城市交通信号控制系统建设框架

2021-09-10安韶辉

交通科技与管理 2021年21期

安韶辉

摘要：城市交通信号控制系统是智能交通系统的重要组成部分，也是城市交通管控的重要平台之一。论文以西宁市交通现状分析为基础，提出了针对性的交通信号控制系统建设思路及框架，并设计了针对性的控制策略及控制方法，可为同类城市的交通信号控制系统建设提供参考。

关键词：交通信号控制系统;控制策略;瓶颈控制

0 引言

交通信号控制系统是城市道路交通管理中最基础也是最重要的智能化应用系统。交通信号控制系统具有调节分配交通需求、优化时空资源配置、提升交通运行效率、保证交通安全等重要作用。同时，交通信号控制系统获取的交通流信息可以作为交通态势监控体系中交通流状态判断的重要信息源。城市交通集成指挥平台也需要在集成交通信号控制系统的基础上，在实行指挥调度、特勤任务时进行交通信号控制。

交通信号控制系统的设计建设与运营管理是与城市交通现状、交通流运行特征紧密相关的。本文针对西宁市城市交通的特点，提出了城市交通信号控制建设的框架体系，为城市交通信号控制系统的建设升级提供借鉴意义。

1 西宁市交通信号控制现状

近年来，随着西宁市城镇化与机动化的快速发展，城市交通拥堵问题日益突出。目前，西宁市主城区共设置约300处信号交叉口，大部分交叉口实现了联网控制，同时存在多品牌、多型号等问题，导致集中联网控制存在一定难度。在交通控制方式方面，大部分交叉口均未布设交通流检测设备，导致大多采用多时段定周期的控制方式，未能全面实现感应控制、自适应控制、过饱和控制、特殊控制等功能。同时，也很难支撑区域控制、勤务控制、公交优先控制等特殊控制方式。

交通信号控制方式的单一与设备故障率高维护不及时等问题，严重影响了交通信号控制系统效率的发挥，也进一步加剧了城市交通拥堵状况。因此，有必要结合现状，设计城市交通信号控制系统框架，制定合理针对性的控制策略，提升交通管控的水平。

2 西宁市交通信号控制系统框架

城市交通信号控制系统一般可以由两个子系统组成，分别是智能信号控制子系统和前端辅助采集子系统。智能信号控制子系統一般由主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备等几个部分组成。前端辅助采集子系统主要是对外场设备的管理并整理原有的数据采集设备和其他接入的检测器，包括电子警察、地磁、雷达等设备，收集数据为智能信号控制系统提供支撑。系统整体架构模式如下图1所示。

西宁市交通信号控制系统采用路口控制级、区域控制级和指挥中心级三级控制。路口控制包括车辆检测器、信号机和信息传输三个部分;区域控制包括区域控制机;指挥中心控制包括控制计算机和统一管理平台软件。其架构图如图2所示。

路口交通信号机及检测器采集路口各检测器提供的实时交通数据并加以初步分析整理，通过通信网络传送到上层控制机，用以调整配时方案;接收上层控制机的指令，控制本路口各个信号灯的灯色变换;在实施感应控制时，根据本路口的交通需求，自主地控制各入口信号灯的灯色变换。

区域控制级监控受控区域的所有路口信号机的运行状态，对路口交通信号控制机进行协调控制，对路口交通信号机的工作状态和故障情况进行监视。同时，通过人机会话对路口交通信号机进行人工干预，监视和控制区域级外部设备的运行，并进行数据统计分析、报表生成等工作。

中心控制级为交叉口及协调控制系统的控制方案设计提供集中式输入工具;提供集中监控功能，监控系统中各个路口级和区域级控制设备的运行情况。中心控制软件对控制方案基本数据进行安全保护，即通过硬件或软件系统保护各项基本数据的安全，只有授权人员才能接触;自动记录各路口信号机的故障，便于及时抢修。

3 西宁市交通信号控制策略体系

根据西宁市城市路网结构和交通流运行特征，制定西宁市交通信号控制策略体系。西宁市交通信号控制需要对南北方向高峰时期车流进行瓶颈控制，否则容易在高峰时段排队上溯，从而引发路口连锁堵塞现象，导致东西方向车流无法通行，对高峰时期的核心区信号控制是整体控制策略的重点。针对西宁市整体路网的特征，制定了多时段、多目标的控制策略如下。

核心区主次干道控制思路：高峰时期需要保证核心区南北方向的道路排队不上溯至上游交叉口，尤其是新宁路沿线、同仁路沿线、黄河路沿线、长江路沿线等南北纵向动脉干道路线，保障内网东西方向车流能够通畅行驶。

对于流入流出核心区的关键节点，需要进行需求控制。主要的原则是对核心区实行“缓进快出”策略，对于流出内网的车流适当增加绿灯时长，诱使车流进入外环路网，对于流入内网的车流适当减少绿灯时长，缓解内网压力，并通过内部节点的协同作用均衡拥堵区域交通负荷。

核心区支路控制思路：高峰时期发挥支路辅助作用，分流部分干道车流压力。因此南北方向的重要支路例如交通巷、北气象巷等，高峰时期需要增加通行能力，保障能有效配合诱导设施的分流干道路网压力。另外，由于支路部分车流压力增加容易排队上溯堵塞干道，因此在重要支路路段设置瓶颈检测器，主动防止排队上溯。

外围市区主次干道控制思路：高峰时期外围市区的干道在高峰时期在进入核心区的方向较为拥堵，程度逐渐级向城区两端扩散。出城方向车流量也较大，主要原因是海湖新区逐渐成为城市出行吸引点，多为居住和娱乐场所，因此高峰时期流向外围市区的车流需要进行合理引导。对于外围市区高峰时期，控制思路是配合核心区“缓进快出”策略，作为进入核心区的缓冲区域，对进城方向车流逐级管控，适度减少绿灯时长，对出城方向车流适度增加绿灯时长，在合适的路段实行单向绿波控制。

外围市区支路控制思路：主要是以分担干路车流压力为主，可以进行单点控制，重点考虑交叉口运行效率，通过相应的管控措施来实现减少车均延误和停车次数的目的，确保区域交通流的运行效率。

4 西宁市交通信號控制功能

西宁市交通信号控制系统的总体控制功能要求适应西宁市现行城市路网布局结构、交通流特点及其未来发展趋势，在对整个西宁市城市路网进行科学、合理地交通组织规划的前提下，因地制宜地制定高效、务实的点、线、面交通信号控制策略和信号配时方案优化原则，形成城市路网点、线、面三级信号控制系统结构。交通信号控制功能除了常规的流量统计分析、故障检测、联网控制、远程管理、自适应控制等功能外，结合西宁市实际情况，还需要具备如下重要功能。

4.1 瓶颈控制

通过在排队溢出路段增设溢出检测器，实现排队长度的实时估计与预警，通过上游截流控制，下游快速释放控制，有效避免路口出现溢出堵死。

4.2 单点优化控制

能够自动适应交通流的全天性实时变化，根据流量自动调整方案，采用宏微观两级优化，各相位的绿灯损失时间几乎为零。可全天运行，自动进行控制时段划分，夜间达到感应控制效果。

4.3 系统优化控制

兼备高峰排队抑制和平峰绿波协调控制功能。根据交通流变化可自动平滑切换控制策略，为高峰期道路排队较长时，缓解拥堵提供了控制方案。

4.4 可变车道控制

针对进口道交通需求不均衡交叉口，通过可变导向车道牌与交通信号的联动协同优化控制，有效提高车道利用率，增加路口通行能力。

4.5 公交信号优先控制

具备中心和路口两级的公交信号优先控制策略，保证公交优先的同时，降低对社会车辆影响。中心级实现基于调度计划的公交线路信号优先，保证公交车路口不停车一路绿灯高效通行。路口级提供4种优先相位控制方法（绿灯延长、红灯提前、插入相位、跳转相位），根据公交车辆到达情况分级响应实现优先控制。

5 结语

城市交通路网结构和交通流运行特征决定了城市交通信号控制系统的建设内容、控制策略与控制方式。本文结合西宁市的实际道路交通特点，针对性的提出了城市交通信号控制系统框架的简要思路，包括系统结构、控制策略及控制功能等，为同类型城市的交通信号控制系统建设提供了参考。