基于老城區(qū)特殊交叉口信號(hào)優(yōu)化研究

孟 順 陶 浪 尚 苒 程 航 高 濤 何 彤 林新宇

（蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，蘭州 730070）

基于老城區(qū)特殊交叉口信號(hào)優(yōu)化研究

孟 順 陶 浪 尚 苒 程 航 高 濤 何 彤 林新宇

（蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，蘭州 730070）

為了解決地級(jí)市及縣城城區(qū)交通擁堵的現(xiàn)狀，對(duì)老城區(qū)目前的交通特征及存在的突出問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并以L縣老城區(qū)為例，對(duì)較擁堵的H十字交叉口進(jìn)行了實(shí)地?cái)?shù)據(jù)調(diào)查。通過(guò)詳細(xì)分析H十字交叉口現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，對(duì)此交叉口進(jìn)行渠化設(shè)計(jì)，提出優(yōu)化交叉口的信號(hào)配時(shí)方案，從而能夠在一定程度上緩解L縣老城區(qū)交通擁堵的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)類(lèi)似的地級(jí)市及縣城城區(qū)擁堵交叉口的優(yōu)化研究具有一定的借鑒意義。

老城區(qū)；交通擁堵；信號(hào)配時(shí)；H十字交叉口；交通延誤

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的迅速增長(zhǎng)，城市機(jī)動(dòng)化水平的不斷提高，越來(lái)越凸顯的交通擁堵和交通安全等交通問(wèn)題已經(jīng)蔓延到地級(jí)市及縣城城區(qū)。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者側(cè)重于大城市交通改善方便的研究，如華芳等[1]通過(guò)杭州老城的例子，以保護(hù)優(yōu)先為原則，構(gòu)建層次分明，理性與彈性結(jié)合，編制體系與管理體系銜接的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。楊槿等[2]基于蘇州老城區(qū)1661家文化企業(yè)分布信息，綜合運(yùn)用核密度估計(jì)，分析文化企業(yè)空間演化過(guò)程。楊明等[3]通過(guò)分析老城區(qū)基本特征與問(wèn)題，提出道路、公交、停車(chē)、慢行以及交通管理層面的改善措施。馮長(zhǎng)春等[4]從城市土地集約利用的概念和內(nèi)涵入手，建立了一套指標(biāo)體系，并以北京市東城區(qū)為例，成功應(yīng)用了多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。但對(duì)中小城市甚至是地級(jí)市及縣城城區(qū)的研究文獻(xiàn)還較為缺乏。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，加強(qiáng)對(duì)中小城市甚至是地級(jí)市及縣城城區(qū)交通改善與建設(shè)的研究，將有效促進(jìn)城市建設(shè)的發(fā)展。交叉口作為城市交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，是城市交通擁擠的主要發(fā)生地。單點(diǎn)交叉口交通信號(hào)控制占城市交叉口的90%以上，即使未來(lái)實(shí)現(xiàn)線控、面控，但在線控、面控不能覆蓋的區(qū)域還會(huì)有大量獨(dú)立控制的交叉口存在，因此，解決城市交通問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何合理、有效地組織好單點(diǎn)交叉口的交通[5]。單交叉口是構(gòu)成城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，單交叉口信號(hào)配時(shí)是交通控制的關(guān)鍵因素[6]。

本文提出了在多相位可變相序基礎(chǔ)上的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法，同時(shí)對(duì)不同信號(hào)相位的控制方式進(jìn)行了仿真模擬并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇最佳的交通信號(hào)配時(shí)方案，以減少交通沖突，對(duì)L縣某十字交叉口的交通流暢做出貢獻(xiàn)。依據(jù)信號(hào)配時(shí)方案對(duì)此交叉口進(jìn)行系統(tǒng)有效的渠化設(shè)計(jì)，優(yōu)化交叉口單點(diǎn)配時(shí)方案，從而在一定程度上緩解L縣老城區(qū)交通擁堵的問(wèn)題。對(duì)類(lèi)似的地級(jí)市及縣城城區(qū)擁堵交叉口的優(yōu)化研究有一定的借鑒意義。

1 L縣老城區(qū)H十字交叉口現(xiàn)狀

L縣城在老城區(qū)組團(tuán)的基礎(chǔ)上分別向南北兩個(gè)方向擴(kuò)張，形成了以老城區(qū)為中心，南北同時(shí)擴(kuò)張的北部政府機(jī)關(guān)中心和南部居住區(qū)中心的三中心組團(tuán)狀。其中老城區(qū)的主要功能齊全，北部中心和南部中心城市功能較為單一。2011年以后，隨

著L縣經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)加快。L縣現(xiàn)有大貨車(chē)、小汽車(chē)總計(jì)4萬(wàn)余輛，三輪車(chē)和摩托車(chē)的數(shù)量也已十萬(wàn)輛有余，連續(xù)四年里，機(jī)動(dòng)車(chē)的年增長(zhǎng)量超過(guò)4000輛，同時(shí)還有1000多到2000輛本地車(chē)輛在外地掛牌。全縣機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員數(shù)量已達(dá)到17萬(wàn)人，其中摩托車(chē)和三輪車(chē)駕駛員有將近5萬(wàn)人。平面交叉口的渠化有些不合理或者沒(méi)有渠化，在此類(lèi)交叉口處車(chē)輛和行人交通流屬于無(wú)序狀態(tài)，造成交通混亂；有些路口沒(méi)有設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道或右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道，沒(méi)有分離右轉(zhuǎn)車(chē)道的三角導(dǎo)流島，引起人行橫道標(biāo)線和停車(chē)線都靠后，進(jìn)一步造成交叉口面積增大。

H十字交叉口位于新城區(qū)與老城區(qū)的交界處，是文峰北路與文峰東路、文峰西路交叉形成的四路交叉口，是L縣城區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的交叉口之一，由于其地理位置關(guān)鍵，H十字交叉口起著連接舊城區(qū)與新城區(qū)的上下班工作通勤功能。

1.1 交叉道路幾何現(xiàn)狀

H十字交叉口是四路交叉，典型的十字交叉口，對(duì)與之相關(guān)道路的幾何現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 交叉口幾何現(xiàn)狀

對(duì)交叉口進(jìn)口道的道路等級(jí)，斷面形式，路幅寬度，車(chē)道數(shù)，車(chē)道寬，車(chē)道功能等情況進(jìn)行調(diào)查，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

1.3 交通流現(xiàn)狀

2016年6月對(duì)H十字交叉口上班高峰期、平峰的高峰小時(shí)流量進(jìn)行了調(diào)查，采用15min調(diào)查法獲?。ū?）。

1.4 交叉口信號(hào)配時(shí)現(xiàn)狀

交通控制最直觀明顯地調(diào)控交通流，是解決城市交通安全、提高道路通行能力的主要措施之一，交通控制的目的，就是要將不同流向的車(chē)流，在時(shí)間上分離[7]。采用信號(hào)控制是交通控制的主要方法之一，信號(hào)控制的技術(shù)關(guān)鍵在于信號(hào)配時(shí)。信號(hào)控制的目的在于最大限度地提高交叉口的使用效率。具體說(shuō)來(lái)，就是一方面對(duì)道路使用者(即道路用戶(hù))來(lái)講，要使延誤、停車(chē)、排隊(duì)盡可能小;另一方面對(duì)道路管理效率來(lái)講，要使交叉口的通行能力盡可能大[8]。

表1 道路幾何條件調(diào)查表

表2 交叉口幾何條件調(diào)查表

表3 H十字交叉口交通量

通過(guò)調(diào)查，可知該交叉口全天候采用同一信號(hào)控制方案，沒(méi)有對(duì)高峰期設(shè)置相應(yīng)的信號(hào)控制方案，該信號(hào)周期為68s，其中東西向綠燈時(shí)間為27s，南北向綠燈時(shí)間為35s，黃燈時(shí)間為3s，沒(méi)有全紅時(shí)間，信號(hào)周期如圖1所示。

圖1 H十字交叉口現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)圖

2 交叉口存在問(wèn)題分析

2.1 道路幾何現(xiàn)狀存在的問(wèn)題

從H十字交叉口四條道路的幾何現(xiàn)狀情況來(lái)看，存在問(wèn)題如下：

（1）東西方向的道路雖路況良好，但是未設(shè)置非機(jī)動(dòng)車(chē)道與機(jī)非分隔帶；

（2）南北方向雖有非機(jī)動(dòng)車(chē)道，但北關(guān)街機(jī)動(dòng)車(chē)道數(shù)明顯少，車(chē)道寬度變窄；

（3）東西向缺少對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)的考慮。

2.2 交通流現(xiàn)狀問(wèn)題分析

交叉口流量調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，H十字交叉口各個(gè)進(jìn)口道的左轉(zhuǎn)車(chē)流與對(duì)向行駛的直行車(chē)流沖突較為嚴(yán)重，加之與左轉(zhuǎn)車(chē)流混行搶道的掉頭車(chē)流，不僅妨礙左轉(zhuǎn)車(chē)流在左轉(zhuǎn)相位時(shí)間內(nèi)通過(guò)交叉口，也易與對(duì)向直行車(chē)流搶用車(chē)道，使交叉口通行能力下降，造成延誤；在交叉口內(nèi)部，設(shè)置了交警服務(wù)臺(tái)，占用了一部分交叉口內(nèi)部空間，不利于直行與左轉(zhuǎn)車(chē)流的安全行駛。

2.3 交叉口通行能力及延誤分析

交叉口的通行能力由組成該交叉口的各進(jìn)口道的通行能力組成，各進(jìn)口道的通行能力由組成它的各條進(jìn)口車(chē)道的通行能力組成[9]。延誤是評(píng)價(jià)信號(hào)控制交叉口信號(hào)控制參數(shù)是否最佳的重要指標(biāo)。在對(duì)交通信號(hào)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選時(shí)需要綜合考慮交叉口各進(jìn)口方向的車(chē)輛延誤情況，因?yàn)橐粋€(gè)相位延長(zhǎng)綠燈時(shí)間的同時(shí)，必然延長(zhǎng)了相沖突相位的紅燈時(shí)間[10]。計(jì)算得H十字交叉口通行能力及延誤（表4）。

分析表4，H十字交叉口的飽和度為0.41，對(duì)比而言，H十字北進(jìn)口直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)飽和度0.56、0.56、0.59與南進(jìn)口直左、右轉(zhuǎn)車(chē)道的飽和度0.56、0.59均大于交叉口飽和度0.41，故北進(jìn)口與南進(jìn)口在上班高峰期內(nèi)存在擁堵問(wèn)題。交叉口四個(gè)進(jìn)口道，東進(jìn)口與南進(jìn)口的延誤較大。H十字交叉口的飽和度接近0.5，因此，降低交叉口的飽和度是優(yōu)化的目標(biāo)之一。提供兩種措施解決此問(wèn)題，拓展車(chē)道和誘導(dǎo)車(chē)流。進(jìn)口道的延誤與信號(hào)周期有關(guān)，降低延誤，需從信號(hào)配時(shí)方面考慮。

表4 H十字交叉口的通行能力、延誤

2.4 H十字交叉口現(xiàn)狀存在問(wèn)題分析

通過(guò)實(shí)地踏勘和現(xiàn)場(chǎng)交通量調(diào)查分析，從交叉口的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)彎車(chē)流的誘導(dǎo)，信號(hào)配時(shí)的合理性及其他方面，分析H十字交叉口存在以下問(wèn)題：

（1）從交叉口的設(shè)計(jì)上來(lái)講，H十字交叉口屬于錯(cuò)位交叉口，其各個(gè)方向的直行車(chē)流與對(duì)應(yīng)的出口道之間并非正對(duì)關(guān)系，車(chē)輛在交叉口內(nèi)行駛需進(jìn)行方向調(diào)整。

（2）關(guān)于轉(zhuǎn)彎車(chē)流，H十字交叉口不論對(duì)右轉(zhuǎn)車(chē)流還是左轉(zhuǎn)車(chē)流，均未采取規(guī)范行駛路徑的措施。對(duì)于右轉(zhuǎn)車(chē)流，由于交叉口的四個(gè)拐角處均采取內(nèi)凹的設(shè)計(jì)方式，導(dǎo)致四個(gè)進(jìn)口道的右轉(zhuǎn)車(chē)流轉(zhuǎn)彎時(shí)可利用空間變大，容易與過(guò)街行人及非機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生沖突；由于交叉口的空間范圍較大，在左轉(zhuǎn)車(chē)流轉(zhuǎn)彎路徑不明確的情況下，極易與對(duì)向的直行車(chē)流產(chǎn)生沖突。

（3）信號(hào)配時(shí)的合理性是交叉口是否暢通的關(guān)鍵。H十字交叉口現(xiàn)狀采取兩相位。第一相位南北向35s的綠燈，3s的黃燈，以及30s的紅燈，第二相位東西向27s的綠燈，3s的黃燈，以及38s的紅燈。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案中，南進(jìn)口、北進(jìn)口的車(chē)流在高峰期內(nèi)存在二次排隊(duì)的現(xiàn)象。

（4）從以人為本的觀點(diǎn)出發(fā)，H十字交叉口對(duì)于行人過(guò)街的安全問(wèn)題欠缺考慮。由于交叉口范圍較廣，現(xiàn)狀斑馬線的位置與斑馬線的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不科學(xué)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，在現(xiàn)有的信號(hào)配時(shí)下，正常成年人不能在綠燈時(shí)間內(nèi)利用斑馬線通過(guò)交叉口，在交通出行個(gè)體中，仍包括老人，小孩等其他社會(huì)弱勢(shì)群體。

（5）交叉口對(duì)于非機(jī)動(dòng)車(chē)的考慮欠全面，未考慮非機(jī)動(dòng)車(chē)的過(guò)街問(wèn)題。

3 改善措施及設(shè)計(jì)方案

3.1 改善措施

解決交叉口現(xiàn)狀問(wèn)題的宗旨是減少交叉口的沖突點(diǎn)數(shù)量，從時(shí)間與空間兩個(gè)方面提出相對(duì)應(yīng)的措施[11]。

針對(duì)于交叉口現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，提出以下幾種解決措施：

（1）為了解決直行車(chē)流在交叉口內(nèi)行駛需要調(diào)整方向的問(wèn)題，對(duì)交叉口內(nèi)的直行車(chē)流涂畫(huà)導(dǎo)流線，引導(dǎo)直行車(chē)流按照合理的軌跡前進(jìn)。

（2） 關(guān)于轉(zhuǎn)彎車(chē)流，分別提出不同的解決方案。對(duì)于右轉(zhuǎn)車(chē)流，改善交叉口拐角的設(shè)計(jì)方案，由內(nèi)凹改設(shè)為外凸；對(duì)于進(jìn)口道無(wú)右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道的路口，利用非機(jī)動(dòng)車(chē)道，增加右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道。對(duì)于左轉(zhuǎn)車(chē)流，由于H十字交叉口內(nèi)部空間較大，車(chē)輛行駛在交叉口內(nèi)存在邊行駛邊尋找行駛路徑的問(wèn)題，在渠化時(shí)，設(shè)置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，降低左轉(zhuǎn)與直行車(chē)輛發(fā)生碰撞的概率。

（3）由于信號(hào)配時(shí)不科學(xué)不合理，進(jìn)口道排隊(duì)車(chē)輛存在二次等待的問(wèn)題。信號(hào)配時(shí)由現(xiàn)狀的兩相位優(yōu)化為三相位，設(shè)計(jì)南北向的左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位。相位設(shè)計(jì)方案如下：

第一相位為南北方向的綠燈，第二相位為南北向的左轉(zhuǎn)相位，第三相位為東西方向的綠燈，如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)信號(hào)相位圖

（4）后移停車(chē)線的位置，斑馬線隨停車(chē)線的位置調(diào)整。同時(shí)，考慮老人、兒童等交通出行弱勢(shì)群體，在中央分隔帶處設(shè)置安全島（圖3）。

圖3 斑馬線優(yōu)化圖

（5）H十字交叉口非機(jī)動(dòng)車(chē)出行仍占有一定比例。在現(xiàn)階段，考慮非機(jī)動(dòng)車(chē)出行數(shù)量，不設(shè)置非機(jī)動(dòng)車(chē)專(zhuān)用相位；非機(jī)動(dòng)車(chē)?yán)萌诵袡M道過(guò)街。

（6）由于進(jìn)口道的飽和度太大，故適當(dāng)拓寬進(jìn)口道。

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 渠化方案

按照上述提出的渠化方案，對(duì)H十字交叉口進(jìn)行改善，如圖4和圖5所示。

3.2.2 信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

根據(jù)上述公式，取L=5得：H十字交叉口信號(hào)周期T=85s。

（2）綠燈時(shí)間。信號(hào)周期內(nèi)總的有效綠燈時(shí)間Ge=T-L，Ge=70s。

各相位綠燈時(shí)間：g1=25s，g2=20s，g3=25s。綠燈實(shí)際顯示時(shí)間Gi=gi-A+L，其中A代表時(shí)間延誤，取值5s，計(jì)算得出G1=25s，G2=20s，G3=25s，如圖6、圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)交叉口的基本現(xiàn)狀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并對(duì)調(diào)查的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

（2）對(duì)交叉口存在的具體問(wèn)題，如道路幾何現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，交通流現(xiàn)狀存在的問(wèn)題進(jìn)行了一一分析，并提出具體的解決措施。

（3）針對(duì)交叉口存在的諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)的改善方案。包括涂畫(huà)導(dǎo)流線解決直行車(chē)流在交叉口內(nèi)行駛需調(diào)整方向；設(shè)置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，降低左轉(zhuǎn)與直行車(chē)輛發(fā)生碰撞的概率；信號(hào)配時(shí)由現(xiàn)狀的兩相位優(yōu)化為三相位，并計(jì)算出優(yōu)化后的交叉口高峰小時(shí)信號(hào)配時(shí)方案和平峰小時(shí)信號(hào)配時(shí)方案。

本文只是針對(duì)L縣老城區(qū)一具有代表性的單點(diǎn)信號(hào)控制交叉口進(jìn)行了系統(tǒng)分析及提出了改善方案，而對(duì)于老城區(qū)多點(diǎn)信號(hào)控制交叉口的聯(lián)動(dòng)及整個(gè)路網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制將是下一步的主要研究?jī)?nèi)容。

圖4 交叉口渠化方案一示意

圖5 交叉口渠化方案二示意

圖6 渠化后高峰信號(hào)配時(shí)圖

圖7 渠化后平峰信號(hào)配時(shí)圖

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Research on Signal Optimization of Special Intersection Based on Old Street

(School of Traff i c and Transportation, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu ,China)
Meng shun Tao lang Shang Ran Cheng Hang Gao Tao He Tong Lin Xinyu

In order to solve the traff i c jam in the prefecture-level city and the county city, the paper analyzes the current traff i c characteristics and the outstanding problems of the old city, and takes the old city of L county as an example, carries on the fi eld investigation of the congested H intersection Data investigation.By analyzing the current situation and existing problems of H intersection, this paper puts forward the signal timing scheme to optimize the intersection at the intersection, which can alleviate the problem of traffic congestion in the old city of L county to a certain extent. It can be used as a reference for similar city-level and city-level congested intersection optimization research.

old town;traff i c congestion;signal timing;H intersections;traff i c delays

U491

A