平面交叉口優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及發(fā)展綜述

程可

摘 要：隨著小汽車保有量的增加，城市道路交通量大幅增長，平面交叉口作為城市道路中各類交通流的集散地。我國城市道路網(wǎng)中存在一部分間距過小的交叉口群，這些交叉口群周邊環(huán)境復(fù)雜、道路功能結(jié)構(gòu)紊亂，存在較多沖突點(diǎn)，極大地影響了道路整體通行能力。本文從平面交叉口渠化設(shè)計(jì)與信號控制出發(fā)，總結(jié)和評述以往對平面交叉口優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，并提出新型交叉口的設(shè)計(jì)方式，為研究方向提供一定思路。

關(guān)鍵詞：平面交叉口;渠化設(shè)計(jì);信號控制;新型交叉口

0 引言

針對平面交叉口上述問題，最早提出交叉口渠化設(shè)計(jì)方法，渠化設(shè)計(jì)可以有效解決城市道路交通擁堵，提高行車速度和通行能力。但是，在城市交通網(wǎng)絡(luò)中，某個(gè)交叉口的交通狀態(tài)很大程度上受到相鄰交叉口的影響，因此許多學(xué)者致力于研究由多個(gè)交叉口組成的交叉口群信號控制問題，這是對整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)施控制的基礎(chǔ)。

1 平面交叉口信號控制

1.1 國外研究現(xiàn)狀

交通信號控制技術(shù)主要經(jīng)歷了4次重要的發(fā)展階段，從最初的機(jī)械式到固定配時(shí)式，再到線控和區(qū)域交通控制技術(shù)，國外的研究都較為領(lǐng)先。1964年Gazis對平面交叉口交通流進(jìn)行分析，提出了優(yōu)先考慮延誤的信號配時(shí)方法，Khatib構(gòu)思了一種綠信比優(yōu)化模型，可使路網(wǎng)通行能力最大化，以此緩解路網(wǎng)中車輛擁擠狀況。2015年David K.Hale等人提出了孤立信號交叉口的最優(yōu)信號配時(shí)。

1917年，美國鹽城應(yīng)用了世界上第一個(gè)手動控制的干線控制系統(tǒng)，可以同時(shí)控制6個(gè)交叉口。1994年，美國ITS研究室的Rekhas.Pillai和Ajay K.Rathi提出了在支路有限的交通系統(tǒng)中得到最大線控帶寬的方法，并介紹了一種獲得最大帶寬的啟發(fā)式的方法MILP（Mixed Integer Linear Progamming）的形成和發(fā)展過程，以及基于MILP的MAXBAND線控軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了改進(jìn)方法。1999年日本研究者Inoue和Takeshi仿真了交通狀況，并用事件掃描法評價(jià)信號設(shè)計(jì)方案，研究了在高峰時(shí)段擁擠狀態(tài)下信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相位差的設(shè)計(jì)方法。2001年美國學(xué)者Abbas和Moniasis提出了一種交通信號相位差的轉(zhuǎn)換運(yùn)算方法，在優(yōu)化過程中考慮交通量和占有率影響，該方法與傳統(tǒng)信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有較好的兼容性。2015年Mike Smith提出了一種動態(tài)分配和控制模型，該模型可以計(jì)算階段性綠燈時(shí)間。2017年S.M.A. Bin Al Islam等學(xué)者以串聯(lián)街道網(wǎng)絡(luò)為研究對象，提出了分布式協(xié)調(diào)的信號優(yōu)化方法。隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，智能優(yōu)化算法也應(yīng)用于交通信號協(xié)調(diào)控制中，其中很有價(jià)值的研究方法是利用開發(fā)自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃（ADP）和增強(qiáng)學(xué)習(xí)（RL）方法來優(yōu)化復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的性能。該研究得到了越來越多的關(guān)注，Ling等人研究了通過多個(gè)強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）對一系列連續(xù)信號交叉口進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)自動的有軌電車群控。Salkham等開發(fā)了一種用于城市環(huán)境中最優(yōu)交通控制的協(xié)同強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者在平面交叉口信號控制研究上也取得較好成果。1998年顧懷中與王煒針對我國城市道路平面交叉口的交通流特性，提出了以延誤時(shí)間、停車次數(shù)和通行能力為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的模擬退火全局優(yōu)化算法，能根據(jù)交通需求調(diào)整目標(biāo)函數(shù)，以適應(yīng)平面交叉口的混合交通特性[1]。2003年葛亮等人基于我國城市交通特點(diǎn)，在現(xiàn)有的信號相位設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，計(jì)算各方向車流的延誤，并以計(jì)算出的延誤為優(yōu)化目標(biāo)，研究了混合交通情況下相位設(shè)計(jì)方案，提出了多相位控制的信號配時(shí)優(yōu)化方法[2]。高海軍、陳德望、陳龍考慮到我國道路上非機(jī)動車輛較多，改進(jìn)了Webster信號配時(shí)公式，提出適合我國的平面交叉口信號配時(shí)計(jì)算公式[3]。2005年楊兆升與王爽闡述了平面交叉口單點(diǎn)信號配時(shí)設(shè)計(jì)的方法流程，以及各種交通信號配時(shí)參數(shù)的確定方法、標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)，并將其應(yīng)用于實(shí)際的交叉口，在已有的配時(shí)方案基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多個(gè)適用于不同時(shí)段的新方案，并利用Vissim進(jìn)行仿真模擬，從仿真的結(jié)果中選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)進(jìn)行綜合比較，最終選出最佳方案[4]。2007年北京交通大學(xué)邵春福、陳曉明闡述了行人定時(shí)信號控制研究的方法，給出行人信號配時(shí)設(shè)計(jì)步驟，促進(jìn)了行人信號控制研究的發(fā)展[5]。

我國在交叉口群的信號協(xié)調(diào)控制研究上也有新的進(jìn)步。雷磊等人在2010年提出基于系統(tǒng)工程的方法，構(gòu)建了過飽和交叉口群系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并提出了求解方法以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，從而建立群系統(tǒng)的全局最優(yōu)化[6]。2011年牟海波、俞建寧以交叉口群為研究對象，提出了模糊控制器和特殊情況控制器組成的分布式控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)仿真，說明了該系統(tǒng)在不同情況下能夠適應(yīng)交通流的變化[7]。

2 新型平面交叉口

近幾年，學(xué)者意識到左轉(zhuǎn)車輛會顯著降低交叉口通行能力，由此提出一些非常規(guī)平面交叉口設(shè)計(jì)來試圖轉(zhuǎn)移或消除左轉(zhuǎn)彎的沖突。2011年Xuan等學(xué)者提出了串聯(lián)交叉路口（TI），在入口道處將左轉(zhuǎn)車輛和直行車輛分別排成一排，因此在綠燈時(shí)間內(nèi)每種交通流都可以使用所有車道。

這些非常規(guī)平面交叉口設(shè)計(jì)可以增加交叉口通行能力，但是需要額外的土地來設(shè)置子交叉口和預(yù)信號，此外，子交叉口和預(yù)信號將增加車輛的停車時(shí)間和延誤時(shí)間。為了改善這些問題，2018年Sun等學(xué)者提出了自動駕駛車輛在交叉口的通行方案，稱為MCross，這是基于信號控制的最大通行能力交叉口方案。由于自動駕駛的推廣仍需時(shí)間，于是2019年Li提出了對稱相交（SI）的概念，車輛遵循左轉(zhuǎn)交通規(guī)則并在左側(cè)行駛，SI僅需要三個(gè)信號相位來分離所有沖突，因此，當(dāng)信號周期長度相同時(shí)，對稱交叉口可為左轉(zhuǎn)車輛和直行車輛提供更長的綠燈時(shí)間。Jiang在2017年提出直行等待區(qū)域（TWA），將SI的特殊布局變得更加容易，TWA位于停車線之外，可作為專用直行車道的延伸，可以增加單位時(shí)間內(nèi)交叉口的直行車輛量。

3 現(xiàn)狀評價(jià)與未來發(fā)展

3.1 研究現(xiàn)狀評價(jià)

對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，國外在各個(gè)方面的研究相對領(lǐng)先國內(nèi)，我國在國外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，創(chuàng)建出適合我國國情的方法、指標(biāo)、模型、原則等，在未來將不斷的進(jìn)行改善和創(chuàng)新。

對于平面交叉口渠化設(shè)計(jì)，國內(nèi)考慮交通流特征后采用幾何設(shè)計(jì)、渠化設(shè)計(jì)以及交通組織設(shè)計(jì)等優(yōu)化方法，對影響交叉口通行能力的因素進(jìn)行匯集，構(gòu)建多目標(biāo)動態(tài)決策優(yōu)化模型。但是，由于影響因素較多，很多模型并不能全面包含。而且渠化設(shè)計(jì)在土地資源緊張的情況下，可能需要占用額外的土地資源，導(dǎo)致效果并不明顯，不能滿足不斷增長的交通需求，由此需要在交叉口規(guī)劃時(shí)預(yù)留一定的改建擴(kuò)建空間。并且國內(nèi)外基本是針對單個(gè)交叉口或距離較近的兩個(gè)錯位交叉口的渠化設(shè)計(jì)，基本上沒有針對區(qū)域內(nèi)的平面交叉口做整體渠化設(shè)計(jì)。

針對交叉口群的研究，國內(nèi)外現(xiàn)有的交叉口群信號協(xié)調(diào)控制的理論和方法比較全面，對于城市交通的管控起到了正向作用，在很大程度上提高了道路通行能力，減少了車輛的延誤并降低擁堵的幾率，學(xué)者提出的各種信號優(yōu)化算法都在不斷的改進(jìn)和優(yōu)化中。但目前僅針對距離較近的已有的交叉口整體進(jìn)行優(yōu)化研究，沒有在道路規(guī)劃設(shè)計(jì)階段進(jìn)行整體研究。所以在今后的城市道路發(fā)展建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)在規(guī)劃階段將信號協(xié)調(diào)控制的思想融入其中，對一條線路或一個(gè)片區(qū)的平面交叉口進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，提高道路網(wǎng)的通行能力和服務(wù)水平，增強(qiáng)交叉口之間協(xié)調(diào)聯(lián)動性，減少交通擁堵帶來的不便利。

對于現(xiàn)提出的新型非常規(guī)平面交叉口，能夠有效減少交叉口功能區(qū)內(nèi)的沖突點(diǎn)和交織區(qū)，提高交叉口安全性能的同時(shí)緩解交通擁堵，但是新型交叉口的設(shè)計(jì)存在以下問題：（1）大多新型交叉口可能需要更多的土地來設(shè)置子交叉口、分隔帶等;（2）在新型交叉口中存在復(fù)雜的車道變道問題，會帶來一定的混亂;（3）子交叉口和預(yù)信號的設(shè)置將增加車輛的停車時(shí)間和交通延誤。

3.2 未來發(fā)展趨勢

上述存在的不足即可成為未來研究的方向，在此提出其它新的交叉口研究趨勢：（1）平面交叉口中車輛與行人之間的關(guān)系，尤其是行人安全過街和行人過街延誤問題;（2）公交車在城市的公共交通系統(tǒng)中必不可少，因?yàn)槠湫旭偹俣容^低且車型較為龐大，在平面交叉口中運(yùn)行將帶來一定阻礙影響，尤其當(dāng)平面交叉口附近有公交站點(diǎn)時(shí)，如何規(guī)劃公交車的行駛路徑和乘客過街等問題將越發(fā)重要;（3）新型非常規(guī)交叉口設(shè)計(jì)會因特殊布局而使駕駛員駛?cè)虢徊婵跁r(shí)感到困惑，但是自動駕駛汽車將克服這一缺點(diǎn)，因此，當(dāng)自動駕駛逐漸普遍時(shí)，在平面交叉口設(shè)計(jì)信號控制及處理自動駕駛車輛的行駛軌跡將成為新的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧懷中，王煒.交叉口交通信號配時(shí)模擬退火全局優(yōu)化算法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（3）：70-74.

[2]葛亮，王煒，陳學(xué)武，等.信號控制交叉口配時(shí)優(yōu)化研究[J].交通與計(jì)算機(jī)，2003（5）：7-10.

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