中小城市精細化信號控制研究

王娟 陳歡 劉偉

南京萊斯信息技術股份有限公司 江蘇 南京 210000

引言

隨著城市化進程的步伐不斷加快，交通需求與交通供給之間的矛盾日益突出，不僅是大城市，中小城市的交通問題也日趨嚴峻，并成為困擾城市發展和制約城市經濟建設的重要阻力。因此，針對中小城市的交通信號控制技術已逐漸成為控制領域和交通工程領域的研究熱點和難點。

1 當前中小城市普遍存在的交通問題

1.1 出行規律方面[1]

1.1.1 市民的出行距離較短，耗時較少，多數在20分鐘以內；早晚高峰擁堵持續時間相對較短，1小時左右，平峰較為暢通；工作日以通勤交通和通學交通為主，學校、醫院周邊易發生擁堵，節假日以休閑、購物、娛樂出行為主，商圈、景區周邊易發生擁堵；

1.1.2 隨著城市的發展，地理原因分隔了老城區與新城區，一個中心，多個組團形式造成了很多交通問題；交通組團之間的交通需求過大，存在組團跨越的剛性需求，各組團間的通道很少，所以新老成區交通壓力較大，具有一定的潮汐現象，并且由于機動化不斷提高，機動車保有量增加，新老城區節點服務水平E～F。

1.2 路網結構方面

毛細路網未打通，城市的很多問題都匯聚到主干道，造成了路網的大動脈，甚至次干道的不暢。

1.3 信號控制方面

1.3.1 信號控制以單點控制和預設為主，沒有形成在線控制。信號機品牌雜亂，無法聯網和統一管理，也無法滿足針對復雜交通流的智能控制手段。

1.3.2 信號配時優化智能化水平不高。雖然路口信號配時方案人工設置精細化，但是對信號配時人員的專業依賴性大,且路口路況多變，導致工作效率不高。

1.3.3 部分路口信號配時設置不合理。信號控制路口雖然設置多時段放行方案，但是由于交通流復雜多變，導致信號配時方案與進口不同流向車流量實際運行情況不符，部分路口的車道數量變化較大時，有時交叉方向沒車，也會使有車方向空等，浪費綠燈時間，造成無效等待。

1.3.4 主干道上下游未實現綠波協調或協調控制效果不理想。雖然部分城市主干道路已經實現綠波協調控制，但是由于車流量環境變化，沒有周期性調整，車輛停車次數多，造成效果不理想。

2 以包頭為例的中小城市精細化信號控制探索

2.1 背景概述

包頭地處中國華北地區、蒙古高原南端、內蒙古中部、南瀕黃河，陰山山脈橫貫該市中部，位于環渤海經濟圈和沿黃經濟帶的腹地，是連接華北和西北的重要樞紐，是內蒙古對外開放的重點發展地區。

由于機動車保有量大幅增加，城區內部功能區過于集中，道路通行能力有限，萬達、正翔國際、包百商圈、娜琳商圈等人流集聚點段堵點逐年增多；鋼鐵、稀土等產業作為包頭的龍頭產業，早晚高峰潮汐現象明顯[2]。由于道路資源有限，交通系統相對脆弱，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之間的交通出行需求旺盛，加上區內道路承載力的不足，致使區內道路交通時空資源調配不均衡、關鍵道路及關鍵節點擁堵已成常態。

2.2 總體解決方案

2.2.1 控制策略總體規劃。本次規劃交通信號控制系統的總體目標為：

高峰期通過在外圍控制駛入需求、在內部梳理通行秩序，設立三層區域交通信號燈優化控制策略，緩解核心需求區域的擁堵程度，提高核心需求區域路段的可通過性，具體如下：

核心擁堵區：以團結大街、林蔭路、友誼大街、福強路圍成的繁華核心圈；西腦包大街、環城路、巴彥塔拉大街、工業路圍成的繁華核心圈為界的第一區，高峰期時采用減少外層區駛入第一區、增加駛出第一區的配時方案。采用不對稱放行策略。緩解核心道路需求量，減少車密度，提高核心區路段的通行能力。

二級緩行區：以三八路、黃河大街、滿防線、青山路；西門大街、動門大街、阿爾善大街和巴彥塔拉大街為界的區域劃定為二級緩行區域，作為進入主城區的緩沖區域，通過延長進入第一區信號時間，限制駛入，采用不對稱放行和錯時放行控制策略，降低核心路口的交通壓力，將二級緩行區域維持在較穩定狀態。

三級暢行區：以京藏高速、南繞城為界的區域劃定為三級暢行區域，此區域主要承擔泗陽城區過境車輛，同時也限制進入二級緩行區配比時間，重點提高過境車輛通行時間和效率，減少延誤和排隊次數，采用以干線協調為主的策略，保障區域內通行流暢。

2.3.2 基于區域干線路口的控制策略設計。

（1）區域擁堵控制策略。在交通吸引源型控制子區內，高峰期采用“緩進快出”原則，在駛入駛出關鍵路口，分別限制外圍進入交通需求，優先分配駛出車輛的通行權，保持交通吸引源區域交通運轉。平峰期提高過境通道的通行效率，降低旅行時間。

在相鄰的控制子區之間，著重考慮鄰接點周邊上下游通行權的連續性，避免出現新溢出點以及擁堵轉移問題。

控制子區內的路口關聯性一般較強，并且交通特點十分相似性，控制策略需要協同考慮，特別是在交通擁堵的整治中，需要考量區域內各路口間的相互影響。

老城區需求控制。老城區周邊學校、醫院、商業等建設完善，道路本身通行能力有限，造成早晚高峰區內擁堵。本次將擁堵核心區域劃為戰略控制區，通過控制區域邊界路口的綠信比時間，減少擁堵區域的車輛流入率，保持區域內一定的行車通暢度，緩解區域內的擁堵程度。

新城區分層協調控制。稀土新區內各路口時段、周期不統一，導致不同時段各路口通行能力不一致，全天路段排隊情況多變，不利于掌控道路實際通行能力，影響管理者的管控策略。為此，將稀土新區左片區按照交通特性分別劃分為S1、S2、S3，3個子區，右片區按照交通特性分別劃分為S1、S2、S3、S4，4個子區，一方面可以利用控制子區的特點靈活地實行交通信號控制方案，滿足不同區域范圍對于交通信號控制的不同需求；另一方面可以以相對簡單的方式實現整個區域路網的控制，大幅降低區域交通信號控制的復雜度，提高控制中心的運行效率。

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、文化路為屆的區域為擁堵區，高峰期采用快出緩進的控制策略，調節外圍信號路口，避免發生區域內擁堵，并在進出核心區域外圍提示過境車輛提前繞行[3]。

區域內學校周邊區域交通流具有明顯規律性，以整體運行狀態為基礎，高峰期提示“前方學校路段，請繞行?！币源藴p少外圍車輛進入控制區域的綠燈時間，有效調節區域內交通流量的動態平衡。通過控制區域邊界路口的綠信比時間，減少擁堵區域的車輛流入率，保持區域內一定的行車通暢度，緩解區域內的擁堵程度。

針對社會車輛及公交車輛、救護車輛等特種車輛的單向交通的交通組織優化方案，實現區域內部微循環，優化交通管理秩序，減少交通沖突和延誤，從而提高機動車通行效率，達到緩解擁堵的目的。

（2）干線協調整體控制策略?？刂圃恚涸诂F有“綠波”控制的基礎上，實時均衡主路口各方向的交通需求，動態調整“綠波”控制方案的公共周期時長和路口間相位差，并能夠依據路口各流向車輛過車信息，研判路口排隊情況，進一步調整各相位的相位時長?！皠討B綠波控制”能夠顯著的提高協調方向的車輛通行效率，合理的控制各路口非協調方向的相位時長，以緩解綠燈浪費和放行時間不足的現象。

表1 應用實例：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，串聯了生活區、學校、商業區、政府單位、公園、本次設計沿線共9個路口，上下游路口距離不遠（1000m之內），路段均為雙向八車道，路況良好，考慮到路段行人過街對全線的綠波控制產生影響，車輛通行效率較為緩慢，其中民族東路、富強南路關鍵路口較為擁堵，甚至溢出上游路口，本次建設采用動態綠波協調，實現實時“綠波”，減少車輛停車次數，提高通行效率。

（3）路口優化控制策略。動態自適應?？刂圃恚和ㄟ^雷達檢測器，在紅燈末段、綠燈中段和綠燈末段分別采集渠化區域內車輛存在性數據、過車數據和排隊長度分析計算流量、平均車速、車頭時距、交通需求，綜合分析得到車輛的到達/消散規律，排隊的形成/消散規律，并根據路口各通行方向的實際交通需求，優化信號控制策略，實現交通信號智能化、精細化控制。

適用條件：相交道路等級相當，流量較大，存在“空等空放”現象的路口。

應用實例：以巴彥塔拉大街-南門外大街為例，東西方向車輛數較多，尤其東方向左轉有溢出趨勢，南北方向有一定的綠燈空放，路口通行效率較低。

預期效果：任意方向車輛無效等待時間不大于最小綠燈時間，放行方向有連續車輛通過時的等待時間不計算在內。信號燈配時可根據來車情況進行實時調整，極大提高了通行效率，降低車輛在路口等待時間。

溢出控制?？刂圃恚和ㄟ^在路口布設的視頻流量檢測器，當路段排隊達到一定位置時，立即切斷上游路口駛入擁堵路段方向的綠燈，防止擁堵路段的排隊溢出至上游路口，導致路口堵塞，進而引起大面積的連鎖擁堵現象。

適用條件：適用于高峰期車輛排隊較長且容易溢出至上游路口的路段。如鋼鐵大道-民族東路，由于兩個路口距離較近，極易發生溢出問題。

應用實例：鋼鐵大道-民族東路-少先路間距約480米，周邊為生活區，商業區與學校等，全天車流量較多，高峰時容易溢出，影響下一個路口的通行。

預期效果：在無須交警人工干預的情況下，路段不會出現排隊溢出現象。

3 結束語

本文從中小城市交通現狀問題入手，明確中小城市交通控制需求，不應過度的追求智能化控制，精細化的交通控制一定是根據不同路網特征而設定的。文章以包頭為例，根據道路路網特征和交通需求特點在地理空間上構建針對性的管控策略部署，探索聯網路口構建宏觀、中觀、微觀3個層面針對性的精細化控制方式，旨在圍繞城區調節進出流量，調控中心區交通飽和度；圍繞城市的主通道，調節出入城區通道平均時速；圍繞新區以及老城區交接點調節平均車速，保障區域內通行流暢。