一種感應(yīng)式短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通控制方法及實(shí)現(xiàn)

胡鵬

（湖南警察學(xué)院交通管理系，長(zhǎng)沙　410138）

一種感應(yīng)式短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通控制方法及實(shí)現(xiàn)

胡鵬

（湖南警察學(xué)院交通管理系，長(zhǎng)沙410138）

0　引言

機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的迅速增加給城市交通研究者們帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。為更好地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，相關(guān)領(lǐng)域的研究者們孜孜以求，從交通實(shí)踐出發(fā)，不斷應(yīng)用新理論、新方法來(lái)保障道路交通的安全、有序和暢通［1］。作為城市交通擁堵主要發(fā)生地的平面交叉口在過(guò)去十多年里成為研究者們的主要研究對(duì)象，尤其是針對(duì)信號(hào)交叉口交通控制的相關(guān)方法不斷涌現(xiàn)，為交叉口通行能力的提高和城市交通擁堵的緩解發(fā)揮了重要作用［2］。在這其中，平面交叉口直行/右轉(zhuǎn)交通的組織在過(guò)去幾年里得到了持續(xù)的關(guān)注［3］。具體地，在當(dāng)前道路資源無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)顯著增加的情況下，通過(guò)拓寬交叉口進(jìn)口道道路寬度開(kāi)辟右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道已經(jīng)成為平面交叉口通行能力提升改造工作的通用方法。遺憾的是，來(lái)自交通管理一線(xiàn)的研究者們?cè)趯?shí)踐中不斷發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)改造后的交叉口直行/右轉(zhuǎn)相鄰兩車(chē)道在交通流量增大時(shí)常出現(xiàn)因一條車(chē)道（直行/右轉(zhuǎn)）排隊(duì)車(chē)輛溢出而導(dǎo)致另一條車(chē)道（右轉(zhuǎn)/直行）被阻擋而引發(fā)交通阻塞的情況。這種情況的頻繁出現(xiàn)從很大程度上降低了交叉口通行效率，造成了交叉口時(shí)空資源的浪費(fèi)，形成交通管理實(shí)踐中的短右轉(zhuǎn)車(chē)道問(wèn)題［4］。

盡管當(dāng)前有不少研究者從通行能力的角度對(duì)短右轉(zhuǎn)車(chē)道的存在及長(zhǎng)度進(jìn)行了一些富有數(shù)理基礎(chǔ)的探討，也形成了一些可供參考的研究成果，但對(duì)于如何解決隱藏在短右轉(zhuǎn)車(chē)道背后的交通阻塞問(wèn)題，少有提及［5］。有鑒于此，本文從短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通阻塞形成機(jī)理入手，借助交通沖突和交通控制理論，提出一種可供工程實(shí)踐參考的短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通控制方法，在此基礎(chǔ)上探索一種基于感應(yīng)式直行/右轉(zhuǎn)車(chē)道交通控制系統(tǒng)，從而在一定程度上緩解短右轉(zhuǎn)車(chē)道的交通阻塞，進(jìn)而達(dá)到提高交叉口通行效率的目的。

1　短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通阻塞形成機(jī)理

在平面交叉口的交通組織設(shè)計(jì)中，短右轉(zhuǎn)車(chē)道是指在將道路邊緣局部拓寬以增加專(zhuān)用右轉(zhuǎn)車(chē)道的一種交通組織方案（如圖1a所示），受道路條件限制，此右轉(zhuǎn)車(chē)道長(zhǎng)度一般要小于相鄰車(chē)道的長(zhǎng)度。定義圖中直行車(chē)道長(zhǎng)度為L(zhǎng)s，右轉(zhuǎn)車(chē)道長(zhǎng)度為L(zhǎng)r，那么有0≤Lr≤Ls，Lr=0表示沒(méi)有進(jìn)行拓寬進(jìn)口道的設(shè)計(jì)（如圖1b所示），Lr=Ls可以理解為自路段起就增加了一條車(chē)道（如圖1c所示）。

圖1　

排隊(duì)車(chē)輛溢出是指進(jìn)入交叉口進(jìn)口道車(chē)輛在排隊(duì)等候通行的過(guò)程中因車(chē)輛集聚導(dǎo)致排隊(duì)長(zhǎng)度超過(guò)進(jìn)口道長(zhǎng)度的情況。對(duì)于上圖所示短右轉(zhuǎn)車(chē)道而言，一條車(chē)道排隊(duì)車(chē)輛溢出就會(huì)造成相鄰車(chē)道通行被阻擋，定義直行車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度Qs和右轉(zhuǎn)車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度Qr，以排隊(duì)長(zhǎng)度為觀察目標(biāo)描述直行/右轉(zhuǎn)車(chē)道運(yùn)行狀態(tài)如下：

（1）直行車(chē)道溢出阻塞右轉(zhuǎn)通行Qr≤Lr，Qs≤Ls

直行車(chē)輛排隊(duì)數(shù)目過(guò)多導(dǎo)致排隊(duì)溢出，右轉(zhuǎn)車(chē)道通行正常，此時(shí)右轉(zhuǎn)車(chē)輛受到阻擋，待直行車(chē)輛放行時(shí)，右轉(zhuǎn)車(chē)輛方能通行（如圖2a所示，圖中黑色小車(chē)為右轉(zhuǎn)車(chē)輛，白色為直行車(chē)輛，下同），由于直行車(chē)輛常需等候直行綠燈信號(hào)，所以這種阻塞發(fā)生的頻率最高；

（2）右轉(zhuǎn)車(chē)道溢出阻塞直行Qr≥Lr，Qs≥Ls

右轉(zhuǎn)車(chē)輛排隊(duì)數(shù)目過(guò)多導(dǎo)致排隊(duì)溢出，直行車(chē)道通行正常，此時(shí)直行車(chē)輛受到阻擋，待右轉(zhuǎn)車(chē)道清空或恢復(fù)正常通行時(shí)，直行車(chē)輛方能通行（如圖2b所示），普通交叉口長(zhǎng)采用右轉(zhuǎn)常綠的交通控制策略，這種阻塞情況的發(fā)生常與非機(jī)動(dòng)車(chē)的直行、行人過(guò)街等對(duì)右轉(zhuǎn)車(chē)輛的沖突密切相關(guān)；

（3）直行/右轉(zhuǎn)車(chē)道均溢出Qr≥Lr，Qs≥Ls

直行/右轉(zhuǎn)車(chē)輛排隊(duì)數(shù)目均已經(jīng)超過(guò)進(jìn)口道長(zhǎng)度，直行/右轉(zhuǎn)車(chē)輛相互阻塞的情況將持續(xù)發(fā)生，整個(gè)交叉口也面臨擁堵（如圖2c所示），此時(shí)的交叉口處于嚴(yán)重的過(guò)飽和狀態(tài)；

圖2　

（4）直行/右轉(zhuǎn)車(chē)道均沒(méi)有溢出，相鄰車(chē)道通行互無(wú)干擾Qr＜Lr，Qs＜Ls

此時(shí)屬于交通流量較小的狀態(tài)，直行/右轉(zhuǎn)車(chē)輛的通行均未受到影響（如圖2d所示）。

對(duì)于狀態(tài)4，直行、右轉(zhuǎn)車(chē)輛互不干擾，有序通行，是一種相對(duì)理想的運(yùn)行狀態(tài)；狀態(tài)3描述的是交叉口的一種過(guò)飽和狀態(tài)，對(duì)于此種過(guò)飽和狀態(tài)的研究將在后續(xù)的研究中予以討論；不難看出，狀態(tài)1、2描述的是因一條車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度溢出從而導(dǎo)致相鄰車(chē)道通行到阻塞的情況。短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通控制的目標(biāo)在于通過(guò)恰當(dāng)?shù)目刂撇呗越鉀Q因當(dāng)前車(chē)道排隊(duì)數(shù)目過(guò)多造成相鄰車(chē)道通行受阻，通行能力降低的問(wèn)題。

2　借道直行的交通控制策略

為保證交叉口出口道通行能力的最大化，常采用右轉(zhuǎn)常綠的交通控制方式。因?yàn)槠矫娼徊婵诓煌较蛑毙?、左轉(zhuǎn)交通流的相互沖突，所以直行、左轉(zhuǎn)車(chē)輛通過(guò)紅綠信號(hào)燈從時(shí)間上將他們之間的交通從沖突予以分離，以保證交通安全。因此，狀態(tài)2中右轉(zhuǎn)車(chē)輛排隊(duì)溢出問(wèn)題的解決以右轉(zhuǎn)常綠的交通控制方式為基礎(chǔ)，以減少行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)過(guò)街對(duì)右轉(zhuǎn)交通的干擾為保障，確保右轉(zhuǎn)車(chē)輛行駛的順暢。

與右轉(zhuǎn)交通采用常綠交通控制方式不同，直行交通必須受紅綠信號(hào)燈的控制。當(dāng)直行交通需求超過(guò)直行方向上通行能力時(shí)，狀態(tài)1中所描述的交通阻塞就會(huì)發(fā)生。從交通控制角度來(lái)看，提高信號(hào)交叉口某一方向通行能力的常用措施包括兩種，增加車(chē)道數(shù)目和增加相應(yīng)相位的綠燈時(shí)長(zhǎng)，這里我們重點(diǎn)考慮車(chē)道數(shù)目增加的可能性。實(shí)踐中常出現(xiàn)右轉(zhuǎn)車(chē)道空閑，直行車(chē)道排隊(duì)溢出的情況，一定程度上造成了交叉口面積的浪費(fèi)，從最優(yōu)控制的角度，空閑的右轉(zhuǎn)車(chē)道應(yīng)該被用于直行車(chē)輛的通行。受車(chē)輛待駛區(qū)設(shè)置的啟發(fā)，右轉(zhuǎn)車(chē)道在沒(méi)有右轉(zhuǎn)車(chē)輛通行的情況下，允許直行車(chē)輛的借道通行，以提高直行方向上的通行能力，減少直行車(chē)道排隊(duì)溢出發(fā)生的幾率，形成短右轉(zhuǎn)車(chē)道借道直行的交通控制方法，算法描述如下：

①檢測(cè)右轉(zhuǎn)車(chē)道內(nèi)是否有車(chē)輛通行，沒(méi)有車(chē)輛進(jìn)入下一步；

②直行綠燈時(shí)，直行車(chē)輛借右轉(zhuǎn)車(chē)道直行；

③直行綠燈結(jié)束，直行車(chē)輛禁止進(jìn)入右轉(zhuǎn)車(chē)道。

3　感應(yīng)式短右轉(zhuǎn)車(chē)道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以提高交叉口右轉(zhuǎn)車(chē)道利用效率，減少短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通阻塞發(fā)生機(jī)率為目標(biāo)的感應(yīng)式交通控制系統(tǒng)由車(chē)輛信息采集子系統(tǒng)、交通信號(hào)子系統(tǒng)、借道直行交通控制子系統(tǒng)三部分組成，各子系統(tǒng)功能分析如下：

（1）車(chē)輛信息采集子系統(tǒng)

通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈或者視頻采集右轉(zhuǎn)車(chē)道中車(chē)輛數(shù)目、速度等信息，并將這些信息送至借道直行交通控制子系統(tǒng)。

（2）交通信號(hào)子系統(tǒng)

交通信號(hào)子系統(tǒng)包括為實(shí)現(xiàn)借道通行的法定交通標(biāo)志、標(biāo)線(xiàn)及信號(hào)燈，該系統(tǒng)要向直行車(chē)輛傳遞出準(zhǔn)確的通行信號(hào)；受機(jī)動(dòng)車(chē)駛?cè)氪倕^(qū)信號(hào)燈的啟發(fā)，設(shè)計(jì)借道直行信號(hào)燈如下，綠燈亮?xí)r，指示直行車(chē)輛借道直行，如圖3所示。為了保證借道直行駕駛行為處于相關(guān)法律法規(guī)框架之內(nèi)，交通工程設(shè)計(jì)上右轉(zhuǎn)車(chē)道改為可變車(chē)道，如圖4所示。

圖3　借道直行信號(hào)燈　

圖4　借道直行車(chē)道設(shè)置

（3）借道直行交通控制子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。從交通控制角度來(lái)看，借道直行信號(hào)時(shí)長(zhǎng)必須保證進(jìn)入車(chē)道的所有車(chē)輛在綠燈時(shí)間內(nèi)全部通過(guò)停止線(xiàn)，以避免直行車(chē)輛在直行信號(hào)紅燈在右轉(zhuǎn)車(chē)道內(nèi)等候而影響右轉(zhuǎn)車(chē)輛通行，同時(shí)又需要考慮提前啟動(dòng)避免直行綠燈實(shí)踐的浪費(fèi)。基于個(gè)體駕駛行為差異的借道直行交通控制子系統(tǒng)應(yīng)具備在線(xiàn)學(xué)習(xí)能力，以實(shí)現(xiàn)借道直行時(shí)長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，更好適應(yīng)通行的需要。

4　系統(tǒng)有效性分析

為進(jìn)一步分析文中所提方法的有效性，以平面交叉口直行右轉(zhuǎn)車(chē)道為研究對(duì)象建立仿真平臺(tái)，從車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)變化來(lái)比較分析兩種控制方法下通行效率。出于便于比較的目的，實(shí)驗(yàn)中每個(gè)周期內(nèi)交通需求近似為線(xiàn)性函數(shù)，直行車(chē)道初始排隊(duì)長(zhǎng)度取5pcu，直行車(chē)道長(zhǎng)度8pcu，右轉(zhuǎn)車(chē)道長(zhǎng)度取5pcu，相位周期時(shí)長(zhǎng)取80秒，直行綠燈時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為32秒，借道通行時(shí)長(zhǎng)與直行綠燈時(shí)長(zhǎng)相同，單車(chē)道消散流量按經(jīng)驗(yàn)取值1400pcu/h。同一周期內(nèi)，直行排隊(duì)車(chē)輛溢出時(shí)右轉(zhuǎn)車(chē)輛被阻擋的概率確定為50%。實(shí)際上，直行/右轉(zhuǎn)交通需求應(yīng)該為若干相對(duì)獨(dú)立的隨機(jī)過(guò)程，而直行右轉(zhuǎn)車(chē)輛到達(dá)共用車(chē)道的情況符合更復(fù)雜的分布情況，對(duì)于這種更一般的形式，將在后續(xù)的研究工作中進(jìn)行討論。不同方向上交通需求如圖5（a）所示。

從圖5（b）可以看到，在流量過(guò)飽和的情況下，由于右轉(zhuǎn)常綠的交通組織措施，右轉(zhuǎn)車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度增加速度要明顯小于直行車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度增加的速率，此時(shí)直行排隊(duì)溢出的阻塞情況呈常發(fā)態(tài)勢(shì)。圖5（c）所示是文中所提控制方法下排隊(duì)長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)，直行車(chē)輛借道通行策略實(shí)施后通行能力得到了提高，右轉(zhuǎn)排隊(duì)車(chē)輛數(shù)目不斷減少，而直行車(chē)輛排隊(duì)數(shù)目增加速度要明顯小于常規(guī)控制方案。值得注意的是，上述實(shí)驗(yàn)只是簡(jiǎn)單驗(yàn)證所提策略的有效性，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

圖5　

5　結(jié)語(yǔ)

以短右轉(zhuǎn)車(chē)道直行/右轉(zhuǎn)交通流的組織運(yùn)行為研究對(duì)象，從短右轉(zhuǎn)車(chē)道中直行/右轉(zhuǎn)車(chē)輛排隊(duì)溢出誘發(fā)交通阻塞機(jī)理入手，通過(guò)直行車(chē)輛借右轉(zhuǎn)車(chē)道直行的交通組織方法，以車(chē)道中車(chē)輛數(shù)目的實(shí)時(shí)感應(yīng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)常綠右轉(zhuǎn)交通組織下直行/右轉(zhuǎn)交通的時(shí)空分離，提高了車(chē)道的利用率，達(dá)到提高交叉口通行能力、緩解交通擁堵的目標(biāo)。后續(xù)的研究工作將關(guān)注于基于借道直行車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡的智能控制，另外右轉(zhuǎn)過(guò)程中直行非機(jī)動(dòng)車(chē)與右轉(zhuǎn)車(chē)輛之間的交通沖突也是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

［1］姜曉睿，田亞，蔣莉等．城市道路交通數(shù)據(jù)可視分析綜述［J］．中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2015，20（4）：454-467.

［2］劉偉，肖文彬，高顯鵬．交叉口流線(xiàn)動(dòng)態(tài)控制的優(yōu)化配時(shí)模型研究［J］．公路交通科技，2015，32（4）：124-129.

［3］宗二凱，邵長(zhǎng)橋．信號(hào)交叉口直右共用車(chē)道通行能力研究［J］．交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011，11（6）：62-67.

［4］ZongZ.Tian，Ning Wu．A probabilistic model for signalized intersection capacity with a short-right-turn lane［J］．Journal of Transportation Engineering，2006，132（3）：205-212.

［5］馬萬(wàn)經(jīng)，陸艷，安琨等．短車(chē)道信號(hào)控制交叉口通行能力概率模型［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（11）：1641-1646.

Short Right Turn Lane；Inductive Control；Right Turn on Red

An Inductive Control Method for Short Right Turn Lane

HU Peng

（The Traffic Management Department of Hunan Police Academy，Changsha Hunan 410138）

1007-1423（2015）26-0031-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.008

胡鵬（1984-），男，湖南臨澧人，碩士，講師，研究方向?yàn)橹悄芙煌ü芾?/p>

2015-08-18

2015-09-16

針對(duì)交通管理實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)因右轉(zhuǎn)車(chē)道長(zhǎng)度限制導(dǎo)致車(chē)輛排隊(duì)溢出誘發(fā)交通阻塞的問(wèn)題，結(jié)合交通沖突理論和交通控制理論相關(guān)成果，提出一種短右轉(zhuǎn)車(chē)道交通控制方法。通過(guò)右轉(zhuǎn)常綠信號(hào)保證右轉(zhuǎn)交通流的暢通，右轉(zhuǎn)車(chē)道無(wú)車(chē)占用的情況下，直行車(chē)輛在直行綠燈時(shí)允許借右轉(zhuǎn)車(chē)道直行，從而達(dá)到提高交叉口通行能力的目的。

短右轉(zhuǎn)車(chē)道；感應(yīng)控制系統(tǒng)；右轉(zhuǎn)常綠

湖南警察學(xué)院科研項(xiàng)目（No.2013YB25）

In order to solve the queue blockage with short right turn lane，proposes a traffic control method for short right turn lane based on traffic conflict theory and control theory.In this method，the vehicles with turn right demand have priority of passage by right turn on red.When the right turn lane without occupied by the vehicle，the straight vehicle will be allowed through the intersection by the right lane within green time.The capacity of intersection has been improved by this method.