程耀林,羅偉華
(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,武漢 430074)
“一路一線”是一種新的常規(guī)公交模式,即一條道路只運(yùn)行一路公交線,??空驹O(shè)在交叉路口便于換乘[1-4],該模式有很多優(yōu)點(diǎn),是解決現(xiàn)有公交問題(如等車時(shí)間長(zhǎng),換乘站擁擠,公交資源浪費(fèi)大,客流不均衡等)的一種有效模式,但存在較多實(shí)際問題需要解決,其中,換乘多是首先要解決的問題,原則上要求換乘方便、快捷,即要盡量減少換乘所用的時(shí)間[5],但是現(xiàn)有的停靠站布局根據(jù)交通規(guī)則都設(shè)置在交叉口50米之外,在交叉口換乘很不方便.目前還沒有出現(xiàn)一種理想的換乘方案,換乘問題不解決會(huì)制約“一路一線”模式的進(jìn)一步研究.本文研究了十字路口的布局、交通控制和換乘問題,提出了一種簡(jiǎn)單而且易于實(shí)現(xiàn)的參考方案,通過在交叉口設(shè)置公交進(jìn)口道、出口道以及對(duì)右轉(zhuǎn)車流和非機(jī)動(dòng)車流進(jìn)行控制,并設(shè)計(jì)了一種新的4相位控制方案,可以實(shí)現(xiàn)換乘方便,避免交叉口客流擁擠,同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有的交通流沒有相互沖突,從而提高了通行能力和安全性,并提供了相應(yīng)的理論分析.
“一路一線”模式在交叉口換乘,為了換乘方便,把??空驹O(shè)置在交叉口50米之內(nèi)是一種值得研究的方案.該方案對(duì)現(xiàn)有交通規(guī)則作出了調(diào)整,這是為了實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先而采取的一種措施,但必須解決由此帶來的問題,例如交叉口客流擁擠等,同時(shí)要對(duì)控制信號(hào)的相位重新設(shè)計(jì),從理論上分析由此對(duì)交叉口通行能力、安全性以及換乘時(shí)間帶來的影響.
為了方便換乘,分散客流,在十字路口設(shè)置8個(gè)站[6],如圖1所示.
圖1 十字路口的停靠站布局Fig.1 The bus stations layout of a intersection
圖中虛線表示公交車的行駛方向,帶箭頭的實(shí)線表示乘客下車后去換乘時(shí)步行的方向.公交車經(jīng)過路口時(shí)???個(gè)站,分別稱之為右站和左站.表示乘客到達(dá)交叉口時(shí),如果左行則在左站下車換乘,如果右行則在右站下車換乘.
這種布局的優(yōu)點(diǎn)是換乘時(shí)不需要步行過斑馬線,直接步行到換乘站,減少換乘時(shí)間,同時(shí),??孔蟆⒂?個(gè)站還具有分散客流的功能,避免了停靠一個(gè)站時(shí)過分擁擠的狀態(tài),也方便以交叉口為目的地的乘客選擇哪個(gè)站下車,同時(shí)會(huì)減少過斑馬線的行人數(shù)量.非換乘時(shí),最多過一次馬路即可乘車.對(duì)客流小的路口,可以只設(shè)右站,不設(shè)左站.
進(jìn)口道布局包含公交進(jìn)口道、右轉(zhuǎn)進(jìn)口道、左轉(zhuǎn)進(jìn)口道和直行進(jìn)口道布局.基于圖1的布局,如果把公交??空驹O(shè)置在交叉口邊緣而不是離交叉口50米之外,則換乘時(shí)間會(huì)大大減少,但同時(shí)會(huì)出現(xiàn)交叉口客流擁擠問題,如右轉(zhuǎn)車流擁堵、行人擁擠、非機(jī)動(dòng)車擁擠等.解決這些問題的關(guān)鍵是要對(duì)右轉(zhuǎn)車流進(jìn)行控制,并設(shè)置公交進(jìn)口道、非機(jī)動(dòng)車專用道和行人專用道,然后對(duì)交叉口的控制相位重新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)公交車、社會(huì)車、行人和非機(jī)動(dòng)車井然有序的通過交叉口.
圖2是一種布局案例,以武漢市的民族大道和南湖大道的交叉口為原型,表示東西向和南北向的雙向道路兩邊都是3個(gè)車道(可簡(jiǎn)稱3*3十字路口),對(duì)于車道數(shù)不對(duì)稱和車道數(shù)少于3和大于3的情況,在后面討論.圖2是一個(gè)總的布局,包含了換乘站布局、進(jìn)口道、出口道、非機(jī)動(dòng)車道、人行道等所有的布局,包括公交進(jìn)口道、出口道布局,社會(huì)車輛直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)進(jìn)口道及其出口道布局.其中, 右轉(zhuǎn)進(jìn)口道、出口道布局代替了現(xiàn)有的右轉(zhuǎn)專用道.非機(jī)動(dòng)車道布局和人行道布局避免了行人和非機(jī)動(dòng)車、右轉(zhuǎn)車流的沖突.其中,公交進(jìn)口道緊靠人行道路邊,然后依次是右轉(zhuǎn)進(jìn)口道、直行進(jìn)口道、左轉(zhuǎn)進(jìn)口道、雙向道路的中間隔離帶.公交出口道緊靠人行道路邊,而右轉(zhuǎn)出口道和直行出口道重合,緊靠公交出口道,與之相鄰的是左轉(zhuǎn)出口道,然后是雙向道路的中間隔離帶.非機(jī)動(dòng)車道相鄰人行道,在路的最外邊.
來自于東、南、西、北4個(gè)方向的交通流都可細(xì)分為公交車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行4股車流,還有行人交通流.為了區(qū)別不同的左站和右站,對(duì)8個(gè)站分別進(jìn)行了命名,例如北左站、北右站,分別表示位于北方的2個(gè)站.
為了描述方便,將所有的車流和行人交通流都進(jìn)行命名.例如,來自北方的交通流有:NB(north bus)、NR(north right)、NS(north straight)、NL(north left)、NP(north pedestrian)分別表示北方的公交車流、右轉(zhuǎn)車流、直行車流、左轉(zhuǎn)車流和行人交通流,其他方向的車流和行人交通流命名方法相同.
來自南方的交通流有:SB(south bus)、SR(south right)、SS(south straight)、SL(south left)、SP(south pedestrian).
來自東方的交通流有:EB(east bus)、ER(east right)、ES(east straight)、EL(east left)、EP(east pedestrian).
來自西方的交通流有:WB(west bus)、WR(west right)、WS(west straight)、WL(west left)、WP(west pedestrian).
圖2 十字路口的進(jìn)口道和公交站布局Fig.2 The bus stations layout and approaches layout of a intersection
圖2還顯示了非機(jī)動(dòng)車道和人行道的布局.這種布局可以避免行人和非機(jī)動(dòng)車的沖突,因?yàn)楣徽驹O(shè)置在路口,行人密度大,同時(shí)也方便行人乘車和換乘.在路口附近的一定范圍之內(nèi)(例如50米或者100米之內(nèi))應(yīng)該保持非機(jī)動(dòng)車道靠路邊的這種布局.
圖2是一種非對(duì)稱布局,可以節(jié)省交叉口的空間從而減少延誤.也可以采用對(duì)稱布局,即8個(gè)站對(duì)稱的分布,但行人斑馬線的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)應(yīng)增加,增加延誤.
在十字交叉口,共有16股車流和4股行人交通流.參考當(dāng)前交叉口的一些相位設(shè)計(jì)[7-8],提出了圖3所示的相位方案,也可以使用其他方案,在此不作討論.第1相位放行來自北方的車流NB、NS、NL和西方的行人WP,同時(shí),放行ER和SR這兩股右轉(zhuǎn)車流,其中右轉(zhuǎn)車流NR在第2相位被放行.同理,第2相位放行來自南方的車流和東方的行人,第3相位放行來自東方的車流和北方的行人,第4相位放行來自西方的車流和南方的行人.其中,右轉(zhuǎn)車流NR、SR、ER滯后一個(gè)相位被放行,而WR滯后2個(gè)相位后連續(xù)放行2個(gè)相位時(shí)間,每個(gè)相位都有2股右轉(zhuǎn)車流被放行.
所述相位方案對(duì)來自東南西北4個(gè)方向的車流分別單獨(dú)處理,適合于動(dòng)態(tài)配時(shí),即每個(gè)相位的時(shí)間隨檢測(cè)到的車流量變化而變化,不是一個(gè)固定的值,可以實(shí)現(xiàn)相位時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整.例如,當(dāng)某一個(gè)方向的車流量少時(shí),分配給它的通行時(shí)間就短,避免了時(shí)間浪費(fèi).當(dāng)某一個(gè)方向的車流量大時(shí),分配給它的通行時(shí)間就長(zhǎng),可以減輕該方向的擁堵.
在一個(gè)相位周期中,每股右轉(zhuǎn)車流被放行2次,可以實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)車流比其他方向的車流暢通. 所述相位方案在相位上不要求對(duì)公交進(jìn)行優(yōu)先控制,不影響社會(huì)車輛的通行.
圖3 十字路口的相位設(shè)計(jì)Fig.3 The traffic signal phase design of a intersection
(1)換乘方便、快捷,解決了“一路一線”的換乘問題.公交站設(shè)置在交叉口50米之內(nèi),換乘不過斑馬線,步行到換乘站距離短,非換乘時(shí),乘車最多過一次斑馬線.
(2)紅燈效應(yīng)和擁堵效應(yīng).公交車到達(dá)交叉口時(shí),如果綠燈亮,因上下乘客,停車是必須的,不是浪費(fèi)時(shí)間.如果紅燈亮,則在紅燈期間等待時(shí),乘客可以繼續(xù)不斷上車,這段時(shí)間被利用,是一種“車等人”的現(xiàn)象,而不是“人等車”,這種特性本文稱之為紅燈效應(yīng).
如果幾輛公交車同時(shí)到站,則擁堵期間乘客也可以繼續(xù)不斷上車,時(shí)間被利用,本文稱之為擁堵效應(yīng).
紅燈效應(yīng)或者擁堵效應(yīng)期間,除去乘客上車所用的時(shí)間,剩下的時(shí)間屬于空等時(shí)間.這種效應(yīng)減少了時(shí)間浪費(fèi),同時(shí)方便了乘客.
(3)交通流無沖突.圖2的布局和圖3的相位控制實(shí)現(xiàn)了交通流完全無沖突的目標(biāo),即行人和非機(jī)動(dòng)車、行人和右轉(zhuǎn)車流,以及在交叉口中心各股交通流之間都沒有沖突,從而提高了安全性,也意味著提高了交叉口的通行能力并減小延誤.而在當(dāng)前普遍使用的4相位控制中,仍然存在行人、右轉(zhuǎn)車流、非機(jī)動(dòng)車三者之間的互相沖突,在2相位控制的交叉口,沖突更多.
(4)交叉口路面的使用效率高.每個(gè)相位有6股交通流,使得交叉口的車道得到充分利用,減少了路面空閑未用的面積,從而提高了交叉口的通行能力.例如,在當(dāng)前的交叉口,右轉(zhuǎn)專用道經(jīng)常出現(xiàn)空閑而不能使用,原因是在排隊(duì)等待期間,排隊(duì)稍長(zhǎng),則直右共用車道上的右轉(zhuǎn)專用道入口被堵.此外,每一個(gè)相位的車流多,空擋就少,可以阻止不守規(guī)則的行人走進(jìn)交叉口中心.
乘客不換乘時(shí),因?yàn)榈秸就\囈矔?huì)在車上等待,而換乘時(shí)要下車,步行到換乘站,再等車,上車,然后等待公交車啟動(dòng).
下面估算一下?lián)Q乘比不換乘而多花的時(shí)間Δt.
由圖1可知,公交車到達(dá)交叉口時(shí),先到右站,后到左站.如果綠燈亮?xí)r到右站,在右站正常停車的時(shí)間為tstr,則到達(dá)右站為紅燈時(shí),不換乘時(shí)等待的時(shí)間為trw
trw=tstr+trwe,
(1)
其中,trwe為紅燈期間在右站額外要等待的時(shí)間,trwe≥0.tstr定義為:到達(dá)右站時(shí),如果前方為綠燈,從停車到啟動(dòng)這段時(shí)間,它不是一個(gè)常數(shù),跟上車的乘客多少有關(guān),乘客越多,其值越大.
下面分右站下車換乘和左站下車換乘2種情況進(jìn)行討論,以來自南方的公交車流SB為例.
1)右站下車換乘
不換乘時(shí)要??磕嫌艺?、北左站2個(gè)站,紅燈期間還要額外等待,北左站??繒r(shí)不等待信號(hào)燈,所以,不換乘時(shí)在交叉口等待的總時(shí)間為Tr
tr=tstr+trwe+tstl,
(2)
其中,tstr為南右站停車的時(shí)間,tstl為北左站停車的時(shí)間.
換乘站是東左站,換乘時(shí)所花的時(shí)間是Trc
Trc=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw,
(3)
其中,
tgf:下車的時(shí)間.
tfoot:步行到換乘站的時(shí)間.
tcw: 到達(dá)換乘站后等車的時(shí)間,tcw≥0.
tgn: 上車的時(shí)間.
tgnw:上車后等待公交車啟動(dòng)的時(shí)間.
換乘比不換乘多花的時(shí)間為Δtr
Δtr=Trc-Tr=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw-tstr-trwe-tstl,
(4)
有些情況下,tcw=0,此時(shí)
Δtt=tgf+tfoot+tgn+tgnw-tstr-trwe-tstl,
(5)
tgf和tgn一般較小,如果步行時(shí)間tfoot較小,tgnw也較小,而tstr和tstl較大(例如,上車乘客較多),trwe也較大時(shí),則可能會(huì)出現(xiàn)Δtr≤0.
上述公式推導(dǎo)沒有考慮到幾輛公交車同時(shí)停靠一個(gè)站的情況,這種情況下出現(xiàn)Δtr≤0的幾率更多.
這個(gè)計(jì)算結(jié)果表明,右站下車換乘時(shí)額外多花的時(shí)間并不一定大,有些情況甚至為負(fù)值,表明這種情況下,換乘更省時(shí)間,即換乘時(shí)先離開交叉口.
2)左站下車換乘
計(jì)算時(shí)間差時(shí),在北左站停車時(shí)開始計(jì)時(shí).
不換乘時(shí)等待的時(shí)間為T1=tstl,
換乘站是東右站,換乘時(shí)花費(fèi)的時(shí)間為
Tlc=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw,
(6)
換乘比不換乘多花費(fèi)的時(shí)間為Δt1,
Δt1=T1c-T1=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw-tstl,
(7)
有些情況下,tcw=0,此時(shí)
Δt1=T1c-T1=tgf+tfoot+tgn+tgnw-tstl,
(8)
一般情況下,Δt1>0,表明左站下車換乘一般比不換乘要多花時(shí)間,但如果在左站有幾輛公交車同時(shí)???,因?yàn)閾矶?,則T1=tstl+Tcong(Tcong為擁堵時(shí)間),可能會(huì)導(dǎo)致Δt1<0.
3)如何減少上車時(shí)間tgn
減少上車時(shí)間時(shí),停車時(shí)間tstr、tstl也就隨之減少.有2種方法可以參考,一個(gè)方法是售票機(jī)使用多個(gè)刷卡面,方便幾個(gè)乘客同時(shí)刷卡.另外一個(gè)方法是對(duì)??空具M(jìn)行設(shè)計(jì),在??空舅⒖?,然后排隊(duì)等候,車來時(shí)直接上車,可以大大減少上車的時(shí)間,特別適合于客流較大的交叉口.
先討論一般情況,不針對(duì)上述的“一路一線”布局.
對(duì)某一個(gè)相位j,共有Pj股交通流(不包括行人交通流),其中某一股交通流i的通行能力Nji的計(jì)算公式是
Nji=sjiλji,
(9)
其中,sji為飽和流率,λji為有效綠信比.
一個(gè)相位的通信能力等于該相位各股交通流的通行能力之和,一個(gè)交叉口的通行能力N等于所有相位的通行能力之和,可以表示為(其中M表示相位數(shù))
(10)
現(xiàn)在分析單獨(dú)一股交通流的通行能力Nji.它由飽和流率sji和有效綠信比λji決定.飽和流率可以通過實(shí)測(cè)或者使用某種模型計(jì)算出來,它受多種因素的影響,不是一個(gè)常數(shù)[9].有效綠信比受損失時(shí)間的影響.
λji=gji/C,
(11)
C為相位周期,gji為j相位的第i股交通流的有效綠燈時(shí)間,跟損失的綠燈時(shí)間有關(guān),公式如下[10].
gji=Gj+A+r-Lji損,
(12)
其中,
Gj:j相位的綠燈時(shí)間.
A:為黃燈時(shí)間,r為全紅時(shí)間,A和r可以視為常數(shù).
Lji損:第i股交通流損失的時(shí)間,一般指綠初損失與黃后損失之和,其實(shí)還可能有其他額外損失.用公式表示如下,其中l(wèi)eji表示額外產(chǎn)生的時(shí)間損失.
Lji損=l綠前+l黃后+leji,
(13)
下面分析能產(chǎn)生額外綠燈時(shí)間損失的幾種情況:
1)沖突.如果一個(gè)相位內(nèi)的交通流有沖突,則會(huì)產(chǎn)生額外的綠燈時(shí)間損失.例如,左轉(zhuǎn)車流和對(duì)面直行車流同時(shí)放行時(shí),左轉(zhuǎn)車流在尋找可插入空擋時(shí)會(huì)減速甚至停車等待.車流和行人有沖突時(shí)也會(huì)減速,產(chǎn)生時(shí)間損失.
2)直左車道.在綠燈放行期間,左轉(zhuǎn)車流和直行車流自動(dòng)分開,但這2股車流都不能密集通過路口,相當(dāng)于產(chǎn)生額外綠燈損失.
3)直右車道.當(dāng)排隊(duì)稍長(zhǎng)時(shí),右轉(zhuǎn)專用道的入口易被堵,右轉(zhuǎn)專用道被空閑,造成右轉(zhuǎn)車流時(shí)間損失,直行車流放行時(shí)也不能密集通過路口,產(chǎn)生時(shí)間損失.
本文對(duì)Nji的分析到此為止,針對(duì)前面提出的“一路一線”模式布局,Nji的計(jì)算公式推導(dǎo)比較復(fù)雜,可以參考現(xiàn)有的公式及其推導(dǎo)方法[10-15],但要考慮其特殊性,因?yàn)樗煌诋?dāng)前的交叉口布局,例如,它把右轉(zhuǎn)車流納入統(tǒng)一控制.
在飽和狀態(tài)或者過飽和狀態(tài)都能充分體現(xiàn)交叉口的通行能力,而在這2種狀態(tài)下,具有直右車道的交叉口,由于排隊(duì)較長(zhǎng),右轉(zhuǎn)專用道入口一般會(huì)被堵,此時(shí)右轉(zhuǎn)專用道被空閑,對(duì)通行能力的貢獻(xiàn)為零.根據(jù)上述分析,對(duì)本文提出的“一路一線”十字交叉口布局而言,相位內(nèi)交通流沒有沖突,包括與行人的沖突,進(jìn)口道不存在直左車道和直右車道,所以不會(huì)產(chǎn)生額外綠燈時(shí)間損失(即leji=0),同時(shí)每個(gè)相位內(nèi)交叉口路面的車道得到了充分利用,減少了空閑車道,這些因素表明:上述“一路一線”的布局可以提高通行能力.
下面討論的是車道數(shù)少于3和大于3的雙向道路十字交叉口的情況.
對(duì)1個(gè)車道的交叉口,進(jìn)口道要設(shè)置3個(gè),即把直行進(jìn)口道和左轉(zhuǎn)進(jìn)口道合并為一個(gè)進(jìn)口道,稱之為直左進(jìn)口道,右轉(zhuǎn)進(jìn)口道和公交進(jìn)口道不變.出口道設(shè)置2個(gè),即公交出口道和共享出口道,共享出口道就是把左轉(zhuǎn)出口道、直行出口道、右轉(zhuǎn)出口道合并而成的一個(gè)出口道, 此時(shí)保持相位方案不變,即可實(shí)現(xiàn)換乘方案.
對(duì)于2車道交叉口,進(jìn)口道要設(shè)置3個(gè),即把直行進(jìn)口道和左轉(zhuǎn)進(jìn)口道合并為一個(gè)進(jìn)口道,稱之為直左進(jìn)口道,右轉(zhuǎn)進(jìn)口道和公交進(jìn)口道不變.出口道設(shè)置3個(gè),和圖1中的出口道相同. 此時(shí)保持相位方案不變,即可實(shí)現(xiàn)換乘方案.
對(duì)大于3個(gè)車道的交叉口,進(jìn)口道仍然設(shè)置4個(gè),出口道設(shè)置3個(gè),和圖1所示相同.不同的是,其中有的進(jìn)口道含2個(gè)或者多個(gè)車道,有的出口道含2個(gè)或者多個(gè)車道.相位方案不變,即可實(shí)現(xiàn)換乘.
對(duì)于車道不對(duì)稱的情況,即4個(gè)方向的車道數(shù)不相同,此時(shí),4個(gè)方向單獨(dú)處理,每一個(gè)方向的處理方法不一定相同,方法如下:
如果是1個(gè)車道 或者2個(gè)車道,則進(jìn)口道要設(shè)置3個(gè),即把直行進(jìn)口道和左轉(zhuǎn)進(jìn)口道合并為一個(gè)進(jìn)口道,稱之為直左進(jìn)口道,右轉(zhuǎn)進(jìn)口道和公交進(jìn)口道不變,出口道設(shè)置相應(yīng)的處理,或者合并,或者分開.相位方案不變,即可實(shí)現(xiàn)換乘.
如果是3個(gè)車道或者大于3個(gè)車道,則設(shè)置4個(gè)進(jìn)口道,即左轉(zhuǎn)進(jìn)口道、直行進(jìn)口道,右轉(zhuǎn)進(jìn)口道,公交進(jìn)口道.出口道設(shè)置相應(yīng)的處理,或者合并,或者分開.相位方案不變,即可實(shí)現(xiàn)換乘.
本文針對(duì)“一路一線”模式提出的十字交叉口布局及相位設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)換乘方便,節(jié)省換乘時(shí)間,可避免交叉口客流擁擠,無交通流沖突,交叉口的通行能力和安全性都得到提高,付出的代價(jià)是對(duì)交通規(guī)則作了調(diào)整,即對(duì)右轉(zhuǎn)車流進(jìn)行控制,且公交站設(shè)置在交叉口,同時(shí)擴(kuò)大了交叉口的空間,包括增加了一條公交進(jìn)口道,以及由于人流密度增加需要增加斑馬線的寬度,這些對(duì)車流通過交叉口的延誤會(huì)產(chǎn)生一定影響.此外,跟當(dāng)前的布局相比,在欠飽和狀態(tài)時(shí)右轉(zhuǎn)車流的延誤會(huì)增加.
該方案簡(jiǎn)單而且易于實(shí)現(xiàn),因?yàn)槭致房诘牡缆犯脑煲?guī)模不大,交通信號(hào)控制機(jī)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件和軟件上的小修改即可實(shí)現(xiàn)交通燈及相位的要求,而且在相位上不要求對(duì)公交進(jìn)行優(yōu)先控制,簡(jiǎn)化了控制算法,是一種較為理想的換乘方案.
基于圖2 的布局不局限于只使用圖3的相位設(shè)計(jì),也可以使用其他相位方案.該方案對(duì)交通系統(tǒng)的影響,通行能力的定量計(jì)算公式,其他類型交叉口的布局等問題有待于進(jìn)一步研究.
“一路一線”模式目前處在理論探索階段,沒有實(shí)際案例,所以無法提供實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和仿真,只能從理論上進(jìn)行定性分析.