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(蘭州交通大學(xué)交通運輸學(xué)院, 甘肅蘭州730070)
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,私家車保有量連年快速增長,城市道路交通壓力越來越大。針對有限城市道路資源與交通需求之間的矛盾,很多城市從以下2個方面入手改善:第一,對于單個交叉口,時間上根據(jù)檢測器數(shù)據(jù)采取調(diào)整信號周期、各相位有效綠燈時長與總周期時長的比值(綠信比)的方法加以優(yōu)化[1],空間上利用待行區(qū)、逆向可變車道、同向可變車道等方法結(jié)合信號配時使通行效率得以提高;第二,利用干線協(xié)調(diào)方法對交叉口群整體的通行效率進行提升。 當(dāng)前綠波協(xié)調(diào)控制主要存在以下2個問題:一是單向綠波控制[2]應(yīng)用較多,只能保證干線一個方向的行車通行效率;二是雙向綠波控制在現(xiàn)實情況中應(yīng)用效果不理想, 原因是在信號控制中多采用單環(huán)結(jié)構(gòu), 使得單個相位在不同流向上時間固定, 而現(xiàn)實情況中相同相位不同流向的車流量多數(shù)是不匹配的, 這樣會造成信號配時時空上的浪費。 針對以上問題, 本文中利用雙環(huán)雙段的信號配時方法, 將重疊相位(間斷相位)[3]應(yīng)用在交叉口信號配時上, 這樣不僅使得單個交叉口的信號配時在時空資源上利用更加充分, 也使得在干線雙向綠波協(xié)調(diào)上有更靈活的選擇, 使得雙向綠波帶寬度都達到較高的水平。
傳統(tǒng)的城市道路交叉口信號配時使用圓盤燈,采用的是單環(huán)結(jié)構(gòu)的對稱放行方案,這樣在交叉口上、下行交通流時空分布不匹配的情況下,會使得同一信號相位的不同方向造成綠損或通行時間不足的情況。現(xiàn)在的信號燈中直行燈與左轉(zhuǎn)燈多數(shù)已經(jīng)分離,故可利用美國電氣制造協(xié)會(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)雙環(huán)雙段的相位相序方案[4],如圖1所示。根據(jù)左轉(zhuǎn)車流量情況調(diào)整同環(huán)同段不同相位放行時間,不會造成其他相位混亂,同時還可以實現(xiàn)綠波帶寬度最大化。
圖1 美國電氣制造協(xié)會雙環(huán)雙段相位結(jié)構(gòu)圖
假設(shè)協(xié)調(diào)方向交叉口群的各個交叉口的上、下行通行相位分別為F1、F2。支路相位采用F3,如圖2所示。對于圖中的信號配時方案,F(xiàn)2的綠燈啟亮?xí)r刻為F1綠燈結(jié)束的時刻,即tF2=tF1+gF1+ac,其中tF1、tF2分別為F1、F2的綠燈啟亮?xí)r刻,gF1為F1綠燈時長,c為交叉口周期時長,a為F1與F2相差周期數(shù)的整數(shù)倍(本文中的案例研究a=0的情況)[5]。在實際情況中,由于交叉口群中各交叉口間距不統(tǒng)一,而且各個交叉口的渠化、車流特性各異,協(xié)調(diào)方向上、下行的相位綠燈時長需求也不同,因此圖2所示的相位相序方案的理想狀態(tài)較難實現(xiàn),上、下行2個相位間會存在重疊或間斷部分,即為重疊相位。
(a)上行相位F1 (b)下行相位F2 (c)支路相位F3圖2 交叉口的相位放行方案
如圖3所示,F(xiàn)1與F2存在重疊部分,假設(shè)重疊相位時長為Δt,由于F1與F2存在重疊部分,因此在干線協(xié)調(diào)公共周期c不變的情況下,當(dāng)F2綠燈時間結(jié)束后,會存在Δt的空缺時間,這部分時間可根據(jù)協(xié)調(diào)相位與支路相位交通流量特性來科學(xué)地分配,而重疊相位時長Δt可為交叉口協(xié)調(diào)相位上、下行車流同時提供通行權(quán)。
Δt—重疊相位時長;gF1、 gF2、 gF3—F1、 F2、 F3相位的綠燈時長;tF1、 tF2、 tF3—F1、 F2、 F3相位的綠燈啟亮?xí)r刻;c—信號周期時長。圖3 交叉口的重疊相位示意圖
1) 0<Δt<(1-μ)min{gF1,gF2}。定義μ為協(xié)調(diào)方向車流量左轉(zhuǎn)比率,滿足條件
Δt—重疊相位時長;相位的綠燈時長;相位的綠燈啟亮?xí)r刻;c—信號周期時長。圖4 0<Δt<(1-μ)min{gF1, gF2}條件下綠燈啟亮?xí)r刻關(guān)系
此刻,各相位綠燈啟亮和綠燈時長為
(1)
該條件下對應(yīng)的相位相序方案如圖5所示。
(a)上行相位重疊相位下行相位支路相位圖5 0<Δt<(1-μ)min{gF1, gF2}條件下改進后相位相序方案
2)(1-μ)max{gF1,gF2}<Δt Δt—重疊相位時長,相位的綠燈時長;相位的綠燈啟亮?xí)r刻;c為信號周期時長。圖6 (1-μ)max{gF1, gF2}<Δt 這時,各相位綠燈啟亮和綠燈時長為 (2) 該條件下對應(yīng)的相位相序方案如圖7所示。 (a)上行相位重疊相位左轉(zhuǎn)相位支路相位圖7 (1-μ)max{gF1, gF2}<Δt 本文中選取銀川市興慶區(qū)友愛中心街沿線4個連續(xù)交叉口作為優(yōu)化對象,分別為賀蘭山路與友愛街、穆商北路與友愛街、穆商南路與友愛街、海寶路與友愛街。4個路口均采取單點控制,信號方案如表1所示,各路口間缺乏協(xié)調(diào),造成友愛街間歇性停車情況嚴(yán)重,沿線的賀蘭山路口、穆商北路路口,綠燈時間利用效率較低。 表1 各交叉口優(yōu)化前信號配時方案 本文中選取的4個交叉口,經(jīng)過實地調(diào)研和視頻檢測器數(shù)據(jù)分析將公共周期[9]統(tǒng)一為140 s,設(shè)計時速利用浮動車法取平均值獲得,各交叉口信號配時方案及設(shè)計速度如表2所示。穆商南路與友愛街和海寶路與友愛街2個交叉口,由于東西方向車流量均很小,南北協(xié)調(diào)方向的綠燈時長較長,因此采用對放信號,而賀蘭山路與友愛街和穆商北路與友愛街2個交叉口則需要利用重疊相位模型設(shè)計信號控制的相位相序方案,并依據(jù)式(1)、(2)計算得到時長Δt,其中多出的重疊相位Δt時長分別根據(jù)交叉口流量特性加給了東西方向,具體數(shù)值如表3所示,同時利用綠波工具得到綠波時距圖,如圖8所示,優(yōu)化線路如圖9所示。 運用Synchro軟件對于友愛街4個交叉口優(yōu)化前和優(yōu)化后的信號配時方案分別進行仿真, 對比結(jié)果如表3所示, 從仿真對比數(shù)據(jù)來看交叉口的停車次數(shù)、 總延誤時間、 排隊長度等指標(biāo)均有不同程度降低, 通過計算可得到南北方向總的停車次數(shù)減少30.4%, 總延誤時間減少28.2%, 排隊長度減少38.9%,雙向綠波效果得到了明顯提升。 表2 各交叉口優(yōu)化后信號配時方案 表3 優(yōu)化前、后協(xié)調(diào)方向個交叉口仿真評價指標(biāo)對比 圖8 優(yōu)化后綠波時距圖 圖9 優(yōu)化線路圖 本文中以銀川市友愛街4個連續(xù)的交叉口為例,重點研究在NEMA雙環(huán)雙段的信號配時方法下,利用重疊相位(間斷相位)模型來對協(xié)調(diào)交叉口的相位相序方案進行重新設(shè)計,以減少綠波帶在時空上的損失,從而提高整條道路通行效率,減少停車次數(shù)和行車旅行時間。最后利用仿真軟件Synchro進行仿真驗證,仿真結(jié)果表明,交通評價指標(biāo)均有所提高,起到了一定的效果。面對越來越嚴(yán)峻的城市交通壓力,僅依靠干線綠波協(xié)調(diào)將遠不能滿足城市交通需求,需要提高到區(qū)域交通控制[10]的認(rèn)識,并結(jié)合現(xiàn)代的交通檢測裝置,優(yōu)化出更符合城市交通發(fā)展的信號控制方法。3 案例分析與仿真評價
3.1 案例分析
3.2 方案設(shè)計
3.3 仿真效果評價
4 結(jié)語