左转待转区对干线协调信号控制的影响分析

2022-05-12王道斌

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年2期

田翠王道斌

(武汉科技大学汽车与交通工程学院武汉 430070)

0 引言

干线协调控制指通过对干线若干连续交叉口的信号进行协调控制，使得干线车辆尽可能获得连续通行权的信号控制方式[1]．干线协调控制可以有效减少车辆在交叉口的停车次数，控制车辆在干线上的通行速度，提高干线交通的通行效率．

常用的干线协调控制方法有最大绿波带法和最小延误法．最大绿波带法是以绿波带宽最大为目标构建相位差的优化模型．Little等[2]提出了经典的带宽最大化模型MAXBAND，根据该模型可以获得干线交叉口的最优周期时长、相序、相位差和绿波带速度等参数．基于交通需求层面，Gartner等[3]设计了带宽与交通需求相匹配的协调控制模型MULTIBAND，突破了干线上不同流量路段使用相同带宽的限制，改善了潜在的供需不平衡问题．针对绿波带宽求解范围小的问题，唐克双等[4]减少了MULTIBAND模型绿波带需沿着中心线对称这一约束条件，提出了双向绿波不对称的协调控制方案，进一步改善了MULTIBAND的控制效果．最小延误法是以延误和停车次数等参数最小为目标构建相位差的优化模型．卢凯等[5]在以干线车辆总延误和总排队长度最小为目标的前提下，建立了一种基于动态车速的干线信号协调优化控制模型．Balaji等[6]提出了以行程时间最短和延误最小为目标的双目标相位差优化模型，有效地减少了车辆拥堵并提高了交叉口的通行能力．最大绿波带法相比最小延误法更加直观，因此得到更加广泛的应用．

随着交通需求的增加，城市交叉口的规模越来越大．为了提高左转相位绿灯时间的利用率，目前许多城市在左转车道的前方区域设置了左转待转区[7]．章国鹏[8]指出左转待转区增加了左转车辆的排队存储空间，可以有效减少左转车辆排队溢出左转车道的概率．徐条凤[9]指出左转待转区允许左转车辆提前进入交叉口等待放行，可有效提高信号控制交叉口的左转通行效率．

左转待转区允许左转车辆在左转相位开启之前进入交叉口，Hao等[10]指出通过合理设置左转待转区可以有效提高交叉口左转相位绿灯时间的利用率，进而增加左转车辆的通行能力．季彦婕等[11]研究了左转待转区的设置方法和长度，通过对左转待转区设置前后的交通运行指标进行对比分析，发现合理设置左转待转区可以缩短周期时长，提高进口车道的利用率．在不同配时条件下，左转待转区的设置对车道通行能力的影响会有所不同．倪颖等[12]基于“停车线法”和交通流波动理论，发现在满足左转车道数不小于直行车道且待行区容量较大条件下，设置左转待转区可以使得左转进口道的通行能力提高约15%．Wei等[13-15]通过模拟不同的交通条件下左转待转区的交通运行进一步验证了左转待转区有助于提高左转车辆的通行效率，并指出左转车辆的通行能力会随着左转待转区长度的增加而增加．

设置左转待转区的交叉口其信号控制方案需采用Lag-Lag相序，许多研究表明相序是影响干线协调控制效果的重要因素．Tian等[16]在研究相序对双向绿波带宽的影响时发现在大多数路网中Lead-Lag相序相比于Lead-Lead和Lag-Lag相序优势更大．Ma等[17]基于NEMA相位提出了协调控制的相序优化模型，发现Lead-Lag相序和Lag-Lead相序优化带宽的效果更显著．李祥尘等[18]也指出对交叉口的信号相位和相序进行优化可以有效提升干线协调控制的效果．

大多数干线交叉口均属于大中型交叉口，沿干线方向设置左转待转区将不可避免的限制干线交叉口信号相序的灵活性，进而影响干线协调的控制效果．为了研究设置左转待转区对干线协调控制的影响，文中选取武汉市解放大道连续两个设置左转待转区的信号控制交叉口作为研究对象，通过实地交通调查分别获得两个交叉口的信号配时方案和交通流量数据，基于理论分析和微观交通仿真实验研究左转待转区对干线协调控制的影响．

1 方法

1.1 MAXBAND

MAXBAND是根据现有交叉口信号配时构建一系列等式约束和不等式约束，以绿波带宽最大为目标函数，通过线性规划获得各交叉口之间的最佳相位差，见图1．

正向(逆向)绿波带宽，第i个交叉口，i=1,…,n；交叉口干线方向正向(逆向)的红灯时间；交叉口干线方向红灯结束(开始)与正向(逆向)绿波带边缘的时间差，到Si+1(Si+1到Si)的行程时间；Ø(i+1,i)·交叉口干线方向正向(逆向)红灯中心到Si+1交叉口干线方向正向(逆向)红灯中心的时间差；Δi-相距最近的ri和中心的时间差，如果ri的中心在的中心右边，则为负值；排队消散时间．图1 MAXBAND示意图

MAXBAND的目标函数为

Y=maxb

(1)

MAXBAND的等式约束为

(2)

式中：i=1,2，…,n．

MAXBAND的不等式约束为

(3)

1.2 左转待转区对信号相序的影响

干线方向通常会包含四个信号相位，这四个相位可构成四种相序组合，见图2．在未设置左转待转区的情况下，这四种相序对于干线交叉口来说均可采用．一旦在干线方向设置左转待转区，沿干线方向的左转相位就必须在直行相位的绿灯结束之后才能开启．因此，设置左转待转区的干线交叉口只能采用Lag-Lag这一种信号相序．

图2 相序结构图

1.3 仿真实验环境

采用VCID(virtual controller interface device)、Econolite信号机及VISSIM交通仿真软件搭建交通仿真实验环境，VCID的结构图见图3．VCID不仅能够根据微观交通仿真中交通运行情况对干线交通服务水平进行分析和评价，同时也能够对信号机的配时参数进行在线调试进而调整绿波带信号控制策略．

图3 VCID的结构图

2 案例研究

选取武汉市解放大道与香港路及澳门路的两个连续交叉口作为研究对象，道路结构、排队计数器位置以及延误检测器位置见图4．为了研究左转待转区对干线方向交通运行的影响，设有左转待转区与未设左转待转区的排队计数器和延误检测器在仿真实验中的位置是保持一致的．其中排队计数器位于干线方向直行车道的进口位置，用于获取直行车道的车辆排队长度，两个交叉口共计放置4个排队计数器；延误检测器的起点和终点分别位于两个交叉口沿干线方向的上游和下游，用于检测干线方向直行车辆通过这两个连续交叉口的延误，干线双向共计放置2个延误检测器；根据排队计数器和延误检测器的数据分析左转待转区对干线协调信号控制的影响，而左转待转区的长度并不计入本文排队长度以及延误的计算．

图4 解放大道道路结构示意图

在2020年11月27日06：00—12:00对这两个交叉口进行实地交通调查，获取信号配时及各相位的交通流量数据，信号配时见图5，各相位交通流量见表1．

表1 交通流量表

图5 信号配时图

采用MAXBAND方法分别计算有无左转待转区条件下两个交叉口的最佳相位差以及相应的最大绿波带宽，结果见表2．

表2 为基于MAXBAND方法的计算结果单位：s

由表2可知:在相同的路网、信号配时以及交通流量条件下，由于设置有左转待转区，通过MAXBAND方法获得的最大绿波带宽仅为17 s；而没有设置左转待转区，通过MAXBAND方法获得的最大绿波带宽为23 s．由于设置左转待转区会限制干线方向信号相序的灵活性，所以无左转待转区条件下可以获得比有左转待转区条件下更宽的绿波带．

为了进一步验证设置左转待转区对干线交通运行的影响，根据实地交通调查采集的信号配时和交通流数据，分别进行有无左转待转区条件下的交通仿真实验．每次仿真实验1 h，并且每隔10 s读取一次排队长度和延误．为了避免实验过程中产生的随机误差，分别在有/无左转待转区的条件下进行五组对照实验，同时每组对照实验重复进行五次．此外，为保证每次仿真实验环境的一致性，在实验操作过程中需要注意：①在每一组对照实验过程中，除了有无左转待转区之间相序的区别之外，仿真的随机种子、路网环境以及信号配时均需保持一致，以保证每次对照实验的交通流条件和信号配时条件是一致的；②在不同组的对照实验中，仿真的随机种子不同，以消除特定交通流条件对实验结果的影响；③在仿真实验过程中，不断检查信号机的信号状态与仿真软件中的信号状态是否一致，以及仿真的速度与信号机时钟的运行速度是否一致，以保证信号机与仿真软件的同步．有无左转待转区的对比实验的仿真结果见图6～9．