基于Synchro 10 的交通管理与控制探索性实验设计

杨 震，马健霄

（南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037）

1 实验前准备

进行交通管理与控制探索性实验前，需要充分掌握信号控制理论知识，包括：①信号周期、绿灯时间、饱和流量、流量比等信号配时参数，以及延误、饱和度、服务水平等评价指标的含义；②理解交叉口4 相位方案（包括对称4 相位和进口单独放行相位）[13]和NEMA 双环8 相位方案[14]的运行机制；③根据交叉口交通量信息，选择合理的进口道布局方案，并进行饱和流量的校正和交通量在各进口道的分配。

2 实验任务设计

本实验的任务是通过设计交叉口的进口道布局及相位方案，得到最优的信号控制方案，使交叉口的运行指标达到最佳。交叉口的道路几何及交通量信息如表1 所示。

表1 实验交叉口的道路几何及交通量信息

为使本实验具有探索性质，在设计交叉口的交通量信息时，需注意2 个问题：

（1）交叉口相对的两个进口，其交通量具有不对称性，例如东进口的直行流量明显大于西进口，而左转流量则相反，体现出4 相位方案和NEMA8 相位方案的区别；

（2）同一进口各方向的流量具有不均衡性，如东进口直行流量明显大于左转及右转流量，而北进口则相反，这样可以使用组合车道优化进口道布局。

此外，交叉口的部分道路几何及配时参数也在实验任务中给出，如交叉口区位、进口道宽度、坡度、转弯半径、绿灯间隔时间、最短绿灯时间等，实验时将参数直接输入Synchro 软件的窗口中。

3 实验步骤设计

在给定了实验任务后，按照以下4 个步骤进行实验。通过实验，使交叉口饱和度、延误及服务水平尽可能达到最优。

3.1 交叉口模型构建

Synchro 软件提供了2 种构建交叉口模型的方法：其一是手动绘制，其二是导入底图文件作为背景。Synchro支持格式为 bmp、jpg、dxf 等文件的电子地图作为背景底图，以供绘制交叉口模型时使用，用户还可通过比例的设置来匹配交叉口的显示尺寸。

3.2 进口道布局方案设计

在构建完交叉口模型后，点击Home 选单栏中的“Lane Settings”按钮，即可进行进口道布局方案的设计，如图1 所示。在该步骤中，需要重点考虑的问题是如何灵活地运用组合车道，使得交通流量和进口道布局尽可能匹配，以提高交叉口的车辆通过效率。例如对于表 1 所示的交通量，东进口直行流量明显大于左转及右转流量，可考虑使用直左或直右组合车道；北进口直行流量与左转、右转流量相比较小，可考虑使用左直右组合车道。

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图1 Synchro 10 进口道布局方案输入界面

由于在Synchro 中，交通流量需要由用户手动输入，不会随着组合车道的设置而自动调整，因此在设置了组合车道后，还需要手动校正流量在车道的分布。例如，在设置了直右组合车道后，一般假定右转、直行和直右车道上的流量比相等[15]，即：

式（1）中：ya表示等效流量比；qT和qR分别表示直行和右转方向的流量；ST和SR分别表示直行和右转修正饱和流量，可在Lane Settings 界面的Saturated Flow Rate(prot)选项中找到；NT,NR和NTR分别表示直行、右转和直右组合车道数目。得到了ya后，直行车道的流量qTL、右转车道的流量qRL和直右组合车道的流量qTRL可通过式（2）—式（4）计算：

对于其他类型的组合车道，可按照相同的方法计算各车道的流量。在完成进口道布局设计后，还需要点击Home 选单栏中的“Volume Settings”按钮，对交通流量进行校正。本实验中可主要考虑行人流量、高峰小时系数和重型车比例这3 类校正系数。由于行人流量与右转车辆存在冲突，故对右转车辆的饱和流量有影响；对于高峰小时系数，交叉口的主要道路可取值0.75，次要道路可取值0.8；重型车的比例不作为本实验的重点内容，可设每个方向为2%。

3.3 信号配时方案设计

在输入流量校正参数后，点击 Home 选单中的“Timing Settings”按钮，即可进入信号配时参数的输入界面，如图 2 所示。该界面分为 3 部分，右侧用于输入各项信号配时参数，如相位编号、相位最小时长、绿灯间隔时间等；左侧则显示优化以后的评价指标，如信号周期、最大饱和度、平均延误、服务水平等；下方为用户设定的相位方案及优化后各相位的时长。

图2 Synchro 10 信号配时方案输入界面

在输入信号配时参数前，首先需要明确如何配置交叉口的相位结构。Synchro 10 中默认的相位结构是NEMA8 相位，并且以南北向道路为参照（见图3），可打开选单栏中Template → Edit Template Phases 按钮查看。但为避免混淆，建议学生在实验过程中不要更改默认的相位结构，而通过修改Protected Phases 选项中的相位序号实现8 相位和4 相位的相互转换。表2 提供了 Protected Phases 选项中一些典型相位结构的编码方式。

除了表2 所示的相位结构外，还可以根据3.2 节所确定的进口道布局，自行设计更灵活的相位方案，以达到更好的控制效果。此外，在输入信号配时参数还需要注意：

（1）左转相位的Turn Type 选项默认为允许相位（perm），由于我国平面交叉口左转流量较大，在本实验中需更改为保护相位（prot），在左转与直行车道组合时需更改为分离相位（split）。

图3 Synchro 10 的默认相位结构

表2 Synchro 10 典型相位结构的编码方式

（2）黄灯时间Yellow Time 和全红时间All-Red Time 选项根据实验任务中的绿灯间隔时间而定：当绿灯间隔时间≤3 s 时，可设置黄灯时间为3 s，不设全红时间；当绿灯间隔时间＞3 s 时，设置黄灯时间为3 s，其余为全红时间。

（3） 各相位最短绿灯时间需在选项 Minimum Split 中输入，但该选项的意义是相位最小运行时间，为最短绿灯时间加上绿灯间隔时间。

3.4 信号控制优化及实验结果分析

在信号配时方案设计完毕后，点击Optimize 选单栏中Intersection 区域的Cycle Length 按钮，即可对整体信号控制方案进行优化，优化的结果显示在信号配时参数界面的左侧。其中Max v/c Ratio 选项表示交叉口所有进口道中出现的最大饱和度，若该值小于 1.0，表明所有车道的饱和度均在1.0 以下，此时界面的右下角会出现绿色的“v/c ok”提示；若该值大于1.0，表明存在饱和度大于 1.0 的进口道，界面的右下角会出现红色的“v/c＞1”提示，但v/c＞1 并不一定表明信号配时方案不合理。Intersection Delay 选项表示交叉口各进口道的平均延误，其值越小表明交叉口运行状况越好。Intersection LOS 选项表示交叉口的服务水平，分为A、B、C、D、E、F 等6 个等级，等级越高表示交叉口运行状况越好。

由于最优信号控制方案的获得是反复试验和探索的过程，因此本实验的步骤需要学生反复进行，通过调整进口道布局，改变交叉口的相位结构，得到最优的信号控制方案。

4 结语

交通管理与控制探索性实验已应用于 2018 届本科生实验教学中。大部分学生能够在3 课时内通过实验得到较优的信号控制方案，并对实验结果进行分析和讨论，完成实验报告。通过该实验，学生的学习主动性有了明显提高，对交通信号控制的概念和原理有了更深入的理解，也为后续实验课程及毕业设计等环节打下了良好的基础。本实验培养了学生使用现代工具分析复杂交通管理与控制问题和优化控制方案的能力，对交通工程专业培养目标形成了更有效地支撑。本文所设计的实验亦可与交通管理课程的其他实验（例如信号绿波实验）、交通仿真课程实验以及毕业设计有效衔接，培养学生的综合实践能力。