王娟 陳歡 劉偉

南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司 江蘇 南京 210000

引言

隨著城市化進(jìn)程的步伐不斷加快，交通需求與交通供給之間的矛盾日益突出，不僅是大城市，中小城市的交通問(wèn)題也日趨嚴(yán)峻，并成為困擾城市發(fā)展和制約城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要阻力。因此，針對(duì)中小城市的交通信號(hào)控制技術(shù)已逐漸成為控制領(lǐng)域和交通工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 當(dāng)前中小城市普遍存在的交通問(wèn)題

1.1 出行規(guī)律方面[1]

1.1.1 市民的出行距離較短，耗時(shí)較少，多數(shù)在20分鐘以內(nèi)；早晚高峰擁堵持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，1小時(shí)左右，平峰較為暢通；工作日以通勤交通和通學(xué)交通為主，學(xué)校、醫(yī)院周邊易發(fā)生擁堵，節(jié)假日以休閑、購(gòu)物、娛樂(lè)出行為主，商圈、景區(qū)周邊易發(fā)生擁堵；

1.1.2 隨著城市的發(fā)展，地理原因分隔了老城區(qū)與新城區(qū)，一個(gè)中心，多個(gè)組團(tuán)形式造成了很多交通問(wèn)題；交通組團(tuán)之間的交通需求過(guò)大，存在組團(tuán)跨越的剛性需求，各組團(tuán)間的通道很少，所以新老成區(qū)交通壓力較大，具有一定的潮汐現(xiàn)象，并且由于機(jī)動(dòng)化不斷提高，機(jī)動(dòng)車保有量增加，新老城區(qū)節(jié)點(diǎn)服務(wù)水平E～F。

1.2 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面

毛細(xì)路網(wǎng)未打通，城市的很多問(wèn)題都匯聚到主干道，造成了路網(wǎng)的大動(dòng)脈，甚至次干道的不暢。

1.3 信號(hào)控制方面

1.3.1 信號(hào)控制以單點(diǎn)控制和預(yù)設(shè)為主，沒(méi)有形成在線控制。信號(hào)機(jī)品牌雜亂，無(wú)法聯(lián)網(wǎng)和統(tǒng)一管理，也無(wú)法滿足針對(duì)復(fù)雜交通流的智能控制手段。

1.3.2 信號(hào)配時(shí)優(yōu)化智能化水平不高。雖然路口信號(hào)配時(shí)方案人工設(shè)置精細(xì)化，但是對(duì)信號(hào)配時(shí)人員的專業(yè)依賴性大,且路口路況多變，導(dǎo)致工作效率不高。

1.3.3 部分路口信號(hào)配時(shí)設(shè)置不合理。信號(hào)控制路口雖然設(shè)置多時(shí)段放行方案，但是由于交通流復(fù)雜多變，導(dǎo)致信號(hào)配時(shí)方案與進(jìn)口不同流向車流量實(shí)際運(yùn)行情況不符，部分路口的車道數(shù)量變化較大時(shí)，有時(shí)交叉方向沒(méi)車，也會(huì)使有車方向空等，浪費(fèi)綠燈時(shí)間，造成無(wú)效等待。

1.3.4 主干道上下游未實(shí)現(xiàn)綠波協(xié)調(diào)或協(xié)調(diào)控制效果不理想。雖然部分城市主干道路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)綠波協(xié)調(diào)控制，但是由于車流量環(huán)境變化，沒(méi)有周期性調(diào)整，車輛停車次數(shù)多，造成效果不理想。

2 以包頭為例的中小城市精細(xì)化信號(hào)控制探索

2.1 背景概述

包頭地處中國(guó)華北地區(qū)、蒙古高原南端、內(nèi)蒙古中部、南瀕黃河，陰山山脈橫貫該市中部，位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈和沿黃經(jīng)濟(jì)帶的腹地，是連接華北和西北的重要樞紐，是內(nèi)蒙古對(duì)外開(kāi)放的重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)。

由于機(jī)動(dòng)車保有量大幅增加，城區(qū)內(nèi)部功能區(qū)過(guò)于集中，道路通行能力有限，萬(wàn)達(dá)、正翔國(guó)際、包百商圈、娜琳商圈等人流集聚點(diǎn)段堵點(diǎn)逐年增多；鋼鐵、稀土等產(chǎn)業(yè)作為包頭的龍頭產(chǎn)業(yè)，早晚高峰潮汐現(xiàn)象明顯[2]。由于道路資源有限，交通系統(tǒng)相對(duì)脆弱，承載能力有限，車流通行效率不高。上下班跨行交通需求和組團(tuán)之間的交通出行需求旺盛，加上區(qū)內(nèi)道路承載力的不足，致使區(qū)內(nèi)道路交通時(shí)空資源調(diào)配不均衡、關(guān)鍵道路及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)擁堵已成常態(tài)。

2.2 總體解決方案

2.2.1 控制策略總體規(guī)劃。本次規(guī)劃交通信號(hào)控制系統(tǒng)的總體目標(biāo)為：

高峰期通過(guò)在外圍控制駛?cè)胄枨?、在?nèi)部梳理通行秩序，設(shè)立三層區(qū)域交通信號(hào)燈優(yōu)化控制策略，緩解核心需求區(qū)域的擁堵程度，提高核心需求區(qū)域路段的可通過(guò)性，具體如下：

核心擁堵區(qū)：以團(tuán)結(jié)大街、林蔭路、友誼大街、福強(qiáng)路圍成的繁華核心圈；西腦包大街、環(huán)城路、巴彥塔拉大街、工業(yè)路圍成的繁華核心圈為界的第一區(qū)，高峰期時(shí)采用減少外層區(qū)駛?cè)氲谝粎^(qū)、增加駛出第一區(qū)的配時(shí)方案。采用不對(duì)稱放行策略。緩解核心道路需求量，減少車密度，提高核心區(qū)路段的通行能力。

二級(jí)緩行區(qū)：以三八路、黃河大街、滿防線、青山路；西門大街、動(dòng)門大街、阿爾善大街和巴彥塔拉大街為界的區(qū)域劃定為二級(jí)緩行區(qū)域，作為進(jìn)入主城區(qū)的緩沖區(qū)域，通過(guò)延長(zhǎng)進(jìn)入第一區(qū)信號(hào)時(shí)間，限制駛?cè)?，采用不?duì)稱放行和錯(cuò)時(shí)放行控制策略，降低核心路口的交通壓力，將二級(jí)緩行區(qū)域維持在較穩(wěn)定狀態(tài)。

三級(jí)暢行區(qū)：以京藏高速、南繞城為界的區(qū)域劃定為三級(jí)暢行區(qū)域，此區(qū)域主要承擔(dān)泗陽(yáng)城區(qū)過(guò)境車輛，同時(shí)也限制進(jìn)入二級(jí)緩行區(qū)配比時(shí)間，重點(diǎn)提高過(guò)境車輛通行時(shí)間和效率，減少延誤和排隊(duì)次數(shù)，采用以干線協(xié)調(diào)為主的策略，保障區(qū)域內(nèi)通行流暢。

2.3.2 基于區(qū)域干線路口的控制策略設(shè)計(jì)。

（1）區(qū)域擁堵控制策略。在交通吸引源型控制子區(qū)內(nèi)，高峰期采用“緩進(jìn)快出”原則，在駛?cè)腭偝鲫P(guān)鍵路口，分別限制外圍進(jìn)入交通需求，優(yōu)先分配駛出車輛的通行權(quán)，保持交通吸引源區(qū)域交通運(yùn)轉(zhuǎn)。平峰期提高過(guò)境通道的通行效率，降低旅行時(shí)間。

在相鄰的控制子區(qū)之間，著重考慮鄰接點(diǎn)周邊上下游通行權(quán)的連續(xù)性，避免出現(xiàn)新溢出點(diǎn)以及擁堵轉(zhuǎn)移問(wèn)題。

控制子區(qū)內(nèi)的路口關(guān)聯(lián)性一般較強(qiáng)，并且交通特點(diǎn)十分相似性，控制策略需要協(xié)同考慮，特別是在交通擁堵的整治中，需要考量區(qū)域內(nèi)各路口間的相互影響。

老城區(qū)需求控制。老城區(qū)周邊學(xué)校、醫(yī)院、商業(yè)等建設(shè)完善，道路本身通行能力有限，造成早晚高峰區(qū)內(nèi)擁堵。本次將擁堵核心區(qū)域劃為戰(zhàn)略控制區(qū)，通過(guò)控制區(qū)域邊界路口的綠信比時(shí)間，減少擁堵區(qū)域的車輛流入率，保持區(qū)域內(nèi)一定的行車通暢度，緩解區(qū)域內(nèi)的擁堵程度。

新城區(qū)分層協(xié)調(diào)控制。稀土新區(qū)內(nèi)各路口時(shí)段、周期不統(tǒng)一，導(dǎo)致不同時(shí)段各路口通行能力不一致，全天路段排隊(duì)情況多變，不利于掌控道路實(shí)際通行能力，影響管理者的管控策略。為此，將稀土新區(qū)左片區(qū)按照交通特性分別劃分為S1、S2、S3，3個(gè)子區(qū)，右片區(qū)按照交通特性分別劃分為S1、S2、S3、S4，4個(gè)子區(qū)，一方面可以利用控制子區(qū)的特點(diǎn)靈活地實(shí)行交通信號(hào)控制方案，滿足不同區(qū)域范圍對(duì)于交通信號(hào)控制的不同需求；另一方面可以以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域路網(wǎng)的控制，大幅降低區(qū)域交通信號(hào)控制的復(fù)雜度，提高控制中心的運(yùn)行效率。

擁堵商圈需求控制。以青年路、三八路、少先路、林蔭路為界和以民族西路、少年路、呼得木林大街、文化路為屆的區(qū)域?yàn)閾矶聟^(qū)，高峰期采用快出緩進(jìn)的控制策略，調(diào)節(jié)外圍信號(hào)路口，避免發(fā)生區(qū)域內(nèi)擁堵，并在進(jìn)出核心區(qū)域外圍提示過(guò)境車輛提前繞行[3]。

區(qū)域內(nèi)學(xué)校周邊區(qū)域交通流具有明顯規(guī)律性，以整體運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)，高峰期提示“前方學(xué)校路段，請(qǐng)繞行?！币源藴p少外圍車輛進(jìn)入控制區(qū)域的綠燈時(shí)間，有效調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)交通流量的動(dòng)態(tài)平衡。通過(guò)控制區(qū)域邊界路口的綠信比時(shí)間，減少擁堵區(qū)域的車輛流入率，保持區(qū)域內(nèi)一定的行車通暢度，緩解區(qū)域內(nèi)的擁堵程度。

針對(duì)社會(huì)車輛及公交車輛、救護(hù)車輛等特種車輛的單向交通的交通組織優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部微循環(huán)，優(yōu)化交通管理秩序，減少交通沖突和延誤，從而提高機(jī)動(dòng)車通行效率，達(dá)到緩解擁堵的目的。

（2）干線協(xié)調(diào)整體控制策略?？刂圃恚涸诂F(xiàn)有“綠波”控制的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)均衡主路口各方向的交通需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整“綠波”控制方案的公共周期時(shí)長(zhǎng)和路口間相位差，并能夠依據(jù)路口各流向車輛過(guò)車信息，研判路口排隊(duì)情況，進(jìn)一步調(diào)整各相位的相位時(shí)長(zhǎng)?！皠?dòng)態(tài)綠波控制”能夠顯著的提高協(xié)調(diào)方向的車輛通行效率，合理的控制各路口非協(xié)調(diào)方向的相位時(shí)長(zhǎng)，以緩解綠燈浪費(fèi)和放行時(shí)間不足的現(xiàn)象。

表1 應(yīng)用實(shí)例：友誼大街（阿爾丁大街～自由路）段

友誼大街是包頭市東西向交通主干道，串聯(lián)了生活區(qū)、學(xué)校、商業(yè)區(qū)、政府單位、公園、本次設(shè)計(jì)沿線共9個(gè)路口，上下游路口距離不遠(yuǎn)（1000m之內(nèi)），路段均為雙向八車道，路況良好，考慮到路段行人過(guò)街對(duì)全線的綠波控制產(chǎn)生影響，車輛通行效率較為緩慢，其中民族東路、富強(qiáng)南路關(guān)鍵路口較為擁堵，甚至溢出上游路口，本次建設(shè)采用動(dòng)態(tài)綠波協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)“綠波”，減少車輛停車次數(shù)，提高通行效率。

（3）路口優(yōu)化控制策略。動(dòng)態(tài)自適應(yīng)。控制原理：通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)器，在紅燈末段、綠燈中段和綠燈末段分別采集渠化區(qū)域內(nèi)車輛存在性數(shù)據(jù)、過(guò)車數(shù)據(jù)和排隊(duì)長(zhǎng)度分析計(jì)算流量、平均車速、車頭時(shí)距、交通需求，綜合分析得到車輛的到達(dá)/消散規(guī)律，排隊(duì)的形成/消散規(guī)律，并根據(jù)路口各通行方向的實(shí)際交通需求，優(yōu)化信號(hào)控制策略，實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)智能化、精細(xì)化控制。

適用條件：相交道路等級(jí)相當(dāng)，流量較大，存在“空等空放”現(xiàn)象的路口。

應(yīng)用實(shí)例：以巴彥塔拉大街-南門外大街為例，東西方向車輛數(shù)較多，尤其東方向左轉(zhuǎn)有溢出趨勢(shì)，南北方向有一定的綠燈空放，路口通行效率較低。

預(yù)期效果：任意方向車輛無(wú)效等待時(shí)間不大于最小綠燈時(shí)間，放行方向有連續(xù)車輛通過(guò)時(shí)的等待時(shí)間不計(jì)算在內(nèi)。信號(hào)燈配時(shí)可根據(jù)來(lái)車情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，極大提高了通行效率，降低車輛在路口等待時(shí)間。

溢出控制?？刂圃恚和ㄟ^(guò)在路口布設(shè)的視頻流量檢測(cè)器，當(dāng)路段排隊(duì)達(dá)到一定位置時(shí)，立即切斷上游路口駛?cè)霌矶侣范畏较虻木G燈，防止擁堵路段的排隊(duì)溢出至上游路口，導(dǎo)致路口堵塞，進(jìn)而引起大面積的連鎖擁堵現(xiàn)象。

適用條件：適用于高峰期車輛排隊(duì)較長(zhǎng)且容易溢出至上游路口的路段。如鋼鐵大道-民族東路，由于兩個(gè)路口距離較近，極易發(fā)生溢出問(wèn)題。

應(yīng)用實(shí)例：鋼鐵大道-民族東路-少先路間距約480米，周邊為生活區(qū)，商業(yè)區(qū)與學(xué)校等，全天車流量較多，高峰時(shí)容易溢出，影響下一個(gè)路口的通行。

預(yù)期效果：在無(wú)須交警人工干預(yù)的情況下，路段不會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)溢出現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從中小城市交通現(xiàn)狀問(wèn)題入手，明確中小城市交通控制需求，不應(yīng)過(guò)度的追求智能化控制，精細(xì)化的交通控制一定是根據(jù)不同路網(wǎng)特征而設(shè)定的。文章以包頭為例，根據(jù)道路路網(wǎng)特征和交通需求特點(diǎn)在地理空間上構(gòu)建針對(duì)性的管控策略部署，探索聯(lián)網(wǎng)路口構(gòu)建宏觀、中觀、微觀3個(gè)層面針對(duì)性的精細(xì)化控制方式，旨在圍繞城區(qū)調(diào)節(jié)進(jìn)出流量，調(diào)控中心區(qū)交通飽和度；圍繞城市的主通道，調(diào)節(jié)出入城區(qū)通道平均時(shí)速；圍繞新區(qū)以及老城區(qū)交接點(diǎn)調(diào)節(jié)平均車速，保障區(qū)域內(nèi)通行流暢。