廖為東，左忠義

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

目前，在我國的多數(shù)城市，行人過街信號控制交叉口作為城市的節(jié)點(diǎn)，是城市交通事故突發(fā)的主要集中地.如何盡可能一直綠燈通行，從而提高交通效率，減少安全隱患，減少等待時間，一直是擺在城市交通研究者們眼前的難題.在大連，我們經(jīng)常看到:關(guān)鍵信號交叉口的信號周期達(dá)到了130 s以上，個別超過180 s，行人等待過街時間超過50 s甚至70 s.管理部門片面的追求長周期和增加車道數(shù)，從而導(dǎo)致行人等待時間超過了其可忍受時間，行人違章過街進(jìn)一步增加［1］.如何提出并進(jìn)行協(xié)調(diào)控制方案的比選與仿真，是本文研究的重點(diǎn).最近幾年，國內(nèi)學(xué)者在干路交叉口協(xié)調(diào)控制方面做了比較深入的研究，比如，盧凱和徐閩建［2］等通過對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相位優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了相位差模型;王俊剛［3］等以綠波帶寬度最大作為目標(biāo)函數(shù)，以時差作為決策變量，提出了干線協(xié)調(diào)模型;從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，大多數(shù)專家學(xué)者在協(xié)調(diào)控制理論方面，幾乎忽略了行人過街信號交叉口，都是優(yōu)先考慮干路交叉口［4］.

基于當(dāng)前研究的缺陷和當(dāng)前理論的空白，本文通過提出了三種行人過街信號與交叉口信號聯(lián)動協(xié)調(diào)的控制方案并進(jìn)行了模擬仿真.

1 路段平面行人過街路口特性分析

1.1 行人過街行為交通特性分析

行人過街速度是指行人通過人行橫道的速度，是行人過街的一個重要參數(shù)，對研究行人設(shè)施的設(shè)計(jì)，過街信號的控制，通行能力，服務(wù)水平等都起著重要的作用;跟行人過街的等待忍受時間也密切相關(guān).調(diào)查大連交通大學(xué)校門口不同年齡組別的行人平均過街速度如表1所示.

表1 交通大學(xué)正門口行人速度調(diào)查 m/s

盧守峰，王紅茹等［5］通過調(diào)查指出，行人過街最大等待忍受時間在40～50 s范圍內(nèi);基于此點(diǎn)，本文在這里選取50 s作為行人過街最大等待忍受時間.

1.2 機(jī)動車流交通特性分析

機(jī)動車交通特性分析，本文主要對相位差和延誤進(jìn)行分析，首先有必要對上下游交叉口的現(xiàn)狀進(jìn)行分析.經(jīng)過調(diào)查，大連交通大學(xué)正門行人過街距離上游黃河路/西南路交叉口的距離為253 m，距離下游黃河路/西山街交叉口的距離為350 m.黃河路為雙向6車道.交通大學(xué)正門行人過街為按鈕式感應(yīng)信號控制行人過街交叉口.

(1)相位差:是指相鄰兩信號的綠燈起點(diǎn)的時間之差.為了使得車輛通過協(xié)調(diào)信號控制系統(tǒng)時，能連續(xù)通過盡可能多的綠燈，必須是的相鄰信號間的相位差同其行程時間相適應(yīng)，所以相位差是信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù).要想取得相位差，首先要知道車速.

車速是綠波帶設(shè)計(jì)重要因素.在進(jìn)行綠波協(xié)調(diào)控制時候，假設(shè)車速選取不當(dāng)，方案控制效果會受到影響，甚至導(dǎo)致方案控制失敗.對單個車速來說可能千差萬別，但是對大量的整體數(shù)據(jù)來說，肯定是呈現(xiàn)規(guī)律性和整體性.通過路段高峰時段車流和行程速度進(jìn)行調(diào)查，由調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出的路段車速頻率分布見圖1，取設(shè)計(jì)車速為頻率最大速度的均值，出現(xiàn)頻率最高的速度組中值是32.25 km/h.

圖1 黃河路段車速頻率分布圖

(2)延誤

韋伯斯特提出了下列計(jì)算車輛平均延誤的公式:

式中:C為最佳周期長度(s);λ為綠信比;q為交通流量.

2 行人過街信號與交叉口信號協(xié)調(diào)控制方案比選

車輛經(jīng)常碰到紅燈，時停時開，造成行車不暢通，也增加了環(huán)境污染.進(jìn)行相位協(xié)調(diào)控制，即減少在各個交叉口的停車時間，為路段過街行人提供可穿越空檔，進(jìn)而保證行人安全，減少因?yàn)闆_突而導(dǎo)致的交通事故，減少行人和車流的等待時間，確保行人和車流順暢通行，減少延誤.其中選擇是否合適的協(xié)調(diào)控制方案會直接影響到協(xié)調(diào)控制的效果，下一步我們將會提出三種方案并且進(jìn)行比選.

2.1 綠波帶設(shè)計(jì)思想的交叉口信號協(xié)調(diào)控制

為了使干道路上的車輛能夠暢通，人們把一條干道上一批相鄰的交通信號燈連接起來，加以協(xié)調(diào)控制，使車輛獲得不停頓的通行權(quán)，就是我們所說的綠波控制.當(dāng)相鄰兩個信號燈的距離不是很長時，易于為廣大駕駛員所采納，而且它操作簡便，相對經(jīng)濟(jì)，所以是一種比較常見的道路交通控制方法.為使主干路道路交通通行能力最大，在制定干線道路信號配時方案時遵循原則之一是使帶寬最大.并且它設(shè)置主要交叉口原則，優(yōu)先考慮主要交叉口，在考慮次要交叉口.

這種做法的原始思路是:希望使車輛再通過第一個交叉口后，按照一定的速度行駛，到達(dá)下游交叉口希望不再遇到紅燈.但是在實(shí)際情況中，由于各個車輛在路段上行駛時速度不一，而且隨時有波動，交叉口有左右轉(zhuǎn)彎機(jī)動車進(jìn)出等因素干擾，所以要想一路綠燈在現(xiàn)實(shí)生活中是很難碰到的，但可以沿路少碰到幾次紅燈，從而減少車輛的停車次數(shù)和延誤.

2.2 交叉口獨(dú)立信號協(xié)調(diào)控制

(a)“Φ式人行橫道獨(dú)立信號”與上下游交叉口信號燈協(xié)調(diào)控制

由于機(jī)動車流具有潮汐現(xiàn)象，所以早高峰和晚高峰，機(jī)動車流量是不同的.基于這點(diǎn)，我們有必要對行人過街兩端的信號燈進(jìn)行不同配時的獨(dú)立控制，這樣可以確保分隔帶兩邊都是綠燈通行，使過街更加方便，減少了機(jī)動車流的停車率和行人的延誤時間，也方便了廣大的行人，減少了違章過街.

當(dāng)采用Φ式獨(dú)立控制進(jìn)行二次過街時，分隔帶兩邊的信號配時不同，所以計(jì)算出的行人延誤也不一樣.Φ式獨(dú)立控制的行人總延誤相當(dāng)于將左右兩邊的時間延誤與在安全島上等待時間之和.

延誤計(jì)算公式為:

dp=d1+d2+d等待

式中:d1為左邊過街階段的行人延誤(s);d2為右邊過街階段的行人延誤(s);d等待為安全島上等待時間.

(b)“Z式人行橫道獨(dú)立信號”與上下游交叉口信號燈協(xié)調(diào)控制

對(a)方案，也有缺陷，因?yàn)槭瞧叫械模覂蛇叺男盘柖际仟?dú)立的，所以當(dāng)左邊是紅燈，右邊是綠燈的時候，行人看到右邊的信號燈和右邊的行人開始過街，容易有習(xí)慣思維，容易下意識的啟動過街，直接造成了違章，導(dǎo)致機(jī)動車流緊急剎車或者交通事故.基于這個原因，我們有必要把左邊和右邊的過街設(shè)置成有一定距離，形成錯位式.使用Z式過街還有個好處就是可以減少等待忍受時間，因?yàn)樾腥嗽谥虚g錯位安全島中步行需要一定的時間.一定程度上間接的減少了行人過街的總延誤.這種方案的效果圖如圖2所示.

圖2 Z式行人過街獨(dú)立信號效果圖

延誤計(jì)算:

dp=d1+d2+d等待-d移動

式中:d1為左邊行人過街階段的行人延誤(s);d2為右邊行人過街階段的行人延誤(s);d等待為島上等待時間;d移動為行人在安全島上步行的時間.

綜合上面三種方法，我們可以進(jìn)行大致判斷，當(dāng)行人都是中青年，而且步速較快，我們可以采用綠波帶的控制方法，當(dāng)車流量較大，或者行人都是兒童或者老年人的時候，我們應(yīng)該設(shè)置成Z式人行橫道獨(dú)立信號和Φ式人行橫道獨(dú)立信號.二次過街旨在增強(qiáng)行人過街安全，而綠波帶的控制方法由于信號燈設(shè)置的比較少，可以減少總延誤，所以是目前比較常用的方法，具有潮汐現(xiàn)象時候可以更多的考慮Z式人行橫道獨(dú)立信號.

3 模擬仿真

行人到達(dá)路口后，首先要判斷這是否是信號控制交叉路口，如果不是，則觀察路段交通流情況隨時準(zhǔn)備過街;如果是信號控制交叉口，則看是否是綠燈，如果是，則進(jìn)行過街行為，如果不是，則是否打算違法過街，如果是，則在判斷交通流情況后違章過街，如果不違章，則進(jìn)行等待，等待綠燈時間在通過路段交叉口.所以行人過街的心理和等待忍受時間具有很大關(guān)系.一般情況下，道路行人交通過街主要包括以下三個部分:到達(dá)路口，判斷路口紅燈還是綠燈，步行過街等，具體過程如圖3所示.

圖3 行人過街過程演示圖

利用VISSIM軟件進(jìn)行交通上下游方案控制模擬仿真，其過程包括建立路段路徑、設(shè)定仿真參數(shù)、進(jìn)行仿真模擬和導(dǎo)出仿真結(jié)果等步驟.建立仿真環(huán)境的過程，就是將能夠表征實(shí)際路網(wǎng)環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，繪制或輸入到計(jì)算機(jī)軟件當(dāng)中的過程，包括上下游交叉口路段的幾何布局、信號燈配時參數(shù)、各個路段流量等.最后進(jìn)行仿真結(jié)果導(dǎo)出.

圖4 模擬仿真結(jié)果對比圖

根據(jù)vissim仿真軟件的輸出文件，得出在不同情況下，上下游交叉口車輛平均延誤，停車率，行人平均延誤和行程時間方案對比如圖4所示.

由圖4可以看出，以黃河路大連交通大學(xué)正門口行人過街為例，當(dāng)設(shè)置人行過街信號進(jìn)行協(xié)調(diào)時，上下游交叉口處的停車率和車輛平均延誤都比不協(xié)調(diào)控制的時候小;當(dāng)路段進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的時候，綠波帶協(xié)調(diào)控制方案，對交通大學(xué)正門口來說是最好的.

4 結(jié)論

在城市道路網(wǎng)絡(luò)中，交叉口相距較近，如何方便的進(jìn)行聯(lián)動控制一直是交通管理和研究學(xué)者關(guān)注的課題，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值.本文在對路段行人特性和機(jī)動車流特性進(jìn)行充分調(diào)查分析后，提出了綠波帶，Φ式人行橫道獨(dú)立信號，Z式人行橫道獨(dú)立信號三種協(xié)調(diào)方案，并在此基礎(chǔ)上提出了各自的適應(yīng)范圍.以大連交通大學(xué)正門口行人過街協(xié)調(diào)控制為例，對以上三種協(xié)調(diào)控制方案運(yùn)用vissim軟件進(jìn)行了模擬仿真，仿真結(jié)果表明，綠波帶協(xié)調(diào)控制方案是最適合該路口，停車率和延誤是最低的.

［1］李娜.路段行人過街信號與交叉口信號協(xié)調(diào)控制研究［D］.南京:東南大學(xué)，2004.

［2］盧凱，徐建閩.干道協(xié)調(diào)控制相位差模型及其優(yōu)化方法［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2008(1):87-92.

［3］王俊剛，于泉，高穎，等.變帶速干線協(xié)調(diào)控制模型研究［J］.公路交通科技，2005(4):111-114.

［4］鄭長江.行人過街信號與交叉口信號聯(lián)動控制方法研究［D］.南京:東南大學(xué)，2006.

［5］盧守峰，王紅茹，劉喜敏.基于生存分析法的行人過街最大等待時間研究［J］.交通信息與安全，2009(5):69-71.