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(兰州交通大学交通运输学院， 甘肃兰州730070)

随着社会经济的发展，私家车保有量连年快速增长，城市道路交通压力越来越大。针对有限城市道路资源与交通需求之间的矛盾，很多城市从以下2个方面入手改善：第一，对于单个交叉口，时间上根据检测器数据采取调整信号周期、各相位有效绿灯时长与总周期时长的比值(绿信比)的方法加以优化[1]，空间上利用待行区、逆向可变车道、同向可变车道等方法结合信号配时使通行效率得以提高；第二，利用干线协调方法对交叉口群整体的通行效率进行提升。 当前绿波协调控制主要存在以下2个问题：一是单向绿波控制[2]应用较多，只能保证干线一个方向的行车通行效率；二是双向绿波控制在现实情况中应用效果不理想， 原因是在信号控制中多采用单环结构， 使得单个相位在不同流向上时间固定， 而现实情况中相同相位不同流向的车流量多数是不匹配的， 这样会造成信号配时时空上的浪费。 针对以上问题， 本文中利用双环双段的信号配时方法， 将重叠相位(间断相位)[3]应用在交叉口信号配时上， 这样不仅使得单个交叉口的信号配时在时空资源上利用更加充分， 也使得在干线双向绿波协调上有更灵活的选择， 使得双向绿波带宽度都达到较高的水平。

1 设计思路

传统的城市道路交叉口信号配时使用圆盘灯，采用的是单环结构的对称放行方案，这样在交叉口上、下行交通流时空分布不匹配的情况下，会使得同一信号相位的不同方向造成绿损或通行时间不足的情况。现在的信号灯中直行灯与左转灯多数已经分离，故可利用美国电气制造协会(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)双环双段的相位相序方案[4]，如图1所示。根据左转车流量情况调整同环同段不同相位放行时间，不会造成其他相位混乱，同时还可以实现绿波带宽度最大化。

图1 美国电气制造协会双环双段相位结构图

假设协调方向交叉口群的各个交叉口的上、下行通行相位分别为F1、F2。支路相位采用F3，如图2所示。对于图中的信号配时方案，F2的绿灯启亮时刻为F1绿灯结束的时刻，即tF2=tF1+gF1+ac，其中tF1、tF2分别为F1、F2的绿灯启亮时刻，gF1为F1绿灯时长，c为交叉口周期时长，a为F1与F2相差周期数的整数倍(本文中的案例研究a=0的情况)[5]。在实际情况中，由于交叉口群中各交叉口间距不统一，而且各个交叉口的渠化、车流特性各异，协调方向上、下行的相位绿灯时长需求也不同，因此图2所示的相位相序方案的理想状态较难实现，上、下行2个相位间会存在重叠或间断部分，即为重叠相位。

(a)上行相位F1 (b)下行相位F2 (c)支路相位F3图2 交叉口的相位放行方案

2 模型构建

如图3所示，F1与F2存在重叠部分，假设重叠相位时长为Δt，由于F1与F2存在重叠部分，因此在干线协调公共周期c不变的情况下，当F2绿灯时间结束后，会存在Δt的空缺时间，这部分时间可根据协调相位与支路相位交通流量特性来科学地分配，而重叠相位时长Δt可为交叉口协调相位上、下行车流同时提供通行权。

Δt—重叠相位时长；gF1、 gF2、 gF3—F1、 F2、 F3相位的绿灯时长；tF1、 tF2、 tF3—F1、 F2、 F3相位的绿灯启亮时刻；c—信号周期时长。图3 交叉口的重叠相位示意图

1) 0<Δt<(1-μ)min{gF1,gF2}。定义μ为协调方向车流量左转比率，满足条件

Δt—重叠相位时长；相位的绿灯时长；相位的绿灯启亮时刻；c—信号周期时长。图4 0<Δt<(1-μ)min{gF1, gF2}条件下绿灯启亮时刻关系

此刻，各相位绿灯启亮和绿灯时长为

(1)

该条件下对应的相位相序方案如图5所示。

(a)上行相位重叠相位下行相位支路相位图5 0<Δt<(1-μ)min{gF1, gF2}条件下改进后相位相序方案

2)(1-μ)max{gF1,gF2}<Δt

Δt—重叠相位时长，相位的绿灯时长；相位的绿灯启亮时刻；c为信号周期时长。图6 (1-μ)max{gF1, gF2}<Δt

这时，各相位绿灯启亮和绿灯时长为

(2)

该条件下对应的相位相序方案如图7所示。

(a)上行相位重叠相位左转相位支路相位图7 (1-μ)max{gF1, gF2}<Δt

3 案例分析与仿真评价

3.1 案例分析

本文中选取银川市兴庆区友爱中心街沿线4个连续交叉口作为优化对象，分别为贺兰山路与友爱街、穆商北路与友爱街、穆商南路与友爱街、海宝路与友爱街。4个路口均采取单点控制，信号方案如表1所示，各路口间缺乏协调，造成友爱街间歇性停车情况严重，沿线的贺兰山路口、穆商北路路口，绿灯时间利用效率较低。

表1 各交叉口优化前信号配时方案

3.2 方案设计

本文中选取的4个交叉口，经过实地调研和视频检测器数据分析将公共周期[9]统一为140 s，设计时速利用浮动车法取平均值获得，各交叉口信号配时方案及设计速度如表2所示。穆商南路与友爱街和海宝路与友爱街2个交叉口，由于东西方向车流量均很小，南北协调方向的绿灯时长较长，因此采用对放信号，而贺兰山路与友爱街和穆商北路与友爱街2个交叉口则需要利用重叠相位模型设计信号控制的相位相序方案，并依据式(1)、(2)计算得到时长Δt，其中多出的重叠相位Δt时长分别根据交叉口流量特性加给了东西方向，具体数值如表3所示，同时利用绿波工具得到绿波时距图，如图8所示，优化线路如图9所示。

3.3 仿真效果评价

运用Synchro软件对于友爱街4个交叉口优化前和优化后的信号配时方案分别进行仿真， 对比结果如表3所示， 从仿真对比数据来看交叉口的停车次数、 总延误时间、 排队长度等指标均有不同程度降低， 通过计算可得到南北方向总的停车次数减少30.4%， 总延误时间减少28.2%， 排队长度减少38.9%，双向绿波效果得到了明显提升。

表2 各交叉口优化后信号配时方案

表3 优化前、后协调方向个交叉口仿真评价指标对比

图8 优化后绿波时距图

图9 优化线路图

4 结语

本文中以银川市友爱街4个连续的交叉口为例，重点研究在NEMA双环双段的信号配时方法下，利用重叠相位(间断相位)模型来对协调交叉口的相位相序方案进行重新设计，以减少绿波带在时空上的损失，从而提高整条道路通行效率，减少停车次数和行车旅行时间。最后利用仿真软件Synchro进行仿真验证，仿真结果表明，交通评价指标均有所提高，起到了一定的效果。面对越来越严峻的城市交通压力，仅依靠干线绿波协调将远不能满足城市交通需求，需要提高到区域交通控制[10]的认识，并结合现代的交通检测装置，优化出更符合城市交通发展的信号控制方法。