Synchro交通仿真系统分析及应用引言Synchro4仿真软件是进行交通信号配时与优化的理想工具,具备通行能力分析仿真,协调控制仿真,自适应信号控制仿真等功能,并且具备与传统交通仿真软件CORSIM, TRANSYT-7F,HCS等的接口,其简单易懂,具有很高的工程实用价值。
该文借鉴文献的思想,首先对Synchro系统的仿真建模思想进行深刻剖析,然后针对济南市经十路与舜耕路路口,进行了实例仿真,进一步阐明其应用方法。
1 交通网络的构建1. 1 元素及属性Synchro系统交通网络的构成元素主要有两类:圆形节点和线段,其中节点代表路口,线段表示路段(街道)。
Sychro为每个路口定义有如下属性:标识号( ID),隶属区域(Zone),周期时常(Cycle Length),控制器类型(ControllerType),位置坐标(X,Y)。
每个路段具有如下属性:道路名称(StreetName),路段双向行驶速度(Link Speed),路段双向长度(LinkDistance),及车道数。
为方便对多个路口实现相同的控制方案设计, Synchro规定可以将几个路口的组合定义为一个区域(Zone)。
Synchro提供有相应的对话框,可以方便的实现各个属性的设定。
1. 2 普通交通网络的绘制Synchro有简单的操作按钮和菜单,可以方便的绘制出所需的交通网络图形。
1. 2. 1 路口的绘制Synchro并没有提供直接绘制路口的命令和按钮,借助于绘制路段时产生的交叉点自然产生路口。
路口的编号是根据其产生的先后顺次排序。
但需注意,两路段首尾相接,不能产生路口,只能形成转折路段,而且转折点路段的形成也应遵循一定的角度规则。
1. 2. 2 路段的绘制Synchro中对普通路网路段的绘制相对简单,可通过按钮(Add Link)或快捷键(Ctrl+A)生成绘图命令,然后用鼠标拖动即可,路段的长度及坐标可通过路段属性对话框另外修改。
根据路段在交通网络中连接的路口的性质,可以分作三类:内部路段,外部路段和转折路段。
内部路段是连接两个信号控制交叉口的路段;外部路段指一端为交通断面的路段;转折点路段指的是具有一定曲率的路段,即现实中存在的具有一定弧度的路段,在Synchro中是通过转折点(Bend)的概念来实现的,转折点(Bend)是一类特殊的无信号控制交叉口,该交叉口无需设置交通量、车道及配时参数。
1. 2. 3 车道的绘制针对路段的三种分类,其相应的道路绘制也遵循不同的原则:内部路段的道路数主要根据其两端路口的相位划分来决定,通过设置LaneW indow对话框中的Lanes and Sharings(#RL)便设定了内部路段的车道数;外部道路的车道数设定分上行车道数和下行车道数,上行车道数是由相连的信号控制交叉口的相位设计决定,下行车道数可由路段属性对话框中的Travel Lanes参数设置;具有转折点的路段,以转折点处截断作为划分,如果路段不与信号控制交叉口相连,则系统在路段属性对话框中提供双向TravelLanes参数的设置,而与信号控制交叉口相连的路段,则以类似于外部路段方式设置车道数。
2 仿真车辆2. 1 车辆的种类Synchro中的仿真车类型主要分作小汽车、卡车、公共汽车和合乘车四类。
每一类型的车辆又分别设计有几种子类,具体不再赘述。
2. 2 车辆的产生方式Sychro中车辆的产生方式主要有两个特点: (1)按照设定的产生概率随机产生,即通过设置各类车型的产车概率,网络将按照该值产生相应的车辆实体; (2)一次产生,循环运行,即车辆产生后,若驶出交通网络,在之后的某个时刻将再次随机于路网某个断面处产生,其ID值不变。
2. 3 车辆的属性系统为每个车辆实体设定了如下属性:车辆ID、最大车速(mph)、最大加速度(ft/s^2)、车辆长度(ft)、车辆宽度(ft)、平均载客数。
仿真过程中,通过点击相应车辆可察看具体车辆的ID、车辆类型、驾驶员类型、上下游路口节点编号、即时距停车线的距离、下一路口的转向、次下一路口的转向、即时车速、即时加速度、当前所在车道等相关参数。
2. 4 驾驶员属性根据驾驶员的驾驶特性,如保守型驾驶员,冒进型驾驶员等,Synchro共定义了10种类型的驾驶员,主要分类属性参考参数包括黄灯反应时间、速度系数、礼貌度系数、绿灯反应时间、车头时距、车头间距等。
另外, Synchro提供了相应的接口对话框,用户可以自行定制仿真车及驾驶员。
3 交通信号控制的设计思想3. 1 控制方式Synchro系统提供了两种设定控制方式的接口,其一是通过TIMING Window;其二通过PHASING Window。
Synchro系统感应控制方式主要有:(1)半感应-不协调式:主干道相位绿灯时间总保持最大值,次干道相位感应控制且可以跳过。
(2)全感应-不协调式:所有的相位都是感应式,且可被跳过或早断。
(3)全感应-协调式:该种方式下,控制器以固定周期运作。
次干道相位为感应式且可被跳过或早断,且任何空余时间均被赋予主干道相位使用。
3. 2 信号定时配时算法3. 2. 1 周期配时算法Synchro系统采用韦伯斯特周期计算公式进行最优周期值的计算。
即:其中:C0=最优周期时长,单位:秒;L=周期损失时间,单位:秒;Xi=相位i的饱和度。
Synchro系统允许通过对话框接口自主输入相应的周期值。
3. 2. 2 绿信比确定算法Synchro提供了相应的接口,允许自主设定各个相位的绿信比;在优化操作时,系统根据流量比进行绿信比的划分。
3. 2. 3 相位转换间隔时间的确定算法即黄灯时间和红灯时间之和,计算公式如下:其中:Y+AR=黄灯时间与红灯时间和;T=司机反应时间,单位为秒,一般取1. 0秒;V=进场速度,单位英尺/秒;a=减速率,单位英尺/秒,一般取10英尺/秒;W=路口宽度,单位英尺;L=标准车辆长度,单位英尺,一般取20英尺;gr=道路等级,以%表示(上坡为正号,下坡为减号)3. 2. 4 相位相序的设计Synchro中给出了两个概念:环(Ring)和栅栏(Barrier)。
环是描述按照一定顺序出现的一系列冲突相位的,分作单环,双环和多环。
Synchro提供的设置接口在PHASING window下的Ring and Barrier Designer 对话框里,通过设置相应的相位编号便可实现不同的相位设置方案。
栅栏又称作兼容相位队列,它是在一个所有环都互锁的多环控制器单元的首选顺序的参考点。
3. 3 感应信号配时算法3. 3. 1 检测器的设置及使用Synchro中提供了四种基本的检测器设置方案,分别是SGTLDA(长检测区域短间隔设置方式), NDSB(停车线无检测器方式),CODSB(停车线检测器只响应式设置), T3DSB(停车线3型检测器设置)。
另外,还有一种SED(系列扩展检测器设置方式)。
3. 3. 2 感应控制原理见图1,其中各参数意义如下:图1 感应控制绿灯信号调节示意图Gmin———初期绿灯时间,Gmax———绿灯极限延长时间Ttest———绿灯延长步长;Gw———步行时间;Gwc———行人清空时间;Ty———黄灯时间;TR———红灯时间;●感应控制器即时作用时刻感应信号调节的工作原理如图1所示,可描述为:感应控制器预设初期绿灯时间(Gmin)和绿灯极限延长时间(Gmax),控制器运行到初期绿灯时间结束时,根据检测器测到的交通流数据实时控制绿灯的变化。
如果在一个预置的时间间隔内无后续车流到达,则变换相位,如检测到有车辆到达,根据检测得到的车辆数多少,改变绿灯延长时间,若总绿灯时间超过极限延长时间(Gmax)则强行转换相位。
3. 4 信号优化方案3. 4. 1 优化逻辑Synchro系统包含一系列的优化函数,以单路口为例,其优化逻辑步骤如下:Step1:进行单个路口的信号配时,优化绿信比和周期时长;Step2:交通网络子区划分,将整个交通网络划分为多个子系统(可选);Step3:优化周期时长;Step4:优化相位差和相位顺序;3. 4. 2 路口周期时长优化思路Synchro把交叉口可独立运行的最小可接受周期时长定义为自然周期长度,该值满足下列三个条件之一:A、能够放行关键百分比车流的最短周期时长;B、具有最小性能指标的周期时长,如果该最小性能指标周期小于A中的周期,该种选择主要用于路口车流过饱和的情况;C、若无周期能满足放行关键百分比交通量,但是较短周期时长能够实现令人满意的v/c比率,则可以采用该较短的周期时长。
3. 4. 3 路口绿信比的优化思路优化绿信比时, Synchro首先给出足够的绿信号时间以满足90th百分比的车道组流量,如果没有足够的周期时间满足要求,则尝试满足70th百分比的交通量需求,然后是50th百分比流量要求。
3. 4. 4 相位差优化思路由于相位差牵涉到多个路口之间的协调,所以在Synchro中称为网络相位差(Network Offsets),且Synchro规定必须在周期时长确定之后,才能进行相位差的优化操作。
4 控制方案的性能评价指标介绍Synchro中几个主要的性能指标的计算方法。
4. 1 停车延误Synchro提供了两种延误计算方法供选择,分别是韦伯斯特法和百分比法,其计算公式分别如下:4. 1. 1 韦伯斯特延误计算公式Synchro沿用的是美国公路局1997年的《公路通行能力手册》中的计算公式其中:PF=协调延误/非协调延误,称作步进系数;D3=冗余需求延误,由仿真分析起始现存队列引起,该参数在Synchro中并不使用。
C=周期时长(单位: s)T=分析间隔,单位:小时, Synchro中一般取0. 25;g=有效绿灯时间(单位: s)X=交通量与通行能力之比, (v/c)c=通行能力(vph)k=增量延误系数,取决于控制器性质,对定时或近饱和控制器,一般取0. 5;I=上游交通量过滤系数,对孤立路口取1. 0;4. 1. 2 百分比延误计算公式Synchro采用了五种百分比场景,即90th, 70th, 50th, 30th和10th。
以90th百分比场景为例,所谓90th百分比场景即如果观察100个周期, 90th场景为第90个最繁忙的周期,余者依次类推。
其中: (P=10, 30, 50, 70, 90)D1=平均百分比延误;VDP=Pth每小时百分比车辆延误;vP=Pth百分比流率(vph),其计算公式如下(见表1),4. 2 停车次数计算思想Synchro中停车次数的计算类似于停车延误的计算,其主要通过统计车辆延误来计算停车车辆数。
Synchro规定小于10秒延误的车辆并不完全停车。
具体参数参见下表2。