基于潮汐交通流特性的交叉口信號(hào)配時(shí)研究

蘇燦航，高圣涵，郭建鋼，廖飛宇

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福州 350002)

提高交叉口通行能力的方法主要有兩種:一是對(duì)交叉口進(jìn)行渠化改造[1-4]，充分利用道路資源增加通行能力；二是不改變渠化方案時(shí)針對(duì)信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化.在信號(hào)交叉口配時(shí)方案的優(yōu)化中，針對(duì)信號(hào)燈相位綠信比進(jìn)行優(yōu)化是主要的手段之一.目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者大多數(shù)是對(duì)相序和相位綠信比進(jìn)行調(diào)整建模，以延誤最小或者停車次數(shù)最少作為目標(biāo)函數(shù)，利用仿真軟件[5-10]對(duì)不同信號(hào)配時(shí)進(jìn)行模擬仿真；部分學(xué)者通過(guò)遺傳算法[10]、粒子群算法[11-12]等求得合適的信號(hào)配時(shí)，增加交叉口通行能力.在傳統(tǒng)的韋伯斯特配時(shí)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)[13]，通過(guò)圖像識(shí)別道路車流量，設(shè)計(jì)了一套一體化的信號(hào)燈控制系統(tǒng)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠更好的應(yīng)對(duì)復(fù)雜的交通路況.部分學(xué)者從時(shí)間與空間兩方面，從交叉口信號(hào)配時(shí)以及車道劃分出發(fā)[3]，通過(guò)實(shí)際交通流量調(diào)整各進(jìn)口道綠信比，減少綠燈浪費(fèi)時(shí)間，并通過(guò)VISSIM軟件進(jìn)行仿真獲得最合適當(dāng)前交通流量的方法.對(duì)于緩解交叉口擁堵程度、減少交叉口車距延誤、減少停車次數(shù)、縮短車輛排隊(duì)長(zhǎng)度等都有顯著的效果.

隨著城市的發(fā)展，工作日通勤交通成為城市道路的主要交通流[14]，潮汐交通現(xiàn)象已經(jīng)成為部分城市道路信號(hào)燈優(yōu)化考慮的重要因素之一，本文通過(guò)對(duì)福建省寧德市一交叉口進(jìn)行信號(hào)燈優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合該信號(hào)交叉口機(jī)非分離的管理方式，在潮汐交通流情況下給出較優(yōu)的解決方案，并通過(guò)VISSIM仿真的方式，模擬在不同交通量的情況下交叉口的運(yùn)行狀態(tài)，獲得在不同交通量情況下的最優(yōu)信號(hào)配時(shí)方案.

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

福建省寧德市境內(nèi)的福寧北路與閩東路交叉口，是寧德市一處重要的進(jìn)出口交通樞紐，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該交叉口日均平均車流量高達(dá)69 700輛，該交叉口在高峰時(shí)段已經(jīng)成為城市干道的“瓶頸”.福寧北路與閩東路交叉口進(jìn)口道設(shè)置了專門(mén)的兩輪車車道，實(shí)現(xiàn)汽車與摩托、電動(dòng)車分離.但在高峰時(shí)段該交叉口潮汐交通現(xiàn)象嚴(yán)重，極易造成交叉口的排隊(duì)溢出，導(dǎo)致該交叉口出現(xiàn)“死鎖”現(xiàn)象，引發(fā)交通擁堵.由于交叉口四個(gè)方向皆設(shè)置交通島，故不考慮右轉(zhuǎn)車輛的影響.該路段現(xiàn)狀采用四相位信號(hào)配時(shí)：1)東西向直行車流通行；2)東西向左轉(zhuǎn)車流通行；3)南北向直行車流通行；4)南北向左轉(zhuǎn)車流通行.

路段現(xiàn)狀采用傳統(tǒng)的對(duì)向放行的模式，該模式是在對(duì)向直行左轉(zhuǎn)交通量相近的情況下能夠獲得最大的通行能力，但是在現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)的路口的車流量并不均勻，如果仍然采用傳統(tǒng)的對(duì)向放行的模式將會(huì)造成綠燈時(shí)間損失.在潮汐交通情況下，綠燈時(shí)間損失將顯得更加明顯[15].本文以福寧北路與閩東路交叉口早高峰觀測(cè)的各交叉口進(jìn)口道流量流向的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1.

從表1可知，如果采用傳統(tǒng)的對(duì)向放行的信號(hào)控制形式，如東、西向直行車輛一起放行，由于東進(jìn)口道的直行車輛比西進(jìn)口道的直行車輛少，故在綠燈后期，西進(jìn)口道仍有直行車輛通行，然而東進(jìn)口道直行無(wú)車輛通行，這也就存在著綠燈時(shí)間損失的現(xiàn)象.為緩解這種浪費(fèi)的現(xiàn)象，本文采用信號(hào)搭接相位設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)，充分提高綠燈的利用率，從而提高交叉口的通行能力.

表1 福寧北路與閩東路交叉口早高峰流量表

1.2 信號(hào)搭接

信號(hào)搭接相位就是在某個(gè)相位結(jié)束前提前啟動(dòng)另一個(gè)相位的一股或多股車流，即在信號(hào)周期中增加了一種特別的“小相位”，正是這種“小相位”的存在，可以降低交叉口信號(hào)周期的時(shí)長(zhǎng)，提高各個(gè)相位的綠信比，使得交叉口的通行能力增加.

信號(hào)搭接相位方案首先根據(jù)實(shí)際詳細(xì)的交通調(diào)查，利用韋伯斯特配時(shí)法進(jìn)行信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)，得到四個(gè)相位的配時(shí)方案.其次保持直行相位中流量較大一向的相位時(shí)長(zhǎng)不變，另一方向的相位時(shí)長(zhǎng)則根據(jù)流量比例進(jìn)行折減，實(shí)現(xiàn)輕交通流方向直行相位的“早斷”和重交通流方向左轉(zhuǎn)相位的“早啟”.根據(jù)仿真的運(yùn)行效果對(duì)方案進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)而確定最終的信號(hào)搭接相位方案.

1.2.1 確定相位

由于該信號(hào)交叉口在高峰時(shí)段潮汐交通現(xiàn)象較為嚴(yán)重，現(xiàn)有傳統(tǒng)的對(duì)向放行四相位信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)會(huì)存在出現(xiàn)同一相位內(nèi)不同流向間綠燈利用率不均衡現(xiàn)象.因此，針對(duì)這個(gè)交叉口，提出利用相位搭接的形式進(jìn)行信號(hào)配時(shí).現(xiàn)狀早高峰時(shí)段的信號(hào)相位配時(shí)圖，見(jiàn)圖1.

圖1 現(xiàn)狀早高峰時(shí)段的信號(hào)相位配時(shí)圖

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查的交通量可知，西進(jìn)口道直行機(jī)動(dòng)車量為1 020 pcu/h，非機(jī)動(dòng)車為1 554 pcu/h，東進(jìn)口道直行方向機(jī)動(dòng)車交通量為676 pcu/h，非機(jī)動(dòng)車為1 312 pcu/h.西進(jìn)口道直行機(jī)動(dòng)車交通量比東進(jìn)口道直行車機(jī)動(dòng)車每小時(shí)多出了344 pcu，如若使用傳統(tǒng)的四相位對(duì)稱放行的配時(shí)方案，在東西向綠燈后期，將存在東進(jìn)口道直行無(wú)車行駛的狀態(tài)，造成綠燈時(shí)間浪費(fèi).為減少綠燈時(shí)間的浪費(fèi)，故在原先的第一相位與第二相位之間，插入搭接相位.以此類推，在第三相位和第四相位之間插入搭接相位，將原想的四相位配時(shí)優(yōu)化成為六相位配時(shí).計(jì)算獲得的相位，見(jiàn)圖2.

圖2 早高峰時(shí)段的信號(hào)搭接相位配時(shí)圖

1.2.2 確定配時(shí)

針對(duì)信號(hào)交叉口的交通流量流向特性，將原四相位配時(shí)優(yōu)化成六相位配時(shí)方案，減少綠燈時(shí)間的浪費(fèi)，六相位配時(shí)的綠燈時(shí)間計(jì)算步驟如下：

1)根據(jù)現(xiàn)狀交通流狀態(tài)，通過(guò)韋伯斯特配時(shí)法獲得四相位配時(shí)方案.通過(guò)分析各進(jìn)口道各交通流量流向間的關(guān)系，選取對(duì)向放行的信號(hào)控制方式更加貼合實(shí)際.具體相位及配時(shí)，見(jiàn)圖3.

圖3 韋伯斯特四相位配時(shí)圖

2)明確重交通量方向，計(jì)算綠燈時(shí)長(zhǎng).在原先四相位配時(shí)的基礎(chǔ)上，保持原信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)不變，計(jì)算東進(jìn)口道直行所需要的綠燈時(shí)間，將第一相位東進(jìn)口道直行相位提前切斷，轉(zhuǎn)換為西進(jìn)口道左轉(zhuǎn).公式表達(dá)為：

使用相同的方法，計(jì)算第三相位與第四相位之間的搭接相位綠燈時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算得信號(hào)方案，見(jiàn)圖4.

圖4 早高峰時(shí)段的信號(hào)搭接相位配時(shí)圖

2 結(jié)果分析

利用仿真軟件VISSIM對(duì)福寧北路與閩東路交叉口進(jìn)行仿真，通過(guò)實(shí)際調(diào)查的交通數(shù)據(jù)對(duì)交叉口進(jìn)行仿真，分別交叉口四個(gè)方向的進(jìn)口道設(shè)置檢測(cè)器，分別對(duì)不同方向的直行、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)方向的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由于本交叉口右轉(zhuǎn)提前分離，與其他方向交通流沖突較小，故不考慮四個(gè)方向右轉(zhuǎn)交通流，右轉(zhuǎn)不設(shè)置信號(hào)控制.

2.1 通過(guò)車輛數(shù)

本文選取車輛平均延誤以及通過(guò)車輛數(shù)作為輸出指標(biāo)，分別進(jìn)行兩組仿真試驗(yàn)：1)以現(xiàn)狀交通配時(shí)進(jìn)行交通仿真；2)對(duì)信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，利用搭接相位配時(shí)進(jìn)行仿真，將兩組仿真獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.各進(jìn)口道通過(guò)車輛數(shù)對(duì)比，見(jiàn)圖5、表2.

圖5 通過(guò)車輛數(shù)對(duì)比圖

表2 通過(guò)車輛數(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)圖5分析發(fā)現(xiàn)，西進(jìn)口道早高峰的交通量比其他進(jìn)口道交通量大，是此交叉口最易造成交通擁堵的進(jìn)口道，現(xiàn)狀配時(shí)的信號(hào)燈控制下，西進(jìn)口道能通過(guò)機(jī)動(dòng)車1 833 pcu/h，非機(jī)動(dòng)車2 241 pcu/h，通過(guò)信號(hào)搭接的配時(shí)優(yōu)化方法，提高了西進(jìn)口道通過(guò)車輛數(shù)，機(jī)動(dòng)車提高至1 978 pcu/h，相比較于現(xiàn)狀配時(shí)情況下的通過(guò)車輛數(shù)，提高了7.91%，非機(jī)動(dòng)車提高至2 304，相比較于現(xiàn)狀配時(shí)情況下的通過(guò)車輛數(shù)，提高了2.81%.對(duì)比數(shù)據(jù)可知，北進(jìn)口道、南進(jìn)口道、東進(jìn)口道機(jī)動(dòng)車通過(guò)車輛數(shù)分別提高了3.82%、3.37%、5.01%；北進(jìn)口道、南進(jìn)口道方向的非機(jī)動(dòng)車通過(guò)的車輛數(shù)相比降低了0.79%、3.49%，東進(jìn)口道提高了4.62%，雖然信號(hào)搭接相位的運(yùn)用有可能產(chǎn)生負(fù)效益，造成某些方向通行能力的下降，但影響較小，對(duì)于提高交叉口的時(shí)空資源利用率起到了一定作用.

2.2 排隊(duì)長(zhǎng)度

排隊(duì)長(zhǎng)度是衡量一個(gè)交叉口運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，兩個(gè)相近的交叉口如若排隊(duì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，上游交叉口的排隊(duì)車輛將會(huì)影響下游交叉口正常運(yùn)行，從而導(dǎo)致交通癱瘓.因此，本文選取排隊(duì)長(zhǎng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，以此考察搭接相位的優(yōu)化方式相比較于現(xiàn)狀四相位配時(shí)在交叉口信號(hào)控制方面的優(yōu)勢(shì).平均排隊(duì)長(zhǎng)度優(yōu)化效果，見(jiàn)表3.最大排隊(duì)長(zhǎng)度優(yōu)化效果，見(jiàn)表4.

表3 平均排隊(duì)長(zhǎng)度優(yōu)化效果

表4 最大排隊(duì)長(zhǎng)度優(yōu)化效果

如表3所示，搭接相位優(yōu)化后的平均長(zhǎng)度除了北進(jìn)口道直行方向有所增加，其余進(jìn)口道皆得到較好的改善，特別是對(duì)于早高峰交通量較大的西進(jìn)口道，直行方向平均排隊(duì)長(zhǎng)度由現(xiàn)狀的115降低至55，優(yōu)化效果達(dá)到52.17%；左轉(zhuǎn)方向平均排隊(duì)長(zhǎng)度由現(xiàn)狀387的嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)優(yōu)化至50，優(yōu)化了87.08%，優(yōu)化效果顯著.其余方向皆得到一定程度的提升，南進(jìn)口道直行優(yōu)化了34.38%，左轉(zhuǎn)優(yōu)化了10%，東進(jìn)口道直行優(yōu)化了7.89%，左轉(zhuǎn)優(yōu)化了52.94%.在平均長(zhǎng)度方面，搭接相位相比較與現(xiàn)狀配時(shí)，能夠有效緩解排隊(duì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題.

搭接相位優(yōu)化與現(xiàn)狀相比，能夠有效減小西進(jìn)口道、南進(jìn)口道直行方向、東進(jìn)口道最大排隊(duì)長(zhǎng)度，重交通量的西進(jìn)口道的直行方向由原先的371縮短至213，優(yōu)化了42.59%，左轉(zhuǎn)方向優(yōu)化了62.08%，能夠有效的緩解西進(jìn)口道擁堵的現(xiàn)狀，從而減輕早高峰時(shí)期西進(jìn)口道排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)造成部分道路癱瘓的問(wèn)題.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)福建省福鼎市境內(nèi)的福寧北路與閩東路交叉口早高峰存在的流量不均衡的問(wèn)題，在四相位韋伯斯特配時(shí)的基礎(chǔ)上，引入了搭接相位，減少綠燈“空放”的現(xiàn)象，有效提高交叉口的通行能力，運(yùn)用VISSIM仿真軟件分別對(duì)現(xiàn)狀配時(shí)與搭接相位優(yōu)化配時(shí)情況下的交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真，以通過(guò)車輛數(shù)、平均延誤以及排隊(duì)長(zhǎng)度為指標(biāo)，對(duì)比現(xiàn)狀交通情況與優(yōu)化后交通情況下各指標(biāo)之間的差距，探究搭接相位配時(shí)對(duì)的優(yōu)化效果.針對(duì)早高峰擁堵嚴(yán)重的西進(jìn)口道效果顯著，通過(guò)機(jī)動(dòng)車車輛數(shù)較現(xiàn)狀提升7.91%，非機(jī)動(dòng)車提升2.81%；直行方向平均排隊(duì)長(zhǎng)度降低52.17%，最大排隊(duì)長(zhǎng)度降低42.59%，左轉(zhuǎn)方向平均排隊(duì)長(zhǎng)度降低87.08%，最大排隊(duì)長(zhǎng)度降低62.08%，能夠有效的緩解早高峰西進(jìn)口道擁堵嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)其余三進(jìn)口道皆有一定的優(yōu)化效果，控制效果優(yōu)于現(xiàn)狀的四相位配時(shí).

但是，在考慮信號(hào)配時(shí)的過(guò)程中，仍然存在一些問(wèn)題，僅僅針對(duì)早高峰時(shí)期進(jìn)行信號(hào)優(yōu)化，在今后的工作中應(yīng)當(dāng)對(duì)平峰時(shí)段、晚高峰時(shí)段以及高峰與平峰之間的銜接段的配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化.