冰雪條件下城市道路交叉口交通流特性研究

巴興強(qiáng)，王 梅，陳長茂

(1.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064)

交通流理論研究作為一門新興的交叉性邊緣科學(xué)，近年來受到了科學(xué)工作者和工程師們的廣泛關(guān)注。交通流理論研究的長遠(yuǎn)目標(biāo)是要建立能夠描述實(shí)際道路交通一般特性的交通流模型，以揭示控制交通流的基本規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)交通工程部門規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和完善城市交通網(wǎng)絡(luò)與交通控制系統(tǒng)服務(wù)［1］。多年來，對(duì)交通流各個(gè)特性參數(shù)的研究無論是正常天氣還是冰雪天氣都局限于理論層次居多，所形成的交通管理與控制措施很難適應(yīng)隨氣候動(dòng)態(tài)變化的交通系統(tǒng)。

為了解決交通擁堵問題，交通工程界學(xué)者開始結(jié)合人類工程、汽車應(yīng)用工程、應(yīng)用數(shù)學(xué)工程、道路工程、環(huán)境工程、交通規(guī)劃工程、自動(dòng)控制工程等知識(shí)，通過交通流知識(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合來對(duì)交通設(shè)施設(shè)置、日常車輛出行、道路交通狀況進(jìn)行交通仿真，其中所占比例最大的是道路交通系統(tǒng)仿真。道路交通仿真基于交通流時(shí)間和空間隨機(jī)變化，利用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、功能以及交通參與者的思維與行為進(jìn)行模擬，是一種準(zhǔn)確、直觀、靈活的再現(xiàn)復(fù)雜交通現(xiàn)象的有效手段［2］。

圖1 和平路和民生路道路交叉口Fig.1 Road intersection between Heping Road and Minsheng Road

1 數(shù)據(jù)調(diào)查

1.1 調(diào)查時(shí)間、地點(diǎn)

本文主要研究冬季冰雪條件下北方城市道路交叉口的交通運(yùn)行情況，綜合考慮城市道路實(shí)際情況，選擇研究時(shí)段為城市居民上、下班高峰期。以哈爾濱市典型的十字交叉路口——和平路與民生路交叉口作為研究對(duì)象。該交叉口是兩條主干路交匯的典型十字型交叉口，具有完整的信號(hào)配時(shí)控制體系，其中和平路六車道，民生路五車道，除民生路東南向進(jìn)口外，其他三個(gè)進(jìn)口道的車輛都可左轉(zhuǎn)。該交叉口有著良好的道路設(shè)計(jì)和交通渠化方案，每個(gè)進(jìn)口設(shè)置有專用的直行車道，左轉(zhuǎn)車道，右轉(zhuǎn)車道，并且進(jìn)行了車道拓寬，信號(hào)配時(shí)有四個(gè)相位，有專用左轉(zhuǎn)相位，如圖1所示。

1.2 調(diào)查方案確定

(1)交通量調(diào)查。交通量調(diào)查的目的在于了解交通量在時(shí)間、空間上分布和變化規(guī)律，為交通規(guī)則、道路建設(shè)、工程經(jīng)濟(jì)分析等提供必要的數(shù)據(jù)［3］。交通量數(shù)據(jù)采集方法主要有人工觀測(cè)法、儀器自動(dòng)計(jì)測(cè)法、流動(dòng)車觀測(cè)法以及錄像觀測(cè)法［4］。本文在交通量調(diào)查過程中，考慮到冰雪條件隨機(jī)因素，人員調(diào)配程度，現(xiàn)有設(shè)備條件等，綜合最低成本和方便快捷性，選擇人工觀測(cè)法。

本觀測(cè)調(diào)查組共6名成員，3人為一組，共2組，分別記錄和平路與民生路的車輛通過道路交叉口的流量。

(2)速度。速度調(diào)查資料通常用于掌握某地點(diǎn)車速分布規(guī)律及變化趨勢(shì)，它是交通安全分析、交通工程設(shè)施設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是制定交通管理與控制措施的依據(jù)以及作為交通流理論研究中的重要參數(shù)［4］。速度測(cè)量采用儀器測(cè)量法，即雷達(dá)槍測(cè)速法。當(dāng)雷達(dá)測(cè)速儀瞄準(zhǔn)被測(cè)車輛時(shí)，發(fā)射出雷達(dá)測(cè)速電波，遇車輛后再從車輛反射回來，發(fā)射波與反射波的頻率差與車輛行駛的速度成正比，從而得到車輛的瞬時(shí)速度。

(3)密度調(diào)查。由于本文主要研究對(duì)象為交叉口交通流特性，考察其信號(hào)配時(shí)對(duì)通行能力的影響，因此密度不是主要參數(shù)，不需要進(jìn)行特別調(diào)查，可通過交通流三參數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算得出。

1.3 調(diào)查數(shù)據(jù)

首先通過人工調(diào)查法得到哈爾濱市和平路與民生路交叉口在非冰雪條件下和冰雪條件下的交通量數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 冰雪條件下的交通量調(diào)查數(shù)據(jù) (輛/h)Tab.1 Capacity investigation under ice and snow condition

表2 非冰雪條件下的交通量調(diào)查數(shù)據(jù) (輛/h)Tab.2 Capacity investigation under non-ice and-snow condition

然后，通過雷達(dá)測(cè)速儀測(cè)得該交叉口在非冰雪條件下和冰雪條件下的速度見表3和表4。

表3 冰雪條件速度調(diào)查數(shù)據(jù) (km/h)Tab.3 Traffic speed investigation under ice and snow condition

表4 非冰雪條件下速度調(diào)查數(shù)據(jù) (km/h)Tab.4 Traffic speed investigation under non-ice and-snow condition

1.4 問題與措施

通過分析調(diào)查數(shù)據(jù)，可以看出在冰雪條件下哈爾濱市和平路與民生路交叉口存在以下問題。

(1)哈爾濱市和平路與民生路交叉口在非冰雪條件下的交通流量為8946輛/h，而冰雪條件下的交通流量為5488輛/h(僅占非冰雪條件下的61%)。

(2)該交叉口在非冰雪條件時(shí)測(cè)得平均行車速度為44 km/h，而在冰雪條件下測(cè)得平均行車速度為30 km/h，在相同的行程距離內(nèi)，冰雪條件下的行程時(shí)間增加，延誤增加。

(3)該交叉口信號(hào)配時(shí)是不變，飽和流率降低。

(4)該交叉口在冰雪條件下，車輛行駛速度較非冰雪條件時(shí)有所降低。該交叉口信號(hào)配時(shí)方案周期時(shí)間過長，造成各個(gè)進(jìn)口道排隊(duì)車輛較多，而單獨(dú)設(shè)置的左轉(zhuǎn)相位通過車輛較少，因此導(dǎo)致有效綠燈時(shí)間浪費(fèi)，增加了行程時(shí)間和延誤，降低了交叉口的通行效率。

可見，與非冰雪條件下相比，冰雪條件下的哈爾濱市和平路和民生路交叉口交通流特性參數(shù)中交通量、速度、交叉口飽和流率有所下降，而行程時(shí)間和延誤有所增加，給交通參與者造成不便，違背了高效、快捷的交通設(shè)施設(shè)計(jì)原則［5－6］。因此，在冬季北方城市冰雪條件下，有必要采取和非冰雪條件不同的信號(hào)周期時(shí)長。

2 道路交叉口信號(hào)控制

2.1 和平路與民生路交叉口現(xiàn)行信號(hào)配時(shí)方案

哈爾濱市和平路與民生路交叉口，現(xiàn)有信號(hào)配時(shí)方案有四個(gè)相位，信號(hào)周期時(shí)間140 s，其中全紅時(shí)間2 s，黃燈時(shí)間2 s，信號(hào)相位方案如圖2和圖3所示。

圖2 交叉口信號(hào)配時(shí)Fig.2 Signal timing for road intersection

圖3 交叉口配時(shí)方案Fig.3 Signal timing plan for road intersection

2.2 仿真后優(yōu)化配時(shí)方案

以延誤和行車時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以延誤為優(yōu)化指標(biāo)，以一定間隔對(duì)現(xiàn)行信號(hào)配時(shí)方案信號(hào)周期進(jìn)行調(diào)整，分為增加信號(hào)周期時(shí)長和降低信號(hào)周期時(shí)長兩種調(diào)整方式，應(yīng)用VISSIM軟件進(jìn)行逐步仿真，得到延誤最小信號(hào)配時(shí)方案。

(1)建立仿真路網(wǎng)，通過仿真過程中離線數(shù)據(jù)分析，得到交叉口各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的延誤值，先對(duì)各進(jìn)口道延誤值進(jìn)行加權(quán)平均后得到進(jìn)口道平均延誤值，再對(duì)整個(gè)交叉口進(jìn)行加權(quán)平均，得到初始延誤值D0。

(2)調(diào)整信號(hào)周期，首先將信號(hào)周期由140 s降低到130 s，計(jì)算此時(shí)仿真輸出結(jié)果的平均延誤值D1。

(3)比較此時(shí)的延誤值D1與延誤初值D0的大小，如果此時(shí)D1較D0大，說明降低信號(hào)周期時(shí)長調(diào)整方式不正確，停止調(diào)整，轉(zhuǎn)而采用增加信號(hào)周期時(shí)長的調(diào)整方式;若D1比D0小，說明信號(hào)周期時(shí)長調(diào)整方式正確，繼續(xù)以10 s為間隔降低信號(hào)周期時(shí)長。

(4)當(dāng)調(diào)整信號(hào)周期后的延誤值不再增加時(shí)，即得到最佳信號(hào)配時(shí)。

每次調(diào)整后的信號(hào)周期時(shí)長和平均延誤D見表5。

表5 仿真優(yōu)化后的周期與平均延誤Tab.5 Period and average delay after simulation and optimization

可見，在配時(shí)方案不變的前提下，通過仿真得到哈爾濱市和平路與民生路的信號(hào)周期時(shí)長由140 s降到了110 s，信號(hào)配時(shí)如圖4所示。

3 仿真分析

3.1 虛擬仿真路網(wǎng)

根據(jù)和平路與民生路交叉口的道路寬度、車道數(shù)、車道漸變段、出入口車道連接、車輛轉(zhuǎn)向等實(shí)際情況，在VISSIM仿真軟件的工作環(huán)境中建立虛擬仿真路網(wǎng)，如圖5所示。

圖4 交叉口優(yōu)化配時(shí)圖Fig.4 Diagram of signal timing for road intersection

圖5 虛擬仿真路網(wǎng)Fig.5 Simulated road networks

3.2 仿真數(shù)據(jù)分析

對(duì)于一個(gè)道路交叉口信號(hào)配時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，在此選用行程時(shí)間和延誤為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過VISSIM軟件仿真后得到離線分析數(shù)據(jù)［7］，整理出以下城市道路交叉口交通流特性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比表。

(1)非冰雪條件和冰雪條件城市道路交叉口交通流特性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比見表6。

表6 非冰雪條件和冰雪條件交通流特性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Tab.6 Comparison of evaluation indicators of traffic characteristics under snow and ice condition and non-snow and-ice condition

根據(jù)表6的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在冰雪條件下，行車速度降低，車輛通過交叉口的行程時(shí)間和延誤增加，降低了交叉口的通行能力，也降低了交叉口的交通效率。

(2)優(yōu)化信號(hào)配時(shí)前后交叉口交通流特性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比見表7。

表7 優(yōu)化信號(hào)配時(shí)前、后交通流特性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Tab.7 Comparison of evaluation indicators of traffic characteristics before and after signal timing optimization under snow and ice condition and non-snow and-ice condition

可見，以平均延誤為優(yōu)化指標(biāo)，經(jīng)過VISSIM的仿真分析與優(yōu)化后，得到周期時(shí)長為110s信號(hào)配時(shí)方案，相比于優(yōu)化前交叉口140s配時(shí)方案來說，總體上每個(gè)進(jìn)口道行程時(shí)間和延誤都降低了，說明減少周期時(shí)長后方案在一定程度上提高了交叉口的通行效率。

4 結(jié)論

對(duì)于城市道路交通路網(wǎng)而言，其交通流特性會(huì)受到諸多客觀因素影響。交通流依據(jù)不同天氣條件會(huì)發(fā)生明顯變化，相應(yīng)調(diào)整其信號(hào)配時(shí)，可以提高道路通行能力，減少延誤，降低交通擁堵，提高道路交通路網(wǎng) (系統(tǒng))的整體效率，對(duì)冬季北方城市道路交叉口交通通行效率具有一定的參考價(jià)值。

以冰雪條件下哈爾濱市和平路與民生路交叉口交通流特性參數(shù)為研究對(duì)象，以行程時(shí)間和延誤為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過仿真分析與優(yōu)化，獲得了冰雪條件下城市道路交叉口較為理想的信號(hào)配時(shí)方案，得到如下結(jié)論。

(1)與非冰雪條件情況相比，冰雪條件下道路交叉口的行車速度、交通量、通行能力、飽和度都有所下降，延誤有所增加，道路交叉口的通行效率有較大的降低。

(2)在非冰雪條件下適用的北方城市道路交通管理措施，難以滿足冰雪條件的道路交通狀況需求。由于我國北方城市冬季降雪時(shí)間較長，應(yīng)采取切實(shí)可行的應(yīng)對(duì)措施，以保證冰雪條件下道路交叉口的通行效率。

(3)以延誤為優(yōu)化指標(biāo)，利用VISSIM軟件仿真分析后，可得到的哈爾濱市和平路與民生路交叉口信號(hào)優(yōu)化配時(shí)方案，周期時(shí)長由原來的140 s降低為110 s，降低了車輛通過該交叉口時(shí)行程時(shí)間和延誤，提高了交叉口的通行效率。

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