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中小城市交通信號控制策略與方法研究

 

近年來我國大城市交通擁堵問題已越來越受到政府、交通從事者以及交通參與者的重視,互聯網公司也熱衷于全國各季度城市交通擁堵排名,大城市在投入大量人力、財力、物力下進行一系列交通規劃、交通整治、交通擁堵改善研究。

但是,由于經濟、地理條件、道路資源等方面中小城市遠無法和大城市相提并論,其道路交通特征也不盡相同,使得大城市成熟運用的一系列交通優化策略無法直接應用于中小城市,因此需針對其本身的特征及問題,探索相適應的交通優化策略與方法。

本文從交通信號這一易于操作角度對中小城市交通特征開展緩解交通擁堵的方法研究。

1 中小城市交通信號概況

1.1 信號燈設置不規范,與道路設計不匹配

在城市道路交通系統中,交叉口是城市道路方向轉換的樞紐,是機動車、非機動車以及行人匯集、轉向和疏散之地,是城市道路易發擁堵的瓶頸,也是道路交通事故的多發地。

而交通信號燈則是管理交叉口網絡、規范交叉口秩序的最重要元素。

目前我國中小城市交叉口主要存在這幾個方面問題:信號燈與交通標志標線等設施表達的信息互不協調、信號燈應設而未設、信號燈安裝數量較少等。

信號燈的設置與道路車道功能不匹配導致交叉口沖突點增多,高峰期間長期處于擁堵狀態。

1.2信號周期固定,不能根據交通流量變化動態調節配時

目前大多數中小城市使用的交通信號機采用單純的固定周期信號控制,信號燈配時未考慮交通流量變化情況,日調度方案僅有一到二個,交叉口經常出現高峰時期各方向擁堵排隊較長,大量車輛積壓,而平峰時期,無車方向綠燈仍在常亮,降低交叉口通行效率,造成道路資源的極大浪費。

此外,交叉口行人過街時間也有不合理現象,大型交叉口行人過街時間設置過短,導致行人無法在綠燈期間安全通過交叉口,存在安全隱患。

中小城市與大城市交通流特性差異還體現在城市夜間道路交通流的狀態,中小城市夜間車流較少,部分交叉口左轉相位時間浪費較為嚴重,多相位信號控制導致交叉口通行效率大大降低。

1.3控制方式相對單一,無法滿足交叉口時空資源的綜合優化

在中小城市里,目前主要采用單點多時段定時控制、無電纜協調控制等信號控制方式,控制方式相對單一,無法綜合運用多種信號控制方式,對交叉口的時空資源進行深度研判,形成綜合優化方案。

而在交通流量高峰期時,由于目前的交叉口信號機依然采用固定周期,不能根據交通擁堵的具體情況,通過交通需求控制來調節交通流量,造成局部區域交通壓力加大,甚至會造成局部路段交通癱瘓。

2 中小城市交通特征分析

2.1出行距離短,出行次數多,非機動車流量大

中小城市由于用地規模小,土地利用粗放,城市結構形態呈現為強中心形態且單一,城市主要功能均以中心分散分布,工作、居住、娛樂等分布集中,居民出行距離較短。

城市中合理的交通出行結構應該是步行、自行車,公共交通、小汽車。而中小城市由于城市范圍較小,居民出行距離短,步行、自行車、電動車等都是居民最主要的出行方式。

相比于大城市的朝九晚五早晚高峰的長時間潮汐交通流,相比中小城市交通出行高峰更為集中且時間長度較短,在居民交通出行次數方面則略大于大城市。

我國部分中小城市出行次數調查圖

2.2公共交通系統欠發達,利用率極低

城市公共交通系統主要包括地鐵、輕軌、有軌電車、BRT以及常規公交。

相比于大城市高效、發達、多層次的公共交通,中小城市的經濟水平及城市規模限定了大多以常規公交為主,其覆蓋范圍、運行里程、服務水平以及準點率均較低,萬人擁有公交車輛這一指標也偏低,因此對城市居民出行吸引力更低,中小城市居民更傾向于選擇自行車、電動車等非機動車以及摩托車、私家車等機動車,公交出行意識逐漸淡弱,導致城市公交利用率極低。 

我國部分城市公交出行調查表

2.3城市新建區道路資源條件利用率低,交通流不均衡分布

大部分城市新建區的道路網在系統的規劃下,道路布局結構、路網密度、道路網間距及等級遠勝于舊城區。

在此背景下,城市新建區功能建設相比于道路網建設較為緩慢,城市功能轉移需經過一段時間的過渡,造成新區道路資源短時間內得不到較好的利用,道路信號控制未在現有的交通狀況基礎上進行部分引導式設計,城市交通流仍習慣于貫穿老城區道路,造成道路資源的不均衡分布。

2.4過境交通流經過城市,與城市內部交通混合,信號較難控制

中小城市多依賴于干線過境公路為城市發展軸線,城市初期依靠沿線主要發展軸的影響而出現沿線城鎮化現象,到城市發展一定規模,由于地形限制,城市很難進一步發展。

且城市主要交通發展軸由于交通過于集聚,容易導致城市過境交通與城市內部交通混行與一起,過境公路定位轉變為混合功能定位,干線公路上過境的大中型貨車與城市內部機動車及非機動車混合運行,給道路交叉口信號控制帶來困難。

一方面信號控制需考慮大中型貨車啟動損失及車頭時距較大,同時另一方面需考慮大量行駛靈活、起步較快的非機動車穿雜于混合機動車流中,減少直行機動車與左轉非機動車沖突問題。

3 中小城市交通信號控制策略與方法

3.1 交通信號控制優化總體策略

針對中小城市的道路交通管控現狀、交通基礎設施、交通流運行特性,本文制定出以下幾點適合于中小城市交通信號控制總體策略:

1. 綠色交通可持續發展戰略

綠色交通是一種提倡基于以人為本,減少交通擁堵、降低交通噪聲、尾氣等污染,促進城市交通環境有序、通暢、高效、低耗的理念,是實現城市交通可持續發展的有效手段。

在中小城市交通信號控制中,應以“綠色交通”理念為控制策略之根本,減少城市交通干線停車次數及單點交叉口二次停車次數,以便減少隨之增加的交通尾氣污染。

同時,通過信號控制的引導,促進城市交通出行結構的進一步優化完善,給予城市公共交通的快速優先通行,以吸引中小城市的公共交通出行比例。

2.以“面”保“點”,交通流均衡控制

中小城市由于道路交通規劃起步較晚,沒有經過全局、合理的道路交通系統的規劃,對城市發展、機動車保有量增加預計不足,中心城區大多為狹窄、無拓寬空間的道路,加上城區舊規劃系統未對停車設施進行前瞻性規劃,導致大量機動車、非機動車違停亂停現象,相比于大城市,中小城市中心城區道路供給與需求之間矛盾更為嚴重,城市大型商業中心、醫院、行政中心早晚高峰時段產生大量瓶頸點。

針對這一區域,可采用以“面”保“點”,交通流均衡控制策略,通過在上游有蓄車能力的交叉口采取截流的控制策略,降低關鍵交叉口的交通壓力,在外圍區域將交通負載均衡分配到每一個交叉口,實現關鍵交叉口及瓶頸點段高峰期間不擁堵的目標,確保整個路網的均衡、暢通。

3.干線綠波協調控制與單點交叉口控制相結合

干線綠波協調控制適用于交叉口交通流量大致接近,每個交叉口之間的間距大致相等,綠波帶方向的通行能力大致相當,路段上交通秩序比較好(橫向干擾少)的主要干線路段。

考慮到車隊離散問題,線控系統的交叉口間距一般不應超過800米。通過設置周期和適當的相位差使得車輛達到通過交叉口時都是綠燈的效果。

對于區域性擁堵,進城方向應采取截流、紅波控制,減緩車輛進入擁堵區域的速度,均衡路網交通流分配;出城方向,綠波協調控制,加快車輛出城速度。

距離較為接近的交叉口考慮運用同步控制方法進行協調,達到雙向車流不停車通過之間較短路段,避免引起車流堵塞溢出至上游信號交叉口。

4. 信號控制與城市交通規劃設計相結合

城市道路交通信號配時的設計往往需要與城市交通規劃設計相適應,一方面,交通信號配時設計應與交通工程優化、交通渠化、交通設施設置、交通組織相結合,在城市道路交通層面進行統籌規劃、科學設計,通過優化城市路網結構,增大城市路網密度,貫通城市道路布局等手段,為城市道路交通擁堵改善和城市交通信號控制提供基礎性設施便利。

另一方面,城市交通信號的設計還需與城市規劃、公共交通規劃、停車設施的規劃相結合,通過與城市公共基礎設施的規相結合協調劃,確保發揮交通信號的效用最大化。

3.2 交通信號控制優化實施方法

基于目前我國中小城市的低出行距離、高出行次數、多種交通流混行等交通特性,提出以下適合于中小城市的交通信號控制優化方法:

1. 單點交叉口實時優化與多時段方案相結合

單點交叉口的信號配時設計主要是針對于其他交叉口相距較遠、關聯性不強的交叉口,通過對單點交叉口的優化設計,使交叉口放行效率最高、通行能力最大。

對單點交叉口而言,建議增設檢測器等設備對交叉口進行實時監測,獲取進口車道的流量、排隊長度、時間占有率、車頭時距及交通通行狀態等基本參數,在此基礎上結合多時段配時方案設計,實現單點交叉口信號配時方案的最優設計。

在一些行人非機動車較多的交叉口,增加機動車右轉紅燈相位設置,通過相位遲開早閉的方式,對機動車右轉車輛進行放行控制,降低右轉機動車與直行非機動車、行人沖突時間。

2. 不同交通狀態下路段協調控制

中小城市因道路交通出行較為集中,高峰平峰及夜間路段交通流狀態差異較大,在路段低飽和狀態下,信號控制優化可以協調方向“最少停車次數”為優化目標,通過交叉口飽和度模型計算信號公共周期,根據交叉口之間路段長度和車流速度計算相位差,建立低飽和狀態下路段協調控制,達到進入協調子區車輛盡可能的減少停車次數通過子區。

在路段準飽和狀態下,信號控制優化以“控制子區均衡交通流”為前提,以協調方向“最大綠波帶寬”為優化目標,通過交叉口飽和度模型計算信號公共周期,根據準飽和狀態下實際運行車速調整相位差,達到進入協調子區綠波帶寬車輛盡可能增大,保證大部分車流順利通過協調子區。

在中小城市市中心路段,往往因道路條件限制、商業中心聚集等因素,造成部分路段出現過飽和甚至交叉口回溢現象,在此種狀態下,信號控制優化應采用以“面”保“點”控制策略,以“截流”為主要目標,通過干線紅波的設置,將車輛截流均衡分配至外圍交叉口,降低老城區關鍵交叉口的飽和度,減少車輛二次等待紅燈次數,提高交叉口的通行能力。

在夜間低谷時段,中小城市和大城市交通流量、出行次數有著明顯的差別,中小城市夜間低谷來臨較早,且相對行人、非機動車流更少。在此基礎上,在低谷時段部分路段應考慮減少信號控制相位,合并左轉與直行相位,以干線雙向綠波協調控制為主。

3. 本地化公交信號優先控制

中小城市可選擇在道路資源條件緊張的老城區采用被動優先控制,通過對公交線路等基礎數據分析設計公交優先信號相位時長;在老城區外圍道路條件資源充足的路段可采用GPS、RFID等技術,實現對公交車輛的主動優先控制。

在對公交信號優先控制基礎上進行公交信號優先單點控制、公交信號優先協調控制等手段,制定適合本地的公交優先控制方法,大力推動公交出行方式的占有比例,從根本上改善城市交通擁堵問題。

4. 過境與城市混合車流科學兼顧

過境車流中大中型車速較快,車流連續,信號控制交叉口車輛啟動損失較大,與城市內部非連續機動車流、靈活且起步較快的非機動車流混行。

在此狀態下,需針對實際道路運行狀況進行分析考慮到過境大型車流啟動損失較大,車流到達連續,對過境車流宜采用大周期放行,主要放行相位給予長時間放行,并通過對過境車流設置進城紅波、出城綠波的,達到“緩進快出”控制效果。

除此之外,考慮到過境大型車流通過交叉口車速較慢,城市非機動車行駛靈活、起步較快,在過境道路直行相位結束宜增加全紅時間,減少非機動車流與直行過境車流沖突。

4 實例驗證

本文選取蘇州市吳江區主城區174個交叉口為例,應用本文提出的中小城市交通信號控制優化策略與方法,初步選取不同單點交叉口、干線作為此次分析對象,通過對各個交叉口的現場數據采集,對道路通行感受、效率、延誤等方面進行對比分析。

以227省道-流虹路為例,該交叉口位于吳江區老城區東部,227省道主要承擔過境車流疏導以及連接蘇州市區的功能,流虹路為吳江區老城區市中心干道,交叉口周邊分布有吳江區第一人民醫院、吳江區步行街、松陵小學、住宅等大型交通發生吸引點,以單點交叉口實時優化與多時段方案相結合的控制方式,對該交叉口的通行感受、效率進行分析對比如下:

單點交叉口評價指標對比圖

選擇東太湖大道干線為例,東太湖大道為吳江區最為重要的東西快速干線,道路條件較好,沿途分布有區政府、公安局等多個政府部門,早晚高峰東西向流量均較大。

分別根據不同交通狀態下進行路段協調控制,對該干線的通行感受、效率、延誤進行分析對比如下:


干線評價指標對比圖

綜上所述,在運用本文提出的信號控制策略與方法下,能極大的緩解單點交叉口的綠燈結束滯留排隊長度、停車延誤等指標,單點交叉口通行能力明顯提高;干線協調控制下,停車次數與連續停車率有明顯降低,干線行程車速顯著提高,車流干線運行狀況得到大大改善。

5 結語

本文針對中小城市快速發展形勢中交通擁堵問題的逐漸凸顯,以中小城市交通信號概況為基礎對城市交通特征進行分析,在此基礎上針對性的總結出直接適用于中小城市的交通信號控制策略與方法。

并以吳江區主城區道路進行實地驗證,結果表明本文信號優化控制方法有效提升了中小城市道路交通信號的控制水平,顯著緩解了城市交通擁堵,對我國各中小城市具有一定的適用性。

*本文首發于《綜合運輸》雜志

 

作者簡介:

徐新東,公安部交通管理科學研究所  助理研究員 信控中國俱樂部

樹愛兵,公安部交通管理科學研究所  副研究員 信控中國俱樂部

 

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