初的启动延误之后才能加速到正常的行驶速度，经过标准化处理的时差计算公式为

(9)

n为整数，可以是负整数或0。

4多交叉口协调控制

(1)基本信息：建立道路网，根据实际道路状况设置交叉口类型、道路长度、路段断面等信息。

(2)输入各交叉口道路信息：输入各交叉口的现状交通量、路段行车速度、理想饱和流量、路口渠化信息等。

(3)制定单个交叉口配时计划，确定路口车道数和车道划分、根据各方向交通量制定路口相位组合和相位顺序，优化单个交叉口的周期时长和相位时长，确定将道路网中信号周期最大的路口定位为关键交叉路口(Master Intersection)，其信号周期即为关键信号周期，作为道路网备选周期。

(4)划分道路网，把道路网划分为多个区域，每个区域可作为单独系统来进行优化。对于不同区域，通过延误率信息进行信号配时仅保证各区域内的交叉口信号周期相同，对于不同区域信号周期则难以保证。因此，对干线的协调控制，需要对绿波交通范围内的所有交叉口保证时长相同或整数倍的信号周期，把道路网划分为一个区域。

(5)优化道路网周期时长，参考关键周期时长制定道路网周期时长的取值范围，设置周期时长增长幅值，通过道路网整体绩效，特别是延误率、绿波带宽度两条件来选取最优周期时长的配时计划。在全面优化周期时长前需对相位差进行快速优化，以保证周期时长的优化满足相位要求，具有合理意义。

(6)基于优化后信号周期时长，对道路网的相位时长和相位差进行优化，得出干线协调系统的最优路网交通配时方案。

通过上述方法得出通途路(徐戎路~沧海路)的干线协调优化后的信号周期为140 s，图为通途路(徐戎路~沧海路)优化后的绿波时距图，如图1所示。

图1　绿波时距图

在图1中，左边显示干线各交叉口的道路信息，右边为干线在各交叉口处的循环信号周期时长，红、蓝斜线之间的绿灯时长即为绿波带，根据该配时方案，通途路可以实现双向绿波交通，其中由西向东方向绿波带宽29 s，由东向西方向绿波带宽34 s。绿波时距图中反映出各交叉口相对于关键交叉口的相位差，其中通途路与沧海路交叉口为关键交叉口，相位差为0，其余交叉口的相位差为自身相位相对其他关键交叉口的相位差值。

优化后各交叉口的相位组合和相位顺序可以在其配时设置(Timing Setting)中获得，以中兴路为例，图3为通途路与中兴路交叉口在一个周期时长内的相位组合顺序图，如图2所示。

图2　相位组合顺序图

由图2可以看出，通途路与中兴路交叉口在一个信号周期内先后经历了六种相位组合，每一个相位组合用箭头表示该相位组合中车辆放行的方向，即该方向此时为绿灯，其余未显示箭头方向则为红灯。例如，第一个相位组合表示为车辆放行方向为南北直行方向，其余方向则为红灯。

Simtraffic软件是Synchro系列中的一款交通仿真应用软件，通过设置交通组成、车辆特性、车型比例、驾驶员特性等，通过Synchro得出的协调信号配时方案进行仿真模拟，可以得出各个交叉口的车辆延误、车辆排队、停车总时长等评价信息以及整个路网的行驶车速、总延误以及能源消耗等信息。图3为通途路与中兴路交口的交通仿真模拟图。

图3　交叉口仿真模拟图

通过Synchro以及Simtraffic软件对干线路网进行协调优化配时以及道路仿真，可以得出在优化信号配时后的通途路，各交叉口延误率、路网平均车速、车辆排队现象相比现状已得到显著改善，并能够保证路网中部分车流实现绿波交通。

由于高峰时段的交通量过大已超出现有道路的通行能力，仅通过对信号配时的优化难以从根本上解决交通拥堵和车辆排队，因此需要结合重新规划路网、道路扩建或提及改造等共同解决交通问题。

5结语

利用SimTraffic软件进行交通道路仿真，获得模拟后通途路干线交通的各交叉口延误率、路网平均车速以及车辆排队等评价指标，得出结果利用Synchro信号配时软件可以显著改善干线交通，部分车流能够实现绿波交通。然而对于交通量过大，通过信号配时优化仅提高道路通行能力，难以彻底消除道路拥堵和车辆排队现象，需结合其他手段综合治理，才能从根本上解决交通拥堵问题。

参考文献：

[1]王炜，过秀成. 交通工程学[M].南京:东南人学出版社，2009.

[2]陆键，项乔君，马水锋. 智能交通运输系统(ITS)等规划方法与应用[M].南京:江苏科学技术出版社，2008.

[3]李克平,译. 交通信号控制指南: 德国现行规范(RiLSA)[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4]程琳. 基于Synchro系统的干线绿波控制优化技术[J].公路交通科技, 2013, 30(9).

The application of optimization of multi intersection signal based on the synchro

BAI Long1,BAI Fang-shu1,YANG Kai2

(1.Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300051,China;2.Dalian University

of Technology Road Engineering Research Institute,Daling 116024,China)

Abstract:This paper provided a method to optimize multi intersection signal based on the Synchro,and described the basic principle of Synchro and the main control factors of green traffic. In the case of Tongtu Road(part from Xurong Road to Canghai Road) in Ningbo,paper introduced a method of multi Road intersection signal timing coordination control and obtained the traffic timing scheme and Green wave time distance graph. After the traffic simulation by SimTraffic, the results showed that the intersection delay rate, average vehicle speed, vehicle queuing phenomenon had been significantly improved, part of the traffic flow cound realize the green wave traffic.

Keywords:traffic engineering; traffic control; coordinated control; multi intersection; Synchro

中图分类号：U492

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)01-0132-03

作者简介：白龙(1989-)，男，河北沧州人，助理工程师，研究方向：道路与铁道工程。

收稿日期：2015-09-16