基于搭接相位的双向绿波协调控制设计方法
2014-10-28 08:56:20   来源：陈荣荣 孙建宏   评论：0 点击：

中文摘要 ：以实际应用为目标，提出了一种考虑了实际行驶车速、交叉路口间距、相位相序等因素的双向绿波设计方法，并在济南市济齐路沿线五个交叉路口进行实地验证，先后两天对济齐路进行交通数据对比调查，通过评价指标对比，证明了新方法的有效性和实用性。

关键词：绿波控制；周期时长；相位差；搭接相位

1.引言

随着社会和经济的发展，机动车保有量迅猛增长，交通供需矛盾日益突出，交通问题已经成为制约我国城市发展的瓶颈。交通拥挤、交通拥堵不仅普遍存在于一线、二线城市，并有向三线城市蔓延的趋势。造成交通拥挤和交通拥堵的原因很多，但各个交叉路口孤立控制，控制方案的不协调、不优化是主要的技术原因[1]。为了缓解交通流时空的连续性与交叉路口“各自为政”孤立控制之间的矛盾，目前常用的一种方法就是把主干路上的一批相邻的交叉路口的交通信号连接起来，加以协调控制，使主干道路上的车辆通过这些交叉路口时尽可能地遇到绿灯，为主干道路方向的车流提供最大的绿波带，减少主干道路上的延误和停车率，以保证主干道路上的车辆能够畅通，这种可以使主干道路上车流连续通过若干个交叉路口的协调控制方法简称线控制，也称绿波控制。绿波控制可以有效地减少车辆在各个交叉路口上的停车次数，对改善交叉路口通行状况，提升驾驶员的驾驶感受，提高路网使用效率和交通安全水平，缓解城市交通拥堵和空气污染，降低车辆燃油消耗和噪声污染都具有现实意义。

绿波控制，在各个交叉路口间距相等时，比较容易实现，且当信号间车辆行驶时间正好是线控系统周期时长一半的倍数时，可获得理想的效果。当各个交叉路口间距不等时，信号协调控制就较难实现，如采取折中方法求得信号协调，还会损失信号的有效通车时间，提高相交道路上车辆的延误。

因此，本文针对以往绿波控制方法的不足，基于实际工程项目经验，提出了一种新的双向绿波实用设计方法，并验证了本文所述方法的有效性和实用性。

2.基于搭接相位的双向绿波协调控制设计方法

周期时长和相位差是绿波控制的主要配时参数，本文重点研究相位差的计算方法。

2.1周期时长

绿波协调控制中，干线上的各个交叉路口应采用同一个公共周期，这样才能进行协调控制。各个交叉路口单点控制的最佳周期采用韦伯斯特周期计算公式来计算。计算公式如下[2]：

                   （1）

式中：

—周期时长（s）；

—交叉路口总损失时间（s）；

—交叉路口关键相位最大流量比之和；

在确定各个交叉路口单点最佳周期时长后，从中选出最大的周期时长作为系统的周期时长，并把需要周期时长最大的这个交叉路口称为关键路口。

2.2相位差

相位差是绿波协调控制的关键参数，直接影响到绿波控制的效果。纵观以往的研究成果，主要有两种比较成熟的相位差计算方法，即图解法与数解法。其中图解法是利用几何作图方法进行信号协调配时设计，将通过对公共信号周期的不断调整，最终确定合适的交叉路口相位差，但图解法只适用于双向流量均衡的情况，未考虑车速和排队车辆等因素，在实际应用中存在着诸多问题；数解法是进行信号协调配时设计的一种数值计算方法，是在相位相序固定的情况下，通过寻求与实际交叉路口间距最为匹配的理想交叉路口间距，以确定最佳公共信号周期与相应相位差取值，但在现实中，相邻路口的间距大多参差不齐，由于理想交叉路口间距取值唯一，而实际交叉路口位置可能无法处于理想交叉路口位置附近，从而导致干道双向绿波协调控制方法可能难以取得理想的协调控制效果。

基于实际工程项目经验，本文提出了一种新的双向绿波相位差设计方法，其基本思想是：适当调节相位、相序并设置搭接相位，保证两个方向都能取得良好的绿波效果，在计算过程中考虑了不同时段行驶车辆车速的变化，来计算相位差，设计出实用有效的双向绿波方案。

2.2.1交叉路口间距较近时相位差的计算

当交叉路口间距较近（S<<

）时，通过设置如图1所示的搭接相位①、②来协调相位差。两个交叉路口的相位差等于车辆在路段S上的行驶时间。

                       （2）

图1 交叉路口间距较近时相位差的计算示意图

2.2.2交叉路口间距较远时相位差的计算

当交叉路口间距较远（S>>

）时，通过设置如图2所示的搭接相位①、②来协调相位差。两个交叉路口的相位差等于相位①和②的绿灯时间与车辆在路段S上的行驶时间之和。

                    （3）

图2交叉路口间距较远时相位差的计算示意图

需要说明的是，在以往的绿波设计中将各路段的车流行驶速度设定为同一个固定值。由于交通流具有时空分布特性，车辆在不同道路不同时段，行驶速度是不一样的。因此本文在设计中提出应以实际路段实际时段的车辆行驶速度为依据，确定相邻交叉口的车辆行驶时间，这部分数据可以通过实际调查获取。

3.实例验证

为验证本文所提出方法的有效性，在济南市济齐路进行实例验证。济南市济齐路西起二环西路，东至黄岗路路口，全长2655米，双向八车道，最外侧为公交专用车道。共有七个路口，包含两个行人过街（信号灯没有点亮，本次暂不考虑）。各交叉路口的间距如表1所示。

表1 各交叉路口的间距

用本文提出的方法，设计的相序图如图3所示，配时方案如表2所示。通过调节各个交叉路口的相位、相序，最终达到相位、相序合理。

洛河路行人路口相位相序示意图

北园大街路口相位相序示意图

匡山大街路口相位相序示意图

东沙王路口相位相序示意图

匡山汽车大世界路口相位相序示意图

图3济齐路子区相位相序示意图

表2  济齐路子区配时方案表

注：阴影部分为协调控制相位；匡山汽车大世界路口由于存在左转代转区，为避免车辆冲突，故增加第四相位。

为了验证双向绿波协调控制的效果，先后两天对济齐路进行交通数据对比调查，包括行程时间与停车次数调查、北园大街路口排队长度调查。2013年7月2日，分别于早高峰（7:30—8:30），平峰（14:00—15:00），晚高峰（17:00—18:00）调查在执行原有配时方案下，济齐路子区的行程时间、停车次数、排队长度。2013年7月3日，在同样的时间段内调查路口执行双向绿波协调控制后，济齐路子区的行程时间、停车次数、排队长度。调查数据表明，在执行双向绿波协调控制后，济齐路子区路段行程时间缩短了33.2%；停车次数减少了58.8%；北园大街路口平均排队长度减少了37.2%，绿波协调控制效果明显。

通过实例验证，本文提出的方法可以取得良好的双向绿波控制效果，济齐路子区的绿波带宽度为40s。济齐路子区双向绿波协调效果展示如图4所示：

图4济齐路子区双向绿波协调控制效果图

4结语

对于主干道路上车流的交通协调控制，是近年来国内外城市交通控制研究的热点。城市交通主干道路承受着整个城市的主要交通负荷，对交叉路口间的相位差进行有效地协调控制可以实现交通流合理地优化调度，从而提高整条主干道路的交通流量和服务水平，避免交通堵塞，减少污染。城市主干道路交通的顺畅与否对城市的经济发展起着至关重要的作用，也是交通控制的主要任务。交通主干道路上交叉路口信号容易实现单向绿波带控制，而对大多数城市的主干道路双向绿波带控制却一直没有很好地效果。

本文提出的基于搭接相位的新的双向绿波相位差设计方法，能保证两个方向都取得良好的绿波效果，在计算过程中考虑各路段行驶车速的影响，使设计出来的绿波方案实用、有效。本文设计的方法已在济南市、惠州市、包头市de得到应用，并取得了良好的控制效果，不仅车辆的行车延误降低，而且减少了车辆的频繁启动和制动，最大程度上减少了交通事故的发生，获得了良好的社会效益和经济效益。