田 翠 王道斌

(武漢科技大學汽車與交通工程學院 武漢 430070)

0 引 言

干線協(xié)調(diào)控制指通過對干線若干連續(xù)交叉口的信號進行協(xié)調(diào)控制，使得干線車輛盡可能獲得連續(xù)通行權的信號控制方式[1]．干線協(xié)調(diào)控制可以有效減少車輛在交叉口的停車次數(shù)，控制車輛在干線上的通行速度，提高干線交通的通行效率．

常用的干線協(xié)調(diào)控制方法有最大綠波帶法和最小延誤法．最大綠波帶法是以綠波帶寬最大為目標構建相位差的優(yōu)化模型．Little等[2]提出了經(jīng)典的帶寬最大化模型MAXBAND，根據(jù)該模型可以獲得干線交叉口的最優(yōu)周期時長、相序、相位差和綠波帶速度等參數(shù)．基于交通需求層面，Gartner等[3]設計了帶寬與交通需求相匹配的協(xié)調(diào)控制模型MULTIBAND，突破了干線上不同流量路段使用相同帶寬的限制，改善了潛在的供需不平衡問題．針對綠波帶寬求解范圍小的問題，唐克雙等[4]減少了MULTIBAND模型綠波帶需沿著中心線對稱這一約束條件，提出了雙向綠波不對稱的協(xié)調(diào)控制方案，進一步改善了MULTIBAND的控制效果．最小延誤法是以延誤和停車次數(shù)等參數(shù)最小為目標構建相位差的優(yōu)化模型．盧凱等[5]在以干線車輛總延誤和總排隊長度最小為目標的前提下，建立了一種基于動態(tài)車速的干線信號協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型．Balaji等[6]提出了以行程時間最短和延誤最小為目標的雙目標相位差優(yōu)化模型，有效地減少了車輛擁堵并提高了交叉口的通行能力．最大綠波帶法相比最小延誤法更加直觀，因此得到更加廣泛的應用．

隨著交通需求的增加，城市交叉口的規(guī)模越來越大．為了提高左轉(zhuǎn)相位綠燈時間的利用率，目前許多城市在左轉(zhuǎn)車道的前方區(qū)域設置了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)[7]．章國鵬[8]指出左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)增加了左轉(zhuǎn)車輛的排隊存儲空間，可以有效減少左轉(zhuǎn)車輛排隊溢出左轉(zhuǎn)車道的概率．徐條鳳[9]指出左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)允許左轉(zhuǎn)車輛提前進入交叉口等待放行，可有效提高信號控制交叉口的左轉(zhuǎn)通行效率．

左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)允許左轉(zhuǎn)車輛在左轉(zhuǎn)相位開啟之前進入交叉口，Hao等[10]指出通過合理設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)可以有效提高交叉口左轉(zhuǎn)相位綠燈時間的利用率，進而增加左轉(zhuǎn)車輛的通行能力．季彥婕等[11]研究了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置方法和長度，通過對左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)設置前后的交通運行指標進行對比分析，發(fā)現(xiàn)合理設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)可以縮短周期時長，提高進口車道的利用率．在不同配時條件下，左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置對車道通行能力的影響會有所不同．倪穎等[12]基于“停車線法”和交通流波動理論，發(fā)現(xiàn)在滿足左轉(zhuǎn)車道數(shù)不小于直行車道且待行區(qū)容量較大條件下，設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)可以使得左轉(zhuǎn)進口道的通行能力提高約15%．Wei等[13-15]通過模擬不同的交通條件下左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交通運行進一步驗證了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)有助于提高左轉(zhuǎn)車輛的通行效率，并指出左轉(zhuǎn)車輛的通行能力會隨著左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)長度的增加而增加．

設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口其信號控制方案需采用Lag-Lag相序，許多研究表明相序是影響干線協(xié)調(diào)控制效果的重要因素．Tian等[16]在研究相序?qū)﹄p向綠波帶寬的影響時發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)路網(wǎng)中Lead-Lag相序相比于Lead-Lead和Lag-Lag相序優(yōu)勢更大．Ma等[17]基于NEMA相位提出了協(xié)調(diào)控制的相序優(yōu)化模型，發(fā)現(xiàn)Lead-Lag相序和Lag-Lead相序優(yōu)化帶寬的效果更顯著．李祥塵等[18]也指出對交叉口的信號相位和相序進行優(yōu)化可以有效提升干線協(xié)調(diào)控制的效果．

大多數(shù)干線交叉口均屬于大中型交叉口，沿干線方向設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)將不可避免的限制干線交叉口信號相序的靈活性，進而影響干線協(xié)調(diào)的控制效果．為了研究設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線協(xié)調(diào)控制的影響，文中選取武漢市解放大道連續(xù)兩個設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的信號控制交叉口作為研究對象，通過實地交通調(diào)查分別獲得兩個交叉口的信號配時方案和交通流量數(shù)據(jù)，基于理論分析和微觀交通仿真實驗研究左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線協(xié)調(diào)控制的影響．

1 方 法

1.1 MAXBAND

MAXBAND是根據(jù)現(xiàn)有交叉口信號配時構建一系列等式約束和不等式約束，以綠波帶寬最大為目標函數(shù)，通過線性規(guī)劃獲得各交叉口之間的最佳相位差，見圖1．

正向(逆向)綠波帶寬，第i個交叉口，i=1,…,n；交叉口干線方向正向(逆向)的紅燈時間；交叉口干線方向紅燈結束(開始)與正向(逆向)綠波帶邊緣的時間差，到Si+1(Si+1到Si)的行程時間；?(i+1,i)·交叉口干線方向正向(逆向)紅燈中心到Si+1交叉口干線方向正向(逆向)紅燈中心的時間差；Δi-相距最近的ri和中心的時間差，如果ri的中心在的中心右邊，則為負值；排隊消散時間．圖1 MAXBAND示意圖

MAXBAND的目標函數(shù)為

Y=maxb

(1)

MAXBAND的等式約束為

(2)

式中：i=1,2，…,n．

MAXBAND的不等式約束為

(3)

1.2 左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對信號相序的影響

干線方向通常會包含四個信號相位，這四個相位可構成四種相序組合，見圖2．在未設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的情況下，這四種相序?qū)τ诟删€交叉口來說均可采用．一旦在干線方向設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，沿干線方向的左轉(zhuǎn)相位就必須在直行相位的綠燈結束之后才能開啟．因此，設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的干線交叉口只能采用Lag-Lag這一種信號相序．

圖2 相序結構圖

1.3 仿真實驗環(huán)境

采用VCID(virtual controller interface device)、Econolite信號機及VISSIM交通仿真軟件搭建交通仿真實驗環(huán)境，VCID的結構圖見圖3．VCID不僅能夠根據(jù)微觀交通仿真中交通運行情況對干線交通服務水平進行分析和評價，同時也能夠?qū)π盘枡C的配時參數(shù)進行在線調(diào)試進而調(diào)整綠波帶信號控制策略．

圖3 VCID的結構圖

2 案例研究

選取武漢市解放大道與香港路及澳門路的兩個連續(xù)交叉口作為研究對象，道路結構、排隊計數(shù)器位置以及延誤檢測器位置見圖4．為了研究左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線方向交通運行的影響，設有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)與未設左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的排隊計數(shù)器和延誤檢測器在仿真實驗中的位置是保持一致的．其中排隊計數(shù)器位于干線方向直行車道的進口位置，用于獲取直行車道的車輛排隊長度，兩個交叉口共計放置4個排隊計數(shù)器；延誤檢測器的起點和終點分別位于兩個交叉口沿干線方向的上游和下游，用于檢測干線方向直行車輛通過這兩個連續(xù)交叉口的延誤，干線雙向共計放置2個延誤檢測器；根據(jù)排隊計數(shù)器和延誤檢測器的數(shù)據(jù)分析左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線協(xié)調(diào)信號控制的影響，而左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的長度并不計入本文排隊長度以及延誤的計算．

圖4 解放大道道路結構示意圖

在2020年11月27日06：00—12:00對這兩個交叉口進行實地交通調(diào)查，獲取信號配時及各相位的交通流量數(shù)據(jù)，信號配時見圖5，各相位交通流量見表1．

表1 交通流量表

圖5 信號配時圖

采用MAXBAND方法分別計算有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)條件下兩個交叉口的最佳相位差以及相應的最大綠波帶寬，結果見表2．

表2 為基于MAXBAND方法的計算結果 單位：s

由表2可知:在相同的路網(wǎng)、信號配時以及交通流量條件下，由于設置有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，通過MAXBAND方法獲得的最大綠波帶寬僅為17 s；而沒有設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，通過MAXBAND方法獲得的最大綠波帶寬為23 s．由于設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)會限制干線方向信號相序的靈活性，所以無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)條件下可以獲得比有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)條件下更寬的綠波帶．

為了進一步驗證設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線交通運行的影響，根據(jù)實地交通調(diào)查采集的信號配時和交通流數(shù)據(jù)，分別進行有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)條件下的交通仿真實驗．每次仿真實驗1 h，并且每隔10 s讀取一次排隊長度和延誤．為了避免實驗過程中產(chǎn)生的隨機誤差，分別在有/無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的條件下進行五組對照實驗，同時每組對照實驗重復進行五次．此外，為保證每次仿真實驗環(huán)境的一致性，在實驗操作過程中需要注意：①在每一組對照實驗過程中，除了有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)之間相序的區(qū)別之外，仿真的隨機種子、路網(wǎng)環(huán)境以及信號配時均需保持一致，以保證每次對照實驗的交通流條件和信號配時條件是一致的；②在不同組的對照實驗中，仿真的隨機種子不同，以消除特定交通流條件對實驗結果的影響；③在仿真實驗過程中，不斷檢查信號機的信號狀態(tài)與仿真軟件中的信號狀態(tài)是否一致，以及仿真的速度與信號機時鐘的運行速度是否一致，以保證信號機與仿真軟件的同步．有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的對比實驗的仿真結果見圖6～9．

圖6 解放大道與香港路南北進口道有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)排隊長度

圖7 解放大道與澳門路南北進口道有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)排隊長度

圖8 有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)條件下的平均延誤

圖9 有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)平均延誤與平均排隊長度對比

平均排隊長度為

Li(R3)+Li(R4)+Li(R5)]

(4)

平均延誤時間為

Di(R3)+Di(R4)+Di(R5)]

(5)

綜合平均排隊長度為

(6)

綜合平均延誤為

(7)

由圖5～6可知:有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的平均排隊長度峰值大部分遠高于無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的峰值．由圖7可知:有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的平均延誤峰值大部分遠高于無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的峰值．由圖8可知:四個進口道設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)后的干線協(xié)調(diào)系統(tǒng)綜合平均排隊長度增加約9.1%，綜合平均延誤增加約19.6%．

3 結 論

1) 有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)與無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的干線協(xié)調(diào)系統(tǒng)相比綠波帶寬更?。?/p>

2) 無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)條件下四個進口道的綜合平均排隊長度均有所下降，同時干線車輛的綜合平均延誤也均有所降低．綜上所述，左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置會對干線協(xié)調(diào)系統(tǒng)造成一定的負面影響，在城市交通規(guī)劃中左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置需要綜合考慮干線協(xié)調(diào)控制的效益，避免盲目濫用左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)進而對干線通行效率及質(zhì)量造成不利影響．