白如意，汪 濤，付晶燕，趙 靖BAI Ruyi, WANG Tao, FU Jingyan, ZHAO Jing

（1. 上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海 200093；2. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3. 中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100044）

0 引 言

隨著交通需求的劇增，城市道路負(fù)荷也隨之急劇增長，提高交叉口運(yùn)行效率可以有效地改善道路整體狀況。但大量實(shí)踐表明，建設(shè)大量交通基礎(chǔ)設(shè)置，管控路面上的車流，已經(jīng)難以滿足道路發(fā)展的需要。加強(qiáng)交通基礎(chǔ)建設(shè)已是優(yōu)化交通管控的傳統(tǒng)措施，而在當(dāng)下以及未來，相對于路網(wǎng)改造，交叉口的信號配時已成為解決擁堵的重要手段，它可以節(jié)省成本，提高通行效率，更好地發(fā)揮交通信號的作用。

交叉口作為道路通行能力、路網(wǎng)通行效率的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一直是國內(nèi)外專家學(xué)者的研究重點(diǎn)。韓義磊從車道功能劃分和信號配時兩方面提出對交叉口的交通組織優(yōu)化設(shè)計方案，并利用VISSIM 進(jìn)行優(yōu)化前后建模仿真，論證了交通組織優(yōu)化設(shè)計方案的可行性；徐琛輝在對機(jī)動車、非機(jī)動車及行人流的自身特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，提出了混合交叉口交通信號配時優(yōu)化方法；陳凱佳利用VISSIM 仿真軟件對待行區(qū)設(shè)置進(jìn)行了微觀建模仿真，在不改變交叉口幾何布局的基礎(chǔ)上，以儲備最大通行能力為目標(biāo)，確定了待行區(qū)設(shè)置方式的適用條件。

綜上，目前對于優(yōu)化信號配時以提高交叉口通行能力已有相關(guān)研究，但是對于重新進(jìn)行相位方案設(shè)計來減少交通沖突，使得交叉口的通行秩序更為井然的考慮較少，本文將結(jié)合碳排放的分析強(qiáng)化交叉口優(yōu)化的結(jié)果。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，以提高交叉口通行能力為目標(biāo)，在仿真建模下對比分析延誤時間、停車次數(shù)、排隊長度以及交叉口尾氣排放等因素，給出提高交叉口通行能力的優(yōu)化方案。

1 交叉口概況

1.1 交叉口性質(zhì)和沿線環(huán)境

八一南街—賓虹路交叉口是由東西向的賓虹路和南北向的八一南街交匯而成的。本交叉口是金華市一個非常典型的由主干路相交的大型“十字”信號控制交叉口，交叉口面積較大，達(dá)600 多平方米。交叉口處設(shè)有紅綠信號燈控制、監(jiān)控設(shè)置、電子警察，四周標(biāo)志標(biāo)線齊全。通過觀察，交叉口存在行人、自行車橫穿馬路，機(jī)動車與非機(jī)動車、行人沖突的現(xiàn)象。

八一南街是金華市的主要干道之一，北起通濟(jì)橋，南至330 國道，承擔(dān)著較大的南北向交通量；賓虹路也是一條主要干道，沿線布置眾多商場、裝飾店、餐飲店，承擔(dān)著較大的東西向交通量。故八一南街—賓虹路交叉口也是金華市的重要交叉口之一，組織好此交叉口的交通對整個區(qū)域交通意義重大。

八一南街—賓虹路交叉口，南北進(jìn)口采用5 進(jìn)3 出的形式，左、直、右分道行駛；東西進(jìn)口采用4 進(jìn)2 出的形式，左、直、右分道行駛，如圖2 所示。

圖1 八一南街—賓虹路交叉口衛(wèi)星圖

圖2 八一南街—賓虹路交叉口機(jī)動車道分布情況示意圖

1.2 現(xiàn)狀信號控制特征

按照相位階段，現(xiàn)狀相位可分為4 個相位階段（如圖3 所示），南、北和東、西兩個主相位均采用左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，東、西向右轉(zhuǎn)始終開啟，行人與機(jī)動車直行同時放行，非機(jī)動車采用與機(jī)動車相同的放行方式。

圖3 交叉口現(xiàn)狀相位圖

按照車流劃分，現(xiàn)狀可分為4 個相位，現(xiàn)狀周期時長104s，黃燈時間2s。相位間轉(zhuǎn)換時，插入黃燈。依據(jù)交通調(diào)查員反饋的信號燈時長數(shù)據(jù)，統(tǒng)計的現(xiàn)狀信號燈配時方案如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)狀配時圖

1.3 車流量現(xiàn)狀

本次調(diào)查用人工計數(shù)法對機(jī)動車進(jìn)行了12 小時（7:00～19:00） 分流向和車型的調(diào)查，調(diào)查于八一南街和賓虹路交匯處進(jìn)行，4 位調(diào)查員于每個進(jìn)口道實(shí)時記錄車流量的數(shù)據(jù)。本文選取調(diào)查期間交叉口流量最高的10:00～11:00 作為優(yōu)化時段，將交通量按車型折算后的車流量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 交叉口機(jī)動車交通量匯總表

2 信號配時優(yōu)化

2.1 相位方案設(shè)計

（1） 左轉(zhuǎn)保護(hù)相位

左轉(zhuǎn)保護(hù)相位的判斷以2 相位為起點(diǎn)，即在相關(guān)參數(shù)（如穿越對向車道數(shù)和對向交通量等） 的數(shù)值是以2 相位為前提的。南、北出口有3 條出口道，東、西出口有2 條出口道，根據(jù)表2 左轉(zhuǎn)保護(hù)相位設(shè)置判斷，每個進(jìn)口道都需要設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位。

情況 3.1 {4,5}是Y中頂點(diǎn)色集合,則C2∪C3中至多有6個集合,設(shè)為C1,C2,C3,C4,C5,C6不是Y中頂點(diǎn)色集合。由{4,5}是Y中頂點(diǎn)色集合,可得:C(ui), i=1,2,…,10,或C(ui), i=1,2,…,10,不妨設(shè)前者成立。由于C(ui)≠C(vj),從而每個C(ui)只能是以下集合之一:{1,4},{2,4},{3,4},C1,C2,C3,C4,C5,C6,矛盾。

表2 左轉(zhuǎn)保護(hù)相位設(shè)置判斷

（2） 右轉(zhuǎn)相位的設(shè)置

根據(jù)交叉口交通流的狀況，由于已經(jīng)確定設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，可利用交叉口道路左轉(zhuǎn)保護(hù)相位來設(shè)置右轉(zhuǎn)保護(hù)相位，由于每個進(jìn)口道都只有一條右轉(zhuǎn)車道，因此右轉(zhuǎn)采用與對向左轉(zhuǎn)同步放行的形式。

根據(jù)上述方案，設(shè)置相位的連接，確定完整的相位初始方案（如圖5 所示）。由于每個主相均采用滯后左轉(zhuǎn)相位的形式，所以兩個主相間的連接形式為左轉(zhuǎn)接直行，此種連接形式兼容性較好，能夠滿足需求。

圖5 初步相位方案

2.2 優(yōu)化后信號配時方案

（1） 黃燈時間

其中：Y 為黃燈時間（s）；t為駕駛員反應(yīng)時間（s），一般取1.0s；s為進(jìn)口道85%位車速（m/s），可用平均車速代替；a為減速度（m/s），可取3m/s。

（2） 全紅時間

其中：AR 為全紅時間（s）；w 為交叉口需清空的寬度，從停車線到最遠(yuǎn)沖突車道中心線的距離（m），此處取15m；l 為車身長度（m），一般取6.1m；s為進(jìn)口道15%位車速（m/s），可用平均車速代替。

（3） 信號周期時長

（4） 綠信比和綠燈時間分配

其中：V為一股關(guān)鍵車流的關(guān)鍵交通量（vph）；V為關(guān)鍵交通量總和（vph），這里為1 224vph；G為周期總有效綠燈時間（s）。

通過行人過街所需要的時間作為最短綠燈時間，檢驗上述計算的顯示綠燈時間是否滿足設(shè)計要求，根據(jù)Webster 方法計算得到，優(yōu)化后的周期時長為123s，黃燈時間為2s，全紅時間為2s，且行人相位時間滿足小于綠燈時間。最終配時方案分為4個相位階段，與初始相位方案一致，南、北和東、西兩個主相均采用左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，行人與機(jī)動車同時放行，非機(jī)動車采用與機(jī)動車相同的放行方式。

3 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比分析

3.1 交叉口仿真

VISSIM 是德國PTV 公司開發(fā)的微觀仿真軟件，它可以綜合考慮各種影響路網(wǎng)運(yùn)行的因素，例如車道類型、車輛種類、信號控制等，通過周期運(yùn)行，產(chǎn)生評價路網(wǎng)服務(wù)水平及運(yùn)行效率的結(jié)果。本文采用VISSIM 微觀仿真軟件對八一南街—賓虹路交叉口進(jìn)行交通仿真分析，分別在4 個進(jìn)口道處設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，信號燈設(shè)置以及優(yōu)化后的仿真效果圖如圖7 所示。

圖7 交叉口仿真效果圖

3.2 仿真結(jié)果分析

提高交叉口的通行效率是優(yōu)化信號配時的主要目標(biāo)，機(jī)動車在交叉口產(chǎn)生的有害氣體是造成環(huán)境污染的重要原因，因此，本文選取平均停車延誤、平均停車次數(shù)、平均排隊長度以及尾氣排放相應(yīng)參數(shù)作為輸出指標(biāo)，信號配時方案優(yōu)化前后的參數(shù)輸出如表3 及表4 所示。對優(yōu)化前后的信號配時方案進(jìn)行對比分析。

表3 優(yōu)化前后交叉口通行效率評價

表4 優(yōu)化前后交叉口尾氣排放量參數(shù)評價

圖6 信號優(yōu)化配時圖

由交叉口優(yōu)化前后的評價參數(shù)可得，雖然南北方向在通行效率上有所降低，但是東西方向車流的效率有十分明顯的提高，因此，總體來說，交叉口的整體效率在優(yōu)化后會有明顯的提高，尾氣排放量將會出現(xiàn)明顯的下降。整體交叉口的通行效率參數(shù)對比如表5 所示，可以明顯得到優(yōu)化后的交叉口信號配時方案與現(xiàn)狀的配時方案總體車均延誤降低了17.33%，總體停車次數(shù)降低了21.13%，平均排隊長度降低了36.51%，交叉口通行效率得到了顯著的提高；尾氣排放物及油耗也有所減少，對環(huán)境影響有一定的積極作用。

表5 交叉口信號配時優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展和人民生活水平的提高，在一些中小城市，人們的出行方式逐漸向小汽車轉(zhuǎn)移，這使得汽車保有量不斷增加從而導(dǎo)致道路通行能力下降。在不改變交叉口幾何形態(tài)以及減少人力物力的消耗，優(yōu)化交叉口信號配時是目前較普遍的優(yōu)化措施。目前，我國關(guān)于大城市的信號交叉口交通組織優(yōu)化研究已非常成熟，但是一些中小城市的交通組織特征與大城市有所不同，因此關(guān)于信號交叉口的配時優(yōu)化方案需要進(jìn)一步研究。

本文以金華市八一南街—賓虹路交叉口為例，通過調(diào)查所得的數(shù)據(jù)，采用韋伯斯特配時法，結(jié)合交叉口的實(shí)際情況對信號燈重新配時，利用VISSIM 仿真軟件對優(yōu)化前后進(jìn)行仿真建模，以平均停車延誤、平均排隊長度、尾氣排放參數(shù)對優(yōu)化效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后整體交叉口的運(yùn)行效率有明顯提高以及尾氣排放量有所減少。本文的研究成果可以為中小城市在不改變交叉口形態(tài)的條件下，對提高交叉口運(yùn)行效率提供參考。