基于MAXBAND 和VISSIM 的交通管理与控制信号绿波实验设计

杨 震，马健霄，王宝杰

（1. 南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037；2. 长安大学 运输工程学院，陕西 西安 710064）

“交通控制与管理”是交通工程本科专业的一门必修课程，主要内容是在既有道路交通设施的约束下，如何科学合理地运用交通法规、行政管理、工程管理以及信号控制技术等措施，来管理、控制城市道路及公路的交通运行，以提高交通安全和交通效率[1-2]。课程着重培养学生分析复杂工程问题、设计解决方案和使用现代工具的能力，对交通工程专业的毕业要求和培养目标有着较强的支撑作用。在学习该课程之前，一般要求学生先掌握交通规划和交通设计的相关知识。

信号控制技术是交通管理与控制课程的教学重点和难点，分为单点、干线及区域信号控制3 个层次。课程一般要求学生熟练掌握单点、干线两个层面的信号控制方法，其中干线层面的信号控制称为干线信号协调控制，指的是对干线上多个交叉路口的信号配时进行联动设计。干线信号协调控制的目标有车辆延误最小化和绿波带宽最大化两种[3]，其中交通管理与控制课程讲解的是以绿波带宽最大为目标的协调方法（又称为信号绿波、绿波协调），即在干线各交叉口间形成一条可供车辆连续、不间断通过的带宽。该方法由于具有操作简便、直观易懂等优点，在工程上也有广泛的应用，但对于初次接触的学生来说还有一定难度。为了让学生对信号绿波的控制原理和效果有更加直观的认知，课程一般需要设置实验环节，常用的信号绿波实验工具有美国Trafficware 公司的Synchro Studio[4-5]、德国PTV 公司的VISSIM[6-7]、交通仿真沙盘[8]等。但截至目前，在信号绿波实验方案的具体设计方面，还未见相关文献报道。因此本文将基于绿波协调优化模型 MAXBAND 和微观交通仿真软件VISSIM，系统性地构建干线信号绿波的实验方案。

1 实验前准备

干线信号绿波控制主要以单点交叉口信号控制为基础，两者既相互联系，又有所区别。在进行干线信号绿波实验之前，学生在单点及干线信号控制方面的理论知识准备包括：①较为熟练地掌握单点信号控制的基本概念、原理及方法；②理解干线绿波协调3 个最重要的参数——公共周期、绿灯时间、相位差（即绿灯启动时差）—— 的含义，能够在相对相位差和绝对相位差之间进行转换；③熟悉干线绿波协调配时的基本步骤。

2 实验任务

本实验的目标是对干线信号绿波控制参数进行合理设计和仿真模拟，使学生更直观地理解和掌握信号绿波控制原理及效果。在具体的实验过程中，学生需要在已知干线几何形态、交通需求、单点信号配时参数、绿波带速等基础资料的前提下，利用协调控制模型优化绿波相位差，并在微观交通仿真软件中对绿波协调方案进行仿真模拟，得出实验结论。

3 实验步骤

干线绿波协调配时的基本步骤包括公共周期时长的确定、交叉口（包括关键交叉口和非关键交叉口）绿灯时间的确定、相位差的确定和协调控制效果仿真评价。考虑到干线信号协调涉及的交叉口数目较多，在本实验中，各交叉口的公共周期时长和绿灯时间可设为已知条件，实验具体步骤为：绿波相位差的确定；绿波控制方案的仿真模拟；绿波控制方案的评价分析。

3.1 绿波相位差的确定

相位差的确定是干线绿波协调配时的关键，决定着线控系统所能达到的最大绿波带宽，在本实验中，绿波相位差的确定采用MAXBAND 模型。MAXBAND是Little 等[9]建立的混合整数线性规划模型，能够在输入交叉口间距、绿信比、公共周期范围、路段交通量等条件下，对公共周期、相位差、相位顺序、绿波带宽等协调控制参数进行优化。MAXBAND 是绿波协调控制最常用、最重要的模型，其后又有很多学者在MAXBAND 的基础上，提出了诸如MULTI- BAND[10]、AM-BAND[11]、OD-BAND[12]等模型的改进版本。本文根据学生知识水平和实验教学的需要，将MAXBAND改进为双环及单环相位条件下的绿波协调优化模型。

双环相位是美国国家电气制造商协会（NEMA）针对典型信号控制十字交叉口制定的标准相位结构，由8 个相位构成（见图1(a)），其中位于同环、同屏障的两个相位可调换顺序，不会对其他相位的运行产生影响[13]。与双环相位相对应的是单环相位，由4 个相位构成（见图1(b)），在我国城市道路中有着广泛的应用。

图1 相位结构图

假设干线协调方向为南北方向，且由南向北为上行方向，由北向南为下行方向。在双环相位条件下，基于MAXBAND 的绿波协调优化模型构建过程如图2所示，其目标函数为

其中：b(b′)为上行（下行）方向的绿波带宽（s）。其约束条件为

图2 基于MAXBAND 的绿波协调优化模型构建过程

在单环相位条件下，绿波协调优化模型的目标函数与双环相位相同，而其约束条件为

在单环条件下，ri=且无内部相位差的约束。以上模型可在CPLEX、LINGO、MATLAB 优化工具箱等软件中编码求解[14]，其中求解得到相对相位差oi为后续实验的重要参数，通过式（4）可将其转化为绝对相位差：

其中ρi为交叉口i的上行绝对相位差（s）。在具体实验操作中，以上模型可由学生自主编程完成求解，也可由教师提供程序代码，学生代入参数的方式完成求解，可以依据实验学时和学生的学习基础、能力水平而定。

3.2 绿波控制方案的仿真模拟

在本实验中，绿波控制方案的仿真模拟采用VISSIM 完成。VISSIM 由德国PTV 公司开发，是一款基于时间间隔和驾驶行为的微观交通仿真软件，可对各种条件下的交通运行状况进行仿真模拟[15]。VISSIM 功能全面、成熟稳定，其仿真运行界面能够让学生对交通信号的控制效果有更直观的理解，因而非常适合作为信号绿波的实验工具。

图3 VISSIM 仿真运行界面及Signal Control 选项卡

在VISSIM 构建干线道路的仿真模型（见图3），输入交通组成、车速分布、交通流量以及各交叉口的信号控制参数，即可对干线绿波控制方案进行仿真模拟。干线各交叉口的信号控制参数在Signal Control选项卡中输入（见图3），选项卡的左侧为信号控制机（Signal Controller）列表，每个信号控制机对应一个交叉口；选项卡右侧为信号灯组（Signal Groups）列表，每个信号灯组对应双环或单环相位结构中的一个相位。绿波相位差在栏目Offset 中输入，一般将干线上首个交叉口的相位差设为0，而其他交叉口则设置成与首个交叉口的绝对相位差。

3.3 绿波控制方案的评价分析

在干线仿真模型的两个方向上分别设置行程时间检测区间，同时激活行程时间（Travel Time）和延误（Delay）评价类型，即可从延误、停车次数、行程时间等方面对绿波控制方案的运行效果进行评价分析，运行仿真模型即可得到仿真评价文件。在实验过程中，可要求学生从以下几个方面构建实验方案，并分析实验结果。

（1）有信号协调和无信号协调时运行效果对比分析。在有信号协调的情况下，干线各交叉口的绿波相位差是模型的计算结果；而在无信号协调情况下，可设为0 或随机值。学生分别在两种情况下运行干线仿真模型，得到延误、停车次数、行程时间等评价指标值，并进行对比分析。

（2）有信号协调时交通量对绿波协调效果的影响分析。在有信号协调的情况下，先设置一组基础交通量，然后乘以不同的系数形成若干组交通量，分别运行干线仿真模型，根据延误、停车次数、行程时间等评价指标值分析交通量对绿波协调的影响，并探究其原因。

（3）双环相位和单环相位绿波协调效果的对比分析。在有信号协调的情况下，分别将各交叉口的相位结构设置为双环相位和单环相位，在交通量相同的条件下分别运行干线仿真模型，根据延误、停车次数、行程时间等评价指标值分析相位结构对绿波协调的影响，并探究其原因。

以上实验方案可根据课程实验学时以及学生的知识基础、能力水平进行合理选择。

4 结语

交通控制与管理是交通工程本科专业的一门必修课程，信号绿波控制技术是该课程的教学难点之一。为了让学生更加直观地理解信号绿波的控制原理和效果，本文基于绿波协调优化模型MAXBAND 和德国PTV 公司的VISSIM 软件，构建了干线信号绿波的实验方案。该实验首先利用改进的MAXBAND 模型求解得到绿波相位差，然后在VISSIM 软件中构建干线仿真模型，设置交通流量、信号控制及其他相关参数，最后在不同的实验场景中，从延误、停车次数、行程时间等指标上评价绿波控制方案的运行效果。该实验能够促进学生理解、掌握信号绿波的理论知识和技术要点，培养学生使用现代化的工具分析、解决交通控制问题的能力，使交通管理与控制课程对交通工程专业的毕业要求形成了更有力的支撑。