信号优化： 九个小问题揭开“绿波”神秘面纱

最近，“绿波”一词在智能交通的圈子里又热了一阵子，媒体也多转载报道诸如“某地将打通城市‘绿波带’”、“某城绿波道路实现提速xx%”之类的“新闻”。黑板报君猜测，这里面可能有因城市拥堵带来的技术浮躁，也有互联网企业以大数据概念介入传统交通行业带来的商业上的躁动。那么“绿波”究竟是什么东西，它真的有那么神奇吗？这篇小文章试图以问答的形式，一点一点地为您解开“绿波”头上的面纱。

1、什么叫做“绿波”？

“绿波”不是一个严格的交通信号控制术语，它是干线交通信号协调控制的一种形象的、通俗的说法。所谓干线协调控制是指把主干道上连续的多个路口实现信号联动控制，使得车流能够连续不停车通过，车辆在每个交叉口刚好遇到绿灯，看起来像一路“绿波”，所以干线协调控制又被形象地称为“绿波控制”或“绿波带控制”，后来不知什么缘故被叫成了“绿波”、“绿波带”。再后来某些媒体的报导已经不区分“绿波”、“绿波带”究竟是指控制手段呢，还是实行了协调控制的道路了。“绿波”这个词语又被模糊化，变成了一个只可意会的“高大上”概念。 

图1 “绿波”控制效果展示

2、“绿波”的实施有哪些先决条件？

绿波控制的实施有一定的制约条件，简单归纳起来，主要有以下几个方面：

1）路口信号控制机最好已实现联网控制，这点主要是用于保证处于联动控制的信号机都有相同的时间基准。绿波控制往浅的方面说，其实是利用了路口间的时间差（相位差）来保证协调方向车辆不停车通过。相同的时间基准是计算相位差的基础，是绿波控制效果的重要保障。信号机内置的时钟装置一段时间之后就会“跑偏”，就算是同一厂家同一型号同一批次的产品，时钟“跑偏”的程度都不一样。将信号机联网控制后，可以实现定时统一校时，把时间基准调回一致。近年来某些品牌信号机开始使用GPS进行定期自动校时，这也是解决时间基准不一致的一种可选手段。

2）路口的饱和度不能过高，最好不要超过85%。这有两方面的考虑，一是高饱和度路口的控制策略一般以提高过车量为主（通行能力），信号周期相对较高，而绿波控制要求所有联动的路口周期一致（或整数倍关系），这可能会过度放大非饱和路口的周期，从而引发其他问题；二是高饱和度路口的车辆排队较长，绿灯启亮后，车队需要较长的消散时间，上游到达的车队的绿灯可利用时间短，可能跑不出“绿波”的效果。因此，城市早晚高峰高饱和度路口一般不建议实施绿波控制，但可以考虑路口间协调控制，起到应对近距离路口间排队溢出、减少红灯等待时间的作用。

3）路口间的距离适中，最好不超过1km。过长的距离会加大车队的离散性，车队不能“组团”到达下游路口，绿波的效率会大打折扣。如果为了照顾这种“离散车流”，加大绿波带宽，则可能会造成下游路口的绿灯时间损失加大（出现车流不连续的空放现象）。不过业界对于合适的路口距离究竟是多长并没有权威的论述，有的教科书里建议600m以内，有的认为不要超过800m，我们团队的实际经验1km以内都是可以接受的。

4）路侧干扰小。“一路绿波”的控制是在一定的设计速度下实现的，即车辆在协调控制的路口之间按照一定的速度行驶，不然享受不到“绿波”。路侧干扰小可以保证车辆按既定的设计速度行驶，行人乱穿马路、机非混行、路边停车等现象都会对正常车辆行驶造成干扰，打乱行车节奏，破坏绿波控制效果。

3、“绿波”控制各路口的信号周期必须一样吗？

实现绿波控制的各路口信号周期必须相等或成整数倍关系。如果路口间的周期相差较大，可以考虑将小周期路口的周期取为大周期路口周期的一半，满足这种关系的称为双周期路口。这种半周期的处理，是降低小周期路口周期扩大后的负面影响，但具体实施时也需要考虑采用半周期后该路口的运行效率是否能够被接受。

4、超过1公里的长距离路口一定不适合做“绿波”吗？

绿波控制的制约因素不少，距离只是其中一个，在城市道路中为取得较好的绿波效果，一般建议路口间的距离不要超过1km，但并不是说距离超过了该数值就一定不适合做绿波控制。当路口间距离较长时，可以兼而考虑行车速度、路侧干扰情况、道路封闭性等，在道路平均车速较高、道路封闭条件良好（路口间没有或较少进出口）、路侧干扰较小的情况下（例如某些穿过城区的省道、国道），实施绿波控制也可以取得较好的效果。

图2 某大道长距离路口“绿波”控制案例

5、机非混行路侧干扰大的路段不适合做“绿波”控制吗？

广东、广西、福建等地某些城市的电动车与摩托车非常多，非机动车出行方式占有很大的比重（注：这里不严谨地将摩托车划归为非机动车）。这些城市里非机动车对机动车的行驶干扰很大，根据问题2的介绍，难道这些城市的机非混行道路就不适合做绿波控制了吗？

根据我们团队的经验，这种情况下当然也可以实施绿波控制，但绿波效果的好坏与设计速度取值密切相关。因此，针对这类情况的道路，我们会侧重于对设计车速的精确测量，找出速度的波动区间，再合理调整绿波带宽，经过一段时间的“测试-调整”后，敲定最终控制方案。

图3 机非动车混行

6、实施“绿波”控制后，会增加支路（非协调方向）的等待时间吗？

设计绿波控制方案的第一步，一般会先对单个路口的信号控制策略进行调优，确定相位相序、周期与绿信比等参数。确定关键路口后，其他路口的信号周期调整到与关键路口的一致，相应地修改各相位的绿信比。调整绿信比一般有两种做法，一是保持绿信比不变，让相位时间随周期改变而改变；二是保证支路的最优绿灯时间，把因周期扩大多出来的绿灯时间分配到协调相位，从而加大绿波带宽。从这两种做法来看，相对而言前者的支路等待时间（感观上）增加不明显，后者则可能会显著增加支路的等待时间，增加的幅度与周期扩展程度密切相关。当然也不排除有些交通工程师在设计绿波方案时，为了追求主路的绿波带宽最大化，把支路的绿灯时间压缩到最优时间以下，这种做法可能会造成支路的交通拥堵。

7、“绿波”效果如何评价？

交通信号控制效果评价一直缺乏权威的标准。绿波控制效果一般会用主路（协调方向）的停车次数、行程时间和平均车速等指标来衡量。理论上，这种评价方法与绿波控制保障主路运行效率的思想是一致的，不足之处是忽略了支路（非协调方向）的运行效果，评价不够全面。现在城市的交通日益复杂，主路优先不应该过多牺牲支路的效率。因此，绿波控制效果分析应该是主路评价与单点路口运行效率评价相结合。

8、“绿波”带宽是不是越大越好？

绿波带宽是指分配给主路（协调方向）的绿灯时间，理论上绿波带宽越大，连续不停车通过的车辆越多，产生的效益越好。但是，这也并不是说绿波带宽越大越好。一、大的绿波带宽可能是通过牺牲支路的通行时间、或者增加支路的等待时间做到的，这种情况是优先了主路，牺牲了支路，实际实施时需要在牺牲与收益之间取得平衡；二、路段间的车流有差异，各个路段的带宽需求可能不一致，有些路段并不需要大的带宽，合适的带宽最重要（Multiband模型基于此理念）；三、绿波带宽的设计也需要与行车速度、车流量等参数相配合，并非越大越好。

图4 Multiband模型某计算实例

9、“绿波”控制能够拯救日益糟糕的城市交通吗？

这是一个很值得探讨的问题，不好回答。绿波控制一般实施在城市的主干道，对于加快主干路网的车流疏散，提高交通运行效率有极大的好处。但是绿波控制同时也是一把双刃剑，很有可能主路顺畅了，但支路拥堵加剧；也有可能是某段路顺畅了，但下游瓶颈路段由于车辆的快速累积而变得拥堵等。城市交通控制应该是点（单点控制）、线（干线协调控制）、面（区域控制）的有机结合，单侧重于某个方面都不可能取得很好的效果。绿波控制是改善交通情况的一种有效手段，但效果不应该被过分夸大。

关于“绿波”控制，还有许许多多值得共同探讨的问题。这篇小文对问题的回答还比较粗浅片面，部分观点可能存在偏颇，但目的是抛砖引玉，引发更多理性的思考。