城市道路绿波带信号控制优化研究
时间：2021-01-01 10:31:56 来源：达达文档网 本文已影响 人 
吴刚 叶婉君 白钰洁 马祯 林国靖 秦钟
[摘 要] 为研究城市绿波信号控制对城市道路交通情况的使用效果，根据金州大道的道路交通情况和干线协调控制理论，对金州大道进行了绿波带信号控制优化研究，提出了交通优化方案，通过VISSIM建立仿真模型验证方案的有效性，结果表明金州大道在绿波方案下相关指标有所优化，绿波信号控制是解决城市干道交通问题的有效措施。
[关键词] 绿波带;干线协调;VISSIM;微观仿真
doi ：
10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 23. 073
[中图分类号] U491 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2020）23- 0174- 04
0 引 言
随着我国社会经济快速发展，汽车保有率不断提高，交通设施建设的缓慢增长无法适应交通需求快速增加，交通拥堵问题日益严重[1]。为解决城市干道的交通问题，降低干线车流的行车延误和停车次数，国内外学者提出了城市干道协调控制理论，模拟波浪效果，使干道上的车流在一定条件下一次性通过多个信号交叉口，从而降低干道车辆延误和停车次数，提高干道的通行能力。目前国内外学者研究绿波信号控制的方法主要有最大绿波和最小延误，两者均是通过干线控制中的交叉口相位差从而得到绿波控制方案的最优解[2]。文章通过研究干道协调控制理论，基于最大绿波研究方法，以金州大道为例，运用VISIIM对案例进行仿真分析，验证绿波信号控制对解决城市道路问题的有效性。
1 干线协调控制理论与方法
城市干道是由交叉口和路段组成[3]，小部分通过立交设施对交通流进行空间分离，从而提高道路通行能力，大部分通过信号控制辅以交通标志标线对交通流进行时间分离，从而提高道路通行能力。城市干线协调控制基本原理是将干线当成一个整体去考虑，干线上每个交叉口当做整体的一部分，通过对各交叉口绿灯发生时间的调整，使其与相邻交叉口信号存在相位差，从而使车流每行至一个交叉口时，该交叉口信号周期大概率处在放行状态，降低车辆的停车次数和等待时间，使车辆形成连续的车流，提高道路通行能力[4]。
1.1 绿波带原理
绿波带是交通信号控制中干线信号控制的另一种说法，从干线协调优化后各交叉口信号配时绘制的“时间-距离”图上看，绿灯之间的连线形成带状区域，其宽度表示能供给车辆通过的时间，故被称为“绿波带”[5]。绿波带信号控制的最重要工作就是寻找合适的配时方案和相位差。
目前相位差的优化方法主要是从两个方面进行的：一是基于最大绿波带，二是基于最小延误，二者是计算相位差最常用的方法。最大绿波带法使用简单有效，结果直观易懂，而最小延误法更为科学，但是车辆延误数据收集较难准确获得，计算误差较大，因此一般使用最大绿波带法计算相位差。
基于最大绿波带的绿波信号控制方案，可以通过时间—距离图表示，如图1所示。横坐标表示时间，纵坐标表示交叉口间距，时距图中两条绿波带轨迹线之间的区域为绿波带;带宽表示绿波通过时间，即两条轨迹线在同一纵坐标上的横坐标间隔;轨迹线的斜率为车流的通过速度[6]。在绿波信号控制下，车流按照标定范围的车速行驶，就能够连续通过干道上各交叉口，从而达到绿波效果，降低延误和停车次数，提高道路通行能力。
1.2 相位差计算
对于单向交通干线或者双向交通量相差过大的城市道路，只需要对单向或者双向道路上的关键方向进行绿波控制。单向绿波带由于只需要优化单个方向的车流，可以形成更大的带宽，在实际应用上有更强的适应性[7]。单向干线协调中相邻交叉口相位差差可按公式①计算：
式①中：O为相邻信号相位的时差，s;S为相邻信号交叉口距离，km;v为车辆可持续运行速度，km/h。
对于非单向交通干道或不适用单向绿波的道路，计算相位差还有基于最大绿波带的图解法和数解法，二者是求解干线协调相位差常用方法。由于数解法的实用性较好，计算精度较高，故使用数解法进行绿波信控计算。
数解法能通过相应的计算，获得最优的相位差，使用波动参数的方法寻找干线系统中各设计信号与理想信号的最大位移量的最小值，对比分析确定相位差，得到最后的结果。其计算步骤如下：
（1）计算各个交叉口之间的理想间距，设为a列[8];
（2）将设计信号位置与理想信号的挪移量按各交叉口在绿波带上的顺序排列，并计算各相邻交叉口相位位移量之差，将最大差值放进b列;
（3）确定最合适的理想信号位置;
（4）做连续行驶通过带;
（5）计算时差。
2 案例分析与仿真评价
2.1 案例分析
金州大道位于广州长洲岛，是岛内唯一一条贯穿东西的干道，其分为金州南路和金州北路两段，其间有4个信号交叉口。由于道路等级较低且道路空间有限，高峰时段内现有道路交通设施及其管理措施难以满足通行需求，道路利用效率低下。
通过对该路段的交通状况进行调查，研究发现该路段各交叉口间距适中，交通情况较为理想，可以用于绿波信号控制管理。针对干道4个交叉口进行交通调查，收集交叉口几何參数、交通量、车速、现状信号配时等数据，运用数解法计算绿波信号控制方案。现状配时方案和绿波信号控制方案如表1、2所示。现状配时方案中采用单进口放行、各进口依次放行的方式，其中，交叉口A放行次序为东—西—南—北;交叉口B、C放行次序为东—西—南;交叉口D放行次序为东—北—西。绿波信号控制方案相位基本保持不变，但交叉口D放行次序改为西—东—北。
2.2 仿真评价
传统方法评估绿波信号优劣性主要采用带宽和设计车速两种指标，文中另辟蹊径，结合微观仿真技术，通过VISSIM仿真软件重现金州大道的道路交通状况，对方案进行仿真，对结果进行定量分析，输出平均排队长度、最大排队长度、车辆平均延误、停车次数等仿真结果评价方案以验证有效性和优化程度。
通过LocaspaceViewer下载高清版的金州大道卫星图，将卫星图导入VISSIM内设置好比例尺，对交通量、车辆构成、行驶车速等参数进行标定，对道路几何参数和交通参数进行校对，使模型精度符合精度要求。
根据VISSIM仿真结果，得出平均排队长度、最大排队长度、车辆平均延误、停车次数等仿真结果，如图2、3所示，无论是行驶在绿波带上的车流还是干道上的总车流，各指标大都有明显下降，其中干道绿波方向进口（即各交叉口西进口）平均排队长度最大下降幅度为84%、最大排队长度最大下降幅度为68%、车辆平均延误最大下降幅度为77%、停车次数最大下降幅度为82%;干道交叉口平均排队长度最大下降幅度为34%、最大排队长度最大下降幅度为31%、车辆平均延误最大下降幅度为40%、停车次数最大下降幅度为58%。因此绿波方案对金州大道的优化效果良好。
3 结 语
文章的主题为城市道路绿波带信号控制优化研究。研究的目的在于实现城市道路的干线协调控制，通过对交叉口信号灯的联动控制，调节其相位差，减少停车时间，实现车流的绿波通行，从而减少行车延误，提高道路的通行能力。
以长洲岛金洲大道为例，对长洲岛各个交叉口的交通现状进行调查分析，根据各交叉口的之间的距离和信号灯配时方案、车流行驶特性等划定干线协调的路段，并使用绿波带优化方法确定交叉口相位差配时方案，对金洲大道進行干线协调交通控制，最后使用仿真软件VISSIM对其进行验证。
文章的绿波带信号配时计算是基于理论基础最大绿波带法计算出来的，得出的结果较为公式化，没有考虑到行人、机非混行等情况对干道车流的影响。实际应用中为了得到更加精确和适用范围更广的绿波带配时方案，可以考虑使用多目标函数或者模糊算法等来求解。
主要参考文献
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[2]王玮，陈学武.交通规划[M].北京：人民交通出版社，2012.
[3]吴兵，李晔，佩昆，等.交通管理与控制[M]. 第4版.北京：人民交通出版社，2009.
[4]徐晓慧，王德章.道路交通控制教程[M].北京：
中国人民公安大学出版社，2005.
[5]王俊刚. 交通信号线控模型研究[D].北京：北京工业大学， 2005.
[6]郭丽苹. 城市干道绿波带配时方法研究[D].西安：长安大学，2015.
[7]侯宗霖.基于相交干道的绿波协调设计实证研究[J].城市道桥与防洪，2014（4）：205-208，11-12.
[8]陈光，米雪玉.王宇亮，等.干线交叉口的信号协调控制[J].山西建筑，2007（34）：61-62.
