基于Synchro的T型交叉口信号配时优化研究.docx

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基于Synchro的T型交叉口信号配时优化研究

目前，城市交通己经成为全社会普遍关注的焦点。

道路网作为城市交通的基本服务设施，主要包括交叉口与路段，其服务性能的好坏直接影响到城市交通的正常运转。

城市道路交叉口是道路系统的重要组成部分，各条道路在交叉口相互连接构成路网，以沟通各方向的交通需要；同时道路网络中各种类型的交通流在此汇集通过、分流转向，可见交叉口是道路网络的关键节点。

不过，交叉口也是交通堵塞和交通事故的多发地点。

道路系统的运输效率、交通安全、通行能力、服务水平对环境和能源的影响等在很大程度上取决于交叉口的服务能力。

城市道路平面交叉口中最为常见的控制手段是信号控制，其中单个交叉口的信号控制是交通控制系统的基础。

对城市道路交叉口实施合理的信号控制，是提高交叉口交通安全和交通效率、减少延误的有效手段，有利于解决日趋紧张的城市交通问题。

1、T型交叉口信号配时优化的提出

T型交叉口在我国城市中非常普遍，是城市用地沿主干道两侧无序发展的直接产物。

随着城市的不断发展，土地开发强度的不断增加，这种发展模式逐渐暴露出一系列的交通问题，主要表现在：

a）主干道两侧支路过多，支路与主干道接驳处交通组织混乱；b）主干道机动车流因频繁受到过街行人的干扰，而车速低、延误大；c）行人穿越车流间隙过街，存在严重的安全隐患。

目前我国T型交叉口的控制管理方式一般有两种：

一是对道路及交叉口的改造；二是根据几何形状及交通状况，对交叉口进行优化设计。

相比之下，交叉口的改造耗费大量人力、财力，且对道路空间的要求很高，一般难于实施；而信号优化设计简便易行，如设计得当，能有效地提高交叉口的通行能力和服务水平。

交通信号优化是智能交通系统研究中的难点，也是进行交叉口有效控制的研究重点。

目前国内有关T型交叉口的研究大多针对其交通流特征。

本文将主要参照国内外研究成果，分析这种特殊道路结构的形态，以典型T型信号交叉口信号控制为研究对象，结合Synchro交叉口微观仿真软件分析信号配时的合理性，并进行信号配时优化。

2、Synchro系统介绍

Synchro系统以信号控制配时为研究内容，是对各种类型的信号控制和信号配时进行建模和优化的完整程序包，对硬件系统（如SCOOT等系统需要接入实际信号系统）无依赖性。

Synchro系统主要有以下功能：

a）可以方便地创建网络，设置道路和交叉口属性，如路段长度、车速、车道数、车道宽度、渐变段特征、交叉口大小、坡度、转弯半径、转弯车速等；

b）对交叉口进口进行车道划分，并添加各方向的饱和流量、实测交通量等信息；

c）制定信号控制方案，包括控制方式、相位、相位时长、周期长度、黄灯时长、全红时间等；

d）通过模拟仿真计算可以获得V/C、延误、排队长度、停车次数、服务水平等数据，用于方案的分析评价。

总体来讲，Synchro系统的信号配时方案优化程序针对信号周期、相位和绿信比进行综合优化。

该系统充分考虑了区域性质、交叉口范围内公交站点、路边停车、自行车与行人等各种因素对交叉口通行状况的影响，其适用性较好，是一种使用简便的信号控制配时优化软件。

3、Synchro方法与模型

3.1优化方法介绍

Synchro系统中提供了有关信号周期、绿信比、相位的优化方法。

3.1.1信号周期时长优化

自然信号周期是单点信号控制交叉口最低可能接受的信号周期长度。

Synchro系统信号周期优化程序就是选择自然信号周期。

它包含以下三种可能的情况：

a）可以放空百分率临界交通量的最短周期；

b）最低绩效周期，它较之a）中的周期要更短，但它提供了在V/C>1时的合理周期；

c）如果没有足够的周期能够完全放空百分率临界交通量，但存在一个较短的周期能够满足V/C，则这个较短的周期便被选用。

在网络中可以设定最长和最短周期。

进行优化时，Synchro系统以网络最短的信号周期开始运算，依据交通量对相位周期进行优化。

如果相位周期不能够放空百分率临界交通量，Synchro系统将尝试一个更长的信号周期，直到满足百分率临界交通量。

当周期大于90s时，V/C应该小于1。

如果没有找到合适的周期，系统将选择最低绩效周期。

若存在一个或多个相位，则V/C>1。

Synchro系统将尝试一系列越来越长的周期，因为黄灯时间和全红时间只占很小的比例，长出来的时间提供了更多的额外通行能力。

当周期长度超过120s时，如果再增加信号周期长度，则对交叉口通向能力的增加影响很小，但对于延误的增加却很明显。

Synchro系统在选择周期时依赖最低绩效PI，即：

PI=[D+ST×10]/3600

式中：

D——交叉口总体延误；

ST——停车数。

一旦为单个车辆增加通行能力，而给其他车辆增加450s延误以上，系统将使得信号周期长度停止增长。

总体上说，在比较多个不同的信号周期平均延误后发现，较短的信号周期将产生较短的平均延误。

在交通拥挤的交叉口，信号周期延误推荐采用较长的信号周期。

Synchro系统以前的几个版本中，对于V/C>1的交叉口信号周期均采用了网络最长信号周期。

在某些情况下，一些交叉口将拥有较短的信号周期，在损失很小的通行能力情况下获得更少的延误。

较短的信号周期还具有其他好处，如更短的排队长度，转弯半径的利用也更有效。

在允许左转的某些情况下，通行能力可能随着信号长度的增加而减少。

有时当更长的信号周期长度失效时，短周期长度将提供可接受的通行能力。

因此Synchro系统可能推荐没有满足百分位交通量标准的短周期。

通过优化可以服务百分位车流量，如果服务交通波动有额外能力，Synchro系统将推荐短周期长度。

在Synchro系统以前的几个版本中，周期长度的最优化只试图找到可接受的V/C。

在交通量低的进口，交通流可能十分波动，需要低的V/C。

为了服务这些额外的车辆，需要额外的绿灯时长。

通过观察百分位交通量，在使用短周期长度时，Synchro系统可以在高峰周期更好地处理全部车辆。

3.1.2交叉口信号相位时长优化

在考虑网络最小相位周期的情况下，Synchro系统基于相位交通流量与该相位饱和流量的比，自动为每个相位设置时长。

在优化交叉口信号相位时长时，Synchro系统首先提供足够的绿灯时间服务第90百分位的相位流量。

如果没有足够的信号周期时长满足这一目标，尝试为第70百分位、第50百分位的交通量提供绿灯时间。

任何额外的时间被分配到主路的相位。

通过尝试服务于第90百分位相位流量，Synchro系统分配给该交叉口信号相位时长放空90%临界交通量。

由于低流量进口道比高流量进口道的交通流量有更多不稳定性，这一方法将倾向于为低流量进口相位分配低V/C。

实际上，百分位相位时长优化程序将为短信号相位时长分配一些额外的时间用以处理偶然的额外车辆。

此时，长信号相位时长也得到加时，但时间较短。

对于以下几种情况，交叉口信号相位的时长优化采取具体不同的措施：

a）如果车流量超过通行能力，在考虑最短相位时长的情况下，Synchro系统将均衡各个相位的V/C；

b）如果一个相位中包含两个或更多的交通流方向的同时运动，相位时长基于各相位中最大交通流量与本相位饱和流量的比确定；

c）如果信号相位采用双循环，则这个相位将采用的总数比率最大；

d）全部相位都分配了大于或者等于最小相位时长，相位时长优化中通过反复计算相位时长以保证满足全部最小流量，如果所有最小相位时长超过信号周期长度，那么全部相位时长将安照适当比例减少，另外为了使行人信号少于相位时长，要确定最小相位时长小于步行时间、闪烁但停止步行的时间、黄灯时间、全红时间四项之和；

e）如果允许左转，优化程序将重复上述整个过程，首先使用保护的左转因素，然后基于相位时长计算允许左转弯因素，再使用允许左转因素再次计算相位时长，最后使用新相位时长计算左转因素；

f）如果进口道提供两相或更多相位，可将它的流量在所服务的相位中进行划分；

g）如果进口道有直行与转弯共用的车道和专有转弯车道，计算将被进一步重复，基于流量与通行能力的比值交通量在不同的路组中间分配，这种分配会影响允许的左转因素和交通量饱和流比率，另外改变最佳相位时长意味着需要更进一步将交通量再分配；

h）在交通量低的交叉口，当满足第90百分位交通量之后，可能有额外的时间，它们全部被相位均分。

3.2评价模型参数解释

为了分析评价信号优化方案的优劣，同时给出排队、延误计算、停车次数模型和服务水平模型。

3.2.1排队计算模型

排队长度被定义为某一信号周期内，车辆排队的最大距离。

图1为车辆离开到达示意图。

图1中，R表示有效红灯时间；V表示实际交通量（vph）；S表示饱和交通流量（vph）；Q表示最大排队长度（由于机动车通过交叉口时，有时仅有速度下降而并没有停车，因此Synchro中认为延误小于6s的车辆不构成停车排队）；Q2表示红灯时到达的机动车数。

由图1可得到Synchro中排队长度口的计算公式：

另外，Q、R、S、V的意义同上。

当交通量与通行能力的比值V/C＞1时，Synchro将两个周期结束后的车辆排队长度定义为饱和流量下的排队长度Q′，可按下式计算：

式中各参数的定义同式

（1）。

3.2.2延误计算模型

Synchro系统除了使用HCM2000中提供的Webster延误模型外，还提出了一种计算过程更为复杂的百分比延误方法（PercentileDelayMethod，PDM）。

PDM方法分两步进行：

首先计算某一百分比车道组流量情形下的每周期延误和每车延误，然后计算百分比车道组调整流量和平均百分比延误。

PDM方法更适于以下三种情况的延误计算：

a）信号调整；b）自适应和半适应信号；c）近饱和与过饱和信号。

本文将采用PDM方法进行计算。

每周期车辆延误VD（veh•s）可由图1中三角形的面积表示，PDM方法对其的计算可由公式（3）求得；另外，每车停车延误Dp可由公式（4）求得，分别如下：

式中，C为周期长度（s），其他参数同式

（1）。

在实际交通条件下，交通流并不恒定，可以用泊松分布来描述。

Synchro中对实际交通流的模拟采用以下五种情形，分别为90%、70%、50%、30%、10%的交通流情形，每种情形对应于实际周期的五分之一。

情形P下的流量Vp可按公式（5）计算：

式中，Z值为达到某一百分比的系数，并按百分比由高到低分别取1.28，0.52，0、-0.52、-1.28。

平均百分比延误用于计算不饱和交通流条件下的基本延误，计算方法如公式（6）所示：

式中，VDp为百分比为P时的每小时车辆延误，计算方法如公式（7）：

3.2.3停车计算方法

停车计算与延误的计算方法相似。

在交叉口进口道处产生停车延误的车辆数等于排队车辆数，如上图1中的Q。

同时Synchro系统认为延误少于10s的车辆没有完全停车，对于这部分车辆，Synchro通过计算车辆每次延误的时间，对延误时间为0～9s的车辆按照一定的比例确定停车数量。

3.2.4服务水平定义

Synchro系统采用HCM2000对服务水平的定义标准，并充分考虑了自行车与行人对交叉口通行状况的影响。

在HCM2000中采用控制延误评价交叉口的服务水平，控制延误与服务水平的对应关系如下：

小于10s，无拥挤，服务水平为A级；10s~20s，轻微拥挤，服务水平为B级；20s~35s，无较大拥挤，服务水平为C级；35s~55s，正常情况下无拥挤，服务水平为D级；55s~80s，恰好拥挤，服务水平为E级；大于80s，超过负荷能力，拥挤，服务水平为F级。

4、Synchro仿真与优化案例研究

本文选取西安市南部翠华路与兴善寺东街典型T型交叉口作为研究对象进行基础数据搜集。

该交叉口位于非商业区，周围居住用地密集，交叉口存在大量行人和非机动车过街需求。

4.1基础数据搜集

信号控制采用预设周期式两相位信号配时单点控制，其中相位分布如图2所示，信号配时如图3所示。

图2中，南北向为双向四车道道路，东西向为双向两车道道路，每个进出口只有两个方向，无掉头转向交通流。

交叉口范围内没有停车道和公交停靠站，引道坡度均为0°。

交叉口形式如图4所示。

图中表示出了交叉口各个方向的车道数、车道宽、车道功能、交通设施（包括人行横道和信号灯）的设置及位置。

交通流量调查选取全天中有代表性的时段9：

00-10：

00，分别调查了机动车、非机动车、行人的流量流向。

机动车流量主要由小汽车与重型车（公交车、货车）组成，各方向重型车比例为4%～8%。

当量换算后的结果如表1与表2所示；交叉口流量流向如图5所示。

4.2交叉口现状和优化仿真结果

Synchro系统计算延误时所用百分比延误方法（PDM）通过实例验证，该模型能较好地适应信号调整情况下的信号配时。

此外，实例计算中还充分考虑了大型车、自行车、行人对交叉口交通流运行状况的影响。

在相位方案不发生改变的情况下，针对信号周期、相位和绿信比进行综合优化，其信号周期为90s，兴善寺东街绿灯时间为30s，黄灯时间为2s，红灯时间为58s；翠华路绿灯时间为58s，黄灯时间为3s，红灯时间为29s，分别如图6所示。

4.3结果分析

由表1中交叉口流量流向数据可知，西进口交通量占整个交叉口交通量的17%，北进口占39%，南进口占44%。

南北向为主要交通流方向，优化中应努力提高它们的通行能力与服务水平。

各进口现状与优化仿真数据对比结果如表3所示，交叉口现状与优化仿真数据对比结果如表4所示。

由表3可知，南进口的服务水平是三个进口中最差的，V/C、控制延误、进口延误、95%排队长度和小时停车次数均高于其他进口，是影响交叉口通行能力与服务水平的主要原因。

特别是西进口和南进口的延误较之北进口高出很多，表明信号分配给西进口和南进口的实际有效绿灯时间不足，即实际绿信比不合理，通过Synchro系统的优化功能均衡各进口有效绿灯时间。

由表3和表4分析可知，交叉口的信号配时经过优化后，整体延误降低，服务水平由D变为C。

南北进口控制延误大幅减少，各进口延误较以前均衡，95%排队长度和停车次数指标均有一定改善，南进口服务水平提高了一个等级，但西进口V/C增加了0.09，其服务水平仍较低。

5、结论

通过以上分析可知，Synchro系统对T型交叉口进行信号配时优化可以较好地降低交叉口整体延误，减少排队长度，提高交叉口服务水平。

但对于交通量较小的次干路进口，Synchro系统优化效果并不明显，为了保证整个交叉口和主要交通流方向的服务水平，它会适当地提高其V/C，降低服务水平。

网路最短相位时长和最长相位时长对优化结果有一定影响。

在进行信号优化的同时，可以结合其他手段和管理措施，如进口道拓宽、合理组织行人和非机动车交通等。