城市干道双向绿波协调控制方法

李琦

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

城市干道双向绿波协调控制方法

李琦

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

为了进一步提高城市干道双向绿波协调控制效果，以大量的实际工程经验为基础，总结了目前我国大部分城市干道双向绿波协调控制存在的主要问题及适用条件，提出了一种适用于不同交叉口群放行方式的双向绿波协调控制新方法，并结合某大城市实际工程案例进行了验证分析。结果表明，采用所提出的新方法后，路段行程时间缩短了47%以上。

智能交通系统工程；交通信号控制；绿波协调控制；相位差；绿波带

0　引言

城市干道绿波协调控制是指通过协调相邻信号交叉口的绿灯启亮时间和信号配时方案，使干道上按规定车速行驶的车辆，能够获得尽可能不停顿的通行权，快速通过两个或多个交叉口，通常亦可称为“线控”［1］。城市干道绿波协调的应用能够降低干道交通延误，减少停车次数，提高道路运行效率，对改善城市交通状况具有较大的现实意义。绿波协调控制可分为单向绿波协调控制和双向绿波协调控制两种，其中前者只能保证一个方向的车流一路绿灯通行，但可能导致另一个方向遇到红灯的概率提高；后者则综合考虑了两个方向的车流行驶，能够同时提高干道双向的通行能力。

目前，国内外最为常用的双向绿波协调控制算法包括图解法［2，3］、数解法［4，5］以及MAXBAND法［6-8］等，均取得了一定的应用效果。其中，图解法直观便捷，通过绘制车流运动的时间-距离图来确定协调控制系统的公共信号周期与相位差；数解法通过数值计算方法确定协调控制配时参数；MAXBAND法则通过建立绿波带宽度的线性规划模型，实现信号配时参数的优化求解。但上述算法的应用前提均是协调方向信号相位采用的是对称放行的方式，而在实际工况中交叉口放行方式复杂多变，上述算法对于采用非对称放行方式的干道双向绿波协调控制，往往效果不佳。

综上所述，本文将结合大量实际工程经验，首先总结目前我国大部分城市干道双向绿波协调控制存在的主要问题，进而提出城市干道双向绿波协调控制的适用条件，然后提出一种在不同交叉口群放行方式下的双向绿波协调控制新方法，最后结合某大城市实际工程案例，对协调前后的优化效果进行验证分析。

1　双向绿波协调控制适用条件分析

通过总结多个城市工程的实践经验，发现目前双向绿波协调主要存在以下几个方面的问题：

（1）路段间车流速度差异较大，车队到达较为离散，导致协调效果不理想。通常情况下，路段越长，车流会越离散。在一定的绿波宽度条件下，由于车流较为离散，只能使车队中的一部分遇到绿灯，其余车辆仍无法达到一路绿灯，影响协调效果。

（2）没有对交叉口进行一定的分组，将周期相差较大的交叉口进行协调控制，导致协调效果不理想。进行协调控制的前提是必须使协调路口周期调整为一致或者成倍数，因此不是每个相邻交叉口都适合进行双向绿波协调控制，如果周期相差太大，勉强进行协调必然会导致某些路口饱和度过高，某些路口绿灯损失严重，降低行车效率。

（3）路段上存在较多干扰，影响协调效果。绿波协调是按照一定的相位差进行设计的，一旦存在较多不规律干扰时，将破坏路段车流正常行驶速度，从而影响协调效果。

（4）道路交通饱和度较高，协调效果不佳。当道路交通饱和度较高时，在上游协调路口车队到达下游路口前已经积累了大量的排队车辆，在设置的绿波宽度时间内，通常只够放行积累的排队车辆，因此上游协调的车队不仅无法遇到绿灯，反而易导致路段排队过长产生溢出。

综上，本文提出相邻交叉口进行双向绿波协调需满足以下条件：

（1）相邻交叉口距离不能太大，以小于800 m为宜。

（2）各交叉口最佳周期时长大致相等，差别在20%以内，或成整数倍关系。

（3）沿线两侧无对车流运行干扰严重的交通发生源或吸引源（如大型停车场、商场）以及十分频繁的人流活动（如主要商业街道）等。

（4）控制时段无交通堵塞和拥挤状态，饱和度一般不超过0.9。

2　双向绿波协调控制方法设计

2.1不同交叉口群放行方式下的实现原理

与交叉口的放行方式类似，干道交叉口群的放行方式同样包括单口放行和对向放行，对向放行又可依据交通流是否均衡，分为对称放行和搭接放行，下面分别分析各种放行方式下的实现原理。

2.1.1对称放行方式

当路口协调方向交通流较为均衡时，结合非机动车安全等方面考虑，路口放行方式多采用对称放行方式。以典型的十字路口为例，阶段1东西直行，阶段2东西左转，阶段3南北直行，阶段4南北左转。通过大量的工程案例分析，本文提出此种情况下公共周期的设置，除了考虑最大周期以外，还应考虑各路口之间的时间差值，公共周期与相对相位差（相邻路段间的相位差）的关系如图1所示。

图1　周期与相位差关系示意图

式中：C为公共周期；ΔS为相邻两路口间间距；v为相邻两路口间路段平均速度。

当正反向交通流相似时，v正≈v反，即

式中：t相为相位差。

2.1.2单口放行方式

由于交叉口各进口道流量不均衡等原因，交叉口方式采用单口放行，即各方向左转直行分别放行，且路口相序可以改变，此时可通过更改路口相序达到双向协调最优，如图2所示。

图2　通过改变相序达到双向协调示意图

图2中，路口1、路口2原有放行顺序为北左直—东左直—南左直—西左直，根据原有放行顺序只能达到北向南单向协调效果。将路口1原有放行顺序调整为北左直—南左直—东左直—西左直后，在周期及相位差不变的情况下，南北双向均可达到较好的协调效果。

2.1.3搭接放行方式

部分主干道路口，协调方向双向交通流不均衡，且考虑到周期不能过大等原因，通常会采用搭接放行方式，如放行顺序为1西左、2西直东直、3东直东左，或者1东西直行、2西直、3西左东左等。此时可以根据路口实际流量，在不影响路口放行效果的前提下，通过对各路口相位放行方式进行适当微调、优化，实现干道双向协调效果。

在实际工程中，也经常遇到某些主城区主干道路口信号方案为对称放行方式，但公共周期远远大于路段间相位差2倍的情况，无法通过第一种方法实现双向绿波协调。此时可以根据路口各方向流量情况，在对单个路口放行效果不产生较明显不良影响的前提下，将原有对称放行方式更改为搭接放行方式，实现干道双向绿波协调效果，如图3所示。

图3　搭接放行方式前后双向协调效果对比

由图3可以看出，路口搭接信号放行方案进行微调及将原路口对称放行改为搭接放行方式后，在周期及相位差不变的情况下，由原来单向协调到达双向协调效果。

2.2基于双向带宽最大的相位差优化方法

在放行方式、放行顺序及公共周期一定的前提下，相位差是影响双向绿波调节的最关键因素。如前所述，图解法采用绘制时间-距离图，按一定比例显示交叉口之间的距离，可以直观地将车辆的空间位置表达为关于时间的函数曲线，工程实施简单。因此本文提出以其为基础，以双向绿波宽度最大为目标，进行相位差的优化，具体方法如下：

（1）根据交叉口间距和绿波带速，计算正向协调绿波带相位差，用图解法从起点出发作正向绿波带。

（2）同理，从反向最后一个交叉口出发，作反向绿波带。

（3）通过微调各路口相位差，观察各路口双向绿波宽度的变化，直到达到交叉口群双向绿波带宽度最大为止。

2.3双向绿波协调控制方法流程设计

综上，本文提出的双向绿波协调控制方法具体包括以下步骤：

（1）基础资料调查。对目标道路路段间距、路段平均行程车速、路段行程时间、路段平均车速、路段限速、各路口现状信号配时方案以及各阶段运行状态进行调查。

（2）单点信号方案优化。对各路口现状信号配时方案的周期、相位相序、绿信比等存在的主要问题进行分析，并对各单个路口配时方案进行优化。

（3）子区划分。按照双向绿波协调的适用条件进行检查，如符合条件，则纳入协调范围；如不符合其中某一条件，则将路口剔除到协调范围之外。保留下来的路口按照相邻路口之间的周期及间距进行分组。

（4）公共周期的确定。通常选择组内最大周期或者地理位置较为重要的路口周期作为公共周期，如果干道各交叉口满足对称放行方式时，还应与各路口间相位差值结合进行考虑。公共周期确定后，根据各路口流量流向进行绿信比的分配。

（5）各路口相位差的确定。根据干道路段间距、路段车流速度等已调查数据，用上述图解法进行相位差的优化，以达到双向带宽最宽。通常双向协调要兼顾双向的协调效果达到最优，当某方向车流明显大于另一方向时，可适当优先考虑流量较大方向的协调效果。

（6）方案实施。将设计好的协调方案下载到路口信号机当中。

（7）效果微调、相关交通参数调查。用浮动车法进行实车测试，如果协调效果不理想，需对相位差进行微调，直到效果达到最优为止。

3　实证分析

3.1实验背景

某大道是位于某大城市主城区北侧的东西向主干道，是连接主城区与新区的主要道路之一，现状信号方案以单点定周期为主，放行方式均采用对称放行。平峰期车流量较小，车流在各路口时停时开，停车次数较多，运行效率较低，其中道路基本情况及路段间距见表1。

3.2方案设计

3.2.1双向绿波协调路口选择及分组

根据表1可以看出，路口1、路口2周期较大，且路口2周围有交通干扰不适合做双向绿波协调，因此将路口1和路口2剔除；路口3～7周期变化在20%以内，且间距在700 m以内，交通干扰少，比较适宜进行双向绿波协调控制，因此将路口3～7划分为一组；同理，将路口8～10分为一组，将路口11剔除。

表1　XX大道各交叉口现状

3.2.2各路口现状方案周期优化

通过对各路口现状信号方案的调查，各路口相位相序都较为合理，但部分相位在平峰时段有部分绿灯损失，将各路口信号周期进行优化见表2。

表2　各路口进行单独优化后的周期

3.2.3公共周期的确定

由于该大道情况比较符合双向绿波协调实现方法中第一种情况，因此在公共周期设置时要兼顾路口间相位差。

路口3～7最大周期为102 s，相邻路口间平均时间差为（49+52+42+49）/4=48 s，因此考虑双向协调效果公共周期为96s，两周期相差较小，可以取中间值100 s作为公共周期，既对双相协调效果影响不大，且各路口各相位放行时间改变较小。用同样的方法确定路口8～10的公共周期为100 s。

3.2.4各路口相位差的确定

将各路口周期调整为100 s，在调整过程中，根据各交叉口各阶段的现状饱和度，适当压缩饱和度较低的相位绿灯时间。根据图解法计算各路口间相位差，使得双向带宽最宽，且交通流等待时间最少且均衡。各路口双向绿波协调相位差及协调效果如表3和图4所示。

表3　各路口双向绿波协调相位差

图4　各路口双向绿波协调方案协调效果示意图

3.3效果分析

分别取路口3～7运行前后周一～周五共5 d相同时间段的路段行程时间进行调查，详细对比分析如图5所示。

图 5双向绿波协调控制前后行程时间对比

从图5中可以看出，双向绿波协调前后5个路口正反双向路段行程时间减少47%以上，双向实现不停车通过5个路口，大大提高了干道的行车效率。

4　结　语

从实际工程应用的角度出发，分析了目前我国大部分城市干道双向绿波协调控制存在的主要问题，提出了双向绿波协调控制的适用条件，进而设计了一种新的适用于不同交叉口群放行方式的双向绿波协调控制方法，并以某大城市实际工程案例进行了效果分析。结果表明，采用所提出的新方法后，路段行程时间能够缩短47%以上。

［1］全永燊.城市交通控制［M］.北京：人民交通出版社，1989.

［2］李元.城市干道交通信号协调控制方法及优化研究［D］.成都：西南交通大学，2014.

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U491

A

1009-7716（2016）07-0269-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.081

2016-03-03

李琦（1985-），男，山东滕州人，博士，工程师，从事智能交通设计工作。