基于延误模型的城市相交干线协调控制研究_袁展

Abstract： The purpose of this paper was to study the coordination method of two intersecting arterials in the city，in the situation when the arterials should be controlled at the same time． Considering the traffic flow characteristics of the intersecting arterials，this paper proposed a cocoordination model based on traffic flow characteristics． The Webster timing method was used in the model to calculate the intersection signal parameters． And a new optimization model of phasing based on the index of minimum queuing delay was established． Then taking intersecting arterial roads in Beijing as an example ，the coordination method proposed in this paper was used to design the timing plan of the arterial roads． The traffic situation before and after was compared and analyzed in SYNCHＲO． The simulation results show that the queuing delay of the system was decreased by 16. 8% when the cocoordination model was used in the arterials． The analysis results show that the above method is suitable and effective for the situation． It is able to decrease the minimal delay of the traffic flow ，as well as improve the control effect at the intersecting arterials． Key words： urban transportation； coordinated control； intersecting arterial roads 中的重要部分， 承载着大量的交通出行量， 是城市道 路网的动脉， 所以采用智能交通控制手段， 对城市交 通干线有限的道路资源优化配置是解决交通拥堵问
相交干线联动协调控制方法 ． 该方法运用韦伯斯特配时法计算干线交叉口信号控制参数 ， 以干线排队延误最小为 指标建立相位差优化模型 ． 以北京市某相交主干线为例 ， 运用提出的协调控制方法 ， 对相交的两条交通干线同时进 行协调控制优化， 设计应用于实例的协调控制方案 ． 运用 SYNCHＲO 仿真软件， 对方案实施前后的交通运行情况进 行对比分析， 数据表明， 与现状配时方案相比 ， 采用联动协调控制方案后 ， 两条干线的车辆停车延误减少了 16. 8% ． 仿真结果表明， 联动协调控制方法适用于两条相交干线都需要实施协调控制的情况 ， 能有效地协调相交干线上的 交叉口配时， 降低车辆在交叉口的延误 ， 提高通行效率． 关键词： 城市交通； 协调控制； 相交干线 中图分类号： U 491 文献标志码： A 2522 （ 2015 ） 051806 文章编号： 1008-
2 （ θ i， T2 Uq i， i +1 i + 1 － τ i， i +1） i +1 e Uq i， = 2 （ U s － q i， 2 （ U Байду номын сангаас － q i， i +1） i +1）
的延误情况为车流到达 P i + 1 起至该交叉口红灯时间 结束的时间段， 将此时间段记为 T e ． 另设定 T d 为车 队在交叉口的排队时间； T q 为车辆消散时间， 且Tq ≤ G i + 1 ． 其他符号意义同前． 由上游交叉口 P i 行驶的车辆到达交叉口 P i + 1 所经历的时间定义为变量 τ i， i +1： τ i， i +1 =
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1. 2. 1
相交干线直行流量延误模型 以下行方向为例， 干线上的直行车队在交叉口
T e = θ i， 当车队头部受阻时， 车流从 i + 1 － τ i， i + 1 ． 所以 ， P i 驶向 P i + 1 的车辆延误的计算式为： w i， i + 1 （ 1） =
第 15 卷 第 5 期 2015 年 10 月 DOI： 10． 13986 / j． cnki． jote． 2015． 05． 004
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Vol． 15 No． 5 Oct． 2015
基于延误模型的城市相交干线协调控制研究
袁
摘
展，于
泉
（ 北京工业大学 交通工程北京市重点实验室 ，北京 100124 ） 要： 在研究城市交通干线相交情况下 ， 通过对两条相交干线交通流运行特性进行分析 ， 提出了基于最小延误的
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引言
作为城市交通道路网 城市交通干线错综复杂，
收稿日期： 2015-03-09． mali： yuanzhan1990@ 163． com． 作者简介： 袁 展（ 1990 —） ， 研究方向为智能交通控制 ． E男， 硕士研究生，
第5 期
袁
展，等： 基于延误模型的城市相交干线协调控制研究
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题的必要途径． 通过对道路交通交叉口实施协调控 ［1 ］ 制， 道路交通流的时间延误改善 200% 400% ． 为减少车辆在交叉口上的停车时间， 把一条干 线上一批相邻的交通信号连接起来 ， 加以协调控制， 就出现了干线交叉口交通信号的联动控制系统 （ 简 ［2 ］ 称线控制） ． 通过对目前国内外研究现状的分析 可得， 干线交通信号协调控制方法主要分为两大类 ： ［34 ］ 和最佳效能指标法 （ 行程时间、 最大绿波带宽法 延误等） ． 最大绿波带法的评价指标是车辆连续 通过带宽 度 ， 最佳效能指标法主要是最小延误
（ 停车次数） 法， 该方法是基于车队行驶中延误时间 （ 停车次数 ） 的计算， 即从实际网络出发， 确定出延 ［9 ］ 误（ 停车次数 ） 与各路口信号相位差 之间的函数 关系， 然后通过对交通调查数据的分析 ， 计算使目标 最优的相位差组合． 国内外学者对干线协调方面的研究多集中于单 条干线的协调控制， 而较少涉及 2 条相交交通干线 的协调控制． 相交干线协调方式与单条干线协调方 式的区别是干线绿波协调控制是单向的协调或者是 双向的协调， 而相交干线的协调控制是 4 个方向的 协调， 是介于线控制与面控制之间的一种协调控制 ， 需要综合考虑 2 条干线的交通运行参数， 使 2 条干 线达到最佳协调控制效果． 本文作者总结了干线协调设计的基本理论和方 ， 法 在此基础上， 基于相交干线交通流运行时排队延 误产生的内在机理， 对非饱和状态下的干线协调配 时进行了较为系统的研究， 提出了非饱和状态下的相 交干线相位差协调控制的理论方法． 本文选取了典型 的城市相交主干道作为研究案例， 运用相交干线协调 控制理论方法， 建立线控系统， 并利用 SYNCHＲO 仿真 软件对线控协调的控制效果进行评价．
（ 6） 2 ） 当 θ i， i + 1 ≤ τ i， i + 1 ＜ θ i， i + 1 + Gi + 1 时 因为红灯启亮前已 此时车流从 P i 驶入 P i + 1 时， 通过一部分车辆， 所以车队表现为车队中部车辆受 阻． 此时排队车辆经历了一个周期内完整的红灯时 间 Ｒ i + 1 ． 所以， 当直行车队中部受阻时， 车流从 P i 驶 向 P i + 1 的车辆延误的计算式为： w i， i + 1 （ 2） = Ｒ2 i +1 i + 1 Uq i， 2 （ U － q i， i +1） （ 7）
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相交干线相位差协调控制模型
模型中 2 条干线相交处的交叉口为主线与主线 相交道路， 交通量较大， 并且左转车流量较大， 仅仅 考虑主干线直行车流的协调效果得到的绿波带 ， 会 受到转向车流的影响， 导致效果有所降低． 所以， 模 型中 2 条相交干线协调方向上的车流在交叉口的延 误主要由 2 部分组成， 一是相交干线直行车流的交 叉口延误， 二是干线相交交叉口处的左转车流延误 ． 相位差的确定经历 2 个过程， 初始化相位差与 相位差优化， 由优化目标最小得到最优的结果 ， 以其 获得尽可能大的绿波带宽． 模型中相位差的优化以 相对相位差为变量， 即相邻两个信号交叉口之间的
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相位差． 本文将从相对相位差的约束条件出发， 以 相交干线总延误最小为目标， 建立基于最小延误的 相交干线相位差协调控制模型． 1. 1 基本假设 由于多种因素影响城市交通干线的信号协调控 制， 在此做以下假设： 1 ） 各车流在某一确定时间段内的平均车流量 为已知， 且维持恒定； 2 ） 干线协调系统内部的交通 流为非饱和状态； 3 ） 不考虑车辆驶入和驶出的离散 规律； 4 ） 干线与支线交叉口采用两相位信号控制； 5 ） 不考虑干线上车辆排队长度的影响， 并且认为停 车发生在停车线处． 1. 2 模型建立 在相交的 2 条干线都需要进行双向协调控制的 情况下， 相交干线的线控协调系统描述如下 ： 东西方 向线控系统由 n 个交叉口组成， 南北方向的线控系 统由 m 个交叉口组成， 与 2 条干线相交的道路均为 支路． 外部进入干线协调系统的进口道为系统外进 口道， 驶出干线协调系统的出口道为外出口道 ， 干线 上不直接与干线协调系统之外的道路相连的进出口 道为内进出口道． 选取系统中 2 条干线相交的交叉 口 P c 为关键交叉口． 模型中参数的设定： θ （ i， i + 1 ） 为相邻交叉口 P i + 1 相对 P i 的信号相位差； q i， i + 1 为直行车辆在交叉口 P i 与 P i + 1 之间的下行车流量； v 为车辆在干线系统中 的运行速度； C 为干线交叉口的公共周期； G i 为交叉 Ｒ i 为协调方向 口 P i 处干线协调方向上的绿灯时间， 上的红灯时间； S i， i + 1 为交叉口 P i 与 P i + 1 之间的距 离； U s 为干线协调方向上各交叉口绿灯放行期间直 行车流的通行能力； U L 为相交交叉口的各方向绿灯 放行期间交叉口左转车流的通行能力 ． 相位差优化模型以求取相交干线上最小延误下 的最佳相位配时为优化目标， 同时考虑 2 条干线直 行车流延误与相交交叉口左转车流延误 ， 建立多目 ： 标优化模型表达式 f（ θ） = min［ φ1 （ D S1 + D S2 ） + φ2 D L ］ st． 0 ＜ θ ＜ C φ1 + φ2 = 1 θ （ i + 1， i） + θ （ i， i + 1） = C i = 1， …， n， j = 1， …， n 式中： φ1 为干线直行车流延误的权重系数， 取 0. 7 ； φ2 为相交交叉口左转车流延误的权重系数 ， 取 0. 3 ； D S1 为东西干线直行车流的延误； D S2 为南北干线直 行车流的延误； D L 为相交交叉口左转车流的延误． （ 1）