林曉輝

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 廣州510650）

0 引 言

十字交叉口是城市道路中最典型的交叉口類型，其相位設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣直接影響交通流運(yùn)行的安全性和交叉口的服務(wù)水平高低［1］。對(duì)于流量均衡的十字交叉口通常采用對(duì)稱放行方式，十字交叉口的時(shí)空資源能夠充分利用，但對(duì)于交通流量不均衡的十字交叉口，對(duì)稱放行方式就不大適應(yīng)，針對(duì)這一情況，有學(xué)者提出單口放行方式，即同1個(gè)進(jìn)口的所有車(chē)輛同時(shí)放行一段時(shí)間，然后再放行下1個(gè)進(jìn)口。為驗(yàn)證十字交叉口的單口放行方式和對(duì)稱放行方式適用性，筆者以廣東東莞市虎門(mén)大道－連升路十字交叉口為例，通過(guò)Vissim仿真建模，分析2種方式的平均延誤時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度、停車(chē)次數(shù)等交通信號(hào)控制性能指標(biāo)。

1 2種放行方式簡(jiǎn)析

1.1 對(duì)稱放行方式簡(jiǎn)析

對(duì)于典型的十字交叉口，為避免每個(gè)進(jìn)口左轉(zhuǎn)和直行車(chē)輛與其他進(jìn)口車(chē)輛發(fā)生沖突，通常采用4相位對(duì)稱放行方式，即放行某個(gè)進(jìn)口某方向車(chē)流的同時(shí)，放行對(duì)向的同一流向車(chē)流，見(jiàn)圖1。該放行方式的相關(guān)信號(hào)配時(shí)理論已相當(dāng)成熟，通常采用Webster配時(shí)方法，根據(jù)各相位關(guān)鍵車(chē)流流量比對(duì)周期進(jìn)行劃分。在流量均衡的情況下，這種放行方式能夠有效地提高交叉口的運(yùn)行效率，但對(duì)于流量不均衡的情況，這種放行方式容易出現(xiàn)空放現(xiàn)象，即某方向車(chē)流在通行，但對(duì)向車(chē)流早就放完。

圖1 4相位對(duì)稱放行方式Fig.1 The four－phase symmetric phase

為避免空放現(xiàn)象，有學(xué)者提出利用搭接技術(shù)，即允許在多個(gè)相位內(nèi)放行同1個(gè)車(chē)流，在4相位對(duì)稱放行方式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)8相位放行方式，見(jiàn)圖2。8相位放行方式能夠提高交叉口時(shí)空資源的利用率，但在實(shí)際運(yùn)用中，隨著相位的增加，總損失時(shí)間也增加，搭接技術(shù)效果不盡人意。

圖2 以對(duì)稱放行為基礎(chǔ)的8相位控制圖Fig.2 The eight－phase control chart based on symmetric phase

1.2 單口放行方式簡(jiǎn)析

對(duì)于幾何條件不對(duì)稱或流量不均衡的交叉口，通常采用單口放行的信號(hào)控制方式，即將每個(gè)進(jìn)口道作為1個(gè)單獨(dú)相位，讓其左轉(zhuǎn)車(chē)輛和直行車(chē)輛同時(shí)放行，1個(gè)進(jìn)口道放完再放下1個(gè)進(jìn)口，并且將各進(jìn)口最左邊的那條直行車(chē)道改成直左合用車(chē)道，更有利于左轉(zhuǎn)車(chē)輛順利通過(guò)交叉口［2－3］。4相位單口放行方式見(jiàn)圖3。

圖3 4相位單口放行方式Fig.3 The four－phase of each phase for an entrance

1.3 2種相位放行方式對(duì)比分析

不同的相位放行方式將對(duì)交叉口運(yùn)行效率產(chǎn)生不同的影響。下面選取交叉口總通行能力、飽和度、延誤時(shí)間等指標(biāo)對(duì)對(duì)稱放行方式和單口放行方式進(jìn)行比較。

1）交叉口總通行能力［4］。交叉口的通行能力為

式中：S為單車(chē)道的飽和流率；m為交叉口相位總數(shù)；ni為相位i所包含的各個(gè)流向的車(chē)道數(shù)之和；N為交叉口所有進(jìn)口道的總車(chē)道數(shù)（不包括右轉(zhuǎn)車(chē)道），針對(duì)某1個(gè)交叉口，將其設(shè)為定值；λi為相位i的綠信比，設(shè)定信號(hào)相位配時(shí)依據(jù)等飽和度原則，于是有λi∞qimax，其中：qimax為相位i中各個(gè)流向的單車(chē)道流量qi的最大值，即關(guān)鍵單車(chē)道流量；λ為各相位的綠信比之和，在相位數(shù)相同的前提下，忽略總相位損失的差異，將其設(shè)為定值。

2）飽和度。飽和度是指道路的實(shí)際流量與通行能力之比，用x表示。

由式（3）可知，飽和度的均衡性與交叉口通行能力密切相關(guān)。在進(jìn)行相位設(shè)計(jì)時(shí)，不能一味追求交叉口總通行能力，而忽視通行能力的均衡分配。分析單口放行方式與對(duì)稱放行方式可知：

（1）2種方式各相位間飽和度是均衡的。

（2）在對(duì)稱放行方式中，每個(gè)相位內(nèi)各交通流量大小不一定均衡，可能出現(xiàn)空放現(xiàn)象，易造成飽和度不均衡，未能充分利用路口通行能力資源，即其通行能力的有效性較低。

3）在單口放行方法中，同1相位（即同1個(gè)進(jìn)口）內(nèi) ，各方向車(chē)流同時(shí)放行，直行車(chē)流可借用直左車(chē)道通行，可充分利用進(jìn)口的通行能力資源，有效地提高通行效率。

2 算例分析

以虎門(mén)大道－連升路十字交叉口為例［5］，該交叉口各進(jìn)口道車(chē)道布局如圖4所示。該交叉口在高峰、平峰、低峰等3種交通需求如表1所示，東西主干道連接廣深高速公路，在高峰時(shí)段，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)到西出口的車(chē)流明顯多于南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車(chē)流。現(xiàn)分析在3種不同交通需求下單口放行方法與對(duì)稱放行方法對(duì)該交叉口通行能力和飽和度產(chǎn)生的影響。

圖4 各進(jìn)口道車(chē)道布局圖Fig.4 The layout of each entrance lane

采用Webster配時(shí)設(shè)計(jì)方法，分別計(jì)算出該交叉口3種不同交通需求下采用單口放行方式和對(duì)稱放行方式的配時(shí)方案。對(duì)該交叉口的南北2個(gè)進(jìn)口按照2種方法進(jìn)行分析，分別得出該交叉口的通行能力和飽和度，見(jiàn)表1。

由算例可見(jiàn)，采用單口放行方式時(shí)，其南、北2相位的車(chē)道數(shù)n3＝n4＝6，其交叉口總通行能力取得中間值qc0。在高峰時(shí)段時(shí)，采用對(duì)稱流向放行方法，交叉口總通行能力qc＞qc0，其交叉口飽和度也相對(duì)較?。?.84＜0.86）。從通行能力、飽和度看，2種方法的差別不明顯。因此，僅依據(jù)通行能力、飽和度來(lái)判斷哪種放行方法優(yōu)越是比較困難的，應(yīng)該結(jié)合具體交通主體進(jìn)行分析，比較兩種方案在高峰、平峰、低峰等3種交通需求下的其它交通信號(hào)控制指標(biāo)（如平均延誤、平均停車(chē)次數(shù)、平均排隊(duì)長(zhǎng)度等），以確定最優(yōu)方案。

表1 2種相位設(shè)計(jì)方式的配時(shí)方案對(duì)比表Tab.1 The comparison of timing scheme between of two phase design methods

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)以廣東省東莞市虎門(mén)大道－連升路十字交叉口為例，利用Vissim交通仿真軟件來(lái)仿真分析該交叉口在分別采用各進(jìn)口單獨(dú)放行方法與對(duì)稱流向放行方法條件下各種交通信號(hào)控制性能指標(biāo)的差別。

虎門(mén)大道－連升路十字交叉口位于虎門(mén)鎮(zhèn)2條主干道的交界處，東西主干道連接廣深高速公路，上下高速公路的交通流量較多，在高峰時(shí)段，周期基本上在120s以上，西進(jìn)口的車(chē)輛在通過(guò)交叉口時(shí)出現(xiàn)需排隊(duì)等候2個(gè)信號(hào)周期的現(xiàn)象，南北進(jìn)口對(duì)向左轉(zhuǎn)交通量不均衡性較為明顯。下面利用Vissim仿真軟件對(duì)其進(jìn)行分析。

1）建立交叉口模型。在Vissim交通仿真軟件中建立交叉口模型，見(jiàn)圖5。

圖5 虎門(mén)大道－連升路交叉口仿真模型圖Fig.5 The simulation model of Humen－Liansheng Road intersection

2）將表1中的3種交通流量數(shù)據(jù)分別輸入到模型中，并設(shè)置轉(zhuǎn)彎減速區(qū)。

3）依據(jù)表1中的配時(shí)方案，分別設(shè)置對(duì)稱放行方式和單口放行相位。

通過(guò)模擬仿真，得出對(duì)該交叉口仿真模型在高峰、平峰、低峰等3種交通需求下分別采用各進(jìn)口單獨(dú)放行方法與對(duì)稱流向放行方法的各種交通信號(hào)控制指標(biāo)，見(jiàn)圖6～9。

圖6 平均行程時(shí)間Fig.6 The average of the travel time

圖7 平均延誤時(shí)間Fig.7 The average of the delay time

圖8 平均停車(chē)次數(shù)Fig.8 The average of the stops

圖9 平均排隊(duì)長(zhǎng)度Fig.9 The average of the queue length

由圖6～9可見(jiàn)，隨著車(chē)流量的增加，平均行程時(shí)間、平均延誤時(shí)間、平均停車(chē)次數(shù)、平均排隊(duì)長(zhǎng)度也相應(yīng)的增加。在高峰時(shí)段，與對(duì)稱放行方式相比，單口放行的平均行程時(shí)間減少了1.4%，平均延誤時(shí)間減少了4.8%，平均停車(chē)次數(shù)減少了3.1%，平均排隊(duì)長(zhǎng)度減少了4%；在平峰時(shí)段，與對(duì)稱放行方式相比，單口放行的平均行程時(shí)間增加了8.6%，平均延誤時(shí)間增加了5.5%，平均停車(chē)次數(shù)無(wú)變化，平均排隊(duì)長(zhǎng)度增加了2.3%；在低峰時(shí)段，與對(duì)稱放行方式相比，單口放行的平均行程時(shí)間增加了19.5%，平均延誤時(shí)間增加了21.8%，平均停車(chē)次數(shù)增加了11.9%，平均排隊(duì)長(zhǎng)度增加了17.6%。仿真結(jié)果表明：交通流量不均衡時(shí)，單口放行相位設(shè)計(jì)方法的各項(xiàng)交通信號(hào)控制指標(biāo)優(yōu)于對(duì)稱放行相位設(shè)計(jì)方法；交通流量均衡時(shí)，對(duì)稱放行相位設(shè)計(jì)方法的各項(xiàng)交通信號(hào)控制指標(biāo)優(yōu)于單口放行相位設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)交叉口信號(hào)控制方案過(guò)程中，充分利用交叉口通行能力資源，同時(shí)盡量均衡各流向車(chē)流之間的飽和度，盡可能避免空放現(xiàn)象。就十字交叉口而言，對(duì)于交通流量不均衡時(shí)，建議采用單口放行相位設(shè)計(jì)方法，對(duì)于交通流量均衡時(shí)，建議采用對(duì)稱放行相位設(shè)計(jì)方法。筆者尚未考慮2種相位設(shè)計(jì)方法對(duì)其它類型交叉口的適用性，上述問(wèn)題有待下一階段繼續(xù)研究。

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