十字交叉口的單口放行與對稱放行相位設(shè)計方法對比研究＊

林曉輝

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)工程學(xué)院 廣州510650）

0 引 言

十字交叉口是城市道路中最典型的交叉口類型，其相位設(shè)計方法的優(yōu)劣直接影響交通流運(yùn)行的安全性和交叉口的服務(wù)水平高低［1］。對于流量均衡的十字交叉口通常采用對稱放行方式，十字交叉口的時空資源能夠充分利用，但對于交通流量不均衡的十字交叉口，對稱放行方式就不大適應(yīng)，針對這一情況，有學(xué)者提出單口放行方式，即同1個進(jìn)口的所有車輛同時放行一段時間，然后再放行下1個進(jìn)口。為驗(yàn)證十字交叉口的單口放行方式和對稱放行方式適用性，筆者以廣東東莞市虎門大道－連升路十字交叉口為例，通過Vissim仿真建模，分析2種方式的平均延誤時間、排隊(duì)長度、停車次數(shù)等交通信號控制性能指標(biāo)。

1 2種放行方式簡析

1.1 對稱放行方式簡析

對于典型的十字交叉口，為避免每個進(jìn)口左轉(zhuǎn)和直行車輛與其他進(jìn)口車輛發(fā)生沖突，通常采用4相位對稱放行方式，即放行某個進(jìn)口某方向車流的同時，放行對向的同一流向車流，見圖1。該放行方式的相關(guān)信號配時理論已相當(dāng)成熟，通常采用Webster配時方法，根據(jù)各相位關(guān)鍵車流流量比對周期進(jìn)行劃分。在流量均衡的情況下，這種放行方式能夠有效地提高交叉口的運(yùn)行效率，但對于流量不均衡的情況，這種放行方式容易出現(xiàn)空放現(xiàn)象，即某方向車流在通行，但對向車流早就放完。

圖1 4相位對稱放行方式Fig.1 The four－phase symmetric phase

為避免空放現(xiàn)象，有學(xué)者提出利用搭接技術(shù)，即允許在多個相位內(nèi)放行同1個車流，在4相位對稱放行方式的基礎(chǔ)上設(shè)計8相位放行方式，見圖2。8相位放行方式能夠提高交叉口時空資源的利用率，但在實(shí)際運(yùn)用中，隨著相位的增加，總損失時間也增加，搭接技術(shù)效果不盡人意。

圖2 以對稱放行為基礎(chǔ)的8相位控制圖Fig.2 The eight－phase control chart based on symmetric phase

1.2 單口放行方式簡析

對于幾何條件不對稱或流量不均衡的交叉口，通常采用單口放行的信號控制方式，即將每個進(jìn)口道作為1個單獨(dú)相位，讓其左轉(zhuǎn)車輛和直行車輛同時放行，1個進(jìn)口道放完再放下1個進(jìn)口，并且將各進(jìn)口最左邊的那條直行車道改成直左合用車道，更有利于左轉(zhuǎn)車輛順利通過交叉口［2－3］。4相位單口放行方式見圖3。

圖3 4相位單口放行方式Fig.3 The four－phase of each phase for an entrance

1.3 2種相位放行方式對比分析

不同的相位放行方式將對交叉口運(yùn)行效率產(chǎn)生不同的影響。下面選取交叉口總通行能力、飽和度、延誤時間等指標(biāo)對對稱放行方式和單口放行方式進(jìn)行比較。

1）交叉口總通行能力［4］。交叉口的通行能力為

式中：S為單車道的飽和流率；m為交叉口相位總數(shù)；ni為相位i所包含的各個流向的車道數(shù)之和；N為交叉口所有進(jìn)口道的總車道數(shù)（不包括右轉(zhuǎn)車道），針對某1個交叉口，將其設(shè)為定值；λi為相位i的綠信比，設(shè)定信號相位配時依據(jù)等飽和度原則，于是有λi∞qimax，其中：qimax為相位i中各個流向的單車道流量qi的最大值，即關(guān)鍵單車道流量；λ為各相位的綠信比之和，在相位數(shù)相同的前提下，忽略總相位損失的差異，將其設(shè)為定值。

2）飽和度。飽和度是指道路的實(shí)際流量與通行能力之比，用x表示。

由式（3）可知，飽和度的均衡性與交叉口通行能力密切相關(guān)。在進(jìn)行相位設(shè)計時，不能一味追求交叉口總通行能力，而忽視通行能力的均衡分配。分析單口放行方式與對稱放行方式可知：

（1）2種方式各相位間飽和度是均衡的。

（2）在對稱放行方式中，每個相位內(nèi)各交通流量大小不一定均衡，可能出現(xiàn)空放現(xiàn)象，易造成飽和度不均衡，未能充分利用路口通行能力資源，即其通行能力的有效性較低。

3）在單口放行方法中，同1相位（即同1個進(jìn)口）內(nèi) ，各方向車流同時放行，直行車流可借用直左車道通行，可充分利用進(jìn)口的通行能力資源，有效地提高通行效率。

2 算例分析

以虎門大道－連升路十字交叉口為例［5］，該交叉口各進(jìn)口道車道布局如圖4所示。該交叉口在高峰、平峰、低峰等3種交通需求如表1所示，東西主干道連接廣深高速公路，在高峰時段，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)到西出口的車流明顯多于南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車流。現(xiàn)分析在3種不同交通需求下單口放行方法與對稱放行方法對該交叉口通行能力和飽和度產(chǎn)生的影響。

圖4 各進(jìn)口道車道布局圖Fig.4 The layout of each entrance lane

采用Webster配時設(shè)計方法，分別計算出該交叉口3種不同交通需求下采用單口放行方式和對稱放行方式的配時方案。對該交叉口的南北2個進(jìn)口按照2種方法進(jìn)行分析，分別得出該交叉口的通行能力和飽和度，見表1。

由算例可見，采用單口放行方式時，其南、北2相位的車道數(shù)n3＝n4＝6，其交叉口總通行能力取得中間值qc0。在高峰時段時，采用對稱流向放行方法，交叉口總通行能力qc＞qc0，其交叉口飽和度也相對較?。?.84＜0.86）。從通行能力、飽和度看，2種方法的差別不明顯。因此，僅依據(jù)通行能力、飽和度來判斷哪種放行方法優(yōu)越是比較困難的，應(yīng)該結(jié)合具體交通主體進(jìn)行分析，比較兩種方案在高峰、平峰、低峰等3種交通需求下的其它交通信號控制指標(biāo)（如平均延誤、平均停車次數(shù)、平均排隊(duì)長度等），以確定最優(yōu)方案。

表1 2種相位設(shè)計方式的配時方案對比表Tab.1 The comparison of timing scheme between of two phase design methods

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)以廣東省東莞市虎門大道－連升路十字交叉口為例，利用Vissim交通仿真軟件來仿真分析該交叉口在分別采用各進(jìn)口單獨(dú)放行方法與對稱流向放行方法條件下各種交通信號控制性能指標(biāo)的差別。

虎門大道－連升路十字交叉口位于虎門鎮(zhèn)2條主干道的交界處，東西主干道連接廣深高速公路，上下高速公路的交通流量較多，在高峰時段，周期基本上在120s以上，西進(jìn)口的車輛在通過交叉口時出現(xiàn)需排隊(duì)等候2個信號周期的現(xiàn)象，南北進(jìn)口對向左轉(zhuǎn)交通量不均衡性較為明顯。下面利用Vissim仿真軟件對其進(jìn)行分析。

1）建立交叉口模型。在Vissim交通仿真軟件中建立交叉口模型，見圖5。

圖5 虎門大道－連升路交叉口仿真模型圖Fig.5 The simulation model of Humen－Liansheng Road intersection

2）將表1中的3種交通流量數(shù)據(jù)分別輸入到模型中，并設(shè)置轉(zhuǎn)彎減速區(qū)。

3）依據(jù)表1中的配時方案，分別設(shè)置對稱放行方式和單口放行相位。

通過模擬仿真，得出對該交叉口仿真模型在高峰、平峰、低峰等3種交通需求下分別采用各進(jìn)口單獨(dú)放行方法與對稱流向放行方法的各種交通信號控制指標(biāo)，見圖6～9。

圖6 平均行程時間Fig.6 The average of the travel time

圖7 平均延誤時間Fig.7 The average of the delay time

圖8 平均停車次數(shù)Fig.8 The average of the stops

圖9 平均排隊(duì)長度Fig.9 The average of the queue length

由圖6～9可見，隨著車流量的增加，平均行程時間、平均延誤時間、平均停車次數(shù)、平均排隊(duì)長度也相應(yīng)的增加。在高峰時段，與對稱放行方式相比，單口放行的平均行程時間減少了1.4%，平均延誤時間減少了4.8%，平均停車次數(shù)減少了3.1%，平均排隊(duì)長度減少了4%；在平峰時段，與對稱放行方式相比，單口放行的平均行程時間增加了8.6%，平均延誤時間增加了5.5%，平均停車次數(shù)無變化，平均排隊(duì)長度增加了2.3%；在低峰時段，與對稱放行方式相比，單口放行的平均行程時間增加了19.5%，平均延誤時間增加了21.8%，平均停車次數(shù)增加了11.9%，平均排隊(duì)長度增加了17.6%。仿真結(jié)果表明：交通流量不均衡時，單口放行相位設(shè)計方法的各項(xiàng)交通信號控制指標(biāo)優(yōu)于對稱放行相位設(shè)計方法；交通流量均衡時，對稱放行相位設(shè)計方法的各項(xiàng)交通信號控制指標(biāo)優(yōu)于單口放行相位設(shè)計方法。

4 結(jié)束語

在設(shè)計交叉口信號控制方案過程中，充分利用交叉口通行能力資源，同時盡量均衡各流向車流之間的飽和度，盡可能避免空放現(xiàn)象。就十字交叉口而言，對于交通流量不均衡時，建議采用單口放行相位設(shè)計方法，對于交通流量均衡時，建議采用對稱放行相位設(shè)計方法。筆者尚未考慮2種相位設(shè)計方法對其它類型交叉口的適用性，上述問題有待下一階段繼續(xù)研究。

［1］ 王力揚(yáng)，周鈺嚴(yán).交叉口相位及信號配時優(yōu)化［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012（12）：1026－1032.

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［4］ 張小寧，鄧靜媛.交叉口單口放行方法相位設(shè)計設(shè)置研究［J］.公路交通科技，2010，27（8）：87－90＋95.

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［6］ 張小寧，鄧靜媛.交叉口單口放行方法相位設(shè)計設(shè)置研究［J］.公路交通科技，2010（8）：87－90＋95.

［7］ 張亮，張存保.流量不對稱“十”字交叉口信號相位設(shè)計方法研究［J］.交通信息與安全，2009（2）：77－80＋84.

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