城市交通信號控制的新思路
——基于綜合待行區(qū)的交通控制方法研究

付豐

（上海市市政規(guī)劃設計研究院有限公司，上海市 200031）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展、城市化的不斷擴張，機動車輛日益增加，交通擁堵已成為城市生活的通病，尤其是特大城市，交通供需不平衡這一矛盾更為突出。該次研究就是在此背景下提出。

國內(nèi)外針對城市交通信號控制已經(jīng)有了大量的研究。當前的城市交通信號控制模式中，都是基于交叉口只有一條停車線來進行交叉口交通渠化組織與交叉口交通信號控制。大多數(shù)研究側(cè)重于基于交通信息預測的交通信號控制優(yōu)化以及區(qū)域自適應交通信號控制優(yōu)化。陸化普等人研究了實時自適應交通信號控制優(yōu)化理論模型，其關(guān)鍵思路是把交通延誤和停車次數(shù)綜合為一個性能指標對路網(wǎng)交通信號進行整體優(yōu)化；楊兆升等人研究了交通信號控制與交通誘導的智能協(xié)作，建立了控制與誘導協(xié)同控制模型；Ding Zhongjun研究了T形交叉口基于元胞自動機模型的交通信號控制方案；Li Zhipeng面向城市干線交叉口信號控制，基于旅行時間短時預測，提出了一種改進的自適應指數(shù)平滑模型；Md.Shabiu Islam等人通過建立交通模糊邏輯規(guī)則，基于交叉口動態(tài)交通流進行信號配時優(yōu)化設計；Zheng Xing等人對交叉口實時自適應控制系統(tǒng)的控制模型及控制算法進行了研究。

基于此，本文對基于設置雙停車線的交叉口綜合待行區(qū)的交通信號控制方法進行了研究，重點論述了該方法實施的理論基礎、雙停車線設置原則和雙停車線交通信號控制策略，通過交通仿真模擬實驗的運行數(shù)據(jù)，結(jié)果表明該方法對改善交叉口通行能力具有顯著的作用。

1 相關(guān)定義

基于綜合待行區(qū)的交通控制是指在一個城市交叉口的各個進口方向上，在原有的停車線后面加設一條停車線，使紅燈期間等待放行的車輛分別排在前后兩個排隊區(qū)域內(nèi)，停在第一停車區(qū)的車輛在綠燈放行時，能夠充分利用交叉口和此間路段的通行空間，最大效率地利用有效綠燈時間，提高交叉口的通行能力?！盎诰C合待行區(qū)的交通控制”運用排隊論、流體力學模擬理論等理論方法并充分結(jié)合現(xiàn)有交通檢（監(jiān)）測、定位、導航、誘導、智能控制ITS等技術(shù)，建立了一整套能最大限度利用交叉口、路段的通行空間，在交叉口上游路段增設一組或多組信號誘導裝置，提前對分向車流進行指示誘導，有序進入綜合待行區(qū)多車道預排隊再通行的交通控制的技術(shù)和裝置。綜合待行區(qū)域內(nèi)的車道方向不再固定，而是根據(jù)需要不同方向車流可以交替使用。設置綜合待行區(qū)的交叉口功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 設置綜合待行區(qū)的交叉口功能結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1中，基于綜合待行區(qū)的交通控制方法為通過在進口方向上的原有停車線后面加設一條停車線和車輛誘導信號燈，這樣原有的車輛排隊等待區(qū)就被重新劃分為等待區(qū)、導流區(qū)、綜合待行區(qū)三部分。車輛首先駛?cè)氲却齾^(qū)，等待誘導信號燈的指示；當誘導信號燈指示目標方向的通行即將開始，可提前進入排隊區(qū)域時，車輛根據(jù)提示經(jīng)過導流區(qū)駛?cè)刖C合待行區(qū)相應車道；當通行信號燈指示目標方向可通行時，等待在綜合待行區(qū)的車輛駛離綜合待行區(qū)，快速通過交叉口。

2 方法特點

基于綜合待行區(qū)的交通控制是采用雙停車線的新型交叉口交通控制技術(shù)。該控制技術(shù)的特點主要有以下五個方面：

（1）實現(xiàn)了車輛的提前排隊，減少延誤，提高了交叉口的通行能力。

（2）交叉口信號燈相位組合更加靈活，每相位周期大幅縮短。

（3）充分利用交叉口車道資源，道路功能得到更大程度的發(fā)揮。

（4）投資小，適用范圍廣，效果突出，特別適用于已不能進行大規(guī)模拓寬改造的道路和大流量擁堵城市。

（5）減少了車輛停車次數(shù)，減少車輛怠速油耗，減少尾氣污染、車輛磨損和交通出行時間，提高社會經(jīng)濟效益和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。

3 雙停車線位置選取原則

采用基于綜合待行區(qū)的交通控制，涉及第二停車線的位置選擇問題。如圖2所示，影響兩停車線間距D的主要因素有交叉口該方向的交通流量Q、兩交叉口間道路長度L、是否設有公交站及其具體位置BL。

交通流量的大小是決定第二停車線位置的重要因素。兩停車線間距與交通流量的關(guān)系可近似為圖3所示的非線性關(guān)系，即D=f（Q）。在一定范圍內(nèi)，Q越大，第二停車線與第一停車線之間的D就要相應地擴大，但兩停車線間的距離不能過大或者過小。另外，總長度L小于200 m的道路是不適宜設置綜合待行區(qū)的。如果設有公交站的道路還應該滿足BL≥D。

圖2 停車線位置影響因素示意圖

圖3 兩停車線間距與交通流量的關(guān)系示意圖

4 相序研究

基于綜合待行區(qū)的交通控制相序設計主要是指對通行指示燈和誘導指示燈相位順序的設計。通行指示燈的相序相對于原先的交通信號燈相序來講，組合方式更加靈活，相位配時大幅縮短。而對于誘導指示燈來說，其相序是超前于通行指示燈的。當通行指示燈為直行通行時，誘導指示燈為誘導左行填充狀態(tài)，指引左行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待；當通行指示燈為左行通行狀態(tài)時，誘導指示燈為誘導右行填充狀態(tài)，指引右行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待；當通行指示燈為右行通行狀態(tài)時，誘導指示燈為誘導直行填充狀態(tài)，指引直行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待；當通行指示燈為紅燈等待狀態(tài)時，誘導指示燈為誘導左、右行填充狀態(tài)，指引左、右行直行車輛駛?cè)刖C合待行區(qū)等待通過。

交叉口車流量是用單位時間內(nèi)通過的車輛數(shù)來衡量的?；诰C合待行區(qū)的交通控制采用相序“疊加”的方式，對要經(jīng)過交叉口的車輛進行提前誘導排隊，縮短了傳統(tǒng)基于單停車線的控制方式中車輛換道排隊的時間，大幅提高了通行效率。圖4為多種交通信號控制方式下的交叉口車輛通行流量比較。

圖4 多種交通控制方式信號相序比較

由圖4可見，傳統(tǒng)控制方式中各個通行方向的信號配時包括了排隊與通行兩部分，在擁堵的交叉口，車輛不能及時排隊，通過交叉口的速度非常緩慢，嚴重的情況會導致多個交叉口間的連續(xù)擁堵。而基于綜合待行區(qū)的交通控制方式將車輛排隊提前，在當前相序階段就有序地引導下一個相序階段可以通過的車輛進行排隊，這樣在下一個相序階段可以通過的車輛早已完成了排隊，可以直接快速駛離交叉口。因此在圖中三種交通控制方式的比較中，基于綜合待行區(qū)的交通控制方式完成十字交叉口南北、東西兩向的車輛放行所需的時間遠小于傳統(tǒng)控制方式，即基于綜合待行區(qū)的交通控制的交通信號相序周期明顯縮短。

5 仿真方案設計

5.1 雙停車線位置選取

假設某平面十字交叉口南進口所在路段全長500 m，南向北方向距上游交叉口200 m處設有公交站。北進口所在路段全長600 m，北向南方向距上游交叉口300 m處設有公交站，南北進出口道均為三進三出車道規(guī)模。

南北方向距該交叉口50 m處設立了誘導信號燈，試進行基于綜合待行區(qū)的交通信號控制。

5.2 交通信號相位設計

通行信號燈與誘導信號燈的相位圖如圖5所示。根據(jù)前文所述，誘導信號燈的時序總是超前于通行信號燈，當通行信號燈為紅燈等待狀態(tài)時，誘導信號燈為左、右行車輛誘導狀態(tài)（見圖5a、b）；當通行信號燈為直行通過狀態(tài)時，誘導信號燈為左行車輛誘導狀態(tài)（見圖5c）；當通行信號燈為左行通過狀態(tài)時，誘導信號燈為右、直行車輛誘導狀態(tài)（見圖5d）；當通行信號燈為右行通過狀態(tài)時，誘導信號燈為直、左行車輛誘導狀態(tài)（見圖5e、f）。

5.3 交通信號配時設計

圖5 基于綜合待行區(qū)的交通信號控制相位設計

雙停車線法信號周期和各相位綠燈時長的計算是在經(jīng)典Webster法基礎上進行修正得到的。以延誤做交通效益指標，用Webster定時信號交叉口延誤公式優(yōu)化，可得定時信號最佳周期時長：

式中：L為信號總損失時間；Y為流量比總和。整個交叉口中，各個相位的y值的總和，即Y＝∑y，y是流量與飽和流量的比值。

信號總損失時間的計算：

式中：Ls為啟動損失時間；A為黃燈時間；I為綠燈間隔時間；k為一個周期內(nèi)的相位數(shù)。

根據(jù)式（2）確定的最佳周期時長，可得每周期的有效綠燈時間：

把Ge在所有信號行為之間按各相位的最大流量比值進行分配，得各相位的有效綠燈時間，如

由于采用雙停車線法進行控制，第一停車區(qū)內(nèi)排隊的車輛放行時所用的時間比單停車線法控制時相同排隊車輛數(shù)所需的時間短，根據(jù)雙停車線法和單停車線法放行車道數(shù)的關(guān)系，修正后的有效綠燈時間為

式中：t直為單停車線法到雙停車線法控制折算后的平均直行車排隊長度放行所需的時間。

該式計算的時間為直行相位所需的時間。同理，左轉(zhuǎn)相位所需的時間為

將各相位的有效綠燈時間加起來，再加上信號總損失時間就是雙停車線法的最佳周期時間。然后再算得各相位的實際顯示綠燈時間：

根據(jù)該交叉口的實際情況，本文設計了90 s的信號周期，如圖6所示即為該交叉口南北方向的信號配時設計圖，其中在通行信號燈的直綠、左綠、右綠時序內(nèi)都包含了誘導信號燈的誘導時序。

圖6 基于綜合待行區(qū)的交通信號控制配時設計

6 對比分析

目前僅在南北方向設計了綜合待行區(qū)，試運行基于綜合待行區(qū)的交通信號控制模式，對仿真結(jié)果進行分析。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在提高交叉口通行能力方面，現(xiàn)有模式下，由于綜合待行區(qū)的存在，使車輛提前進入準備階段，從而提高了車輛通過交叉口的通行速度。據(jù)實驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)有模式下，南北向通行能力較傳統(tǒng)的信號控制方式可增加約100%，整個交叉口通行能力可增加約70%。

在減少交叉口延誤方面，以北進口為例，較傳統(tǒng)的信號控制方式，運用排隊理論簡易算法計算出的最大降低延誤約8倍，排隊長度縮短約90%。

7 結(jié)語

綜上所述，基于綜合待行區(qū)的交通信號控制用于嚴重擁堵交叉口，可以充分利用交叉口的通行空間，保證良好的交叉口行車秩序，有效提高車輛通過交叉口的效率，降低交叉口行車延誤，從而降低交叉口的交通排隊和擁堵現(xiàn)象。如果大量使用該控制模式，可以從整體上降低能耗和交叉口汽車尾氣污染，改善城市交通環(huán)境，特別是對于大流量的城市道路交通，應用基于綜合待行區(qū)的交通控制系統(tǒng)將會有更明顯的使用效果。這為解決當前城市道路交通問題開辟了新的解決思路，能帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益，相關(guān)方法可為城市交通設計及擁堵治理提供參考。