李子木 劉曉佳

(1.集美大學(xué) 航海學(xué)院，福建廈門 361021； 2.集美大學(xué) 海上交通安全研究所，福建廈門 361021)

城市道路交叉口交通流不對(duì)稱現(xiàn)象是由車輛到達(dá)情況與信號(hào)交叉口的信號(hào)配時(shí)方案不符造成。城市道路中多數(shù)交叉口所使用的信號(hào)控制方案主要針對(duì)常見的十字形對(duì)稱式交叉口，交叉口交通流與信號(hào)控制方案的不匹配導(dǎo)致交叉口在運(yùn)行中存在某一路段出現(xiàn)空放的現(xiàn)象，從而降低車輛綠燈利用率，造成交叉口時(shí)空資源浪費(fèi)。其次，由于城市交通的實(shí)際發(fā)展與規(guī)劃存在偏差，現(xiàn)有的道路結(jié)構(gòu)不能夠很好地處理交通流，也導(dǎo)致了目前此類交叉口交通流不對(duì)稱現(xiàn)象。目前，關(guān)于不對(duì)稱交通流交叉口的優(yōu)化問題引起了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。姬利娜[1]根據(jù)綠波協(xié)調(diào)控制需求，進(jìn)行獨(dú)特的搭接相位設(shè)計(jì)，并在相位差的計(jì)算過程中考慮各路段行駛車速和紅燈排隊(duì)車輛的影響。Ma[2]等人提出一種自適應(yīng)交叉口到達(dá)交通流的信號(hào)控制方式，通過設(shè)定好的系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化交叉口的綠燈時(shí)間及配時(shí)方案，有效地減少排隊(duì)長度過長，車輛延誤較大等問題。屈曉光[3]針對(duì)不對(duì)稱交通流，運(yùn)用模糊分析法，提出了一種可變相位的交通信號(hào)燈控制方法，并且設(shè)計(jì)出了配套的信號(hào)控制器，通過信號(hào)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口的流量進(jìn)行計(jì)算與信號(hào)的配時(shí)方案的實(shí)行，最后通過實(shí)例仿真得出該方法優(yōu)于普通區(qū)域交叉口信號(hào)控制。李碩[4]對(duì)城市交通流不對(duì)稱信號(hào)交叉口相位相序的模型進(jìn)行研究，提出了相位矩陣的表示方法，并結(jié)合交通流不對(duì)稱的約束條件，使用MATLAB軟件構(gòu)造干道交叉口的相位相序結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，采用遺傳算法求得最小總延誤。魏雙秋，潘義勇[5]總結(jié)潮汐交通流的形成原因，提出新的車道方案設(shè)計(jì)與運(yùn)行組織方式，基于vissim仿真驗(yàn)證潮汐車道方案的優(yōu)越性。張?zhí)┪?、張存保等[6]提出設(shè)置逆向動(dòng)態(tài)可變車道來緩解交叉口傳統(tǒng)信號(hào)控制方案難以滿足不對(duì)稱交通流的情況，且補(bǔ)充了逆向可變車道切換控制方法的判斷條件。梅朵,鄭黎黎等[7]構(gòu)建城市區(qū)域交通信號(hào)控制與誘導(dǎo)協(xié)同的一體化模型，并改進(jìn)遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解與驗(yàn)證。蔣賢才、于晨[8]分析了不對(duì)稱交通流交叉口確定參數(shù)的閾值變化和不對(duì)稱信號(hào)周期對(duì)交叉口車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響。綜上所述，不對(duì)稱交通流還有很大的研究空間。目前對(duì)于交叉口的優(yōu)化方式分為實(shí)時(shí)調(diào)整與預(yù)測(cè)調(diào)整兩種。本文采取預(yù)測(cè)調(diào)整優(yōu)化方式，重點(diǎn)研究不對(duì)稱交通流特性的交叉口信號(hào)控制與交通組織的預(yù)先優(yōu)化，并基于VISSIM仿真軟件得到評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性與可行性。為了更好地解決交通流不對(duì)稱這一問題，本文通過調(diào)查所得的交叉口相關(guān)數(shù)據(jù)來研究不對(duì)稱交通流的特性與優(yōu)化交通組織設(shè)計(jì)，并利用NEMA結(jié)構(gòu)相位來緩解不對(duì)稱交通流沖突情況，減少由于車輛沖突導(dǎo)致的時(shí)間資源浪費(fèi)，從而進(jìn)一步地提升道路的通行能力，將交叉口的時(shí)間-空間資源利用率提升到最大。

1 非對(duì)稱交通流交叉口問題分析與解決方案

1.1 不對(duì)稱交通流的定義

不對(duì)稱交通流是指在同一相位相對(duì)流向交通量差值較大，但滿足既定條件的交通流。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]定義交叉口相位交通流不對(duì)稱判定標(biāo)準(zhǔn)為

(1)

式(1)中：aci為第i相位的交通流不對(duì)稱系數(shù)；qi1為第i相位第一進(jìn)口道單車道信號(hào)周期到達(dá)交通量,pcu/cycle;qi2為第i相位第二進(jìn)口道單車道信號(hào)周期到達(dá)交通量,pcu/cycle；比較aci與aci-aci0的正負(fù)，判斷交通流是否對(duì)稱，aci0為第i相位交通流不對(duì)稱的閾值，文獻(xiàn)指出當(dāng)aci0為0.2時(shí)，判定效果最好。

1.2 問題分析與解決方案

交叉口的發(fā)展是動(dòng)態(tài)與復(fù)雜的，由于道路預(yù)先規(guī)劃與實(shí)際情況不符，加上車輛的到達(dá)分布不均勻，導(dǎo)致交叉口交通流的不對(duì)稱。當(dāng)預(yù)先設(shè)置的信號(hào)配時(shí)方案與道路地面交通組織不能夠很好地疏散交通流，就會(huì)出現(xiàn)一方進(jìn)口道排隊(duì)長度較長，路段發(fā)生堵塞；另一方向車道放空，綠燈利用效率極低，浪費(fèi)道路-時(shí)間資源。

為了緩解上述問題，提升交叉口車輛的綠燈時(shí)間利用率，本文設(shè)計(jì)了不對(duì)稱交通流交叉口的時(shí)空資源優(yōu)化方案，該方案由兩部分組成。第一部分：對(duì)道路交通組織進(jìn)行優(yōu)化。在可利用的道路環(huán)境上調(diào)整車道數(shù)量，有效地均衡道路網(wǎng)上的車流，合理規(guī)劃其行駛路線，降低不同車道之間的干擾；第二部分：對(duì)信號(hào)控制方案進(jìn)行優(yōu)化，提出不對(duì)稱交通流的信號(hào)相位選擇模型與交叉口信號(hào)配時(shí)模型。對(duì)于不同情況的不對(duì)稱交通流給出對(duì)應(yīng)相位方案，并轉(zhuǎn)換各進(jìn)口道的交通量為直行當(dāng)量，來減少車輛沖突的影響。再在NEMA相位結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化webster法中相位總流率比、有效綠燈時(shí)長的計(jì)算方法，使得到的方案更加貼合道路實(shí)際情況。最終通過VISSIM軟件進(jìn)行仿真，分析優(yōu)化前后交叉口車輛的行程時(shí)間、延誤時(shí)間與進(jìn)口道車輛排隊(duì)長度變化情況。

2 優(yōu)化模型

2.1 不對(duì)稱交通流交叉口信號(hào)相位

通過了解上節(jié)提出的不對(duì)稱交通流的定義可以得知，交通流不對(duì)稱情況并不唯一。本文分類討論交叉口不對(duì)稱交通流的分布情況，并運(yùn)用NEMA雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相位，來避免由于傳統(tǒng)信號(hào)交叉口配時(shí)與不對(duì)稱交通狀態(tài)不符導(dǎo)致車道綠燈時(shí)間內(nèi)空放的情況，緩解交叉口不對(duì)稱交通流時(shí)間資源的浪費(fèi)。

NEMA相位控制模式有效的避免了對(duì)向沖突車流同時(shí)放行帶來的干擾，一方面有效的保障了交叉口的安全，另一方面通過靈活的調(diào)整控制環(huán)上的信號(hào)相位，達(dá)到降低行車沖突、減少綠燈時(shí)間的浪費(fèi)的目的。

通過分析，對(duì)向交通流不對(duì)稱狀態(tài)主要有以下幾種狀態(tài)：

2.1.1直行交通流對(duì)稱、左轉(zhuǎn)交通流不對(duì)稱或左轉(zhuǎn)交通流對(duì)稱而直行交通流不對(duì)稱

上述兩種狀態(tài)類似，以直行交通流對(duì)稱、左轉(zhuǎn)交通流不對(duì)稱為例。該情況進(jìn)口道直行車輛可雙向車道同時(shí)放行。對(duì)于左轉(zhuǎn)車輛來說，若同時(shí)放行，會(huì)導(dǎo)致一側(cè)進(jìn)口道綠燈時(shí)間利用率比較低；若采取單向進(jìn)口道直左同時(shí)放行，又無法解決車道利用不均的問題。該情況的相位方案設(shè)置首先需要判斷左轉(zhuǎn)車流是否達(dá)到設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位的標(biāo)準(zhǔn)，若需要設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，則以左轉(zhuǎn)車道關(guān)鍵流量比較小的為優(yōu)，進(jìn)行放行；若不需要，則以單向進(jìn)口道依次直左放行。

2.1.2 左轉(zhuǎn)交通流與直行交通流同側(cè)不對(duì)稱

該情況需要設(shè)置進(jìn)口道左轉(zhuǎn)專用相位。同時(shí)放行對(duì)向左轉(zhuǎn)車輛，當(dāng)流量低的一側(cè)車輛通行完畢之后，該向左轉(zhuǎn)停止放行，對(duì)向左轉(zhuǎn)車輛繼續(xù)放行，與此同時(shí)放行直行車輛。當(dāng)左轉(zhuǎn)車流通行完畢之后，相位中同時(shí)放行對(duì)向直行車輛，直至結(jié)束。

2.1.3 左轉(zhuǎn)交通流與直行交通流對(duì)側(cè)不對(duì)稱

該情況無論采取對(duì)稱放行還是單進(jìn)口放行都會(huì)存在綠燈時(shí)間進(jìn)口道空放的情況。為了增強(qiáng)對(duì)綠燈時(shí)間的利用，采取同時(shí)放行直行與左轉(zhuǎn)進(jìn)口道的方法，且各相位的綠燈時(shí)間僅滿足兩進(jìn)口道交通量差值的一半，未通行的車輛滯留入下個(gè)信號(hào)周期，再做考慮。

2.2 交叉口信號(hào)配時(shí)模型

通過計(jì)算各個(gè)進(jìn)口道的關(guān)鍵流率比，確定關(guān)鍵車流，計(jì)算信號(hào)交叉口損失時(shí)間，采用webster法求的交叉口信號(hào)周期[9]。傳統(tǒng)webster法計(jì)算公式見式 (2)-式(7)。

傳統(tǒng)的信號(hào)相位總流率比為

(2)

I=A+AR,

(3)

(4)

(5)

傳統(tǒng)有效綠燈時(shí)長為

(6)

(7)

本文針對(duì)NEMA相位結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)的Vissim方案進(jìn)行優(yōu)化，使其更適用于不對(duì)稱交通流交叉口車流實(shí)際情況。

在上式(2)基礎(chǔ)上NEMA相位總流率比可以表示為

(8)

在上式(6)基礎(chǔ)上NEMA有效綠燈時(shí)長表示為

(9)

(10)

式(2)中Y為組成信號(hào)周期全部相位的各個(gè)最大流量比之和；yj,yj′為第j相位的流量比；qd為關(guān)鍵交通量，pcu/h；Sd為設(shè)計(jì)飽和流量，pcu/h；式(3)中I為路燈間隔時(shí)間，s；AR為全紅時(shí)間，s，根據(jù)道路實(shí)際情況,全紅時(shí)間取1.0 s；式(4)中L為周期的信號(hào)損失時(shí)間；Ls是啟動(dòng)損失時(shí)間，s，常取3 s；k為一個(gè)周期內(nèi)綠燈間隔數(shù)；A為黃燈時(shí)間，s，常取3 s；式(5)中C為信號(hào)周期總時(shí)長，s，為了便于控制，對(duì)計(jì)算周期取整為5的倍數(shù)；j為信號(hào)周期內(nèi)相位數(shù)；式(6)中g(shù)ej為第j相位的有效綠燈時(shí)長，s；式(7)中g(shù)min為行人最短過街時(shí)間，Lp為行人過街長度，m；vp行人過街速度，m/s，取1 m/s。式(8)中yi,j為第i個(gè)環(huán)上第j位的流量比值；式(9)中g(shù)ei,j為第i環(huán)上第j位的有效綠燈時(shí)長，s；式(10)中g(shù)ei,j+1為第i環(huán)上第j位的有效綠燈時(shí)長，s。

3 算例分析

3.1 交叉口現(xiàn)狀

通過實(shí)地調(diào)查與分析，確定蚌埠市工農(nóng)路與涂山路交叉口為研究對(duì)象。該交叉口現(xiàn)狀如表1所示。

表1 交叉口現(xiàn)狀基本情況

3.2 交叉口優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 交通組織優(yōu)化

現(xiàn)交叉口交通組織方面存在的問題：交叉口左轉(zhuǎn)車道交通流量較大，對(duì)應(yīng)車道車輛儲(chǔ)存能力不足；交叉口車道劃分不合理，存在機(jī)非混行的問題，干擾機(jī)動(dòng)車輛的行駛；部分方向無非機(jī)動(dòng)車道，非機(jī)動(dòng)車與行人之間存在安全隱患。針對(duì)各情況，具體優(yōu)化措施為：

1)東進(jìn)口：在東進(jìn)口增設(shè)左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，提升車道的存車能力。為了解決東進(jìn)口存在機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車混行的狀態(tài)，重新劃分車道。東進(jìn)口右轉(zhuǎn)和直行交通量都比較大，難以滿足車輛的快速通行，為此取消非機(jī)動(dòng)車道上的停車位，增設(shè)一個(gè)3.2 m的車道，來平均進(jìn)口車道上的流量。

2)西進(jìn)口：西進(jìn)口同樣存在機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車混行的狀態(tài)，而且西進(jìn)口車道少，車輛多，嚴(yán)重影響了交叉口的通行能力。首先在西進(jìn)口增設(shè)左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)。將非機(jī)動(dòng)車道上的停車位更改為右轉(zhuǎn)車道。優(yōu)化后交叉口總圖如圖1所示。

圖1 交叉口優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖

3)南北進(jìn)口由于道路地形限制，無法新增機(jī)動(dòng)車道，僅完善車道的標(biāo)志標(biāo)線與渠化設(shè)施。

3.2.2 信號(hào)控制優(yōu)化

為了更好的還原交叉口運(yùn)行狀況，使仿真數(shù)據(jù)與交叉口運(yùn)行現(xiàn)狀一致，將交叉口進(jìn)口道車輛轉(zhuǎn)換為直行當(dāng)量，降低交叉口對(duì)向車輛行駛沖突對(duì)測(cè)得交通量的影響，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 車道組行車當(dāng)量計(jì)算情況 (單位：pcu/h)

根據(jù)2.1節(jié)設(shè)置交叉口的信號(hào)相位，首先通過分析各進(jìn)口道的左轉(zhuǎn)流量以及其對(duì)向直行的流量乘積的大小來判斷是否需要設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)保護(hù)相位[10]。左轉(zhuǎn)保護(hù)相位設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)見圖2，交叉口左轉(zhuǎn)保護(hù)相位判斷情況見表2。

圖2 HCM中確定左轉(zhuǎn)保護(hù)相位、許可相位的標(biāo)準(zhǔn)

由上述左轉(zhuǎn)相位設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)與觀察道路實(shí)際情況可知，東西進(jìn)口在同時(shí)放行的過程中，左轉(zhuǎn)與直行造成干擾，導(dǎo)致交通堵塞。車流在原有的綠燈時(shí)間內(nèi)沒法全部通行，增加了車輛的延誤，則相應(yīng)增設(shè)左轉(zhuǎn)保護(hù)相位。綜上所述，交叉口傳統(tǒng)信號(hào)早啟遲斷相位相序設(shè)置情況如圖3所示。

根據(jù)NEMA相位結(jié)構(gòu)計(jì)算交叉口信號(hào)配時(shí)方案。該相位結(jié)構(gòu)可以有效地解決交通流不對(duì)稱的情況。根據(jù)設(shè)計(jì)相位方案以及實(shí)測(cè)的飽和流率，繪制關(guān)鍵車流分析示意圖，計(jì)算流率比，確定后的關(guān)鍵車流示意圖如圖4所示，相應(yīng)參數(shù)見表3。

圖3 優(yōu)化后交叉口傳統(tǒng)信號(hào)相位相序

圖4 NEMA相位結(jié)構(gòu)示意圖

表3 相位的關(guān)鍵流率比

根據(jù)實(shí)測(cè)飽和流率與式(8)得各相位的關(guān)鍵流率比見表4：Y=0.34+0.19+0.20=0.73<0.9，各相位的關(guān)鍵流率比之和滿足要求。

一個(gè)周期的總信號(hào)損失時(shí)間為各相位信號(hào)損失時(shí)間之和，注意到每個(gè)控制鏈中都包含有5個(gè)相位，但是由于過渡相位的損失時(shí)間與完整相位不同，在計(jì)算配時(shí)中的損失時(shí)間時(shí)，過渡相位不計(jì)入其中，因此一個(gè)周期的總信號(hào)損失時(shí)間L為16 s，通過式(6)求得信號(hào)周期時(shí)長并取整為110 s。

通過式(9)、(10)得到各環(huán)各相位有效綠燈時(shí)長?？紤]到在對(duì)綠燈時(shí)間取整中存在誤差，對(duì)部分相位的綠燈時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。將每個(gè)控制鏈的綠燈顯示時(shí)間、黃燈時(shí)和全紅時(shí)間進(jìn)行累加，檢驗(yàn)是否與周期長度相等。交叉口存在行人過街需求，有必要對(duì)相位的最短綠燈時(shí)間gmin進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)式(7)計(jì)算各相位行人過街需求時(shí)間。計(jì)算結(jié)果得：ge1,1=30 s，ge2,1=35 s，ge1,2=15 s，ge2,2=10s,ge1,3=ge2,3=25 s，ge1,4=ge2,4=27 s。優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)方案如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后交叉口信號(hào)配時(shí)方案

3.3 優(yōu)化方案評(píng)價(jià)3.3.1 仿真模型構(gòu)建

在VISSIM仿真軟件中構(gòu)建仿真模型。首先輸入優(yōu)化前后的路網(wǎng)底圖，繪制車道與連接路段；再輸入車輛、行駛車速、信號(hào)配時(shí)方案；最后添加信號(hào)燈、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與檢測(cè)器。通過VISSIM運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的分析，得出交叉口車輛行程時(shí)間、延誤、排隊(duì)長度的評(píng)價(jià)文件[11]。

3.3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

整理仿真輸出的評(píng)價(jià)文件，優(yōu)化前后交叉口各進(jìn)口道評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比情況如圖6所示。從圖可知，優(yōu)化后的交叉口車輛行程時(shí)間、排隊(duì)長度與車輛延誤均有不同程度的降低。與優(yōu)化前交叉口相比，優(yōu)化后車輛行程總時(shí)間下降了12.7%，減少了路網(wǎng)中各路段的運(yùn)行時(shí)間，減少了整個(gè)交叉口車輛總行程時(shí)間。各進(jìn)口道的排隊(duì)長度均不同程度地低于優(yōu)化前，與優(yōu)化前相比交叉口進(jìn)口道排隊(duì)長度下降了27.7%，各進(jìn)口道延誤下降了23.8%，說明本文的優(yōu)化模型可以改善不對(duì)稱交通流交叉口車輛運(yùn)行情況，進(jìn)而提高車輛通過交叉口的效率。

圖6 優(yōu)化前后評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比情況

4 結(jié)語

本文針對(duì)交通流不對(duì)稱導(dǎo)致的道路車輛行車擁堵與信號(hào)配時(shí)不合理問題進(jìn)行深入研究，并以蚌埠市工農(nóng)路與涂山路交叉口為研究實(shí)例。本文提出的優(yōu)化模型能夠提高車輛在交叉口的通行效率與空間資源利用率，改善車流不對(duì)稱造成交通車道部分資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。一方面，通過優(yōu)化交通組織，使道路更好地適用于不對(duì)稱交通流；另一方面，通過優(yōu)化交叉口的信號(hào)控制方案，減少了由于交叉口不同車道車輛的沖突所導(dǎo)致相位的可用時(shí)間，使信號(hào)可以更好地適應(yīng)車流的不對(duì)稱性。此外，交通流不對(duì)稱系數(shù)的閾值與相關(guān)沖突對(duì)于車輛通行效率的影響對(duì)于整個(gè)交叉口的優(yōu)化同樣具有重要意義，后續(xù)研究將綜合考慮這些因素，使優(yōu)化方案更加貼合交叉口實(shí)際情況。