王曉軍 王家琦 陳海波 楊春霞

1(太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院 山西 太原 030024) 2(大連海億豐悅科技有限公司 遼寧 大連 116024)

0 引 言

半苜蓿葉互通立交是部分互通立交形式的一種[1],與全互通相比,具有主線暢通、主線標(biāo)志簡化、用地和工程費(fèi)用較少、便于分期修建等優(yōu)點(diǎn),適合用于主干道與次干道相交、地物限制較嚴(yán)等情況。半苜蓿葉互通立交以減少部分匝道的方式換取空間,相應(yīng)地會(huì)增加相關(guān)路段的交通復(fù)雜性,以某行車方向環(huán)形匝道缺少為例,為實(shí)現(xiàn)全互通,左轉(zhuǎn)車輛需先駛?cè)攵ㄏ蛟训涝偻ㄟ^干道交叉口掉頭,因此,匝道出口及其與干道銜接區(qū)的交織、沖突要比全線互通立交復(fù)雜,易發(fā)生擁堵。因此,解決匝道出口與干道的沖突問題是提高該特殊互通立交形式通行效率的核心環(huán)節(jié)。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)半苜蓿葉互通立交的研究以線形設(shè)計(jì)和通行能力分析為主,如:陸子文等[2]探討了自由流半苜蓿葉立交線形設(shè)計(jì);朱宗余[3]分析了半苜蓿葉形互通式立交的應(yīng)用情況;Molan等[4]設(shè)計(jì)了一種新型部分互通立交形式,并通過VISSIM仿真與傳統(tǒng)部分互通立交在交通運(yùn)行和交通安全兩方面進(jìn)行對(duì)比;Sistuk等[5]根據(jù)HCM手冊,利用VISSIM仿真對(duì)部分互通立交服務(wù)水平進(jìn)行確定。上述研究較少涉及匝道出口與干線的沖突問題,為此,進(jìn)一步對(duì)其他立交形式相關(guān)研究進(jìn)行分析。

在匝道與主線銜接研究方面,美國綠皮書AASHTO[6]指出,出入口控制的延伸距離應(yīng)結(jié)合銜接道路等級(jí)及重要性來確定,控制距離設(shè)定的總目標(biāo)是讓匝道與進(jìn)口道間車流“回溢”程度最小化,并為車輛的匯入、交織、排隊(duì)提供空間。美國國家公路合作研究計(jì)劃出版的報(bào)告《NCHRP Report 420: Impact of Access Management Techniques》[7]提出銜接段長度包括交織區(qū)長度、排隊(duì)長度及停止線到交叉口中心線的距離。TRB出版的Access management manual[8]給出立交附近的出入口匝道銜接段推薦值一般為230～800 m。中國的《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》《交通工程手冊》等也部分涉及到了匝道設(shè)計(jì)的內(nèi)容。在匝道交通組織方面,Meng等[9]結(jié)合某市中心區(qū)的高架快速路基本情況,分析了高架快速路既有匝道銜接段的交通組織方案。劉忻梅等[10]通過仿真模擬,研究了城市快速路菱形立交出口至前方燈控平交路口合理距離。孫麗等[11]根據(jù)快速路出入口特征,分析了出入口設(shè)置存在的問題及其影響因素。朱彤等[12]以交通沖突次數(shù)為評(píng)價(jià)參數(shù),通過仿真評(píng)價(jià)了不同渠化及設(shè)施設(shè)置條件下快速路出入口的安全水平。針對(duì)快速路出口匝道擁堵問題,張楠等[13]研究了在出口匝道和地面交叉口設(shè)置控制信號(hào),建立雙層規(guī)劃模型優(yōu)化該區(qū)域交叉口的信號(hào)控制方案。在研究方法方面,大部分都會(huì)依托算法和仿真軟件進(jìn)行,宋俊芳等[14]基于車輛之間的實(shí)際距離提出一種快速交通狀況檢測算法。馬生濤等[15]基于Anylogic仿真軟件對(duì)交通堵塞進(jìn)行了仿真。

上述國內(nèi)外學(xué)者的研究各有偏重,研究內(nèi)容包括銜接段設(shè)計(jì)及其交通組織、信號(hào)控制或檢測評(píng)價(jià)等,但從研究對(duì)象和范疇上,大多關(guān)注車流從匝道匯入干道并與干道其他車輛交織、沖突的過程。如引言所述,對(duì)于半苜蓿葉互通立交這一特殊形式,部分出口匝道除需承擔(dān)自身交通流外,還需要承擔(dān)因同一行駛方向環(huán)形匝道缺失而產(chǎn)生的有左轉(zhuǎn)需求的交通流。與現(xiàn)有研究相比,半苜蓿葉互通立交出口匝道及交通流具有以下特點(diǎn):(1) 匝道需承擔(dān)兩股交通流,交通量大;(2) 兩股交通流駛?cè)敫傻篮?目的行駛方向相反,會(huì)加劇交織區(qū)的復(fù)雜度,進(jìn)而引發(fā)交通堵塞等問題。此情況下,單純針對(duì)銜接段的研究不能滿足現(xiàn)實(shí)需求。

為解決此問題,將從以下幾方面開展研究:(1) 將研究范圍擴(kuò)大,除了匝道及其銜接區(qū)外,為反映匝道兩股交通流對(duì)干道交通的影響,將干道上前后兩個(gè)平面交叉口也納入研究范圍;(2) 考慮一種新的匝道分流設(shè)計(jì)方案,即在主線出口匝道設(shè)置附加左轉(zhuǎn)匝道,此方式能使車輛在干道入口處直接左轉(zhuǎn),提高通行效率,緩解干道壓力,且因?yàn)樵摲桨甘瞧矫娼徊?造價(jià)低、可行性強(qiáng);(3) 附加左轉(zhuǎn)匝道的分流方式使得左轉(zhuǎn)車輛與干道車輛直接沖突,為保證匝道出口車流完整性及干道通行效率,將其視為T型交叉口,并與干道上其他交叉口進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,得到合理的信號(hào)控制方案;(4) 采用VISSIM和Synchro聯(lián)合仿真方法,對(duì)本文設(shè)計(jì)的可行性和有效性進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 問題分析及出口匝道分流方案設(shè)計(jì)

1.1 問題分析及交通調(diào)查

(1) 問題分析。圖1為某城市半苜蓿葉互通立交示意圖,東西向?yàn)橹鞲傻?南北向?yàn)榇胃傻?主線出口匝道與次干道存在平面沖突點(diǎn),主線的南面和北面各有一個(gè)十字交叉口,形成了一個(gè)交通循環(huán)。由于該立交為半互通方式,部分車輛需通過右轉(zhuǎn)加掉頭的方式實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。以主線西向出口為例,車輛通過匝道駛向次干道后,首先進(jìn)入銜接段,在此處匯入次干道;其次進(jìn)入交織區(qū),此區(qū)域車輛行駛方向不同,如從北向行駛過來的車需要右轉(zhuǎn)(路徑1),從匝道下來的車需要左轉(zhuǎn)(路徑3)或掉頭(路徑4),相互混雜;再次,由于十字交叉口受信號(hào)控制,車輛還可能進(jìn)入排隊(duì)段等待。

圖1 半苜蓿葉互通立交沖突分析示意圖

由此可知,主線匝道出口到次干道十字路口這一段承載著由出口匝道駛出的右轉(zhuǎn)、直行、左轉(zhuǎn)、掉頭等四個(gè)路徑的車流,狀況復(fù)雜,當(dāng)交通流較大時(shí),將會(huì)是瓶頸路段。為分析擁堵情況及服務(wù)水平,在交通調(diào)查基礎(chǔ)上,采用仿真模擬方法,給出交通評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2) 交通調(diào)查及基本交通參數(shù)確定。選擇早高峰(7:30—8:30)進(jìn)行調(diào)查。如圖1所示,主干道出口匝道直接匯入次干道,此處無交通管控,因此,主要對(duì)南側(cè)交叉口進(jìn)行調(diào)查與分析。得到交叉口各進(jìn)口道方向小時(shí)流量為:西向進(jìn)口道791 pcu/h、東向進(jìn)口道768 pcu/h、北向進(jìn)口道2 227 pcu/h、南向進(jìn)口道975 pcu/h。

交叉口信號(hào)控制為兩相位,分別為東西直行+左轉(zhuǎn)、南北直行+左轉(zhuǎn)。周期60 s,黃燈時(shí)間3 s,全紅時(shí)間2 s,有效綠燈時(shí)間分別為30 s、20 s。

同時(shí)調(diào)查道路基礎(chǔ)參數(shù):車道寬3.5 m;大車通行率2%;主線行車速度80 km/h;匝道行車速度40 km/h;次干道行車速度60 km/h;跨線構(gòu)筑物坡度2%。

1.2 基于VISSIM仿真的交通現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

(1) VISSIM軟件。VISSIM軟件是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具,可對(duì)交通運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬。根據(jù)交通調(diào)查數(shù)據(jù),采用VISSIM仿真對(duì)上述瓶頸路段進(jìn)行分析,且為方便與后續(xù)研究對(duì)比,現(xiàn)狀稱為分流前方案。

(2) 分流前路網(wǎng)繪制及交通數(shù)據(jù)輸入。利用VISSIM中的“l(fā)ine”及“connectors”模塊繪制分流前半苜蓿葉互通立交,設(shè)置道路參數(shù),詳見圖2。

圖2 分流前半苜蓿葉互通立交路網(wǎng)圖

利用車流量輸入模塊“Vehicle Input”,輸入交叉口各路口的車流量,并進(jìn)行路徑?jīng)Q策。在“Signal Controls”模塊中,輸入有效綠燈時(shí)間、周期等信號(hào)配時(shí)參數(shù)。

(3) 效益評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合Vissim特有的節(jié)點(diǎn)屬性“Nodes”,在南邊十字交叉口模型處設(shè)置固定節(jié)點(diǎn),編號(hào)為1。利用數(shù)據(jù)采集模塊“Data Collection Points”,在節(jié)點(diǎn)1每個(gè)進(jìn)口道處設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn),一共設(shè)置14個(gè),分別為北向(直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、掉頭)、南向(直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、掉頭)、東向(直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn))及西向(直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)),保證在信號(hào)控制設(shè)置前沖突區(qū)車流量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

仿真模擬過程中,對(duì)14個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,輸出4個(gè)交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo):平均停車延誤、平均信控延誤、平均排隊(duì)長度、最大排隊(duì)長度。

表1為模擬所得交叉口的交通效益指標(biāo),其中最后一行為交叉口總體數(shù)據(jù),總流量為14個(gè)進(jìn)口道車流總和,最大排隊(duì)長度為14個(gè)進(jìn)口道的最大值255 m,而平均停車延誤、平均信控延誤及平均排隊(duì)長度為14個(gè)進(jìn)口道的平均值,分別為36.2 s、50.1 s和65.9 m。

表1 匝道分流前節(jié)點(diǎn)1主要交通效益指標(biāo)

(4) 通行能力和服務(wù)水平分析。交通效益指標(biāo)還不能全面反映交叉口的狀況,進(jìn)一步需結(jié)合交叉口設(shè)計(jì)通行能力計(jì)算公式[16]分析飽和度和服務(wù)水平。

將不同相位的有效綠燈時(shí)間及占比數(shù)值代入計(jì)算公式后,可得到交叉口的設(shè)計(jì)通行能力為6 718 pcu/h,進(jìn)而求得交叉口飽和度為0.71。依據(jù)信號(hào)燈交叉口服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)表[16],可判定此時(shí)交叉口服務(wù)水平為D級(jí),已出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

考慮到未來交通量增長情況,在現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上分別增長5%和10%,依次代入VISSIM軟件進(jìn)行仿真,得到相應(yīng)的飽和度數(shù)據(jù)和服務(wù)水平,再通過差值法計(jì)算得到:當(dāng)交通量增長到8.63%時(shí),服務(wù)水平為F,此時(shí)飽和度已經(jīng)達(dá)到0.95,由銜接、交織和排隊(duì)段組成的沖突區(qū)出現(xiàn)堵塞嚴(yán)重等問題,進(jìn)而反向影響匝道車流,通行效率急劇下降,交通接近癱瘓。

1.3 出口匝道分流方案設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有出口匝道與次干道沖突區(qū)的問題,將出口匝道設(shè)計(jì)成右轉(zhuǎn)及左轉(zhuǎn)的雙向匝道,利用左轉(zhuǎn)匝道實(shí)現(xiàn)全互通。如圖3所示,進(jìn)入路徑1、2、3的車輛由右轉(zhuǎn)出口匝道承擔(dān),而原有掉頭車輛即路徑4將由左轉(zhuǎn)匝道來承擔(dān),車流提前分流,能緩解原沖突區(qū)的問題。然而,分流后,附加左轉(zhuǎn)匝道與次干道形成T型路口,將產(chǎn)生新沖突,形成新問題:一是如何對(duì)該路口進(jìn)行控制;二是如何與次干道上其他十字路口進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。下面將依據(jù)VISSIM和Synchro聯(lián)合仿真及干線協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法對(duì)此問題進(jìn)行分析。

圖3 匝道分流設(shè)計(jì)方案及交通沖突分析示意圖

2 T型交叉口信號(hào)控制設(shè)計(jì)

2.1 交通數(shù)據(jù)獲取

如圖3所示,次干道上有6個(gè)進(jìn)口節(jié)點(diǎn),從北往南分別是北邊十字交叉口、主線東向右轉(zhuǎn)匝道、主線東向左轉(zhuǎn)匝道、主線西向左轉(zhuǎn)匝道、主線西向右轉(zhuǎn)匝道、南邊十字交叉口。考慮到左轉(zhuǎn)匝道和右轉(zhuǎn)匝道距離較近,且不會(huì)互相干擾,可以把兩個(gè)匝道簡化成一個(gè)雙車道匝道進(jìn)行研究,該匝道與次干道形成一個(gè)T型交叉口。因此,此區(qū)域次干道的交通管控可以理解成兩個(gè)十字交叉口和兩個(gè)T型交叉口的協(xié)調(diào)控制?？紤]到互通立交的對(duì)稱性,在初始方案設(shè)計(jì)階段,先研究主線南邊的十字交叉口和T型交叉口。

因該分流方案尚在設(shè)計(jì)階段,只能在現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過分析交通流走向,確定分流后的交通數(shù)據(jù)。通過交通調(diào)查,已獲得圖1中①、②、③、④、⑤、⑥處的交通數(shù)據(jù),則分流后,圖3中路段⑦交通量可視為不變,使用路段①的交通量;附加左轉(zhuǎn)匝道⑧處的交通量為⑥處車道掉頭的交通量;右轉(zhuǎn)匝道⑨處交通量為原匝道②處的交通量減去⑧處的交通量;交叉口⑩、、處進(jìn)口交通量使用③、④、⑤的交通量。處理后獲得分流完后的小時(shí)流量如表2所示。

表2 匝道分流后小時(shí)流量表 單位:pcu/h

2.2 信號(hào)設(shè)置

(1) 信號(hào)設(shè)置必要性。根據(jù)馬東方等[17]給出的T型交叉口信號(hào)設(shè)置臨界流量確定方法,將次干道設(shè)定為主路,匝道設(shè)定為支路,根據(jù)文中的信號(hào)設(shè)置臨界流量與主/支路流量的關(guān)系圖,可確定本文所述案例都需要設(shè)置信號(hào)燈。

(2) 信號(hào)配時(shí)。采用韋伯斯特定時(shí)信號(hào)交叉口延誤計(jì)算公式對(duì)沖突區(qū)進(jìn)行配時(shí)。設(shè):L為每周期總損失時(shí)間,l為啟動(dòng)損失時(shí)間,A為黃燈時(shí)間,I為綠燈間隔時(shí)間,Y為周期信號(hào)相位各y值最大之和,則信號(hào)組控制下的近似最佳周期時(shí)長C0公式為:

(1)

(2)

在計(jì)算出最佳信號(hào)周期C0及總損失時(shí)間L后,可相應(yīng)得到每相位有效綠燈時(shí)間公式:

(3)

需注意的是,直行道飽和流量及左轉(zhuǎn)飽和流量應(yīng)考慮到車道寬度校正系數(shù)fw、坡度及大車校正系數(shù)fg及道路縱坡G等因素。直行道飽和流量公式和左轉(zhuǎn)飽和流量公式分別為:

ST=Sbt×fw×fg

(4)

SL=Sbl×fw×fg

(5)

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)的交通數(shù)據(jù),同時(shí)取fw=1,fg=0.98,G=0,A=3 s,全紅時(shí)間為3 s,I=6 s,l=3 s。由式(2)計(jì)算出每周期總損失時(shí)間L=10 s,則最佳周期時(shí)長C0=60 s,最后由式(3)可推出有效綠燈時(shí)間ge1=33 s,ge2=15 s,則紅燈時(shí)間re1=24 s,re2=42 s。

3 基于VISSIM的互通立交仿真

3.1 仿真建模及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)1.2節(jié)所述道路基礎(chǔ)參數(shù)和附加左轉(zhuǎn)匝道設(shè)計(jì)方案,在VISSIM中建立匝道分流后的互通立交模型,路網(wǎng)圖見圖4。利用車流量輸入模塊輸入表2中數(shù)據(jù),并進(jìn)行路徑?jīng)Q策。

圖4 半苜蓿葉互通立交路網(wǎng)圖

數(shù)據(jù)采集階段,將南十字交叉口和南T型交叉口兩個(gè)易發(fā)生擁堵的區(qū)域設(shè)為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2,見圖3,根據(jù)車道和路徑情況,分別設(shè)置13個(gè)和3個(gè)采集點(diǎn)。

根據(jù)信號(hào)配時(shí)方案,采用模塊“Signal Heads”和3D-信號(hào)燈程序?qū)_突區(qū)進(jìn)行信號(hào)燈布置,詳見圖5。

圖5 信號(hào)燈布置及配時(shí)設(shè)計(jì)

3.2 匝道分流方案有效性驗(yàn)證

仿真運(yùn)行后,得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo),見表3?？芍?采用匝道分流方案后,十字交叉口平均停車延誤24.3 s,平均信控延誤31.1 s,最大排隊(duì)長度126.6 m,平均排隊(duì)長度34.2 m。T型交叉口為新增沖突區(qū),平均停車延誤8.4 s,平均信控延誤13.4 s,最大排隊(duì)長度52.9 m,平均排隊(duì)長度7.1 m。

表3 匝道分流后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)主要交通效益指標(biāo)

續(xù)表3

分流后有兩個(gè)節(jié)點(diǎn),其中節(jié)點(diǎn)2為新增沖突區(qū),故取兩節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)之和反映整個(gè)區(qū)域的交通狀況,并與分流前評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。從表4可知,四項(xiàng)交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)分別改進(jìn)9.67%、11.18%、29.61%、37.33%。同時(shí),將匝道分流后所得數(shù)據(jù)代入通行能力計(jì)算公式,可知分流后交叉口服務(wù)水平為C,與分流前相比提高1級(jí),說明利用匝道分流法改善沖突區(qū)堵塞情況是可行且合理的。

表4 匝道分流前后交通效益對(duì)比表

需說明的是,在此階段的仿真模擬當(dāng)中,信號(hào)配時(shí)采用的是單點(diǎn)固定信號(hào)控制方法,此時(shí)的交通效率及通行水平并不是最優(yōu)。由于新增T型沖突區(qū)的存在,導(dǎo)致干線路口增多,是否需要對(duì)多路口的干線進(jìn)行協(xié)調(diào)控制成為了接下來的研究重點(diǎn)。

4 基于VISSIM-Synchro的協(xié)調(diào)控制仿真

4.1 研究思路

在上節(jié)仿真模擬中,次干道上四個(gè)交叉口的信號(hào)控制沒有考慮相位差,均為獨(dú)立的單點(diǎn)控制,本節(jié)將在匝道分流方案基礎(chǔ)上研究協(xié)調(diào)控制問題。

干線協(xié)調(diào)控制可以使車輛以排列緊湊的車隊(duì)連續(xù)地、不停地通過若干個(gè)交叉口,減少交叉口停車線前所滯留的車輛數(shù),從而提高道路使用率。而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的首要條件是確定各交叉口之間的相位差。

Synchro軟件是一款可對(duì)路網(wǎng)信號(hào)配時(shí)進(jìn)行績效分析的優(yōu)異軟件,適用于各類型城市交叉口。在進(jìn)行多路口干線協(xié)調(diào)控制時(shí),可使用最大綠波帶寬法和交通流量線法確定相位差[18],前者盡量使干線綠波帶的右側(cè)能夠接觸到配時(shí)帶的綠色部分或綠色部分的左側(cè),后者盡量使交通流量線的右端接觸到配時(shí)帶的綠色部分或綠色部分的左側(cè),目的都是為了讓車輛在下一路口信號(hào)燈變綠或即將變綠的瞬間到達(dá)路口。本文采用交通流量線法。

除了相位差外,各交叉口各自的相位和周期也會(huì)對(duì)協(xié)調(diào)控制的效果產(chǎn)生影響。為了能系統(tǒng)分析相位、周期及相位差三者對(duì)延誤的影響,本文給出了三種協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案:

(1) 優(yōu)化方案一:假設(shè)各交叉口相位和周期不變,只調(diào)整交叉口之間的相位差。

(2) 優(yōu)化方案二:假設(shè)各交叉口周期不變,優(yōu)化各自相位,并在此基礎(chǔ)上調(diào)整交叉口之間的相位差。

(3) 優(yōu)化方案三:對(duì)各交叉口周期和相位都進(jìn)行優(yōu)化,最后調(diào)整交叉口相位差。

各優(yōu)化方案所得結(jié)果僅為各交叉口延誤時(shí)間,為進(jìn)一步分析協(xié)調(diào)控制對(duì)交通通行能力的影響,采用VISSIM-Synchro聯(lián)合仿真法,將三種優(yōu)化方案結(jié)果分別代入VISSIM軟件進(jìn)行仿真模擬,得到交通效益等指標(biāo)。

4.2 Synchro路網(wǎng)建模及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

1) 路網(wǎng)建模。本模型存在四個(gè)交叉口,每個(gè)交叉口視為一個(gè)節(jié)點(diǎn),從北向南標(biāo)記為1-4。在Sycnhro軟件中輸入各節(jié)點(diǎn)的車道寬、主線速度、道路縱坡等參數(shù)和各交通量參數(shù),以南向十字交叉口節(jié)點(diǎn)4為例,流量參數(shù)設(shè)置見圖6。

圖6 Synchro流量參數(shù)設(shè)置圖

各參數(shù)設(shè)置完成后,需設(shè)置信號(hào)相位。與 VISSIM不同的是,Synchro相位設(shè)置按編碼排序,共8個(gè)編碼。對(duì)象出圖時(shí)分上下兩排,一排為4個(gè)方向,為顯示方便,各對(duì)向方向在同一列,如東的左轉(zhuǎn)為3編碼相位,則西左轉(zhuǎn)為7編碼相位,其他方向同理。在 Synchro 系統(tǒng)中,可根據(jù)相位模塊“Phase Templates”確定以東西向或南北向?yàn)橹飨辔?不同主相位的編碼順序不一致。設(shè)置完成后,建立次干道四交叉口3D模型圖,如圖7所示。

圖7 交叉口3D模型圖

2) 初始信號(hào)配時(shí)方案延誤分析。將北、南兩十字交叉口調(diào)查所得信號(hào)配時(shí)方案代入節(jié)點(diǎn)1、4中,將2.2節(jié)中計(jì)算所得T型交叉口信號(hào)配時(shí)方案代入節(jié)點(diǎn)2、3中,相位設(shè)置見圖8。

對(duì)初始信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行仿真模擬,得到零相位差基礎(chǔ)上,四個(gè)節(jié)點(diǎn)的交叉口延誤時(shí)間分別為 23.9、11.3、9.8及22.3 s。

4.3 干線協(xié)調(diào)控制下的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

(1) 優(yōu)化方案一。該方案為保持各節(jié)點(diǎn)相位、周期不變,通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)間相位差,獲得現(xiàn)有配時(shí)方案下的最佳延誤。

相位差通過Synchro時(shí)空圖中的交通流量線法來協(xié)調(diào)。在調(diào)試過程中,若保持節(jié)點(diǎn)1不變,即“1”節(jié)點(diǎn)相位差為 0,節(jié)點(diǎn)2、3、4分別取相位差為45、26、39 s,可得四個(gè)節(jié)點(diǎn)最佳延誤時(shí)間,分別為 23.9、11.4、8.4、20.8 s。與零相位差的初始信號(hào)配時(shí)方案相比,節(jié)點(diǎn)1延誤保持不變,節(jié)點(diǎn)2增加0.1 s,節(jié)點(diǎn)3減少1.4 s,節(jié)點(diǎn)4減少1.5 s,總體上有一定程度改進(jìn)。

(2) 優(yōu)化方案二。該方案在保持各節(jié)點(diǎn)周期不變的前提下,對(duì)相位進(jìn)行單點(diǎn)優(yōu)化。利用Optimize Splits模塊優(yōu)化相位配時(shí),優(yōu)化完成后,可看到節(jié)點(diǎn)1及節(jié)點(diǎn)4的有效綠燈時(shí)間變?yōu)?4、16 s,節(jié)點(diǎn)2的有效綠燈時(shí)間變?yōu)?8、20 s,而節(jié)點(diǎn)3的有效綠燈時(shí)間變?yōu)?7、31 s。

在新配時(shí)方案基礎(chǔ)上,繼續(xù)使用交通流量線法設(shè)置相位差,當(dāng)節(jié)點(diǎn)2、3、4分別取相位差為3、19、30 s時(shí),仿真結(jié)果顯示四個(gè)節(jié)點(diǎn)延誤時(shí)間分別為18.8、10.0、8.8、15.9 s,此時(shí)協(xié)調(diào)控制最佳。與初始方案相比,四個(gè)節(jié)點(diǎn)的延誤分別減少5.1、1.3、1.0和6.4 s,比優(yōu)化方案一改進(jìn)程度要高。

(3) 優(yōu)化方案三。該方案對(duì)各節(jié)點(diǎn)的周期、相位及節(jié)點(diǎn)間相位差都進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

首先利用“Network cycle lengths”模塊,設(shè)置周期間距為2,將不同周期下各交通效益指標(biāo)羅列出來,表5給出了周期在50～80 s之間的相關(guān)數(shù)據(jù)。最佳周期選擇時(shí),首先考慮剔除含有未到達(dá)車輛指標(biāo)的周期;其次,選擇總停車時(shí)間最少的,因此確定周期64 s作為周期優(yōu)化方案。

表5 不同周期效益參數(shù)

確定周期后,利用Optimize Splits模塊優(yōu)化相位配時(shí),優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)1、4的有效綠燈時(shí)間為36、18 s,節(jié)點(diǎn)2的有效綠燈時(shí)間變?yōu)?2、20 s,而節(jié)點(diǎn)3的有效綠燈時(shí)間變?yōu)?7、35 s。

繼續(xù)使用交通流量線法協(xié)調(diào)相位差,當(dāng)節(jié)點(diǎn)2、3、4分別取相位差為24、42、49 s時(shí),四個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真延誤時(shí)長最小,分別為16.7、8.3、9.4、13.9 s,與初始方案相比,延誤分別減少7.2、3.0、0.4、8.4 s。

(4) 改進(jìn)效果對(duì)比分析。為方便比較,圖9給出了三種協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案與初始配時(shí)方案的延誤對(duì)比。對(duì)于優(yōu)化方案三,雖然節(jié)點(diǎn)3的改進(jìn)程度不如方案一和方案二,但節(jié)點(diǎn)1、2、4的改進(jìn)效果明顯,因此,確定優(yōu)化方案三為最佳方案。

圖9 延誤對(duì)比分析

4.4 基于信號(hào)配時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化的聯(lián)合仿真分析

為進(jìn)一步分析上述三種協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案,將對(duì)應(yīng)信號(hào)配時(shí)帶入VISSIM仿真模型中,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真,給出各交通評(píng)價(jià)指標(biāo),并與單點(diǎn)固定信號(hào)控制方案(表3結(jié)果)進(jìn)行比較?？紤]到互通立交的對(duì)稱性,給出南十字交叉口和南T型交叉口兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的最終評(píng)價(jià)數(shù)據(jù),詳見表6、表7。

表6 各優(yōu)化方案交通效益指標(biāo)對(duì)比(南十字交叉口)

表7 各優(yōu)化方案交通效益指標(biāo)對(duì)比(南T型交叉口)

從仿真結(jié)果可知,對(duì)南十字交叉口,與初始方案相比,三個(gè)優(yōu)化方案對(duì)于各項(xiàng)交通效益指標(biāo)都有不同程度的改進(jìn),其中以優(yōu)化方案三最為突出,改進(jìn)程度最小為21.5%,最大為67.2%。對(duì)于南T型交叉口,同樣是優(yōu)化方案三改進(jìn)程度最為突出,最小為7.04%,最大為33.33%,優(yōu)化效果明顯。

將三種優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)代入通行能力公式中,得到此時(shí)交叉口飽和度分別為0.65、0.67及0.64,結(jié)合信控延誤數(shù)據(jù),可判定前兩種方案服務(wù)水平仍為C級(jí)。對(duì)于第三種方案,由于延誤與飽和度對(duì)應(yīng)的服務(wù)水平不一致,根據(jù)規(guī)定,以延誤對(duì)應(yīng)服務(wù)水平為準(zhǔn),故可判定優(yōu)化方案三下交叉口的服務(wù)水平為B級(jí)。

綜上可知,協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案三即對(duì)周期、相位及相位差都優(yōu)化調(diào)整的方案可獲得較好的信號(hào)控制方案,減少交叉口延誤,改進(jìn)交通效益指標(biāo),提升服務(wù)水平,采用該方法進(jìn)行多路口干線進(jìn)行協(xié)調(diào)控制是必要且有效的。

5 結(jié) 語

受立交形式限制,半苜蓿葉互通容易在主線出口匝道與次干道地面銜接處形成交通擁堵,影響次干道整體通行能力。本文給出一種新型匝道分流方案,并聯(lián)合VISSIM和Synchro對(duì)出口匝道與次干道進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化,得到較優(yōu)的信號(hào)控制方案。具體的研究結(jié)論如下:

(1) 通過在原有匝道附加左轉(zhuǎn)匝道的方式,可提前分流,緩解出口匝道與次干道的堵塞問題;VISSIM模擬仿真表明,采用新型匝道方案后,平均停車延誤、平均信控延誤、最大排隊(duì)長度及平均排隊(duì)長度等交通效益指標(biāo)得到不同程度改善,交叉口服務(wù)水平由D級(jí)變?yōu)镃級(jí),驗(yàn)證了分流方式設(shè)計(jì)的合理性。

(2) 針對(duì)單點(diǎn)固定信號(hào)控制的局限性,將匝道分流后形成的兩個(gè)T型交叉口與次干道上的兩個(gè)十字交叉口協(xié)調(diào)控制;采用Synchro中的交通流量線法確定相位差,同時(shí)提出位周期固定、相位變化周期固定、相位周期都變化三種優(yōu)化方案。與VISSIM聯(lián)合仿真可知,與初始方案相比,相位周期均變化的優(yōu)化方案對(duì)交通效益指標(biāo)改善程度最高,同時(shí),交叉口服務(wù)水平從C級(jí)升級(jí)到了B級(jí),證明采用干線協(xié)調(diào)控制解決主線匝道出口與地面銜接段的交通問題是十分合理和有效的。

需指出的是,本文只考慮了節(jié)點(diǎn)上的四個(gè)交通效益指標(biāo),在后續(xù)研究中可將車流密度等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期獲得更合理的結(jié)果。