城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法

任 慧

(福建船政交通职业学院信息工程系，福州 350007)

0 引言

在当前我国的发展现状中，限制并困扰城市发展的主要因素就是交通拥堵问题，我国由于交通拥堵问题而导致的环境损失与经济损失正在呈现逐年上升的态势。城市交通干线是我国城市交通道路的动脉，具备通行能力大、运行速度快以及等级高等特点，能够有效地疏导与集散交通。减缓与避免城市交通干线的局部拥堵问题，保障城市交通干线的畅通运行是确保城市交通高效运转的重要条件之一。在城市交通流量较大的时段，特别是上下班的早高峰与晚高峰，城市交通干线会有巨大的车流量，很容易在交通干线的瓶颈交叉口或者关键交叉口由于车辆的不断累积而造成局部拥堵的现象，情况比较严峻时甚至可能出现上溯溢出的现象，延缓甚至阻断相交方向与本方向的正常交通通行，严重影响城市交通网络的行车效率。

当城市交通干线产生局部拥堵的现象时，原本的交通干线信号的配时无法对拥堵现象产生任何缓解作用，只会使局部拥堵的范围变的越来越大，此时就需要根据城市交通干线的实际交通状况，对更效的局部拥堵控制方法与策略进行开发，防止交通干线局部拥堵的范围不断蔓延，降低上溯溢出现象产生的可能性。在城市交通干线的瓶颈交叉口或者关键交叉口容易产生局部拥堵现象的原因就是车辆的离开流率要远远小于其到达流率，导致在整个绿灯时间内无法将积累在瓶颈交叉口或者关键交叉口的车辆全部放空而产生滞留车辆，而滞留车辆在每个绿灯时间都会产生，因此，滞留车辆的数量会不断增加，从而产生拥堵甚至上溯溢出的现象，对相交方向与本方向的正常交通通行带来巨大影响，造成交通拥堵现象的加剧。局部拥堵问题的解决关键就是要通过红绿波带协调控制方法来降低上游车辆的到达流率并增加下游车流的卸载能力。

1 城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法

1.1 方案设计

在城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法中，应该首先对城市交通干线的整体交通状态以及每个交叉路口的局部交通状态进行仔细研究，以确定该交通干线是否适合红绿波带协调控制方法的应用，然后对启动时机与控制范围进行进一步的确定，并对控制参数进行计算，从而得出适用于该城市交通干线的红绿波带协调控制方案[1]。在城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法的施行过程中，必须对交通干线整体状态的变化进行实时监测，并对红绿波带协调控制方案的效果进行检验以及及时优化[2]。并且当城市交通干线局部拥堵完全解决后需要继续执行原本的交通控制方案，才能提升交通干线的运行效率。城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法的整体实施流程如图1所示。

1.2 选取协调控制范围

在城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法中，首先要对控制范围进行确定。这样做既能够降低交通控制与拥堵疏散中的局限性，确保在控制范围较小时也可以对交通流进行有效的卸载与截流，又能够最大程度地实现交通疏散效果与交通拥堵控制效果，避免产生控制范围太大的情况，增加协调控制的难度[3]。可以说控制范围的设计与选择对红绿波带协调控制方法的实施成效是至关重要的。只有将控制范围规划合理才能真正地控制交通拥堵。在红绿波带协调控制方法中，交叉口关联度的计算需要利用式(1)来完成：

图1 整体实施流程

(1)

式中：X为城市交通干线的交叉口关联度；a为车辆从交叉口的上游到下游需要花费的行车时间，以s为单位；b为驶入交叉口上游的车辆分支数，其计算公式是：

b=交叉口路段数-1，

(2)

以辆为单位；Cmax为交叉口上游交通主线的最大车辆流率；Ci为从交叉口的上游到下游的车辆流率；当X≥0.4的时候，我们就认为这两个交叉口存在很强的关联性。在城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法中，划分控制范围需要遵循以下原则：首先，瓶颈交叉口与干线的相邻交叉路口将直接划分到控制范围内。其次，当上游交叉口的X≥0.4的时候，该交叉口默认为红波控制交叉口；当下游交叉口的X≥0.4的时候，该交叉口默认为绿波控制交叉口。最后，由于需要考虑控制成效与计算量问题，当红波控制交叉口与绿波控制交叉口的数量都到5的时候，默认为达到该方法的控制范围上限，此时不再继续选取控制交叉口[4]。

1.3 设计下游绿波带

在下游绿波带的设计中，城市交通干线有一个瓶颈交叉口即0号交叉口，并且发生局部交通拥堵的方向是从西往东，在发生局部交通拥堵后需要对下游的1号交叉口、2号交叉口、3交叉口以及4号交叉口进行控制协调。根据城市交通干线的整体交通流参数与各个交叉口的交通流参数，利用控制单点信号的相关计算方法对各个交叉口的绿信比与最佳信号周期进行计算，并选择略大于原有公共周期或者略小于原有公共周期的交通信号周期作为城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法中的最终公共周期[5]。对0号交叉口到4号交叉口的绿波带协调控制进行设置，并对各个相邻的交叉口进行相位差的计算，相位差的计算公式：

(3)

(4)

式中：Mi→f为相邻的交叉口i与f的相位差；Qi→f为从交叉口i到f需要花费的行车时间；wi→f为交叉口i到f的整体距离，以m为单位；R为绿波协调控制系统的整体运转速度[6]。由于在上游竞争相位处还有右转车流与左转车流在连续不断地驶入，并且在交叉口处还可能有一些车辆在排队，因此，不能单纯地按照既定的相位差对绿波带的协调控制进行设置，否则很有可能是在已有车辆等待排队通行的情况下又涌入了绿波协调相位的交通流，这样会对绿波带的交通通行效率造成严重的影响。所以，需要对下游交叉口的绿波协调相位进行提前量的设置，也就是需要将排队车辆提前从进口道清除，使绿波协调相位的交通流能够直接从这个路口顺畅的通行。这就需要利用这个提前量对绿波协调控制相位差进行修正工作[7]。

1.4 设计上游红波带

在上游红波带的设计中，城市交通干线有一个瓶颈交叉口即5号交叉口，并且发生局部交通拥堵的方向是从西往东，在发生局部交通拥堵后需要对下游的6号交叉口、7号交叉口、8交叉口以及9号交叉口进行控制协调。此时需要利用交通控制设施与红波信号控制系统来截流和分解这个交通干线上的交通流。上游红波带的整体控制策略是一个离散性的控制系统，也就是在上游红波带的整体控制策略中，在每个相邻的交叉口处都会设置一个截流系统，由这些截流系统组成了整体的离散性控制系统[8]。由于上游红波带的整体控制策略呈现离散性，而下游绿波带的整体控制策略呈现连续性，因此二者具有很大的区别。上游红波带的协调控制公共周期与下游绿波带的协调控制公共周期相同。在上游红波带的协调控制中，上游交叉口i与下游交叉口f是一对相邻的交叉口，并且i的绿灯亮起与f的红灯亮起会产生一定的时间差，此时间差恰好与车辆从i到f需要花费的行车时间相等。因此，下游交叉口f的红灯亮起相位差会出现3种情况。第一种情况是车辆从i到f需要花费的行车时间小于i的绿灯亮起时间，并且i的绿灯亮起时间小于上游红波带的协调控制公共周期，这种情况下，红灯亮起的相位差是：

(5)

式中：P为红灯亮起的相位差；Gi为i的绿灯亮起时间；TGi→f为车辆从i到f需要花费的行车时间；A为上游红波带的协调控制公共周期。第二种情况是车辆从i到f需要花费的行车时间大于i的绿灯亮起时间，并且车辆从i到f需要花费的行车时间小于上游红波带的协调控制公共周期，这种情况下，红灯亮起的相位差是：

(6)

而第三种情况是车辆从i到f需要花费的行车时间大于上游红波带的协调控制公共周期，这种情况下，红灯亮起的相位差是：

(7)

2 实验结果与分析

为了保证城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法的有效性，设计一个仿真实验。在实验的过程中，以某城市交通干线为实验对象，对该城市交通干线进行局部拥堵红绿波带协调控制。为了保证实验的有效性，使用传统交通干线局部拥堵协调控制方法与城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法进行比较，观察实验结果。首先，利用相关软件对该城市交通干线出现的局部拥堵情况进行红绿波带协调控制的模拟仿真，并利用该软件对红绿波带协调控制的模拟数据进行分析与统计；然后对使用城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法与使用传统交通干线局部拥堵协调控制方法下各个城市交通干线交叉口车辆的平均停车次数与平均延误时间进行对比，对比结果如图2～3所示。

图2 平均延误时间的对比

图3 平均停车次数的对比

通过图2～3可知，使用城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法与使用传统交通干线局部拥堵协调控制方法相比，平均停车次数与平均延误时间都更少，同时也证明了城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法的有效性。

3 结语

城市交通干线局部拥堵红绿波带协调控制方法能够有效控制城市交通干线的交通疏导节奏，并有效降低瓶颈交叉口或者关键交叉口的上溯溢出现象的发生几率。