城市干道交通信号双向绿波控制设计方法

城市干道交通信号双向绿波控制设计方法

【摘要】城市干道是疏解城市交通流的交通动脉，通过信号灯配时设计提高干道通行速度、减少车辆停车延误，对城区治堵保畅具有重要意义。双向绿波协调控制技术是能够有效提高道路整体通行能力的信号控制技术。本文针对复杂城市交通环境中经常采用的非对称放行方式下的干道双向绿波协调控制要求，提出基于MATLAB图解法的续进式双向绿波设计方法，通过合理相位设计，结合单路口信号配时需求，设计不同时段的双向绿波协调控制方案。

【关键词】协调控制；双向绿波；图解法

随着社会经济的发展，城市交通压力越来越大，城市交通拥堵已严重影响城市的可持续发展。治理城市交通拥堵是一个系统性工程，一方面需要通过新建道路、打通断头路等方式来提高城市路网的交通流总体承载容量；另一方面也可以通过科学的交通组织和交通控制来挖掘现有的道路通行潜力，提升交通运行效率。交通信号控制是控制城市交通的重要方式，科学合理的信号相位和配时设计不仅可以提高单个路口的通行效率，同时也可通过信号灯联网协调控制，使车辆在道路行驶时得到连续的绿灯信号，从而在信号“绿波”状态下畅通地通过大量交叉口，这种方法称为信号“绿波”技术。

一、交通信号双向绿波设计方法研究

交通信号绿波控制通常分为单向绿波控制和双向绿波控制两种。单向绿波控制只能保证一个方向的车流一路绿灯通行，而另一个方向遇到红灯概率反而提高。这种单向绿波较适合单行交通组织道路或潮汐流明显的路段，而真正能提高道路整体通行能力的需要采用双向绿波技术。

目前，设计双向绿波协调控制的常用方法有数解法、图解法、Maxband法以及Multiband法等。其中，数解法是通过数值计算的方法，寻求最小偏移绿信比，求解协调控制配时参数；图解法是通过作图的方法，确定协调控制系统的公共信号周期与相位差；Maxband法和Multiband法均是通过建立绿波带宽度的线性规划模型，利用混合整数线性规划方法实现信号配时参数的优化求解。上述方法主要适用干道进口直行相位采用对称放行方式的干道交叉口群，而对于采用非对称放行相位（单放相位）的干道双向绿波协调控制，往往不能达到实际的设计要求。与进口对称放行方式相比，非对称放行方式可以最大限度地均衡各流向车道的利用率、饱和度与停车延误，能够利用左直合用车道实时调整直行流向与左转流向的通行能力，以适应不同流向的实时交通需求，对于交叉口间距参差不齐的城市干道交通条件具有较强的适应性。

因城市交叉口间距参差不齐、部分路口非机动车出行比例较大等特点，结合MATLAB图解法，能对绿波协调控制系统的相位差方案和相位方案进行同步设计，且能根据不同路口情况进行灵活设计等优点，基于MATLAB图解法的续进式双向绿波设计技术，合理运用单放相位、相位迟开（或早闭）、行人二次过街、

双周期等，综合考虑机动车、非机动车、行人交通需求，结合现状路口信号配时情况，设计不同时段（如早高峰、晚高峰和平峰等）的双向绿波协调控制方案。

二、基于MATLAB图解法设计案例

（一）现状交通调查及初始参数确定

对双向协调道路沿线各交叉口和路段进行详细交通调查，主要包括交通信号控制现状、道路现状、交叉口间距、路段车速、流量（路段和交叉口）、行人和非机动车干扰情况等。

在此基础上，选择交通需求最大的路口作为关键交叉口，根据关键交叉口相关交通参数计算并确定双向绿波公共周期，如下式：其中为公共周期，为路口i的信号损失时间，为路口i的流量比总和，n为交叉口数量。

在满足各方向机动车、行人、非机动车的最低通行需求的前提下初始化各路口绿信比。

结合路段实际车速和限速情况确定双向绿波带速，选择重要交通流方向作为主协调方向（正向）。

（二）从起点做正向绿波带

（三）从终点做反向绿波带

从反向最后一个交叉口出发，作反向绿波带且与正向绿波带相交于关键交叉口（通过双向共享绿灯时间最大限度减少关键交叉口相交道路的影响）。从图2可以看出，尽管正向已实现单向绿波，但反向尚未实现协调，双向绿波设计的目标是使正向和方向的绿灯时间最终都处于绿波带范围内。

（四）反向调整相位差和绿信比

依次调整反向相邻路口间的相位差，使各路口反向绿灯尽量位于绿波带范围内，对于低流量的两相位路口可根据情况采用双周期，对于局部带宽较窄的路口可适当增加绿灯时间以扩大带宽。

（五）优化相位方案

针对部分路口存在车队到达前的绿灯空放及部分路口有较多绿灯时间处于绿波带范围外造成局部不协调等问题，需要通过灵活运用单放相位、相位迟开（或早闭）等技术对相位方案进行优化。

（六）优化相位差方案

针对部分路口在绿波车队到达之前存在排队会影响绿波通行效果的问题，可适当减少相位差以清空路口排队长队

三、双向绿波实施要素

客观上讲，并非所有的道路都可采用双向绿波设计技术。在实际双向绿波的设计与实施中，需要综合考虑各种因素的影响，在设计前需要对干道双向绿波的适用性进行合理分析，在具体设计时需要对相位方案、相位差方案、信号配时方案等进行科学设计，在实施过程中需要做好有效地交通组织保障措施。

（一）双向绿波适用性条件

1、交叉口相邻间距不宜过大，最长不超过800米，否则会降低车队间的离散程度，不易形成连续车队；

2、双向绿波在中等流量情况下（40%-80%饱和流量）可获得较为理想的效果，进行绿波协调的干道交叉口交通需求均不能过饱和，饱和度一般不超过0.9；

3、单向机动车车道数大于等于2，否则难以保证车队以统一的绿波带速前进；

4、非机动车和行人对机动车的干扰较小，干道协调的相邻交叉口间不宜设置斑马线；

5、各交叉口周期时长（独立运行时）差距不宜过大，若个别交叉口信号周期过小可以考虑双周期绿波协调；

6、交叉口个数超过10个的情况下，建议分多个子区进行绿波协调，且子区个数不宜过多。

（二）双向绿波设计考虑因素

1、各相位绿灯时间必须保证满足各方向机动车、行人、非机动车的最低通行需求，充分考虑非机动车和行人等的影响；

2、双向车流不平衡的交叉口需考虑采用非对称的单放相位，在采用单放相位时要充分考虑相位的连续性，尽量避免二次启动使协调相位通行车流连续，降低车队间离散程度；

3、在满足双向绿波设计条件情况下，尽量减少相位数量，避免相位时间损失；

4、需根据交叉口交通流变化的时变特征，按照高峰和平峰流量流向的变化特点，设计多个时段多套（至少2套）信号控制方案；