城市交通线控多时段配时方案过渡算法研究

驾驶员继续教育学院 2014-08-12 16:33:29

解决好干道交通控制问题对于保障城市交通的通畅具有非常现实的重要意义。干道多时段线控方式具有简单、经济、实用等优点，因此在我国乃至发达国家城市都有广泛应用。

多时段线控配时方案优化应包括时段参数优化和过渡参数优化。以往交通学者对后者研究很少，集中在20世纪70年代和80年代早期。Messer（1976年）对最短路法（shortway）和绿延长法（dwell）的研究表明，对于不同的路网饱和度以及不同的过渡次数，最短路法过渡期间延误与相位差变化量负相关，而绿延长法恰恰相反[1]。Ross（1977年）使用NETSIM模型对比评价了6种过渡算法，发现对于车辆平均速度、平均停车次数来说，最短路法和绿延长法差别很小；不同方法评价指标值在均值的±20％内变化[2]。Basu（1981年）使用NETSIM 和TRANSYT模型研究了最短路算法，发现过渡期间延误随路网饱和度增大而增加[3]。

随着城市交通拥挤的加剧，信号配时方案的频繁过渡以及交通信号优先技术的推广应用，深入研究配时方案的过渡算法，对于促进交通流的有序运行，提高系统运行效率十分必要。

本文针对TSIS交通仿真软件提供的三种信号配时方案过渡算法，以三个交叉口线控系统为例，以控制延误作为评价指标，对早低峰、早高峰和上午平峰三种交通需求情况下配时方案过渡进行了研究。研究结论对于选择信号配时方案过渡算法，改善大中城市干道交通流运行状况具有重要的现实意义。

在城市交通中，干道担负着疏导交通的重要作用，承担着巨大的交通流。如上海市占中心区道路长度22％的主干路网承担了该地区总流量的69％；哈尔滨市占中心区23%的主干道承担了54%的交通流量[4,5]。因此，通过改善城市干道交通状况来提高我国城市交通运行效率具有非常现实的意义。

城市交通控制技术的发展历史表明：城市交通控制系统是改善城市交通运行状况的有效途径之一。与道路建设相比，具有投资少、见效快，不诱增交通量等优点。由于脱机操作控制系统不需要检测设备，具有简单、可靠、效益投资比高等优点，因此，不论是在我国还是在一些发达国家（如美国）的大中城市，目前仍在大量使用，如长春市解放大路。

由于一天中不同时段交通流的差异，因此在干道控制中多采用多时段固定式线控方式。也就是说，由交通工程师根据实际调查的数据，将一天划分为多个时段，各时段采用不同的配时方案。其关键技术是如何确定各配时参数，即相位相序、周期时长、各相位绿信比和各交叉口相位差，从而实现交通流的最优控制。图1所示为某干道线控三交叉口交通流随时间的变化规律。

因此，这就要求做好两方面的配时参数优化研究（见图2）：（1）研究时段配时参数优化理论和方法，为各个时段确定最佳的配时方案；（2）研究过渡参数优化理论和方法，实现上一时段配时方案合理过渡到下一时段配时方案，从而保证交通流的平稳和车流的连续运行。

在信号配时参数优化方面，广大交通科研人员已经做了大量的工作，取得了许多研究成果。如：英国的韦伯斯特（F.V.Webster）、澳大利亚的阿克塞立科（R.Akcelik）等提出了周期时长、绿信比的优化模型和方法；美国的立脱尔（J.D.C.Litter）、美塞尔（C.J.Messer）以及英国的希利埃（J.A.Hillier）、罗伯逊（D.R.Robertson）等先后分别提出了基于最大绿波带和最小延误（停车次数）的相位差优化方法及模型。这些算法在MAXBAND、PASSERⅡ、TRANSYT-7F、Synchro等交通软件包中得到广泛应用。而对于交通信号配时方案过渡的研究则相对较少。本文针对TSIS交通仿真软件提供的三种简单、实用的配时方案过渡算法，利用模拟路网和早高峰前后三个时段的交通流数据对算法进行了研究。

2 TSIS信号配时方案过渡算法

2.1 TSIS简介

TSIS（Traffic Software Integrated System）交通仿真软件是由美国联邦公路局FHWA（Federal Highway Administration）开发，经过逾30多年的修订和完善，已发展成为一套成熟的交通仿真系统[6]。

2003年推出的TSIS5.1是一个基于Windows的集成开发环境，用户可以方便地进行各种交通网络的设置、操作和分析，如：车辆类型、驾驶员类型、各类交通现象和管控措施。软件有丰富的输出，包括：（1）效益指标，延误、速度、行程时间、排队长度、换道次数、停车次数等；（2）安全指标，如车头时距；（3）环境指标，各类污染物排放量、排放率；（4）技术指标，油耗等。

TSIS5.1由七个模块组成。（1）TShell是TSIS环境的外壳程序和图形用户接口，它集成了TSIS的各个模块，使得用户可以方便有效地进行项目管理、交通流仿真和分析。（2）TRAFED是基于GUI的交通仿真输入编辑器，用户可以方便地构造交通网络，并设定网络参数和控制参数。（3）CORSIM是交通仿真模块，由仿真高速公路交通流的FRESIM模块和仿真普通道路交通流的NETSIM模块所组成，能仿真高速公路和普通道路组成的各种形状的交通网络，执行交通仿真计算和输出仿真结果，是TSIS的核心部件。（4）TRAFVU是交通仿真动画模拟和仿真结果显示模块，能以动画的方式再现交通仿真过程，可方便地获得各种交通仿真结果。（5）Text Editor是一个标准的文本编辑器，编辑trf文件时能实时提供帮助。（6）Script是一个脚本语言编辑器，也可以执行VB脚本代码，从而扩展其他组件的功能。（7）Translator可以实现TSIS中两种主要文件trf文件和tno文件的相互转化。trf文件是Corsim执行仿真运算的输入文件，由210条记录类型组成，每一条记录包含80列，表示交通网络的不同属性。tno文件为交通网络编辑文件。

2.2 三种TSIS信号配时方案过渡算法

TSIS软件提供了三种信号配时方案过渡算法：（1）直接过渡(Immediate transition)；（2）两周期过渡（Two-cycle transition）；（3）三周期过渡（Three-cycle transition）。算法在trf文件中由第2条记录类型第60列的值确定，分别用1，2，3表示。三种算法通过调整干道绿灯时间，在1～3个周期内过渡到新的配时方案。过渡期间需要满足最小绿灯时间和最小、最大周期时长限制。

3 信号配时方案过渡算法比较

3.1 模拟路网

图3所示为某城市由3个交叉口组成的典型线控路网。其中干道交通流包括①→③，③clip_image008.gif⑥，⑥clip_image008.gif⑨，11→⑨；支路交通流包括：②→③，④→③，⑤→⑥，⑦→⑥，⑧→⑨，⑩→⑨。各交叉口采用两相位控制，干道为协调相位，实行禁左通行；支路为非协调相位。图4为相位设计方案。

3.2配时方案优化

本文选取早高峰及其前后两个时段，利用TSIS交通仿真软件进行研究。第一时段早低峰，第二时段早高峰，第三时段上午平峰。

Synchro 6软件通过使运行指标clip_image014.gif值最小来获得最优配时方案[7]。

clip_image016.gif（1）

式中：clip_image018.gif为总延误（clip_image020.gif），包括控制延误和排队延误，1.jpg为停车次数（2.jpg）。

需要输入的数据可分为以下三类：

（1）交通流量数据，包括各进口道左、直、右机动车流量、重型车百分比、转弯比例、饱和流率、自由流速度等；

（2）路网几何线形尺寸，包括车道宽度、车道划分、转弯车道长度，交叉口间距等；

（3）信号特征，包括相位设置，绿灯间隔时间等。

表1中为模拟路网各交叉口各时段的配时方案，单位：S。其中：3.jpg为协调相位绿灯显示时间，4.jpg为非协调相位绿灯显示时间，O为交叉口的相位差，C为交叉口的周期时长。绿灯间隔时间均为4clip_image020.gif，其中黄灯时间3clip_image020.gif，全红时间1clip_image020.gif。干道最小绿灯时间设为14clip_image020.gif。