基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究

第26卷 第11期2009年11月

公 路 交 通 科 技

JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment

Vol126 No111 Nov12009

文章编号:1002O0268(2009)11O0117O06

基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究

孙 超,徐建闽

(华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510640)

摘要:首先系统地介绍了信号配时模型的现有研究成果,然后分析了Synchro仿真系统中信号配时优化模型、用于延误计算的百分比延误方法(PDM)模型、排队长度计算模型、停车次数计算模型、通行能力计算模型和服务水平等模型。以广州市天河北路与天河东路交叉口为例,使用延误、停车次数、排队长度组合成的综合性能指标对交叉口的当前信号相位、相序进行了全面的优化研究。应用Synchro系统优化后,最大车流量和通过能力比由1124减小到1102,平均控制延误由8518s减少到6013s,服务水平由F级提高到E级。试验结果表明应用Synchro系统可有效提高路口的控制效果。关键词:交通工程;信号配时优化;Synchro系统;单点交叉口;仿真中图分类号:U491 文献标识码:A

StudyonTrafficSignalTimingOptimizationforSinglePoint

IntersectionBasedonSynchroSoftwareSystem

SUNChao,XUJianmin

(SouthChinaUniv1ofTech1,SchoolofCivilandTransportationEngineering,Guangzhou Guangdong 510640,China)

Abstract:First,theexistingresearchresultonsignaltimingmodelwasintroducedsystematically1Then,thesignaltimingoptimizationmodel,PDMpercentiledelaymethodmodel,queuelengthcalculationmodel,parkingratecalculationmodel,capacitycalculationmodelandlevelofservice(LOS)modelinSynchrosoftwaresystemwereanalyzed1TakentheNorthTianheRoadandtheEastTianheRoadintersectioninGuangzhouforexample,therealOtimephaseandphasesequenceoftheintersectionwereoptimizedcompletelywiththecomprehensiveperformanceindicatorwhichconsistsofdelay,parkingrateandqueuelength1ThemaximumV/Cratiomaydecreasefrom1124to1102,theaveragecontroldelaymaydecreasefrom8518sto6013sandtheLOSmaybeimprovedfromLevelFtoEafterSynchrosystemoptimization1TheexperimentalresultsshowthattheapplicationofSynchrosystemcanimprovethecontrollingeffectoftheintersectioneffectively1

Keywords:trafficengineering;signaltimingoptimization;synchrosoftwaresystem;singlepointintersection;simulation0 引言

随着人民生活水平的提高,城市人口日益增多,汽车拥有量不断增加,城市交通压力越来越大,交通堵塞在大中城市日益严重,经济增长与交通拥挤之间的矛盾日趋突出。交叉口作为城市交通网络中的重要组成部分,是城市交通拥挤的主要发生地。对于信号

收稿日期:2008O11O12

基金项目:国家高技术研究发展计划(八六三计划)资助项目(2006A11Z211);广东省科技公关项目(2005A10101001)作者简介:孙超(1985-),男,安徽宿州人,硕士,从事交通信息工程及控制方向研究1(sunchao20105065@1631com)

控制的单点平面交叉口来说,信号配时优化往往对于减少车流的平均延误、停车次数,提高交叉口的通行

能力、服务水平起到至关重要的作用。交通信号配时的最终目标是得到优化的配时参数,交通信号相位及相序、周期时长、相位绿信比等以使交叉口的交通效益最大化。其评价指标一般有以下几个:通行能力、饱和度、行程时间、延误、停车次数、排队长度及油

基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究

118 公 路 交 通 科 技 第26卷

耗等[1]。定时信号的配时方法一直在不断地研究、改进之中,国外目前普遍采用的是Webster方法、澳大利亚的ARRB方法;国内研究应用的配时模型有停车线模型、冲突点模型等。以上方法都仅以延误最小为目标来确定周期时长,进而确定其它各参数的;缺点是忽略了对交叉口的行车效率及效益同样重要的排队长度、停车率等指标。对此,许多学者从不同的评价指标出发,采用各种优化算法寻求其它更合理的配时方法。

文献[2-4]针对信号周期或绿信比进行优化的,文献[5-6]同时针对周期和绿信比进行综合优化,其中还包括了对信号相位顺序的优化。在文献[7]中,我国学者杨锦冬、杨东援利用灰色控制理论研究后提出信号周期与到达率、停车率、排队长度和相位关键车流量等因素灰关联度的YD模型;这说明以往信号配时中仅以延误最小为目标较为片面,停车率最小(或排队车辆数最少)也应该作为一个优化目标。文献[8]通过建立以延误最小、排队车辆数最少为目标函数、以饱和度为约束条件的信号周期时长的两目标优化模型,采用逼近算法得到交叉口的周期时长。文献[8-9]采用遗传模拟退火优化算法以延误与停车次数综合考虑作为目标函数,建立了交叉口的信号控制优化模型。此外目前国外普遍采用的信号配时优化系统有:基于爬山法优化的TRANSYT系统[10],基于遗传算法优化的Cabal系统;还有一些信号配时优化软件系统,如VISSIM系统、TSIS系统、Syn2chro系统等[12],国内也正在开发类似的系统;相比之下,Synchro系统专门致力于信号配时,且以延误、停车次数、排队长度三项性能指标构成的综合优化指标为目标函数,是一种使用简单而且优越的信号配时优化软件。考虑到我国绝大多数城市道路混合交通流的实际情况,本文以广州市一路口为例,采用Syn2chro系统中的配时优化模型对交叉口的信号周期时长、相位绿信比及相序进行优化,验证结果表明,Synchro系统实用简单而且适用于我国交叉口的混合交通特性。1 系统模型

Synchro系统是美国Trafficware公司开发的专门用于信号配时优化的交通仿真软件,信号配时优化模型以HCM2000为理论基础,目前已经开发完成了最高版本Synchro710。下面首先介绍Synchro系统中信号周期、相位优化的模型及方法。为了评价信号优化方案[11]

服务水平及其他计算模型。111 信号配时优化模型

单点交叉口信号配时的主要设计参数是信号周期和相位时间,Synchro系统信号配时模型就是对上述两个主要参数进行的优化计算。Synchro系统首先会分析各相位提供的绿灯时间是否满足90%的车道组交通流量。如果没有足够长的周期达到此目的,则分析是否能满足70%的车道组流量和50%的车道组流量。相位绿灯时间满足90%的车道组流量,意味着所有周期的90%的车队长可以清空。优化周期的方法是Synchro在自然周期(即最短周期)的基础上优化相位,调整相位时间。如果满足一定的百分比车道组交通量(例如90%、70%、50%的车道组流量),则采用该周期,否则增大信号周期,不断重复上述步骤。在此过程中,需要计算性能指标,如果没有满足百分比车道组交通量的信号周期,则选用性能指标P最低的信号周期长度。计算性能指标为:

P=

D@1+St@10+Qp@100

,3600

(1)

式中,P为综合性能指标;D为百分信号延误;St为停车次数;Qp为排队长度。

另外,Synchro系统除了信号周期长度满足大于自然周期(即最短周期)之外,每个信号相位的绿灯时间要能够满足行人通行的需要,即要对Synchro中的每个相位设置对应的最小绿信比。具体的行人过街最短绿灯时间按下式计算:

tP=7+

L-I,vp

(2)

式中,Lp为行人过街道长度;vp为行人过街步行速度,取112m/s;I为绿灯间隔时间。112 延误计算模型

Synchro沿用了HCM2000中提供的Webster延误模型,并提出了一种计算更为复杂的百分比延误计算方法(PDM,PercentileDelayMethod)来计算延误,与公路通行能力手册(HCM2000)所采用的Webster延误计算模型相比,PDM方法在计算以下3种情况的延误占有优势:(1)相邻路口协同式信号配时;(2)全感应与半感应式信号配时;(3)接近饱和或过饱和情况下的信号配时。PDM方法需要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。每周期延误的计算方法为:

vp@(C-G)2

VDp=,

2(v/(3)

基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究

第11期 孙 超,等:基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究 119

式中,VD为百分比情形p时的每周期车辆延误;vp为p百分比情形p时的车流量;s为饱和流率;G为绿灯时间。

每车延误的计算方法为:

Dp=2(1-X@G/C),

p

2

式中,Q为排队长度;R为红灯时间;S为饱和流量;V为实际流量;L为车头间距;n为车道数;Fu为车道利用系数。

当交通量与通行能力的比值(V/C)大于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Qc,计算如公式为:

Qc=V@(C-6)+(V-S@G/C)/3600,式中,各参数的定义同上。114 停车次数计算模型

第i相位车辆的平均停车次数hi为:

C-Gej

hi=E019,

1-yijj

口道的流量比。

故一个周期内每辆车的平均停车次数为:

n

ni=1

(4)

vp

式中,Dp为情形p时的每车延误;Xp=S@G/C;G为绿灯时间;C为周期长度。

百分比调整车流量的计算方法为:vp=v+[zp@v@C/3600]@,(5)

C

式中,zp按百分比10%、30%、50%、70%、90%的取值分别为-1128、-0152、0、0152、1128。

平均百分比延误用于计算交叉口固定信号配时和不饱和交通流量情况下的基本延误,其计算方法为:

D=

VD10+VD30+VD50+VD70+VD90

。(6)

(v10+v30+v50+v70+v90)@C/3600

(8)

(9)

式中,Gej为j相的有效绿灯时间;yij为i相的第j个进

H=

i=1

Ehiqi/Eqi。

(10)

113 排队长度计算模型

在Synchro仿真生成的报告中,分别给出的有95%排队长度及50%排队长度,排队长度是指在一个信号周期内,车辆排队的最大距离。如图1车辆离开到达图示所示,三角形的底边R表示有效红灯时间;左侧斜边V代表实际交通量;右侧斜边S代表饱和交通流量;三角形的高度Q代表最大排队长度(由于机动车通过交叉口时,有时仅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,实际排队长度如图1所示

);Q2表示红灯时到达的累积排队机动车数。

115 通行能力计算模型

美国HCM2000通行能力计算方法:

Ci=SiKi,

Ki=

(11)

Gei

,(12)C

式中,Ci为车道组i或引道i的通行能力;Si为车道组i或引道i的饱和流率;Gei为i相有效绿灯时间;Ki为相绿信比;C为周期长度。

另外,美国HCM2000给出的车道基本饱和流量为1900pcu/绿灯小时,这一数值对应的标准车道宽度为315m;在Synchro系统中,饱和流量以车道组的形式出现,并且考虑了车道宽度、大车率等进行了相关的折算校正,详见HCM2000。116 服务水平模型

Synchro系统继续使用了HCM2000对服务水平的定义。不过要注意的是,在HCM2000中,采用控制延误代替HCM97中的停车延误来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表1所示。

表1 控制延误与服务水平表

Tab11 ControldelayandLOSrelation

服务水平等级

ABCDEF

控制延误/s小于10s10~20s20~35s35~55s55~80s大于80s

交通状况

无拥挤轻微拥挤无较大拥挤

正常情况下无拥挤恰好拥挤

超过负荷能力,拥挤

图1 车辆到达离开图示

Fig11 IllustrationofvehiclearrivingOleaving

由图2,可以推导出Synchro中排队长度Q的计

算如公式为:

Q=@(R-6)@1+@,

3600S/V-nFu

(7)

2 算例分析

基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究

120 公 路 交 通 科 技 第26卷

(1)几何现状

以广州市天河区天河北路(东西向)与天河东路(南北向)交叉口为研究对象,见图2。该路口右转全部渠化,路口几何形状、车道宽度(m)、车道功能划分情况、拓宽段长度(m)等信息如图2

所示。

3s,全红时间为1s

。

图3 现状交叉口配时方案

Fig13 Thetimingschemefortheintersectionunder

currentsituation

212 现状仿真

应用Synchro系统对天河北与天河东交叉口的信号配时现状进行仿真分析。该交叉口的最大车流量/通行能力(V/C)为1124,平均控制延误为8518s,交叉口的整体服务水平为F。详细数据见表3所示。

图2 交叉口几何示意图

Fig12 Thegeometryoftheintersection

由表3可知,路口东进口的服务水平较低,达到最低水平F级;而且V/C比、控制延误、95%排队

长度远高于其他进口,大大影响了整个交叉口的通行效率。尤其是东进口的延误比较大,东进口左转、直行方向的平均每车的控制延误达到12316、16310s,这说明信号分配给东进口的有效绿灯时间不足以满足通车需求,因此需要通过Synchro系统来优化、均衡各相有效绿灯时间。

213 优化结果及分析

Synchro系统优化后的相位方案如图4所示,相应的相位配时图如图5所示,对应的各相位时间分别为26,34,31,25s;周期时长为116s。根据交叉口的实际情况,各相位之间的黄灯时间取为3s,为了保障交叉口的行车安全,全红时间取为1s。详细的优化结果见表4所示。

(2)交通量数据调查

表2为全天高峰小时(17B00-18B00)的分流向的机动车流量调查数据;南、北、东、西进口方向的重型车比例(即大车率)分别为6%,7%,5%,5%。

表2 高峰小时机动车交通量汇总(单位:veh/h)Tab12 Vehiculartrafficvolumeatpeakhours(unit:veh/h)

南进口

左转直行右转总量

4533573001110

北进口2595313511141

东进口3917372471375

西进口5518513001702

(3)现状配时方案

现有交叉口采用四相位定时信号控制,配时方案

如图3所示,对应的各相位时间分别为:30,35,35,30s;周期时长为130s。各相位之间黄灯时间为

表3 现状各参数仿真结果

Tab13 Simulationresultofparametersundercurrentsituation

车道组V/C绿灯时间/s控制延误/s

50876410018D

服务水平

西进口

左转017831105417

直行110126107017671278397211916EE

26935914216F

32838419615F

右转015157108012

左转1111311012316

东进口直行112426101631013419

8518

停车次数通行能力/(veh#h-1)

95%排队/m

60164518117FF

224

4713331

711411411E

8516E

6416DD

12017E

4819D

9718DE

17313F

144612

641

778

438

641

788

373

421

303

271

223

480

302

右转015757106912

左转017726105812

南进口直行0150311045145412

右转016057105819

左转014426104811

弱进口直行0173311052106614

右转0157571010115

基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究

第11期 孙 超,等:基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究 121

相序都进行了综合的优化,对相位1、2的车流进行了重新组合。进一步分析可知,实际上优化前配时方案中相位1、2中的东西进口的双向直行和双向左转在交通量及通行时间(左转弯车流速度通常远低于直行车速)上存在差异,不合理的双左、双直的放行方

图4 优化后相位配时方案

Fig14 Thephasetimingschemethrough

optimization

式导致了路口延误的增加;因此合理的放行方式应该是如图4所示的东、西进口直左车流依次放行;相位3、4无需变化,但对绿信比进行了优化。

由表4可知,优化后的交叉口的最大V/C比为1102,平均控制延误为6013s,减少了29172%,交叉口的整体服务水平上升为E级,而且较逼近D级服务水平,各进口的控制延误也比较均衡;总的排队

图5 Synchro优化后相位配时图Fig15 Thephasetimingthroughoptimization

分析可知,Synchro系统对原有配时方案的相位

表4 优化后各参数仿真结果

Tab14 Simulationresultofparametersthroughoptimization

车道组V/C绿灯时间/s控制延误/s

49360811212F

服务水平

西进口

左转019922108013

直行110022107716801177092211316E

F

26334013514F

33841717116F

右转015043108617

左转110230108411

东进口直行0196301065116213

6013

停车次数通行能力/(veh#h-1)

95%排队/m

66083413919E

E

217

4743428

70218615D

E

8612E

5819DD

11611E

4515D

8819DE

16018F

131516

580

760

418

580

769

365

415

305

271

228

484

299

右转014351104516

左转018521106018

南进口直行0151271041155313

右转015743105610

左转014921104519

弱进口直行0175271048145518

右转015951109015

长度从优化前的144612m减少到131516m。容易看到优化后西进口的服务水平仍偏低,但已经能够满足

通行的需求,可以考虑采用改善交叉口几何条件的方法进行进一步改善。采用Synchro系统优化后的信号周期从130s减少到116s,通常随着信号周期的减少,延误、通行能力会随之减少,而停车次数会随之增加;可以看到优化后路口的通行能力从7114辆/h变为7021辆/h略有减少,跟优化前大体相当,确保了路口的交通通行需求;而总的停车次数从4713变为4743,也仅略有增加,达到了优化的目的。3 结语

论文应用Synchro系统信号优化模型对广州市天河东路与天河北路交叉口以延误、停车次数、排队长度三个综合指标组成的目标函数对相位相序进行了全面优化,将路口的服务水平从F级提高到了一个等级,各项性能指标也都得到了优化,而且简单实用。良好的控制效果。

参考文献:References:

[1] 徐良杰,王炜1信号交叉口行人过街时间模型[J]1

交通运输工程学报,2005,5(1):111-1151

XULiangjie,WANGWei1ModelofPedestriansCrossingTime

atSignalizedIntersection[J]1JournalofTrafficandTrans2portationEngineering,2005,5(1):111-1151

[2] 李龙振,柳京爱,李宗律1孤立交叉路口信号控制的

最优策略[J]1延边大学学报:自然科学版,1998,24(4):13-161

LILongzhen,LIUJingai,LIZonglv1AnOptimalTrafficSig2

nalSplitsinIsolatedIntersection[J]1JournalofYanbianU2niversity:NaturalScienceEdition,1998,24(4):13-161[3] 袁春华,史峰1冲突点的车流特点确定信号控制周期

[J]1华东交通大学学报,2002,19(4):14-161 YUANChunhua,SHIFeng1UsingTrafficStreamCharacteris2

oDInter2

基于Synchro的单点交叉口信号配时优化研究

122 公 路 交 通 科 技 第26卷

section[J]1JournalofEastChinaJiaotongUniversity,2002,19(4):14-161

[4] 陈淑燕,陈森发,黄毅1单路口多相位交通信号模糊

控制系统的设计[J]1系统仿真学报,2002,14(7)1 CHENShuyan,CHENSenfa,HUANGYi1FuzzyControlSystem

DesignofMultiOphaseTrafficSignalsinIsolatedIntersection[J]1JournalofSystemSimulation,2002,14(7)1

[5] 蒲琪,谭永朝,杨超1交叉口信号配时优化模型研究

[J]1上海铁道大学学报,1999,20(4):31-341 PUQi,TANYongzhao,YIANGChao1SignalOplanningOpti2

malModelforIntersection[J]1JournalofShanghaiTiedaoUniversity,1999,20(4):31-341

[6] 万绪军,陆化普1实时自适应交通信号控制优化理论

模型[J]1交通运输工程学报,2001,1(4):60-661 WANXujun,LUHuapu1ARealTimeSelfOadaptiveTraffic

SignalSettingOptimizationTheory[J]1JournalofTrafficandTransportationEngineering,2001,1(4):60-661[7] 杨锦冬,杨冬援1城市信号控制交叉口信号周期时长

优化模型[J]1同济大学学报,2001,29(7):789-7941

YANGJindong,YANGDongyuan1OptimizedSignalTimeModel

inSignaledIntersection[J]1JournalofTongJiUniversity,2001,29(7):789-7941

[8] 王伟平1城市平面交叉口交通信号控制优化方法的研

[12][11][10]

究[D]1青岛:山东科技大学,2004:31-361 WANGWeiping1StudyofOptimalMethodfortheTrafficCon2

trolinUrbanPlaneIntersection[D]1Qingdao:ShandongU2niversityofScienceandTechnology,2004:31-361[9] 王秋平,谭学龙,张生瑞1城市单点交叉口信号配时

优化[J]1交通运输工程学报,2006,6(2):60-641 WANGQiuping,TANXuelong,ZHANGShengrui1SignalTim2

ingOptimizationofUrbanSingleOpointIntersections[J]1JournalofTrafficandTransportationEngineering,2006,6(2):60-641

VINCENTRA,MITCHELLAI,ROBERTSONDI1UserGuidetoTRANSYTVersion8[R]1TransportandRoadRe2searchLaboratary,19801

CLEMENTSJ,ANDERSONJM1TrafficSignalTimingDeterOmination:theCabalModel[C]//2ndIEEEInternationalConferenceonGeneticAlgorithmsinEngineeringSystems:In2novationsandApplications1Glasgow,U1K1:IEEE,1997:63-681

毛保华,杨肇夏,陈海波1道路交通仿真技术与系统研究[J]1北方交通大学学报,2002,26(5),37-461 MAOBaohua1,YANGZhaoxia,CHENHaibo1ReviewofRoad

SimulationTechnologiesandSystem[J]1JournalofNorthernJiaotongUniversity,2002,26(5):37-461

(上接第112页)

GAOZiyou,WUJianjun,MAOBaohua,etal1Studyonthe

ComplexityofTrafficNetworksandRelatedProblems[J]1JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology,2005,5(2):79-841

[5] SEATONKA,HACKETTLM1Station,TrainsandSmall-worldNetworks[J]1PhysicalA,2004,339(3/4):635-6441

[6] ANGELOUDISP,FISKD1LargeSubwaySystemsasComplex

Networks[J]1PhysicA,2006,367(4):553-5581

[7] SENP,DASGUPTAS,CHATTERJEEA,etal1Small-worldPropertiesoftheIndianRailwayNetwork[J]1PhysicalReviewE,2003,67(3):106-1101

[8] 汪涛,方志耕,吴卉,等1城市地铁网络的复杂性分

[10]

析[J]1军事交通学院学报,2008,10(2):24-281 WANGTao,FANGZhigeng,WUHui,etal1AnAnalysisof

ComplexityofSubwayNetworkinChina[J]1JournalofA2cademyofMilitaryTransportation,2008,10(2):24-281

[9] 俞桂杰,彭语冰,褚衍昌1复杂网络理论及其在航空

网络中的应用[J]1复杂系统与复杂性科学,2006,3(1):79-841

YUGuijie,PENGYubing,CHUYanchang1ComplexNet2

worksTheoryandItsApplicationinAirNetworks[J]1Com2plexSystemsandComplexityScience,2006,3(1):79-841

NEWMANMEJ1TheStructureandFunctionofComplexNet2works[J]1SIAMReview,2003,45(2):167-2561