付豐

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200031）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展、城市化的不斷擴(kuò)張，機(jī)動(dòng)車(chē)輛日益增加，交通擁堵已成為城市生活的通病，尤其是特大城市，交通供需不平衡這一矛盾更為突出。該次研究就是在此背景下提出。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)城市交通信號(hào)控制已經(jīng)有了大量的研究。當(dāng)前的城市交通信號(hào)控制模式中，都是基于交叉口只有一條停車(chē)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行交叉口交通渠化組織與交叉口交通信號(hào)控制。大多數(shù)研究側(cè)重于基于交通信息預(yù)測(cè)的交通信號(hào)控制優(yōu)化以及區(qū)域自適應(yīng)交通信號(hào)控制優(yōu)化。陸化普等人研究了實(shí)時(shí)自適應(yīng)交通信號(hào)控制優(yōu)化理論模型，其關(guān)鍵思路是把交通延誤和停車(chē)次數(shù)綜合為一個(gè)性能指標(biāo)對(duì)路網(wǎng)交通信號(hào)進(jìn)行整體優(yōu)化；楊兆升等人研究了交通信號(hào)控制與交通誘導(dǎo)的智能協(xié)作，建立了控制與誘導(dǎo)協(xié)同控制模型；Ding Zhongjun研究了T形交叉口基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的交通信號(hào)控制方案；Li Zhipeng面向城市干線(xiàn)交叉口信號(hào)控制，基于旅行時(shí)間短時(shí)預(yù)測(cè)，提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)指數(shù)平滑模型；Md.Shabiu Islam等人通過(guò)建立交通模糊邏輯規(guī)則，基于交叉口動(dòng)態(tài)交通流進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)；Zheng Xing等人對(duì)交叉口實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制模型及控制算法進(jìn)行了研究。

基于此，本文對(duì)基于設(shè)置雙停車(chē)線(xiàn)的交叉口綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制方法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)論述了該方法實(shí)施的理論基礎(chǔ)、雙停車(chē)線(xiàn)設(shè)置原則和雙停車(chē)線(xiàn)交通信號(hào)控制策略，通過(guò)交通仿真模擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)果表明該方法對(duì)改善交叉口通行能力具有顯著的作用。

1 相關(guān)定義

基于綜合待行區(qū)的交通控制是指在一個(gè)城市交叉口的各個(gè)進(jìn)口方向上，在原有的停車(chē)線(xiàn)后面加設(shè)一條停車(chē)線(xiàn)，使紅燈期間等待放行的車(chē)輛分別排在前后兩個(gè)排隊(duì)區(qū)域內(nèi)，停在第一停車(chē)區(qū)的車(chē)輛在綠燈放行時(shí)，能夠充分利用交叉口和此間路段的通行空間，最大效率地利用有效綠燈時(shí)間，提高交叉口的通行能力?！盎诰C合待行區(qū)的交通控制”運(yùn)用排隊(duì)論、流體力學(xué)模擬理論等理論方法并充分結(jié)合現(xiàn)有交通檢（監(jiān)）測(cè)、定位、導(dǎo)航、誘導(dǎo)、智能控制ITS等技術(shù)，建立了一整套能最大限度利用交叉口、路段的通行空間，在交叉口上游路段增設(shè)一組或多組信號(hào)誘導(dǎo)裝置，提前對(duì)分向車(chē)流進(jìn)行指示誘導(dǎo)，有序進(jìn)入綜合待行區(qū)多車(chē)道預(yù)排隊(duì)再通行的交通控制的技術(shù)和裝置。綜合待行區(qū)域內(nèi)的車(chē)道方向不再固定，而是根據(jù)需要不同方向車(chē)流可以交替使用。設(shè)置綜合待行區(qū)的交叉口功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)置綜合待行區(qū)的交叉口功能結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1中，基于綜合待行區(qū)的交通控制方法為通過(guò)在進(jìn)口方向上的原有停車(chē)線(xiàn)后面加設(shè)一條停車(chē)線(xiàn)和車(chē)輛誘導(dǎo)信號(hào)燈，這樣原有的車(chē)輛排隊(duì)等待區(qū)就被重新劃分為等待區(qū)、導(dǎo)流區(qū)、綜合待行區(qū)三部分。車(chē)輛首先駛?cè)氲却齾^(qū)，等待誘導(dǎo)信號(hào)燈的指示；當(dāng)誘導(dǎo)信號(hào)燈指示目標(biāo)方向的通行即將開(kāi)始，可提前進(jìn)入排隊(duì)區(qū)域時(shí)，車(chē)輛根據(jù)提示經(jīng)過(guò)導(dǎo)流區(qū)駛?cè)刖C合待行區(qū)相應(yīng)車(chē)道；當(dāng)通行信號(hào)燈指示目標(biāo)方向可通行時(shí)，等待在綜合待行區(qū)的車(chē)輛駛離綜合待行區(qū)，快速通過(guò)交叉口。

2 方法特點(diǎn)

基于綜合待行區(qū)的交通控制是采用雙停車(chē)線(xiàn)的新型交叉口交通控制技術(shù)。該控制技術(shù)的特點(diǎn)主要有以下五個(gè)方面：

（1）實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的提前排隊(duì)，減少延誤，提高了交叉口的通行能力。

（2）交叉口信號(hào)燈相位組合更加靈活，每相位周期大幅縮短。

（3）充分利用交叉口車(chē)道資源，道路功能得到更大程度的發(fā)揮。

（4）投資小，適用范圍廣，效果突出，特別適用于已不能進(jìn)行大規(guī)模拓寬改造的道路和大流量擁堵城市。

（5）減少了車(chē)輛停車(chē)次數(shù)，減少車(chē)輛怠速油耗，減少尾氣污染、車(chē)輛磨損和交通出行時(shí)間，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。

3 雙停車(chē)線(xiàn)位置選取原則

采用基于綜合待行區(qū)的交通控制，涉及第二停車(chē)線(xiàn)的位置選擇問(wèn)題。如圖2所示，影響兩停車(chē)線(xiàn)間距D的主要因素有交叉口該方向的交通流量Q、兩交叉口間道路長(zhǎng)度L、是否設(shè)有公交站及其具體位置BL。

交通流量的大小是決定第二停車(chē)線(xiàn)位置的重要因素。兩停車(chē)線(xiàn)間距與交通流量的關(guān)系可近似為圖3所示的非線(xiàn)性關(guān)系，即D=f（Q）。在一定范圍內(nèi)，Q越大，第二停車(chē)線(xiàn)與第一停車(chē)線(xiàn)之間的D就要相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，但兩停車(chē)線(xiàn)間的距離不能過(guò)大或者過(guò)小。另外，總長(zhǎng)度L小于200 m的道路是不適宜設(shè)置綜合待行區(qū)的。如果設(shè)有公交站的道路還應(yīng)該滿(mǎn)足BL≥D。

圖2 停車(chē)線(xiàn)位置影響因素示意圖

圖3 兩停車(chē)線(xiàn)間距與交通流量的關(guān)系示意圖

4 相序研究

基于綜合待行區(qū)的交通控制相序設(shè)計(jì)主要是指對(duì)通行指示燈和誘導(dǎo)指示燈相位順序的設(shè)計(jì)。通行指示燈的相序相對(duì)于原先的交通信號(hào)燈相序來(lái)講，組合方式更加靈活，相位配時(shí)大幅縮短。而對(duì)于誘導(dǎo)指示燈來(lái)說(shuō)，其相序是超前于通行指示燈的。當(dāng)通行指示燈為直行通行時(shí)，誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)左行填充狀態(tài)，指引左行車(chē)輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待；當(dāng)通行指示燈為左行通行狀態(tài)時(shí)，誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)右行填充狀態(tài)，指引右行車(chē)輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待；當(dāng)通行指示燈為右行通行狀態(tài)時(shí)，誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)直行填充狀態(tài)，指引直行車(chē)輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待；當(dāng)通行指示燈為紅燈等待狀態(tài)時(shí)，誘導(dǎo)指示燈為誘導(dǎo)左、右行填充狀態(tài)，指引左、右行直行車(chē)輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待通過(guò)。

交叉口車(chē)流量是用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車(chē)輛數(shù)來(lái)衡量的。基于綜合待行區(qū)的交通控制采用相序“疊加”的方式，對(duì)要經(jīng)過(guò)交叉口的車(chē)輛進(jìn)行提前誘導(dǎo)排隊(duì)，縮短了傳統(tǒng)基于單停車(chē)線(xiàn)的控制方式中車(chē)輛換道排隊(duì)的時(shí)間，大幅提高了通行效率。圖4為多種交通信號(hào)控制方式下的交叉口車(chē)輛通行流量比較。

圖4 多種交通控制方式信號(hào)相序比較

由圖4可見(jiàn)，傳統(tǒng)控制方式中各個(gè)通行方向的信號(hào)配時(shí)包括了排隊(duì)與通行兩部分，在擁堵的交叉口，車(chē)輛不能及時(shí)排隊(duì)，通過(guò)交叉口的速度非常緩慢，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致多個(gè)交叉口間的連續(xù)擁堵。而基于綜合待行區(qū)的交通控制方式將車(chē)輛排隊(duì)提前，在當(dāng)前相序階段就有序地引導(dǎo)下一個(gè)相序階段可以通過(guò)的車(chē)輛進(jìn)行排隊(duì)，這樣在下一個(gè)相序階段可以通過(guò)的車(chē)輛早已完成了排隊(duì)，可以直接快速駛離交叉口。因此在圖中三種交通控制方式的比較中，基于綜合待行區(qū)的交通控制方式完成十字交叉口南北、東西兩向的車(chē)輛放行所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)控制方式，即基于綜合待行區(qū)的交通控制的交通信號(hào)相序周期明顯縮短。

5 仿真方案設(shè)計(jì)

5.1 雙停車(chē)線(xiàn)位置選取

假設(shè)某平面十字交叉口南進(jìn)口所在路段全長(zhǎng)500 m，南向北方向距上游交叉口200 m處設(shè)有公交站。北進(jìn)口所在路段全長(zhǎng)600 m，北向南方向距上游交叉口300 m處設(shè)有公交站，南北進(jìn)出口道均為三進(jìn)三出車(chē)道規(guī)模。

南北方向距該交叉口50 m處設(shè)立了誘導(dǎo)信號(hào)燈，試進(jìn)行基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制。

5.2 交通信號(hào)相位設(shè)計(jì)

通行信號(hào)燈與誘導(dǎo)信號(hào)燈的相位圖如圖5所示。根據(jù)前文所述，誘導(dǎo)信號(hào)燈的時(shí)序總是超前于通行信號(hào)燈，當(dāng)通行信號(hào)燈為紅燈等待狀態(tài)時(shí)，誘導(dǎo)信號(hào)燈為左、右行車(chē)輛誘導(dǎo)狀態(tài)（見(jiàn)圖5a、b）；當(dāng)通行信號(hào)燈為直行通過(guò)狀態(tài)時(shí)，誘導(dǎo)信號(hào)燈為左行車(chē)輛誘導(dǎo)狀態(tài)（見(jiàn)圖5c）；當(dāng)通行信號(hào)燈為左行通過(guò)狀態(tài)時(shí)，誘導(dǎo)信號(hào)燈為右、直行車(chē)輛誘導(dǎo)狀態(tài)（見(jiàn)圖5d）；當(dāng)通行信號(hào)燈為右行通過(guò)狀態(tài)時(shí)，誘導(dǎo)信號(hào)燈為直、左行車(chē)輛誘導(dǎo)狀態(tài)（見(jiàn)圖5e、f）。

5.3 交通信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)

圖5 基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制相位設(shè)計(jì)

雙停車(chē)線(xiàn)法信號(hào)周期和各相位綠燈時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算是在經(jīng)典Webster法基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到的。以延誤做交通效益指標(biāo)，用Webster定時(shí)信號(hào)交叉口延誤公式優(yōu)化，可得定時(shí)信號(hào)最佳周期時(shí)長(zhǎng)：

式中：L為信號(hào)總損失時(shí)間；Y為流量比總和。整個(gè)交叉口中，各個(gè)相位的y值的總和，即Y＝∑y，y是流量與飽和流量的比值。

信號(hào)總損失時(shí)間的計(jì)算：

式中：Ls為啟動(dòng)損失時(shí)間；A為黃燈時(shí)間；I為綠燈間隔時(shí)間；k為一個(gè)周期內(nèi)的相位數(shù)。

根據(jù)式（2）確定的最佳周期時(shí)長(zhǎng)，可得每周期的有效綠燈時(shí)間：

把Ge在所有信號(hào)行為之間按各相位的最大流量比值進(jìn)行分配，得各相位的有效綠燈時(shí)間，如

由于采用雙停車(chē)線(xiàn)法進(jìn)行控制，第一停車(chē)區(qū)內(nèi)排隊(duì)的車(chē)輛放行時(shí)所用的時(shí)間比單停車(chē)線(xiàn)法控制時(shí)相同排隊(duì)車(chē)輛數(shù)所需的時(shí)間短，根據(jù)雙停車(chē)線(xiàn)法和單停車(chē)線(xiàn)法放行車(chē)道數(shù)的關(guān)系，修正后的有效綠燈時(shí)間為

式中：t直為單停車(chē)線(xiàn)法到雙停車(chē)線(xiàn)法控制折算后的平均直行車(chē)排隊(duì)長(zhǎng)度放行所需的時(shí)間。

該式計(jì)算的時(shí)間為直行相位所需的時(shí)間。同理，左轉(zhuǎn)相位所需的時(shí)間為

將各相位的有效綠燈時(shí)間加起來(lái)，再加上信號(hào)總損失時(shí)間就是雙停車(chē)線(xiàn)法的最佳周期時(shí)間。然后再算得各相位的實(shí)際顯示綠燈時(shí)間：

根據(jù)該交叉口的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)了90 s的信號(hào)周期，如圖6所示即為該交叉口南北方向的信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)圖，其中在通行信號(hào)燈的直綠、左綠、右綠時(shí)序內(nèi)都包含了誘導(dǎo)信號(hào)燈的誘導(dǎo)時(shí)序。

圖6 基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制配時(shí)設(shè)計(jì)

6 對(duì)比分析

目前僅在南北方向設(shè)計(jì)了綜合待行區(qū)，試運(yùn)行基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制模式，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在提高交叉口通行能力方面，現(xiàn)有模式下，由于綜合待行區(qū)的存在，使車(chē)輛提前進(jìn)入準(zhǔn)備階段，從而提高了車(chē)輛通過(guò)交叉口的通行速度。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有模式下，南北向通行能力較傳統(tǒng)的信號(hào)控制方式可增加約100%，整個(gè)交叉口通行能力可增加約70%。

在減少交叉口延誤方面，以北進(jìn)口為例，較傳統(tǒng)的信號(hào)控制方式，運(yùn)用排隊(duì)理論簡(jiǎn)易算法計(jì)算出的最大降低延誤約8倍，排隊(duì)長(zhǎng)度縮短約90%。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于綜合待行區(qū)的交通信號(hào)控制用于嚴(yán)重?fù)矶陆徊婵?，可以充分利用交叉口的通行空間，保證良好的交叉口行車(chē)秩序，有效提高車(chē)輛通過(guò)交叉口的效率，降低交叉口行車(chē)延誤，從而降低交叉口的交通排隊(duì)和擁堵現(xiàn)象。如果大量使用該控制模式，可以從整體上降低能耗和交叉口汽車(chē)尾氣污染，改善城市交通環(huán)境，特別是對(duì)于大流量的城市道路交通，應(yīng)用基于綜合待行區(qū)的交通控制系統(tǒng)將會(huì)有更明顯的使用效果。這為解決當(dāng)前城市道路交通問(wèn)題開(kāi)辟了新的解決思路，能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，相關(guān)方法可為城市交通設(shè)計(jì)及擁堵治理提供參考。