程可

摘 要：隨著小汽車保有量的增加，城市道路交通量大幅增長，平面交叉口作為城市道路中各類交通流的集散地。我國城市道路網(wǎng)中存在一部分間距過小的交叉口群，這些交叉口群周邊環(huán)境復雜、道路功能結(jié)構(gòu)紊亂，存在較多沖突點，極大地影響了道路整體通行能力。本文從平面交叉口渠化設計與信號控制出發(fā)，總結(jié)和評述以往對平面交叉口優(yōu)化設計的研究，并提出新型交叉口的設計方式，為研究方向提供一定思路。

關鍵詞：平面交叉口;渠化設計;信號控制;新型交叉口

0 引言

針對平面交叉口上述問題，最早提出交叉口渠化設計方法，渠化設計可以有效解決城市道路交通擁堵，提高行車速度和通行能力。但是，在城市交通網(wǎng)絡中，某個交叉口的交通狀態(tài)很大程度上受到相鄰交叉口的影響，因此許多學者致力于研究由多個交叉口組成的交叉口群信號控制問題，這是對整個交通網(wǎng)絡實施控制的基礎。

1 平面交叉口信號控制

1.1 國外研究現(xiàn)狀

交通信號控制技術主要經(jīng)歷了4次重要的發(fā)展階段，從最初的機械式到固定配時式，再到線控和區(qū)域交通控制技術，國外的研究都較為領先。1964年Gazis對平面交叉口交通流進行分析，提出了優(yōu)先考慮延誤的信號配時方法，Khatib構(gòu)思了一種綠信比優(yōu)化模型，可使路網(wǎng)通行能力最大化，以此緩解路網(wǎng)中車輛擁擠狀況。2015年David K.Hale等人提出了孤立信號交叉口的最優(yōu)信號配時。

1917年，美國鹽城應用了世界上第一個手動控制的干線控制系統(tǒng)，可以同時控制6個交叉口。1994年，美國ITS研究室的Rekhas.Pillai和Ajay K.Rathi提出了在支路有限的交通系統(tǒng)中得到最大線控帶寬的方法，并介紹了一種獲得最大帶寬的啟發(fā)式的方法MILP（Mixed Integer Linear Progamming）的形成和發(fā)展過程，以及基于MILP的MAXBAND線控軟件的優(yōu)缺點，并提出了改進方法。1999年日本研究者Inoue和Takeshi仿真了交通狀況，并用事件掃描法評價信號設計方案，研究了在高峰時段擁擠狀態(tài)下信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相位差的設計方法。2001年美國學者Abbas和Moniasis提出了一種交通信號相位差的轉(zhuǎn)換運算方法，在優(yōu)化過程中考慮交通量和占有率影響，該方法與傳統(tǒng)信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有較好的兼容性。2015年Mike Smith提出了一種動態(tài)分配和控制模型，該模型可以計算階段性綠燈時間。2017年S.M.A. Bin Al Islam等學者以串聯(lián)街道網(wǎng)絡為研究對象，提出了分布式協(xié)調(diào)的信號優(yōu)化方法。隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，智能優(yōu)化算法也應用于交通信號協(xié)調(diào)控制中，其中很有價值的研究方法是利用開發(fā)自適應動態(tài)規(guī)劃（ADP）和增強學習（RL）方法來優(yōu)化復雜動態(tài)系統(tǒng)的性能。該研究得到了越來越多的關注，Ling等人研究了通過多個強化學習（RL）對一系列連續(xù)信號交叉口進行操作，從而實現(xiàn)自動的有軌電車群控。Salkham等開發(fā)了一種用于城市環(huán)境中最優(yōu)交通控制的協(xié)同強化學習方法。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學者在平面交叉口信號控制研究上也取得較好成果。1998年顧懷中與王煒針對我國城市道路平面交叉口的交通流特性，提出了以延誤時間、停車次數(shù)和通行能力為優(yōu)化目標函數(shù)的模擬退火全局優(yōu)化算法，能根據(jù)交通需求調(diào)整目標函數(shù)，以適應平面交叉口的混合交通特性[1]。2003年葛亮等人基于我國城市交通特點，在現(xiàn)有的信號相位設計基礎上，計算各方向車流的延誤，并以計算出的延誤為優(yōu)化目標，研究了混合交通情況下相位設計方案，提出了多相位控制的信號配時優(yōu)化方法[2]。高海軍、陳德望、陳龍考慮到我國道路上非機動車輛較多，改進了Webster信號配時公式，提出適合我國的平面交叉口信號配時計算公式[3]。2005年楊兆升與王爽闡述了平面交叉口單點信號配時設計的方法流程，以及各種交通信號配時參數(shù)的確定方法、標準及依據(jù)，并將其應用于實際的交叉口，在已有的配時方案基礎上，設計了多個適用于不同時段的新方案，并利用Vissim進行仿真模擬，從仿真的結(jié)果中選擇適當?shù)膮?shù)進行綜合比較，最終選出最佳方案[4]。2007年北京交通大學邵春福、陳曉明闡述了行人定時信號控制研究的方法，給出行人信號配時設計步驟，促進了行人信號控制研究的發(fā)展[5]。

我國在交叉口群的信號協(xié)調(diào)控制研究上也有新的進步。雷磊等人在2010年提出基于系統(tǒng)工程的方法，構(gòu)建了過飽和交叉口群系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學模型，并提出了求解方法以實現(xiàn)優(yōu)化目標，從而建立群系統(tǒng)的全局最優(yōu)化[6]。2011年牟海波、俞建寧以交叉口群為研究對象，提出了模糊控制器和特殊情況控制器組成的分布式控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)仿真，說明了該系統(tǒng)在不同情況下能夠適應交通流的變化[7]。

2 新型平面交叉口

近幾年，學者意識到左轉(zhuǎn)車輛會顯著降低交叉口通行能力，由此提出一些非常規(guī)平面交叉口設計來試圖轉(zhuǎn)移或消除左轉(zhuǎn)彎的沖突。2011年Xuan等學者提出了串聯(lián)交叉路口（TI），在入口道處將左轉(zhuǎn)車輛和直行車輛分別排成一排，因此在綠燈時間內(nèi)每種交通流都可以使用所有車道。

這些非常規(guī)平面交叉口設計可以增加交叉口通行能力，但是需要額外的土地來設置子交叉口和預信號，此外，子交叉口和預信號將增加車輛的停車時間和延誤時間。為了改善這些問題，2018年Sun等學者提出了自動駕駛車輛在交叉口的通行方案，稱為MCross，這是基于信號控制的最大通行能力交叉口方案。由于自動駕駛的推廣仍需時間，于是2019年Li提出了對稱相交（SI）的概念，車輛遵循左轉(zhuǎn)交通規(guī)則并在左側(cè)行駛，SI僅需要三個信號相位來分離所有沖突，因此，當信號周期長度相同時，對稱交叉口可為左轉(zhuǎn)車輛和直行車輛提供更長的綠燈時間。Jiang在2017年提出直行等待區(qū)域（TWA），將SI的特殊布局變得更加容易，TWA位于停車線之外，可作為專用直行車道的延伸，可以增加單位時間內(nèi)交叉口的直行車輛量。

3 現(xiàn)狀評價與未來發(fā)展

3.1 研究現(xiàn)狀評價

對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，國外在各個方面的研究相對領先國內(nèi)，我國在國外研究的基礎上進行深入研究，創(chuàng)建出適合我國國情的方法、指標、模型、原則等，在未來將不斷的進行改善和創(chuàng)新。

對于平面交叉口渠化設計，國內(nèi)考慮交通流特征后采用幾何設計、渠化設計以及交通組織設計等優(yōu)化方法，對影響交叉口通行能力的因素進行匯集，構(gòu)建多目標動態(tài)決策優(yōu)化模型。但是，由于影響因素較多，很多模型并不能全面包含。而且渠化設計在土地資源緊張的情況下，可能需要占用額外的土地資源，導致效果并不明顯，不能滿足不斷增長的交通需求，由此需要在交叉口規(guī)劃時預留一定的改建擴建空間。并且國內(nèi)外基本是針對單個交叉口或距離較近的兩個錯位交叉口的渠化設計，基本上沒有針對區(qū)域內(nèi)的平面交叉口做整體渠化設計。

針對交叉口群的研究，國內(nèi)外現(xiàn)有的交叉口群信號協(xié)調(diào)控制的理論和方法比較全面，對于城市交通的管控起到了正向作用，在很大程度上提高了道路通行能力，減少了車輛的延誤并降低擁堵的幾率，學者提出的各種信號優(yōu)化算法都在不斷的改進和優(yōu)化中。但目前僅針對距離較近的已有的交叉口整體進行優(yōu)化研究，沒有在道路規(guī)劃設計階段進行整體研究。所以在今后的城市道路發(fā)展建設中，應當在規(guī)劃階段將信號協(xié)調(diào)控制的思想融入其中，對一條線路或一個片區(qū)的平面交叉口進行協(xié)調(diào)控制，提高道路網(wǎng)的通行能力和服務水平，增強交叉口之間協(xié)調(diào)聯(lián)動性，減少交通擁堵帶來的不便利。

對于現(xiàn)提出的新型非常規(guī)平面交叉口，能夠有效減少交叉口功能區(qū)內(nèi)的沖突點和交織區(qū)，提高交叉口安全性能的同時緩解交通擁堵，但是新型交叉口的設計存在以下問題：（1）大多新型交叉口可能需要更多的土地來設置子交叉口、分隔帶等;（2）在新型交叉口中存在復雜的車道變道問題，會帶來一定的混亂;（3）子交叉口和預信號的設置將增加車輛的停車時間和交通延誤。

3.2 未來發(fā)展趨勢

上述存在的不足即可成為未來研究的方向，在此提出其它新的交叉口研究趨勢：（1）平面交叉口中車輛與行人之間的關系，尤其是行人安全過街和行人過街延誤問題;（2）公交車在城市的公共交通系統(tǒng)中必不可少，因為其行駛速度較低且車型較為龐大，在平面交叉口中運行將帶來一定阻礙影響，尤其當平面交叉口附近有公交站點時，如何規(guī)劃公交車的行駛路徑和乘客過街等問題將越發(fā)重要;（3）新型非常規(guī)交叉口設計會因特殊布局而使駕駛員駛?cè)虢徊婵跁r感到困惑，但是自動駕駛汽車將克服這一缺點，因此，當自動駕駛逐漸普遍時，在平面交叉口設計信號控制及處理自動駕駛車輛的行駛軌跡將成為新的研究熱點。

參考文獻：

[1]顧懷中，王煒.交叉口交通信號配時模擬退火全局優(yōu)化算法[J].東南大學學報，1998（3）：70-74.

[2]葛亮，王煒，陳學武，等.信號控制交叉口配時優(yōu)化研究[J].交通與計算機，2003（5）：7-10.

[3]高海軍，陳德望，陳龍.混合交通流環(huán)境下信號配時研究[J].公路交通科技，2003（4）：80-83+91.

[4]楊兆升，王爽.基于Vissim仿真軟件的交通信號配時研究[J].交通與計算機，2005（1）：7-11.

[5]邵春福，陳曉明.信號交叉口行人定時控制方法研究綜述與展望[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2007（5）：18-23.

[6]雷磊，吳洋，劉昱崗.過飽和交叉口群系統(tǒng)建模及優(yōu)化模型[J].計算機工程與應用，2010（4）：26-28.

[7]牟海波，俞建寧.城市交叉口群交通信號控制研究[J].蘭州交通大學學報，2011（6）：106-110.