平面交叉口行人信號配時方法研究

梁春巖,吳立新,馮天軍,2

(1.吉林建筑大學交通科學與工程學院,長春130118;2.吉林大學交通學院,長春130022)

平面交叉口行人信號配時方法研究

梁春巖*1,吳立新1,馮天軍1,2

(1.吉林建筑大學交通科學與工程學院,長春130118;2.吉林大學交通學院,長春130022)

為了提高平面交叉口的運行效率和安全性,本文在分析機動車與行人沖突情況的前提下,研究行人信號配時方法.從搭接相位的角度,在兩相位信號控制交叉口,建立行人綠燈提前截止時間計算模型,在四相位信號控制交叉口,建立不同相序下的行人交通流綠燈提前啟亮時間計算模型;從以行人交通流為關鍵交通流的角度,確定信號配時關鍵車流的流量臨界值,進而計算信號配時參數(shù),并以長春市某交叉口為例進行驗證.研究結(jié)果表明,該配時方法可以大大提高行人的過街效率,減少甚至避免行人和機動車之間的沖突,提高交叉口的安全性和運行效率.

交通工程;信號配時;搭接相位;行人交通流;關鍵車流

1 引 言

目前,多數(shù)信號控制交叉口的行人信號配時幾乎均以機動車交通流為關鍵車流,行人的信號配時與同方向行駛的機動車相同,行人專用相位和遲起早斷信號階段的研究只針對兩相位信號控制交叉口,以延誤、通行能力為主要研究目標,對于四相位信號控制交叉口,研究較少而且不夠細致[1-4].隨著逐漸對行人交通信號配時的重視,對行人綠燈最小時間進行了研究,并且根據(jù)不同的實際情況,建立了行人綠燈時間調(diào)整模型[5].在機動車流量較小而行人流量較大的交叉口,這樣的信號配時方案往往是照顧了流量不大的機動車流,導致行人集群式搶行,不利于交叉口的安全性和整體運行效率.

在以機動車為依據(jù)所建立的信號配時方案下,由于行人的交叉口清空時間比較長,在相位轉(zhuǎn)換過程中,機動車與行人的沖突嚴重.另外,信號控制交叉口采用的倒計時裝置,使部分機動車駕駛員和行人搶行通過交叉口,或提前進入交叉口,加重了沖突的嚴重性,甚至導致交通事故的發(fā)生.延長綠燈間隔時間可以消除這類沖突,但是這會使周期時長變大,增加延誤.因此,為了提高道路時空資源的利用效率,減少甚至消除機動車與行人之間的沖突,研究行人的信號配時方法是行之有效的手段之一[6].本文基于不同的信號配時方案和相位相序,研究行人交通流搭接相位的設置,計算行人交通流綠燈提前截止時間,并提出以行人交通流為依據(jù)的信號配時和參數(shù)計算方法.

2 搭接相位

搭接相位是跨信號階段通行的相位[7].設置行人的搭接相位則是在原有確定的相位方案下,通過對行人交通流運行特性分析,采用提前截止或提前啟亮綠燈的方法,以減少由于行人和機動車運行特性差異而導致的機非沖突.

2.1 行人綠燈提前截止

在兩相位信號控制交叉口,由于行人交通流速度較慢,本相位綠燈結(jié)束后,綠燈間隔時間不足以使行人順利通過交叉口,必然與下一相位的機動車產(chǎn)生沖突.為避免沖突,設置行人綠燈提前截止,使提前截止的時間與綠燈間隔時間剛好用于行人通過交叉口.

以十字形交叉口東西進口為例,在東西相位綠燈結(jié)束之后,東西方向的行人還沒有通過交叉口,南北進口的機動車就已經(jīng)駛?cè)虢徊婵?與行人發(fā)生沖突,沖突示意圖如圖1所示.

圖1 行人與機動車沖突示意圖Fig.1 Conflict of pedestrian and vehicle

東西進口行人安全通過交叉口的時間為

式中 L1為交叉口人行橫道起點至沖突點的距離,m,可以近似取為交叉口距離;vp為行人交通流速度,m/s.

假設行人綠燈提前截止時間為Tp1,為了避免沖突,應滿足Tp1+I≥tp,則有

式中 I為綠燈間隔時間,s.

將式(1)代入式(2)有行人綠燈提前截止時間需要滿足的條件為

2.2 行人綠燈提前啟亮

在四相位信號控制交叉口,行人交通流相位只與同方向直行機動車相位相同,也就是當左轉(zhuǎn)相位綠燈時,行人相位仍為紅燈,大大降低了行人的通行效率,而行人往往因為紅燈時間過長而違章闖紅燈,不利于交叉口安全,對于不同相序的信號控制交叉口,設置搭接相位,即提前啟亮行人相位綠燈.

(1)先直行后左轉(zhuǎn).

對于先直行后左轉(zhuǎn)的四相位信號控制交叉口,仍以東西方向為例,東西方向左轉(zhuǎn)機動車相位綠燈結(jié)束后是南北方向直行相位,南北方向行人與南北方向直行機動車相位相同.在東西相位左轉(zhuǎn)運行過程中,交叉口有半幅路是可以利用(如圖2(b)陰影部分所示),可以考慮在東西方向左轉(zhuǎn)相位綠燈結(jié)束前,提前啟亮南北方向的行人信號燈,使行人比南北方向機動車先進入交叉口,提前啟亮時間為行人行駛至行人與左轉(zhuǎn)機動車沖突點的時間,即

式中 L2為南北方向人行橫道距離.

圖2 先直行后左轉(zhuǎn)信號控制交叉口行人綠燈提前啟亮示意圖Fig.2 The early start time forpedestrian on intersection with former straight and later left turn

(2)先左轉(zhuǎn)后直行.

對于先左轉(zhuǎn)后直行的四相位信號控制交叉口,仍以東西方向為例,東西方向左轉(zhuǎn)機動車相位綠燈結(jié)束后是東西方向直行相位,東西方向行人與東西方向直行機動車相位相同.在東西相位左轉(zhuǎn)運行過程中,交叉口有半幅路是可以利用(如圖3(a)陰影部分所示),可以考慮在東西方向左轉(zhuǎn)相位綠燈結(jié)束前,提前啟亮東西方向的行人信號燈,使行人比東西方向機動車先進入交叉口,提前啟亮時間為行人行駛至行人與左轉(zhuǎn)機動車沖突點的時間,即

式中 L3為東西方向人行橫道距離.

圖3 先左轉(zhuǎn)后直行信號控制交叉口行人綠燈提前啟亮示意圖Fig.3 The early start time forpedestrian on intersection with former left turn and later straight

3 信號配時方法

當行人交通流處于高峰時,行人流量是非高峰小時的數(shù)倍,或當行人流量明顯大于機動車流量時,以機動車交通流為依據(jù)設計的信號配時方案,由于行人交通流不同于機動車的運行特性,會導致交叉口通行能力降低、機動車與行人之間的沖突嚴重及延誤加大等問題.在這種情況下,以行人交通流為基礎進行信號配時方案設計,而讓機動車隨同方向的行人通行,給行人絕對優(yōu)先權(quán),可以減少沖突,提高交叉口的運行效率和安全性.而其中最關鍵的兩個問題,一是以行人交通流為依據(jù)進行信號配時的判斷依據(jù),二是信號配時方法及信號配時參數(shù)的計算.

3.1 確定配時依據(jù)

在以機動車流為關鍵車流的信號配時方案下,當行人流量較大時,使得在一個綠燈相位內(nèi),排隊等待的行人不能全部通過交叉口,會導致某些行人為通過交叉口而與機動車搶行,極易造成交通沖突,甚至交通事故.那么就以排隊的機動車或行人完全通過停車線作為信號配時的依據(jù).

機動車排隊完全消散的時間為

式中 tm為機動車排隊完全消散的時間,s;r為紅燈時長,s;qm為機動車流量,veh/h;Sm為機動車飽和流率,veh/h.

而行人排隊完全消散的時間與機動車原理基本相同,即

式中 tp為行人排隊完全消散的時間,s;r為紅燈時長,s;qp為行人流量,p/(s·m);Sp為機動車飽和流率,p/(s·m).

當tm=tp,即為選擇信號配時關鍵車流的臨界值.經(jīng)過整理有

這里定義行人交通流流量比為行人交通流流量(qp)與其飽和流率(Sp)的比值,即yp=qp/Sp,則式(8)可以寫成:

式中 ym為機動車流的流量比.

也就是說,當yp＞ym,以行人交通流為依據(jù)進行信號配時方案設計,否則以機動車流為關鍵車流.

3.2 信號配時參數(shù)計算

以機動車流為關鍵車流進行信號配時方案設計的理論與方法成熟,這里不再論證.作者主要以行人交通流為依據(jù),研究配時參數(shù)的計算方法.

到目前為止,并沒有比較成熟的專門針對行人交通流的信號配時方法,所以在確定以行人交通流為依據(jù)進行信號配時后,仍按照機動車原理設計配時方案.以排隊能夠完全消散的時間來確定周期時長和綠燈時長.由以往的研究成果我們知道,周期時長過大,會造成交叉口空間資源的浪費,降低交叉口的通行能力,所以在計算周期時長時,只要滿足各方向行人排隊能夠完全消散即可.

對于以行人交通流為依據(jù)進行信號配時的交叉口,機動車數(shù)量較少,交叉口多采用兩相位信號控制,本文就以兩相位為例.

設東西向為相位1,綠燈時長取東西方向行人排隊完全消散所需時間的最大者,即

式中 t1為東西向綠燈時長,s;tpE為東進口行人排隊完全消散的時間,s;tpW為西進口行人排隊完全消散的時間,s.

設南北向為相位2,同樣該相位的綠燈時長取南進口和北進口行人排隊完全消散所需要時間的最大者,即

式中 t2為南北向綠燈時長,s;tpS為南進口行人排隊完全消散的時間,s;tpN為北進口行人排隊完全消散的時間,s.

由于機動車行駛速度比行人大,所以設置綠燈間隔時間時,同樣以行人流為依據(jù),也就是說,只要保證行人能夠安全通過沖突區(qū)即可.以西進口為例,相位1綠燈結(jié)束之后,東西方向的行人會與相位2(南北方向)的機動車發(fā)生沖突,如圖1所示.

則有相位1轉(zhuǎn)換到相位2的綠燈間隔時間為

式中 I1為綠燈間隔時間,s;vp為行人通過交叉口的速度,m/s.

按照同樣的原理可以計算由相位2轉(zhuǎn)換到相位1的綠燈間隔時間,設其為I2,則有周期時長為

在道路等級相當?shù)那闆r下,綠燈間隔時間相等,即令I1=I2=I,則周期時長可以寫成C0=t1+ t2+2I.行人的啟動速度較快,幾乎沒有起動損失時間,可以近似將綠燈顯示時長看成是有效綠燈時長,則有東西向綠燈顯示時間即為行人排隊完全消散的時間,g1=t1,綠信比為:λ1=t1/C0;南北向綠信比為:λ1=t2/C0,綠燈顯示時間即為行人排隊完全消散的時間,g2=t2.

4 案例分析

本文以長春市景陽大路和春城大街交叉口為例,該交叉口為三相位信號控制交叉口,附近有150路、54路、234路和280路等多條公交線路,行人流向比較復雜,相關調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示.根據(jù)以往研究成果,行人過街步速取1.2 m/s[8].

表1 交叉口實際調(diào)查數(shù)據(jù)表Table 1 The survey data of the intersection

以春城大街方向的行人為例,目前該方向行人與春城大街機動車信號相同,綠燈時間為36 s,可以考慮在第二相位綠燈結(jié)束之前,提前啟亮春城大街方向的行人綠燈,根據(jù)式(4)得提前啟亮時間為18 s.

景陽大路為四幅路,可在交叉口的隔離帶延長地區(qū)設置行人駐足區(qū),供行人二次過街,綠燈間隔時間可以供行人行走至安全駐足區(qū).由此可見,春城大街方向行人綠燈增加了50%,大大提高了行人通過交叉口的效率.

5 研究結(jié)語

本文研究了行人信號配時方法為設置搭接相位和以行人交通流為依據(jù)的信號配時方法.其中搭接相位包括行人綠燈的提前截止時間和提前啟動時間的確定方法,而以行人交通流為依據(jù)的信號配時方案,則主要研究了選擇信號配時關鍵車流臨界值的計算及配時參數(shù)的計算方法,經(jīng)過實例驗證表明,提前啟亮行人綠燈時間可以大大提高行人過街效率.研究成果可以豐富行人信號配時理論,具有一定實用價值.以行人交通流為依據(jù)進行信號配時方案設計僅停留在理論研究階段,需要應用實例進一步驗證.

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Signal Timing Method for Pedestrian at Intersection

LIANG Chun-yan1,WU Li-xin1,FENG Tian-jun1,2
(1.Traffic Science and Engineering Department,Jianzhu University, Changchun 130118,China;2.College of Traffic,Jilin University,Changchun 130022,China)

To improve the operational efficiency and safety of the intersections,the signal timing method for pedestrian is studied based on the vehicle-pedestrian conflict analysis.From the view of overlap phase, the early end of green time for pedestrian traffic flow is measured at two-phase signal intersection.The early start of green time for pedestrian traffic flow is calculated at four-phase signal intersection according to the diverse phase sequence.From the point of taking pedestrian volume as the basement,the critical value is determined and then the signal timing parameters are computed.The intersections in Changchun city of China is taken as an example for verification.The results show that the efficiency of the pedestrian traffic increases greatly and the vehicle-pedestrian conflicts can be lessened and avoided.The overall safety and operational efficiency of the intersection is improved through the signal timing method.

traffic engineering;signal timing;overlap phase;pedestrian traffic flow;critical traffic flow

U491.4Document code: A

U491.4

A

1009-6744(2013)04-0054-05

2013-03-01

2013-03-24錄用日期:2013-04-15

吉林省自然科學基金項目(201215176).

梁春巖(1978-),女,工學博士,副教授.

*通訊作者:lcy9716@sohu.com