詹鵬宇 王 晨

1.北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100043；2.武漢市公安局交通管理局，湖北武漢 430022

信號(hào)燈歷時(shí)百年，從原始的兩色燃?xì)鉄舭l(fā)展到今天的三色電氣燈，從開始解決路口兩相位通行，到目前解決多相位通行。雖然外觀、形式、表現(xiàn)上不斷演進(jìn)。但其內(nèi)涵和所發(fā)揮的功能卻始終未有發(fā)展，以其為傳導(dǎo)組成的控制方式，依然停留在行與停的單一指令功能狀態(tài)，雖然解決了“誰(shuí)能走”、“走多久”的路權(quán)分配問(wèn)題，卻提供不了“如何走”“以什么狀態(tài)走”的引導(dǎo)控制服務(wù)；在走與停的狀態(tài)切換間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通行能力的平穩(wěn)過(guò)渡、高效轉(zhuǎn)換，這也正是路口綠燈轉(zhuǎn)換損失及其影響無(wú)法消除的根源所在。目前，提升路口通行能力的諸多措施，均集中于交通組織和信號(hào)優(yōu)化兩大方向，但局限的空間、有限的時(shí)間決定了優(yōu)化手段的窮盡必然到來(lái)，調(diào)控瓶頸隨之出現(xiàn)。因此，不從調(diào)控瓶頸存在的根源入手，就不能解決通行能力的再提升問(wèn)題，信號(hào)控制也就無(wú)法走出困境。因此，必須針對(duì)信號(hào)燈控制方式的不足，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，創(chuàng)新打造基于駕駛行為干預(yù)的精細(xì)化控制方式，擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍，豐富信息的傳遞途徑，增加干預(yù)、引導(dǎo)的控制功能，賦予服務(wù)運(yùn)行、控制狀態(tài)的能力，才能突破當(dāng)前信號(hào)控制乃至交通控制的瓶頸。讓信號(hào)控制“亮起來(lái)”、“動(dòng)起來(lái)”、“暖起來(lái)”，最大限度地減少指令信息阻斷情況的發(fā)生。

隨著機(jī)動(dòng)車待行區(qū)技在國(guó)內(nèi)外的廣泛應(yīng)用，但設(shè)置待行區(qū)會(huì)增加車輛平均停車次數(shù)、減速停車到再加速過(guò)程中的油耗損失、尾氣污染和剎車噪音，并且存在待行區(qū)飽和后啟動(dòng)波傳遞到進(jìn)口道停止線之前的車輛不能進(jìn)入的損失時(shí)間。實(shí)現(xiàn)不停車通過(guò)待行區(qū)技術(shù)不僅可以解決上述問(wèn)題還可以充分挖掘交叉口通行能力，同時(shí)也可強(qiáng)化協(xié)調(diào)控制。

1 綜合待行區(qū)設(shè)置的基本理論

綜合待行區(qū)是一種特殊的待行區(qū)，其常見的設(shè)置方式是在交叉口進(jìn)口道前設(shè)置2條停車線，首次停車線位于待行區(qū)的起點(diǎn)且二次停車線位于待行區(qū)的終點(diǎn)，車輛在由首次停車線到二次停車線的最小行程距離為s。在滿足待行區(qū)等待的車輛不影響正在放行對(duì)立相位的交通流通行的條件下，最小行程距離應(yīng)盡可能長(zhǎng)，并可使得首車能以最大車速通過(guò)交叉口內(nèi)的沖突區(qū)域，減小車輛通過(guò)交叉口的旅行時(shí)間提高交叉口的空間利用率。綜合待行區(qū)的實(shí)質(zhì)即利用原有的交叉口進(jìn)口道主停車線前的一段距離設(shè)置預(yù)信號(hào)，從而減小綠燈損失時(shí)間，利用待行區(qū)幾何空間提高進(jìn)口道乃至整個(gè)交叉口的綜合交通運(yùn)行效益。

待行區(qū)的設(shè)置分為2種：一種是主干道和主干道交叉口情況，沖突相位的綠燈時(shí)間相差不大，設(shè)置待行區(qū)可以充分利用交叉口的幾何空間，可以提高專用車道的通行能力；另一種是主干道和次干道交叉口，沖突相位的綠燈時(shí)間相差較大，優(yōu)先在次干道設(shè)置待行區(qū)，次干道路口空間區(qū)域較大，可以充分利用交叉口的中央?yún)^(qū)域和綠燈時(shí)間。待行區(qū)的設(shè)置應(yīng)具備以下幾個(gè)條件：

（1）待行區(qū)設(shè)置適合用在大型的交叉路口，一般進(jìn)口道在3條機(jī)動(dòng)車道及以上的交叉口適合設(shè)置待行區(qū)；

（2）左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)一般要求具有左轉(zhuǎn)專用車道，并且左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置不能影響對(duì)向直行車輛的正常行駛；

（3）進(jìn)口道直行車輛多，且相鄰交叉口具有相應(yīng)的消散能力。

2 綜合待行區(qū)信號(hào)控制原理

進(jìn)口道綜合待行區(qū)及信號(hào)配時(shí)如圖1所示，待行區(qū)指示燈分別設(shè)置在首次停車線和二次停車線處且交叉口主信號(hào)信控方案為標(biāo)準(zhǔn)四相位，進(jìn)口道預(yù)信號(hào)的信號(hào)控制方案為兩相位。進(jìn)口道綜合待行區(qū)及信號(hào)配時(shí)如圖1所示，待行區(qū)指示燈分別設(shè)置在首次停車線和二次停車線處且交叉口主信號(hào)信控方案為標(biāo)準(zhǔn)四相位，進(jìn)口道預(yù)信號(hào)的信號(hào)控制方案為兩相位。預(yù)信號(hào)綠燈間隔時(shí)間的設(shè)置是為了確保待行區(qū)有足夠的清空時(shí)間，從而避免兩相位車流同時(shí)在待行區(qū)內(nèi)排隊(duì)的現(xiàn)象，最小綠燈間隔r的臨界值計(jì)算方法如式（1）所示。

圖1 綜合待行區(qū)及信號(hào)配時(shí)示意圖

式中：?—綜合待行區(qū)內(nèi)飽和流率下的車流速度（m/s）；L—機(jī)動(dòng)車在綜合待行區(qū)內(nèi)的平均行駛距離（m）。

為使綜合待行區(qū)達(dá)到比較理想的控制效果。應(yīng)盡量保證預(yù)信號(hào)直行（左轉(zhuǎn)）綠燈啟亮?xí)r間及結(jié)束時(shí)間較主信號(hào)直行（左轉(zhuǎn)）綠燈有一定的提前量t（s）。清空距離為綠燈尾車從待行區(qū)入口越過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)所走的距離，為保證待行區(qū)內(nèi)所有車輛安全通過(guò)交叉口，在車流以飽和流率的狀態(tài)通過(guò)交叉口時(shí)，設(shè)有車輛通過(guò)交叉口的平均距離為D（m），車的啟動(dòng)加速度為a（m/s2），待行區(qū)進(jìn)口指示燈比直行相位綠燈提前亮t（s），確保待行區(qū)內(nèi)不減速車流通過(guò)交叉口時(shí)沖突相位車流隊(duì)尾恰好通過(guò)交叉口，此時(shí)L-t關(guān)系論證如下：

由速度-距離-加設(shè)有路口南北向長(zhǎng)度為L(zhǎng)（m），路網(wǎng)內(nèi)車流速度為v（m/s），車流加速度為a（m/s2）。車流勻速運(yùn)動(dòng)情況下，南北向車流通過(guò)路口的時(shí)間為L(zhǎng)/v（s），現(xiàn)假設(shè)將東西向停車線前移到相距路口距離為D（m）的位置，東西向車流提前放行的時(shí)間為t（s），圖2為北向南、西向東兩股車流剛好行駛至停車線處時(shí)的示意圖，其中深色方塊為車輛，N/S/W/E分別代表北/南/西/東。

圖2 停車線示意圖（南北未通過(guò)）

以不考慮沖突點(diǎn)與全紅時(shí)間的基礎(chǔ)來(lái)考慮，為確保西向東車流進(jìn)入路口時(shí)，北向南車流已全部通過(guò)路口，此時(shí)的兩股車流的位置應(yīng)如下圖所示，南北向車流剛好通過(guò)路口，此時(shí)東西向車流正以速度v、車流加速度a的行駛狀態(tài)到達(dá)原路口停車線，準(zhǔn)備通過(guò)路口。

圖3 停車線示意圖（南北已通過(guò)）

速度計(jì)算公式：

替換參數(shù)，計(jì)算可得到綜合待行區(qū)長(zhǎng)度L（m），與相位差前移時(shí)間t之間的的空間-時(shí)間轉(zhuǎn)換L-t公式：

化簡(jiǎn)得L與t的表達(dá)式：

由式（4）可知，在主相位綠燈啟亮前，直行待行區(qū)的預(yù)信號(hào)需提前亮t秒，即可滿足車流不停車通過(guò)交叉口的需求。

3 仿真分析

3.1 交叉口現(xiàn)狀

如圖4，北京市中關(guān)村大街與北四環(huán)輔路交叉口進(jìn)口到處車道數(shù)大于3條并具有各相位的專用車道，交叉路口的路幅寬度與幾何尺寸較大并滿足最外側(cè)車輛行駛軌跡保持安全距離。因此以北京市中關(guān)村大街與北四環(huán)輔路交叉口為例，設(shè)置綜合待行區(qū)。

圖4 改造前中關(guān)村大街-北四環(huán)輔路交叉口交通組織示意圖

通過(guò)實(shí)地檢測(cè)數(shù)據(jù)獲得的該交叉口各進(jìn)口道早晚高峰流量，調(diào)查數(shù)據(jù)見表1。

表1 該交叉口各進(jìn)口道早晚高峰流量調(diào)查數(shù)據(jù)（pch/h）

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到交通信號(hào)控制原始方案，如圖5。

圖5 主信號(hào)配時(shí)方案

3.2 待行區(qū)設(shè)置及仿真結(jié)果分析

對(duì)交叉口進(jìn)口道的交通組織形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，圖6為設(shè)置綜合待行區(qū)后的交通組織示意圖。

圖6 設(shè)置綜合待行區(qū)后中關(guān)村大街-北四環(huán)輔路交叉口交通組織示意圖

通過(guò)計(jì)算可得預(yù)信號(hào)相對(duì)于主信號(hào)的提前量，見表2。

表2 預(yù)信號(hào)相對(duì)于主信號(hào)的提前量（s）

利用交通仿真軟件vissim對(duì)交通運(yùn)行效益評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。交叉口主信號(hào)采用四相位配時(shí)設(shè)計(jì)，對(duì)比不同方案的通過(guò)車輛數(shù)、車輛延誤、旅行時(shí)間、車均停車次數(shù)等交通運(yùn)行參數(shù)，見表3。

表3 交通運(yùn)行參數(shù)

可以看到設(shè)置綜合待行區(qū)后，早晚高峰時(shí)段的車均延誤、平均旅行時(shí)間、車均停車次數(shù)較不設(shè)置待行區(qū)均有顯著地降低。以上分析結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)置綜合待行區(qū)能夠有效地提高當(dāng)進(jìn)口道流量接近飽和及飽和狀態(tài)下的大型平面交叉口的綜合運(yùn)行效益；說(shuō)明了綜合待行區(qū)的設(shè)置對(duì)于解決高峰時(shí)間車流量較大的城市主干路交通擁堵問(wèn)題具有著積極作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在城市建設(shè)已完成、土地利用已基本成形、路網(wǎng)很難再做出改變的階段，如何優(yōu)化信號(hào)控制已成為治理城市擁堵的核心問(wèn)題。本文通過(guò)設(shè)置綜合待行區(qū)指示燈對(duì)交叉口進(jìn)行精細(xì)化的信號(hào)控制，提高了交叉口通行能力，減少了環(huán)境污染和油耗損失?；诒本┦袑?shí)際路口實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和實(shí)用性，該方法同樣可以有效地處理大規(guī)模路網(wǎng)，強(qiáng)化協(xié)調(diào)控制。