城市道路干線優(yōu)化設計及仿真研究

趙景然，王景升

（中國人民公安大學，北京 100038）

引言

東風路位于鄭州市北部的金水區(qū)，東西走向，是一條位于北二環(huán)與北三環(huán)之間的主干道。研究路段位于東風路中部，包括三個交叉口，東風路-政七街交叉口與東風路-經(jīng)三路交叉口間距447 m；東風路-經(jīng)三路交叉口與東風路-東明路交叉口間距727 m，北側(cè)緊鄰東風渠，有大片綠化的步行道，南側(cè)為住宅區(qū)建筑工地和寫字樓，總體上對干線交通流影響較小，適合進行干線協(xié)調(diào)。

干線協(xié)調(diào)控制不僅可以改善單個交叉口的服務水平，還可以提高干線整體運行效率。從交通渠化和信號配時兩方面考慮，對東風路-政七街交叉口至東風路-東明路交叉口之間路段交通設施存在的問題進行改進，在優(yōu)化各交叉口信號配時的基礎上，使相鄰交叉口交通信號協(xié)調(diào)運行，從而提高交通運行效率，增加交通安全性，并運用仿真軟件對優(yōu)化效果進行分析與評價。

1 交通渠化優(yōu)化方案

渠化設計是從空間上使不同交通方式在交叉口處分流，以減少沖突點。從而降低行人、非機動車的不安全因素，使交通流更加順暢，減少交叉口處的延誤和擁堵［1］。結(jié)合具體情況和實際需求，提出優(yōu)化方案。

1.1 偏移中心線新增非機動車道

由于東風路-政七街交叉口西進口和東風路-東明路東進口沒有非機動車道，導致最外側(cè)進口道機動車和非機動車混行現(xiàn)象嚴重，不僅威脅到非機動車駕駛員的行車安全，而且使得最外側(cè)機動車道通行能力下降。根據(jù)《城市道路交通組織設計規(guī)范》（GB/T 36670—2018）并結(jié)合實際道路條件，采用中心線偏移的方式，占用對向最內(nèi)側(cè)出口道的方式，展寬進口道，來新增非機動車道進口道。

1.2 減少機動車道數(shù)量，增設非機動車道

由于東風路-政七街南進口道路寬度有限，左轉(zhuǎn)車輛較少且北進口車流量也不大，因此，采用禁止左轉(zhuǎn)并縮短機動車道寬度的方法來增設東風路-政七街南進口和南出口的非機動車道，而原來在南進口左轉(zhuǎn)的車輛，可在下一個路口調(diào)頭，在北進口右轉(zhuǎn)駛出。

將東風路-政七街東進口的直行車道改為直右車道，并將最外側(cè)車道改為非機動車道。

1.3 新增左轉(zhuǎn)專用道

根據(jù)《城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范》（GB 50647—2011）規(guī)定，高峰15 min內(nèi)每個信號周期左轉(zhuǎn)車平均交通量超過2輛時，宜設置左轉(zhuǎn)專用車道［2］。東風路-政七街交叉口西進口左轉(zhuǎn)交通流量為138輛/h，且沒有設置左轉(zhuǎn)專用車道，增加了交叉口內(nèi)的沖突點數(shù)量以及行車延誤。因此，將該交叉口西進口的直左車道改為左轉(zhuǎn)專用車道。

1.4 東風路干線禁止停車

因為該路段機動車違停現(xiàn)象嚴重，且部分機動車停車位施劃在非機動車道上，所以東風路干線上大量非機動車在機動車道上行駛。不僅威脅到道路使用者安全，還會降低道路的通行效率。因此，應取消東風路干線上政七街至經(jīng)三路方向上非機動車道上的停車位，并加大監(jiān)管和懲罰力度，治理東風路-經(jīng)三路交叉口東出口等路段的違法停車現(xiàn)象，保證非機動車的通行空間。

2 交通信號優(yōu)化方案

東風路干線的三個交叉口不僅存在交通設施設置不合理的問題，信號配時也存在綠燈時間浪費，與實際交通量不匹配的現(xiàn)象。因此，在解決交通設施設置及渠化問題后，便需要根據(jù)前期實地調(diào)查的交通現(xiàn)狀和整理后的交通數(shù)據(jù)，對東風路干線上三個路口的信號進行優(yōu)化和協(xié)調(diào)，來提高整個干線的服務水平。

2.1 共同信號周期的確定

為了城市干道交通流的暢通，在現(xiàn)代化城市交通信號控制中經(jīng)常會采用干線協(xié)調(diào)控制的方案來實現(xiàn)，這就是“綠波交通”控制模式［3］。需要協(xié)調(diào)控制的信號交叉口之間通過相位差聯(lián)系在一起，要求相位差能夠保持恒定，不隨信號周期的重復而發(fā)生變化［4］。通常選取干線上交通負荷最高的交叉口，即關(guān)鍵交叉口的最佳周期，作為干線上信號協(xié)調(diào)的共同信號周期［5］。

以東風路-東明路交叉口為例計算交叉口的最佳周期，結(jié)果見表1。

表1 各相位流量比匯總

該交叉口全紅時間為1 s，黃燈時間為3 s，啟動停車損失時間取3 s。

利用近似算法來計算該交叉口的最佳周期C0。

其中：

求得：

根據(jù)公式（1），東風路-東明路交叉口單點信號配時方案的最佳周期為116 s，東風路-經(jīng)三路交叉口最佳信號周期為111 s，東風路-政七街交叉口最佳信號周期為91 s。因此，當對東風路干線三個交叉口進行信號協(xié)調(diào)時，其統(tǒng)一運行的共同周期應為116 s（東風路-東明路為關(guān)鍵交叉口）。

2.2 綠燈時間的確定

利用等飽和度法，根據(jù)各相位關(guān)鍵車道流率比的比例來分配各相位有效綠燈時間。以東風路-東明路交叉口為例，根據(jù)公式：

式中：C—信號周期，s；L—周期損失時間，s；U—周期綠信比；ui—相位i的綠信比；yi—相位i關(guān)鍵車道流率比；Y—周期流率比；ki—相位i的綠信比分配系數(shù)；Gei—相位i有效綠燈時間，s；Ge—周期有效綠燈時間，s；Gi—相位i的綠燈時間，s；l—啟動停車損失時間，s；A—黃燈時間，s。

得出各相位實際綠燈時間，該交叉口信號配時情況見表2。

表2 東風路-東明路交叉口優(yōu)化后信號配時

依照公式（2）～公式（7），計算東風路-政七街及東風路-經(jīng)三路交叉口優(yōu)化后的信號配時，計算結(jié)果見表3、表4。

表3 東風路-經(jīng)三路交叉口優(yōu)化后信號配時

表4 東風路-政七街交叉口優(yōu)化后信號配時

2.3 相位差的確定

2.3.1 雙向協(xié)調(diào)相位差確定原理

式中：τ12—上行相位差，s；τ21—下行相位差，s；C—共同信號周期，s。

若想獲得理想的雙向協(xié)調(diào)效果，需同時滿足公式（9）～公式（11）。

式中：t12—上行行駛時間，s；t21—下行行駛時間，s；K—整數(shù)；mod—模運算符。

設上行、下行行駛速度相等，V1=V2=V，則公式可改寫為：

式中：L—路段長度，m；V—行駛速度，m/s。

當車輛在干線上的行駛時間滿足公式（12）、公式（13）條件時，可獲理想的雙向協(xié)調(diào)效果。

2.3.2 確定相位差

只有在理想情況下才能滿足公式（12）、公式（13），所以只能近似適用。三個路口相距分別為447 m，727 m， 車輛在政七街-經(jīng)三路路段上的行駛速度為27 km/h， 即v=7.7 m/s，t=58 s；車輛在經(jīng)三路-東明路路段上行駛速度v=12.5 m/s，t=58 s。此時相位差為58 s，可以最大寬度實現(xiàn)綠波帶。通過Vistro軟件觀察形成的綠波效果見圖1。

圖1 優(yōu)化配時方案綠波

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)實地調(diào)查、數(shù)據(jù)收集整理與分析，結(jié)合當?shù)鼐唧w情況和實際需求，對東風路干線上的三個交叉口進行優(yōu)化設計。從優(yōu)化前后延誤時間、行程車速、行程時間等數(shù)據(jù)進行對比，利用Vissim進行仿真與評價，所得結(jié)果見表5、表6。

表5 現(xiàn)狀及優(yōu)化后延誤時間對比

表6 優(yōu)化前后行程車速對比

經(jīng)過優(yōu)化，東風路-政七街交叉口延誤下降40.1%，東風路-經(jīng)三路交叉口延誤下降6.6%，東風路-東明路交叉口延誤下降60.8%；東風路干線東向西方向行程車速提高了21.0%，西向東方向行程車速提高了57.7%，由此可見，該方案優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)語

針對東風路-政七街交叉口、東風路-經(jīng)三路交叉口、東風路-東明路交叉口出現(xiàn)的問題，從交叉口和路段的組織渠化優(yōu)化以及信號協(xié)調(diào)兩方面入手，對東風路干線交通狀況進行優(yōu)化，并利用PTV Vistro評價設計軟件和PTV Vissim仿真軟件，對現(xiàn)狀和優(yōu)化方案進行評價與仿真，結(jié)果表明：優(yōu)化方案不僅減少了交叉口的延誤，而且提高了干線的運行效率和道路使用者的行車安全。