交通干线协调控制与评价

郭浩宇，王景升

（中国人民公安大学，北京 100038）

引言

交通拥堵将会导致一系列的经济问题与环境问题，缓解交通拥堵对于城市发展有着至关重要的意义。包头市东西向主干道钢铁大街历经多次规划改建，在全天范围内行车速度仍较为缓慢且早晚高峰会出现拥堵，团结大街作为平行于钢铁大街的城市次干道恰好可以为其分担交通流，缓解交通拥堵问题。

1 干线信号协调设计方法

1.1 干线信号协调原理

干线信号协调是利用统一信号配时，将干线上的若干个相邻交叉口的信号配时视为为配时对象统一协调，使得车辆在经过交叉口时能够获得更多绿灯时间，从而提高通行效率的一种控制方式[1]。干线信号协调控制在一定程度上可以减少城市交通的车辆延误、停车次数以及排队长度，提高城市干线道路的通行效率与服务水平[2]。

1.2 干线协调方案设计方法

1.2.1 确定信号周期

根据交通调查所得历史数据，按单点信号控制方法，计算每个交叉口信号周期，以所需周期时长最大的交叉口为关键交叉口，该周期时长为干线周期时长[3]。

1.2.2 确定绿灯时间及绿波推进速度

计算关键交叉口干线方向绿灯时间，以该时间为干线方向所必须保持的最小绿灯时间。绿波的推进速度对于流量大的情况，采用流量、密度和速度方法，也就是调查车速，即车辆运行的实际最高速度；在流量可控、没有达到饱和状态下，可以按照V=L/t（V—绿波速度，m/s；L—协调干线长度, m；t—期待车辆通过干线时长，s）定绿波设计车速。

1.2.3 确定相位差

单向相位差可以取车队在路段中运行时间，双向相位差可以使用图解法与数解法确定。

2 团结大街信号协调方案

2.1 现阶段配时方案

团结大街由东向西沿途有三个交叉口，分别是团结大街-林荫路交叉口、团结大街-鞍山道交叉口、团结大街-白云鄂博路交叉口。现阶段黄灯时长均为3 s，信号配时情况见表1、表2。

表1 早高峰时段团结大街信号配时

表2 平峰时段团结大街信号配时

现阶段配时在早高峰期间给平行于林荫路的民族西路、民族东路西向东方向带来了通行压力；平峰期间各交叉口周期过长，但东西双向绿波带宽仅为5 ～8 s，各方向空放时长较长，造成延误。针对以上情况，提出了早高峰期间东向西方向形成绿波带，加快车辆出城速度，减少市区内通行压力和平峰期间双向绿波减少延误和提高车辆行驶素的两种分时段信号配时方案。

2.2 早高峰时段优化配时方案

2.2.1 确定信号周期

早高峰时段经过计算，三个交叉口中团结大街-林荫路，团结大街-白云鄂博路饱和度均超过0.95，故应采用实用周期公式：

式中：C0—最佳周期，s；Y—周期损失时间，s；L—交叉口关键流率比；V—交叉口流量，veh/s；C—交叉口通行能力，veh/s。

计算得团结大街-林荫路交叉口周期最长为112 s，以该时长为三个交叉口的共同信号周期时长。

2.2.2 确定绿灯时间及绿波推进速度

根据各相位流率比算出分配系数，得出绿灯时间相序见表3（黄灯时间均为3 s）。东向西方向的绿波速度按照车辆能达到的最高速度35 km/h 设定，调查得西向东方向行驶平均车速为11.40 km/h，西向东方向按车辆实际运行速度设定。

表3 早高峰时段优化后团结大街信号配时

2.2.3 确定相位差

单向绿波相位差采取调试的方法，最终确定三个交叉口相位差为0-33-78。

2.3 平峰时段优化配时方案

2.3.1 确定信号周期

平峰时段各交叉口按照webster method 计算最佳周期：

式中：C0—最佳周期，s；Y—周期损失时间，s；L—交叉口关键流率比；k1、k2—实验计算所得固定值，k1=1.5, k2=5。

根据调查数据得出团结大街-林荫路交叉口最佳周期最长为76 s，以该时长为3 个交叉口的共同信号周期时长。

2.3.2 确定绿灯时间及绿波推进速度

根据各相位流率比算出分配系数，最终得出绿灯时间相序见表4（黄灯时间均为3 s）。东西方向绿波推进速度均按绿波设计速度确定，西向东方向绿波推进速度为40 km/h，东向西方向林荫路至鞍山道绿波推进速度为42 km/h，鞍山道至白云鄂博路绿波推进速度为38 km/h。

表4 平峰时段优化后团结大街信号配时

2.3.3 确定相位差

由于协调绿波东向西方向两段推进速度不同，故采用改进的图解法来确定相位差，由于改进图解法所绘制的时距图的直观性，在某些交叉口不改变绿信比的条件下适当地调整相序、相位并设置搭接相位，可以确保在干道不同行驶方向都能取得较良好的绿波效果[4]。步骤见图1：（1）A、B、C 分别代表团结大街-林荫路交叉口、团结大街-鞍山道交叉口、团结大街-白云鄂博路交叉口。首先从A到B 段东向西方向进行图解，从交叉口A 的向西直行绿灯起始时刻引一条相当于 42 km/h 的斜线①，此斜线与 AA'、BB'分别交于点A1、B1，B1 点与B路口向西直行起始时刻有一小段时间间隔，该时间间隔为B 路口东向西方向的启动清空时间，这样B路口的向西直行绿灯起始时刻确定。（2）再对B到C 两个交叉口进行图解，从B1 处继续引相当于38 km/h 的斜线①与CC'相较于C1，C1 点与C 路口向西直行起始时刻有一小段时间间隔，此时间间隔为C 路口东向西方向的启动清空时间，这样C 路口的向西直行绿灯起始时刻确定。（3）作斜线①的平行线②，从A1 点开始向右平移，观察发现当斜线②平移至A 路口向西直行结束时刻 A2'时，刚好能兼顾B 与C 路口的东向西时段，此时已达到斜线②平移的极限。记斜线②与BB'交于 B2'点。（4）从B2'点继续做B1 点延伸出来的斜线①的平行线斜线②，与CC'相交于C2'，此时发现相交点已超过交叉口C 的绿灯时间，所以将交叉口AB、BC 间斜线②同时向左平移，直到斜线②与AA'相交于A交叉口绿灯结束前3 s 处A2，此时能同时兼顾C 交叉口的绿灯时间形成绿波，此时斜线②与BB'相交于B2，与CC'相交于C2。（5）采用同样的方法，在兼顾从东向西绿波带的前提下，可以适当调整各交叉口的绿灯起始位置（即适当地左右移动AA'，BB'，CC'），做出从西向东的绿波带，从而实现干线的双向绿波信号控制。（6）以纵轴为基准线，通过图1 量出此干线早高峰时段的绿波控制方案的相位差，得出此时由东向西相位差为0-37-1，由西向东相位差为0-39-75。

图1 团结大街平峰时段时距

根据图解法得出团结大街东西方向双向绿波带宽为17 s，带宽效率22.4 %。

3 干线信号协调仿真评价

3.1 动态仿真评价

VISSIM 是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，主要用于城市交通和公共交通运行的交通建模，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具[5]。由于VISSIM 软件能模拟现实状况下的驾驶行为与跟车行为，因此，在交叉口混合交通研究中，能较为真实地反映交叉口的交通状况[6]。

由于干线协调的目的是使车辆快速通过交叉口，故选取交叉口延误、服务水平、东西方向行程车速和停车次数4 个指标进行评价分析，A、B、C 分别代表团结大街-林荫路交叉口、团结大街-鞍山道交叉口、团结大街-白云鄂博路交叉口。

3.1.1 早高峰期间团结大街优化前后对比

早高峰期间团结大街优化前后延误和服务水平对比见表5。

表5 早高峰期间团结大街优化前后延误、服务水平对比

现阶段早高峰期间三交叉口间东向西方向行驶平均行程车速为12.11 km/h，优化后平均行程车速为 20.4 km/h，提升68.5%；停车次数由2.15 减少为1.72。

3.1.2 平峰期间团结大街优化前后对比

平峰期间由于考虑东西向干线协调所以造成部分交叉口南北向延误稍有增加，见表6。

表6 平峰期间团结大街优化前后对比

现阶段平峰期间三交叉口间东向西方向行驶平均行程车速为28.6 km/h，西向东方向行驶平均行程车速为26.3 km/h，优化后东向西平均行程车速为35.2 km/h，提升23.07 %，西向东平均行程车速为33.6 km/h，提升27.76 %；停车次数由2.15减少为1.72。

3.2 静态仿真评价

PTV Vistro 是交通规划的仿真软件，可以优化并重新计算信号周期，得出饱和度（VC），还可对绿波带进行分析评价，团结大街两时段时空距离见图2、图3。

图2 早高峰时空距离

图3 平峰时空距离

可以看出，早高峰期间团结大街东向西方向绿波带宽33 s，带宽效率29.46 %，相位差0-33-78；平峰期间东西方向双向绿波带宽为17 s，带宽效率22.4 %，达到了较好的绿波，可以有效减少东西向停车次数，提高行程车速。

4 结语

针对团结大街部分交叉口提出平峰期间和早高峰期间两种协调控制信号配时方案，并利用PTV Vissim、Vistro 交通仿真软件进行评价分析，取得了较好的优化结果。城市交通系统是一个协同的整体，在取得团结大街东西方向绿波带的同时可能对各交叉口南北向乃至其他更远路段产生一定的影响，还需要更深层次分析。而且，还需要对早晚高峰期间对出城方向绿波控制进城方向红波控制这一信号控制方法的可行性做进一步研究。