绿波控制是很好的工具，但有其适用条件

一、协调控制简介

在城市交通管理优化工作中，由于各类成本和条件限制，首选的思路是优化管理措施和方案，即在现有道路基础设施不大范围改造的情形下增加道路通行能力，改善交通信号的效率将现有道路的通行能力利用率最大化被认为是一项低成本解决方案。

信号协调(Signal Coordination)，我们常说的"绿波"控制，是城市干道上常用的信号控制方式，可以提供更佳的出行效率。这也正是驾驶人和乘客都希望的一路绿灯，然而通常这并不是运气好，而是背后的信号协调控制带来的体验。

图片三个路口的双向绿波时距图，作者自绘

一个协调控制子系统中的所有路口通常使用相同的周期时长(公共周期，Common Cycle)，上图是一个三个路口的协调控制子系统，公共周期为100秒，绿色带子表示上行方向(平均车速40公里/小时)，蓝色带子表示下行方向(平均车速45公里/小时)，构成了典型的双向绿波，这两个方向的车辆按设计的速度行驶有大概率可以连续通过这三个路口。

协调控制的主要目标是减少协调方向的车辆停车次数和延误，在一定道路和交通条件下，绿波是非常有效的控制策略，然而随着路口数的增加，协调方案的设计也变得更有挑战，控制效果也会变差。此外，协调控制对于其他用路人，如行人、自行车、公交车的影响并没有被足够重视。本文将总结说明协调控制的一些优势和局限。

二、协调控制的优势

在单向道路上，中低交通量时使用协调控制效果非常好，可以让直行车辆连续通过多个路口，基本没有延误。最有说服力的例子就是纽约曼哈顿的第一大道(First Avenue，只允许北行)和第二大道(Second Avenue，只允许南行)，你可能会惊讶，如何做到不停车连续通过50个路口。

在双向道路上，最简单理想的情况是：路口之间的平均行驶时间正好是公共周期的整数倍或一半，两个方向都能获得很好的协调效果。但现实并非理想，通常需要根据不同情况和交通量进行协调方案设计，很多时候会面临各种取舍和妥协，还可能调整相位顺序来改善绿波方案。

早在上世纪90年代，有关SCOOT系统的应用案例就验证了协调控制的优势，同等设施和交通流状况下，相对于单路口独立控制，协调控制的延误平均降低8%，很多情形能降低20%到30%。

图片SCOOT系统协调控制改善情况

相信协调控制的优势不需要过多阐述，大家在实际驾驶和乘车过程都有所体验，接下来将重点说明协调控制的局限和存在的问题。

三、协调控制的几点问题

3.1 长周期问题

前面提到，通常使用公共周期来保证多个路口的协调，一些自适应控制系统会在公共周期基础上进行一些微调。一方面，公共周期时长通常根据协调控制子系统中的关键路口(critical intersection)的情况来确定，由此很可能迫使其他路口使用过大的周期。另外，为了应对不同的路口间距和交通量，通常在设计绿波方案时会通过增大公共周期来求解。

增大公共周期对于协调方向的车辆来说几乎没什么影响，这不仅会给过街行人、自行车、公共交通造成一定影响，也会给其他方向的机动车造成更大的延误。当然，也有一些弥补办法，比如流量明显很小的路口可以使用公共周期的一半作为运行周期，形成双周期协调。但在一些有最小行人绿灯时间约束的情形下，半周期很难做到。

长周期除了会引起非协调方向车辆和行人的延误增加，还有可能带来安全问题，比如经过较长时间的等待，行人很可能不再遵守信号灯，由此就降低了路口的安全性，这种现象非常多，久而久之对信号灯的信任度降低了，引发更多的安全问题。有研究还表明，协调控制时增大公共周期会显著增加超速的概率(如下图)。

不同公共周期时长情形的超速概率

3.2 通过协调路段全部路口的车辆并不多

协调控制时通常假设大多数车辆会经过协调路段的开始路口到结束路口，一些通勤线路而言确实如此。而其他协调路段上，大多数车辆可能只会经过一部分路口，如果采用较长周期的绿波方案，此时方案的效果就变差了。

在佛罗里达的一项实地研究表明，17条干道只有10%的车辆会经过协调子系统的所有路口，在连续通过6个路口以后，经过所有路口的车辆数不足15%(如下图)。(研究的17条干道系统长度从1.6公里到19公里，路口数从5个到18个不等)

通过不同路口数量的车辆占比

3.3 对公交运行不友好

通常的认知是协调方向的绿灯时间越长对公交车更有利，然而公交车基本上都会停车上下客，这导致公交车很多时候跟不上绿波，因为绿波设计主要考虑的是小汽车的速度。如果公共周期仍然较大，公交车不得不花更多的时间来赶上绿波，同时也引起非协调方向的公交延误增加(转向离开或进入次路，或只在次路行驶的公交车)。

另外一点就是对公交优先控制的影响，基于公共周期保证协调方案使控制灵活性降低，不能充分发挥相位插入、公交绿灯早亮或延长等策略的效果。在流量较大时，公交优先对协调的扰动也很难恢复，还可能需要额外的过渡时间，这也是造成很多地方不做公交优先或者做不好的原因。

常见公交优先信号控制策略示意图

3.4 自行车始终赶不上绿波

国外电动自行车并不像国内这样盛行，这里不讨论电动自行车。在城市道路，自行车骑行速度一般不超过25公里/小时，绿波设计速度通常在30公里/小时以上。也就是说在协调路口，自行车基本上都需要停车(如下图黄色斜线)，在自行车骑行者较多的城市和地区，这对于骑行者是不公平的。

常规绿波设计中的自行车问题，作者自绘

美国一些城市尝试了设置自行车绿波，即降低绿波设计速度。比如旧金山在瓦伦西亚大街(Valencia Street)和佛森街(Folsom Street)设置了13英里/小时(约21公里/小时，如图)的自行车绿波。纽约布鲁克林Hoyt街道也设置了15英里/小时(约24公里/小时)的自行车绿波。

瓦伦西亚大街的自行车绿波信号提示牌

3.5 难以适应多变的交通需求

通常在设计绿波方案时使用的是过去一段时间的离线统计数据，这使得设计的绿波很难适应交通需求变动较大的情况。为应对该问题，可以在协调控制基础上使用感应控制，让部分相位或全部相位的绿灯时长根据交通需求变化，通常公共周期是不变的，调整的是各相位的绿信比，这仍然会出现周期时长与实际需求不匹配的问题。

四、总结

绿波控制的确是很好的工具，但有其适用条件，通常并不会提升路口的通行能力，不要神化绿波。在设计绿波方案时，应充分考虑各种约束条件和不同用路人感受，Keep All Users in Mind，权衡不同的目标与得失，给各方一个相对满意解，而不是绝对的最大带宽。

本文作者：黄磊 信控算法工程师