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中小城市交通信号控制策略与方法研究

 

近年来我国大城市交通拥堵问题已越来越受到政府、交通从事者以及交通参与者的重视,互联网公司也热衷于全国各季度城市交通拥堵排名,大城市在投入大量人力、财力、物力下进行一系列交通规划、交通整治、交通拥堵改善研究。

但是,由于经济、地理条件、道路资源等方面中小城市远无法和大城市相提并论,其道路交通特征也不尽相同,使得大城市成熟运用的一系列交通优化策略无法直接应用于中小城市,因此需针对其本身的特征及问题,探索相适应的交通优化策略与方法。

本文从交通信号这一易于操作角度对中小城市交通特征开展缓解交通拥堵的方法研究。

1 中小城市交通信号概况

1.1 信号灯设置不规范,与道路设计不匹配

在城市道路交通系统中,交叉口是城市道路方向转换的枢纽,是机动车、非机动车以及行人汇集、转向和疏散之地,是城市道路易发拥堵的瓶颈,也是道路交通事故的多发地。

而交通信号灯则是管理交叉口网络、规范交叉口秩序的最重要元素。

目前我国中小城市交叉口主要存在这几个方面问题:信号灯与交通标志标线等设施表达的信息互不协调、信号灯应设而未设、信号灯安装数量较少等。

信号灯的设置与道路车道功能不匹配导致交叉口冲突点增多,高峰期间长期处于拥堵状态。

1。2信号周期固定,不能根据交通流量变化动态调节配时

目前大多数中小城市使用的交通信号机采用单纯的固定周期信号控制,信号灯配时未考虑交通流量变化情况,日调度方案仅有一到二个,交叉口经常出现高峰时期各方向拥堵排队较长,大量车辆积压,而平峰时期,无车方向绿灯仍在常亮,降低交叉口通行效率,造成道路资源的极大浪费。

此外,交叉口行人过街时间也有不合理现象,大型交叉口行人过街时间设置过短,导致行人无法在绿灯期间安全通过交叉口,存在安全隐患。

中小城市与大城市交通流特性差异还体现在城市夜间道路交通流的状态,中小城市夜间车流较少,部分交叉口左转相位时间浪费较为严重,多相位信号控制导致交叉口通行效率大大降低。

1.3控制方式相对单一,无法满足交叉口时空资源的综合优化

在中小城市里,目前主要采用单点多时段定时控制、无电缆协调控制等信号控制方式,控制方式相对单一,无法综合运用多种信号控制方式,对交叉口的时空资源进行深度研判,形成综合优化方案。

而在交通流量高峰期时,由于目前的交叉口信号机依然采用固定周期,不能根据交通拥堵的具体情况,通过交通需求控制来调节交通流量,造成局部区域交通压力加大,甚至会造成局部路段交通瘫痪。

2 中小城市交通特征分析

2.1出行距离短,出行次数多,非机动车流量大

中小城市由于用地规模小,土地利用粗放,城市结构形态呈现为强中心形态且单一,城市主要功能均以中心分散分布,工作、居住、娱乐等分布集中,居民出行距离较短。

城市中合理的交通出行结构应该是步行、自行车,公共交通、小汽车。而中小城市由于城市范围较小,居民出行距离短,步行、自行车、电动车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长时间潮汐交通流,相比中小城市交通出行高峰更为集中且时间长度较短,在居民交通出行次数方面则略大于大城市。

我国部分中小城市出行次数调查图

2。2公共交通系统欠发达,利用率极低

城市公共交通系统主要包括地铁、轻轨、有轨电车、BRT以及常规公交。

相比于大城市高效、发达、多层次的公共交通,中小城市的经济水平及城市规模限定了大多以常规公交为主,其覆盖范围、运行里程、服务水平以及准点率均较低,万人拥有公交车辆这一指标也偏低,因此对城市居民出行吸引力更低,中小城市居民更倾向于选择自行车、电动车等非机动车以及摩托车、私家车等机动车,公交出行意识逐渐淡弱,导致城市公交利用率极低。 

我国部分城市公交出行调查表

2.3城市新建区道路资源条件利用率低,交通流不均衡分布

大部分城市新建区的道路网在系统的规划下,道路布局结构、路网密度、道路网间距及等级远胜于旧城区。

在此背景下,城市新建区功能建设相比于道路网建设较为缓慢,城市功能转移需经过一段时间的过渡,造成新区道路资源短时间内得不到较好的利用,道路信号控制未在现有的交通状况基础上进行部分引导式设计,城市交通流仍习惯于贯穿老城区道路,造成道路资源的不均衡分布。

2。4过境交通流经过城市,与城市内部交通混合,信号较难控制

中小城市多依赖于干线过境公路为城市发展轴线,城市初期依靠沿线主要发展轴的影响而出现沿线城镇化现象,到城市发展一定规模,由于地形限制,城市很难进一步发展。

且城市主要交通发展轴由于交通过于集聚,容易导致城市过境交通与城市内部交通混行与一起,过境公路定位转变为混合功能定位,干线公路上过境的大中型货车与城市内部机动车及非机动车混合运行,给道路交叉口信号控制带来困难。

一方面信号控制需考虑大中型货车启动损失及车头时距较大,同时另一方面需考虑大量行驶灵活、起步较快的非机动车穿杂于混合机动车流中,减少直行机动车与左转非机动车冲突问题。

3 中小城市交通信号控制策略与方法

3。1 交通信号控制优化总体策略

针对中小城市的道路交通管控现状、交通基础设施、交通流运行特性,本文制定出以下几点适合于中小城市交通信号控制总体策略:

1. 绿色交通可持续发展战略

绿色交通是一种提倡基于以人为本,减少交通拥堵、降低交通噪声、尾气等污染,促进城市交通环境有序、通畅、高效、低耗的理念,是实现城市交通可持续发展的有效手段。

在中小城市交通信号控制中,应以“绿色交通”理念为控制策略之根本,减少城市交通干线停车次数及单点交叉口二次停车次数,以便减少随之增加的交通尾气污染。

同时,通过信号控制的引导,促进城市交通出行结构的进一步优化完善,给予城市公共交通的快速优先通行,以吸引中小城市的公共交通出行比例。

2。以“面”保“点”,交通流均衡控制

中小城市由于道路交通规划起步较晚,没有经过全局、合理的道路交通系统的规划,对城市发展、机动车保有量增加预计不足,中心城区大多为狭窄、无拓宽空间的道路,加上城区旧规划系统未对停车设施进行前瞻性规划,导致大量机动车、非机动车违停乱停现象,相比于大城市,中小城市中心城区道路供给与需求之间矛盾更为严重,城市大型商业中心、医院、行政中心早晚高峰时段产生大量瓶颈点。

针对这一区域,可采用以“面”保“点”,交通流均衡控制策略,通过在上游有蓄车能力的交叉口采取截流的控制策略,降低关键交叉口的交通压力,在外围区域将交通负载均衡分配到每一个交叉口,实现关键交叉口及瓶颈点段高峰期间不拥堵的目标,确保整个路网的均衡、畅通。

3.干线绿波协调控制与单点交叉口控制相结合

干线绿波协调控制适用于交叉口交通流量大致接近,每个交叉口之间的间距大致相等,绿波带方向的通行能力大致相当,路段上交通秩序比较好(横向干扰少)的主要干线路段。

考虑到车队离散问题,线控系统的交叉口间距一般不应超过800米。通过设置周期和适当的相位差使得车辆达到通过交叉口时都是绿灯的效果。

对于区域性拥堵,进城方向应采取截流、红波控制,减缓车辆进入拥堵区域的速度,均衡路网交通流分配;出城方向,绿波协调控制,加快车辆出城速度。

距离较为接近的交叉口考虑运用同步控制方法进行协调,达到双向车流不停车通过之间较短路段,避免引起车流堵塞溢出至上游信号交叉口。

4。 信号控制与城市交通规划设计相结合

城市道路交通信号配时的设计往往需要与城市交通规划设计相适应,一方面,交通信号配时设计应与交通工程优化、交通渠化、交通设施设置、交通组织相结合,在城市道路交通层面进行统筹规划、科学设计,通过优化城市路网结构,增大城市路网密度,贯通城市道路布局等手段,为城市道路交通拥堵改善和城市交通信号控制提供基础性设施便利。

另一方面,城市交通信号的设计还需与城市规划、公共交通规划、停车设施的规划相结合,通过与城市公共基础设施的规相结合协调划,确保发挥交通信号的效用最大化。

3.2 交通信号控制优化实施方法

基于目前我国中小城市的低出行距离、高出行次数、多种交通流混行等交通特性,提出以下适合于中小城市的交通信号控制优化方法:

1. 单点交叉口实时优化与多时段方案相结合

单点交叉口的信号配时设计主要是针对于其他交叉口相距较远、关联性不强的交叉口,通过对单点交叉口的优化设计,使交叉口放行效率最高、通行能力最大。

对单点交叉口而言,建议增设检测器等设备对交叉口进行实时监测,获取进口车道的流量、排队长度、时间占有率、车头时距及交通通行状态等基本参数,在此基础上结合多时段配时方案设计,实现单点交叉口信号配时方案的最优设计。

在一些行人非机动车较多的交叉口,增加机动车右转红灯相位设置,通过相位迟开早闭的方式,对机动车右转车辆进行放行控制,降低右转机动车与直行非机动车、行人冲突时间。

2. 不同交通状态下路段协调控制

中小城市因道路交通出行较为集中,高峰平峰及夜间路段交通流状态差异较大,在路段低饱和状态下,信号控制优化可以协调方向“最少停车次数”为优化目标,通过交叉口饱和度模型计算信号公共周期,根据交叉口之间路段长度和车流速度计算相位差,建立低饱和状态下路段协调控制,达到进入协调子区车辆尽可能的减少停车次数通过子区。

在路段准饱和状态下,信号控制优化以“控制子区均衡交通流”为前提,以协调方向“最大绿波带宽”为优化目标,通过交叉口饱和度模型计算信号公共周期,根据准饱和状态下实际运行车速调整相位差,达到进入协调子区绿波带宽车辆尽可能增大,保证大部分车流顺利通过协调子区。

在中小城市市中心路段,往往因道路条件限制、商业中心聚集等因素,造成部分路段出现过饱和甚至交叉口回溢现象,在此种状态下,信号控制优化应采用以“面”保“点”控制策略,以“截流”为主要目标,通过干线红波的设置,将车辆截流均衡分配至外围交叉口,降低老城区关键交叉口的饱和度,减少车辆二次等待红灯次数,提高交叉口的通行能力。

在夜间低谷时段,中小城市和大城市交通流量、出行次数有着明显的差别,中小城市夜间低谷来临较早,且相对行人、非机动车流更少。在此基础上,在低谷时段部分路段应考虑减少信号控制相位,合并左转与直行相位,以干线双向绿波协调控制为主。

3. 本地化公交信号优先控制

中小城市可选择在道路资源条件紧张的老城区采用被动优先控制,通过对公交线路等基础数据分析设计公交优先信号相位时长;在老城区外围道路条件资源充足的路段可采用GPS、RFID等技术,实现对公交车辆的主动优先控制。

在对公交信号优先控制基础上进行公交信号优先单点控制、公交信号优先协调控制等手段,制定适合本地的公交优先控制方法,大力推动公交出行方式的占有比例,从根本上改善城市交通拥堵问题。

4。 过境与城市混合车流科学兼顾

过境车流中大中型车速较快,车流连续,信号控制交叉口车辆启动损失较大,与城市内部非连续机动车流、灵活且起步较快的非机动车流混行。

在此状态下,需针对实际道路运行状况进行分析考虑到过境大型车流启动损失较大,车流到达连续,对过境车流宜采用大周期放行,主要放行相位给予长时间放行,并通过对过境车流设置进城红波、出城绿波的,达到“缓进快出”控制效果。

除此之外,考虑到过境大型车流通过交叉口车速较慢,城市非机动车行驶灵活、起步较快,在过境道路直行相位结束宜增加全红时间,减少非机动车流与直行过境车流冲突。

4 实例验证

本文选取苏州市吴江区主城区174个交叉口为例,应用本文提出的中小城市交通信号控制优化策略与方法,初步选取不同单点交叉口、干线作为此次分析对象,通过对各个交叉口的现场数据采集,对道路通行感受、效率、延误等方面进行对比分析。

以227省道-流虹路为例,该交叉口位于吴江区老城区东部,227省道主要承担过境车流疏导以及连接苏州市区的功能,流虹路为吴江区老城区市中心干道,交叉口周边分布有吴江区第一人民医院、吴江区步行街、松陵小学、住宅等大型交通发生吸引点,以单点交叉口实时优化与多时段方案相结合的控制方式,对该交叉口的通行感受、效率进行分析对比如下:

单点交叉口评价指标对比图

选择东太湖大道干线为例,东太湖大道为吴江区最为重要的东西快速干线,道路条件较好,沿途分布有区政府、公安局等多个政府部门,早晚高峰东西向流量均较大。

分别根据不同交通状态下进行路段协调控制,对该干线的通行感受、效率、延误进行分析对比如下:


干线评价指标对比图

综上所述,在运用本文提出的信号控制策略与方法下,能极大的缓解单点交叉口的绿灯结束滞留排队长度、停车延误等指标,单点交叉口通行能力明显提高;干线协调控制下,停车次数与连续停车率有明显降低,干线行程车速显著提高,车流干线运行状况得到大大改善。

5 结语

本文针对中小城市快速发展形势中交通拥堵问题的逐渐凸显,以中小城市交通信号概况为基础对城市交通特征进行分析,在此基础上针对性的总结出直接适用于中小城市的交通信号控制策略与方法。

并以吴江区主城区道路进行实地验证,结果表明本文信号优化控制方法有效提升了中小城市道路交通信号的控制水平,显著缓解了城市交通拥堵,对我国各中小城市具有一定的适用性。

*本文首发于《综合运输》杂志

 

作者简介:

徐新东,公安部交通管理科学研究所  助理研究员 信控中国俱乐部

树爱兵,公安部交通管理科学研究所  副研究员 信控中国俱乐部

 

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