基于車流擁擠檢測的“借道左轉(zhuǎn)”自適應(yīng)智能控制*

初彥龍 遼寧警察學(xué)院治安管理系

引言

城市道路交叉口作為城市路網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，大部分道路交通擁擠發(fā)生在道路交叉口處，道路交叉口左轉(zhuǎn)交通流是導(dǎo)致通行效率低下的主要原因。在道路交叉口處，由左轉(zhuǎn)車流所引發(fā)的沖突、延誤和交通事故最多，左轉(zhuǎn)交通流排隊(duì)過長影響到了道路交通通行效率，提高道路交叉口左轉(zhuǎn)交通流的通行能力是緩解道路交通擁堵的有效方法。

“借道左轉(zhuǎn)”又名“配道待行左轉(zhuǎn)”，是一種利用對向車道作為左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，提高左轉(zhuǎn)車輛通行能力的信號控制方法。其基本原理和流程是巧妙利用交叉口時(shí)間、空間關(guān)系，利用出口車道作為左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，在路口相位放行空檔期，用特殊設(shè)計(jì)的左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)信號燈控制車輛進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)，并合理分配左轉(zhuǎn)信號燈與左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)信號燈時(shí)間，保證進(jìn)入到左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的車輛能夠放空，從而在保障交通安全的前提下，提高進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛的通行能力。

在左轉(zhuǎn)相位及配時(shí)最大智能化的前提下，在其他相位放行的空檔期智能啟用“借道左轉(zhuǎn)”能夠大大滿足左轉(zhuǎn)交通流隨機(jī)變化的需求?！敖璧雷筠D(zhuǎn)”本質(zhì)就是交通組織的一種形式，是對時(shí)空資源的充分靈活利用，隨交通流多少智能開啟更加優(yōu)化利用時(shí)空資源。

一、常規(guī)固定式“借道左轉(zhuǎn)”適用

對于有專用左轉(zhuǎn)車道和專用左轉(zhuǎn)相位的道路交叉口，當(dāng)?shù)缆方徊婵谟捎谧筠D(zhuǎn)車道有限，左轉(zhuǎn)車流量又較大的時(shí)候，左轉(zhuǎn)車輛可以通過利用對向直行車道作為臨時(shí)左轉(zhuǎn)車道，在對向直行放行之前將所借道路歸還的一種左轉(zhuǎn)方式，稱其為“借道左轉(zhuǎn)”?！敖璧雷筠D(zhuǎn)”能夠在道路資源固定的前提下，在不同時(shí)間段內(nèi)對道路資源實(shí)現(xiàn)最大利用，大大提高左轉(zhuǎn)車輛通行能力。

道路交叉口左轉(zhuǎn)車輛只有在受保護(hù)左轉(zhuǎn)情況下，有專用左轉(zhuǎn)相位，左轉(zhuǎn)車輛與對向直行車輛不在同一相位同時(shí)放行，對向直行車道沒有直行車輛占用，左轉(zhuǎn)車輛可以借用對向直行車道提高左轉(zhuǎn)通行能力，但在由于道路交叉口幾何條件限制，左轉(zhuǎn)車道上左轉(zhuǎn)車流很大，導(dǎo)致左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)長度過長時(shí)，可以考慮設(shè)置“借道左轉(zhuǎn)”，左轉(zhuǎn)相位期間臨時(shí)借用對向車道實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，增加左轉(zhuǎn)通行能力，緩解交通擁堵。

（一）常規(guī)T型交口固定式“借道左轉(zhuǎn)”

常規(guī)T型交叉口通常有三股沖突交通流，T型交叉口信號控制方式通常設(shè)置3相位，徹底分離3個(gè)沖突點(diǎn)，即3股沖突交通流分別在獨(dú)立相位放行。如圖1所示，B交通流左轉(zhuǎn)放行時(shí)，對向直行車流A不予放行，所以左轉(zhuǎn)車輛也可以設(shè)置“借道左轉(zhuǎn)”，通過利用對向直行車道空閑的道路資源，設(shè)置“借道左轉(zhuǎn)”，提高左轉(zhuǎn)車輛通行效率。

（二）輪流放行的十字道路交叉口“借道左轉(zhuǎn)”

在常規(guī)的城市道路交叉口信號控制中，有一部分采用兩相位對稱放行方式，即道路交叉口對向直行和左轉(zhuǎn)車流同時(shí)放行，此時(shí)，在同一相位中交叉口的進(jìn)口車道和出口車道同時(shí)被占用，無法提供空閑車道，不能實(shí)現(xiàn)“借道左轉(zhuǎn)”。對于城市道路中一些道路交叉口對向進(jìn)口道錯(cuò)位、進(jìn)口道存在直行、左轉(zhuǎn)合用車道而無法設(shè)置專用左轉(zhuǎn)相位，或者道路交叉口相對方向進(jìn)口道交通流嚴(yán)重不均勻等情況，采用輪流放行的放行方式，即對一個(gè)進(jìn)口道的直行、左轉(zhuǎn)車流同時(shí)放行的控制方式，相位圖如圖2所示。采用輪流放行控制的道路交叉口，在同一相位中放行的左轉(zhuǎn)和本方向直行車流，對向直行車流是禁行的，所以，對左轉(zhuǎn)車流量較大的情況，同樣可以考慮對左轉(zhuǎn)車輛設(shè)置“借道左轉(zhuǎn)”的控制方式，實(shí)現(xiàn)快速左轉(zhuǎn)，提高左轉(zhuǎn)通行能力。

目前，以上兩種常規(guī)借道左轉(zhuǎn)在許多城市道路交叉口都有實(shí)施，其旨意改善路口交通壓力，緩解交通擁堵，提高路口的車輛通行能力。然而其“借道左轉(zhuǎn)”的啟用是固定式的，不是根據(jù)左轉(zhuǎn)車流的多少智能啟用，如果左轉(zhuǎn)交通流排隊(duì)長度不夠長，“借道左轉(zhuǎn)”可以不啟用。因此，根據(jù)交通流擁擠程度智能開啟“借道左轉(zhuǎn)”顯得更為必要。

二、交通流擁擠檢測

城市道路交通流擁擠檢測方法有多種，其原理是通過車輛檢測器檢測車流量、車輛速度或道路占有率等參數(shù)，以路段上車流速度的降低和道路占有率的增加為依據(jù)，通過設(shè)定的交通流量和占有率的極限閾值來判別交通是否處于擁擠狀態(tài)。這種鑒別方法是采用連續(xù)幾個(gè)周期時(shí)段內(nèi)，道路占有率超過極限閾值或車流速度均下降到極限閾值以下來判定交通擁擠的。

（一）檢測判別原則

交通擁擠的產(chǎn)生是眾多因素導(dǎo)致的，由于城市道路中相鄰兩個(gè)道路交叉口之間的交通流的復(fù)雜性，結(jié)合交通流的時(shí)間和空間分布特性，根據(jù)交通擁擠條件下車流的運(yùn)行明顯特征，可以選擇交通流和占有率這兩個(gè)重要的檢測指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對擁擠時(shí)間的自動(dòng)檢測。車流的擁擠是復(fù)雜的并且可能隨時(shí)間變化而變化，擁擠程度可以用擁擠、消散、正常三個(gè)狀態(tài)來描述。

當(dāng)相鄰兩個(gè)道路交叉口上游車輛檢測器A的檢測交通流量增加，占有率也增加并且下游檢測器B的交通流量和占有率均減少，可以判定該路段已經(jīng)發(fā)生交通擁擠事件。但是對于擁擠的具體狀態(tài)仍然不好判斷，如果在車速不變的條件下，車輛數(shù)量增加必然導(dǎo)致占有率增加，因此根據(jù)單位時(shí)間的車輛數(shù)量增加量和占有率增加量大小進(jìn)行對比，可以進(jìn)一步判斷車流在當(dāng)前這一時(shí)間段內(nèi)是擁擠還是消散。交通流是車流密度與車速的乘積，交通流基本模型為：

其中：q為車流量；k為車流密度；v為車輛平均車速。

道路交叉口路段車輛長度假定為a，檢測器寬度為b，占有率λ根據(jù)定義可得：

由（1）式可得k=q/v，

λ=(a+b)k，所以k=λ/(a+b)，因此可得q=λv/(a+b)

由（3）式可以得出：在速度不變的情況下，流量q和占有率λ成正比，且變化率相等。如果流量的相對增量小于占有率的相對增量，則能認(rèn)定車流正處于擁擠形成狀態(tài)，反之可以認(rèn)定車流在這一時(shí)間內(nèi)正處于消散狀態(tài)。

（二）擁擠檢測指標(biāo)選取

通過檢測原則不難發(fā)現(xiàn)，交通流和占有固然能夠判斷出交通流是否擁擠，然而在發(fā)生交通擁擠時(shí)，圖3中上游檢測器A在單位時(shí)間內(nèi)的占有率增加，可是流量相對減少，速度隨之降低，而下游檢測器B在單位時(shí)間內(nèi)的流量和占有率都相對減少，速度卻幾乎不變。所以單純以交通流量和占有率判斷交通是否擁擠還存在缺陷，對交通事件發(fā)生的敏感性不是很強(qiáng)，也就不能很好的反映交通事件的發(fā)生。占有率的變化通常不能對車流實(shí)際運(yùn)行情況給出響應(yīng)，還存在受到交通流變化程度的制約情況，不能很準(zhǔn)確的判斷鑒別擁擠。為了克服這種流量的變化對占有率的制約，用采集到的斷面中占有率除以周期內(nèi)通過的車輛數(shù)，得到周期內(nèi)車輛平均占有率。采用平均占有率指標(biāo)鑒別交通擁擠事件更加靈敏，更能很好地反映車流的運(yùn)行特性。

擁擠檢測算法需要選擇車輛平均占有率λ和道路上下游車輛檢測器平均占有率之差△λ作為擁擠檢測參數(shù)。檢測器在相等時(shí)間段內(nèi)采集交通流，[ti-1,ti] 時(shí)段記為Ti。 檢測器A在Ti內(nèi)的流量和占有率分別記為qA(i)和λA(i)。檢測器B在Ti內(nèi)的流量和占有率分別記為qB(i)和λB(i)。λA(i)為檢測器在第i個(gè)周期內(nèi)檢測到的平均占有率；(i)為檢測器在第i個(gè)周期內(nèi)檢測到的平均占有率。△qA(i)為檢測器A第i個(gè)周期內(nèi)流量的相對增量，為檢測器A第i個(gè)周期內(nèi)占有率的相對增量，同理可得，△qB(i)為檢測器B第i個(gè)周期內(nèi)流量的相對增量?！鳓薆(i)為檢測器B第i個(gè)周期內(nèi)占有率的相對增量為上下游檢測器檢測到的平均占有率的絕對差為上下游車輛檢測器檢測到的平均占有率的相對差

三、智能啟用“借道左轉(zhuǎn)”的邏輯過程

一個(gè)采用周期內(nèi)，車輛持續(xù)停在檢測器上占有率視為1。道路交通上下游檢測器之間交通流發(fā)生擁擠的必要條件總結(jié)為：

如果上游檢測器A檢測的交通流量的相對增量小于占有率的相對增量，那么可以認(rèn)定下游路段在當(dāng)前周期或者未來的幾個(gè)周期有可能要出現(xiàn)交通擁擠現(xiàn)象。如果此時(shí)，上游檢測器和下游檢測器的車輛平均占有率的絕對差大于某一設(shè)定值x，上游與下游檢測器的車輛平均占有率相對差大于某一設(shè)定值y，可以認(rèn)定此時(shí)交通流擁擠事件發(fā)生。x和y的值需要大量的采樣數(shù)據(jù)分析之后獲得，不同城市，不同的道路交叉口以及不同的交通條件都會有所不同，必須結(jié)合所研究的路段交通流數(shù)據(jù)進(jìn)而確定，從而保證交通流擁擠判斷的準(zhǔn)確性。

根據(jù)上游車輛檢測器A當(dāng)前時(shí)段和上一時(shí)段的交通量增量和交通占有率增量判斷交通流是否到達(dá)擁堵警告。如果未達(dá)到擁堵警告，不啟用“借道左轉(zhuǎn)”信號指示燈；如果達(dá)到擁堵警告，進(jìn)一步判斷上下游檢測器檢測到的平均占有率的絕對差和相對差是否大于設(shè)定值，若不大于各自設(shè)定值同樣不啟用“借道左轉(zhuǎn)”信號指示燈，如大于各自設(shè)定值，可以確定該路段由于左轉(zhuǎn)車流過大而發(fā)生交通擁擠事件，智能開啟“借道左轉(zhuǎn)”信號指示燈。同理，根據(jù)上游車輛檢測器A相鄰當(dāng)前時(shí)段和下一時(shí)段的交通量增量和交通占有率增量判斷交通流是否開始消散。進(jìn)一步判斷上下游檢測器檢測到的平均占有率的絕對差和相對差是否小于設(shè)定值，若大于各自設(shè)定值說明交通持續(xù)擁擠。在未達(dá)到最大綠燈時(shí)間之前仍然開啟“借道左轉(zhuǎn)”信號燈；若小于設(shè)定值可知交通流恢復(fù)正常，不啟用“借道左轉(zhuǎn)”信號指示燈。

“借道左轉(zhuǎn)”信號燈指示燈根據(jù)下游停止線前左轉(zhuǎn)交通流是否擁擠智能啟用和停止的邏輯過程如圖4所示。

四、擁擠檢測下“借道左轉(zhuǎn)”自適應(yīng)控制實(shí)施

“借道左轉(zhuǎn)”的控制方法是一種不用拓寬道路交叉口進(jìn)口道寬度的創(chuàng)新控制方法，在理論上是可行的，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，左轉(zhuǎn)車輛需要在某一時(shí)段借用對向直行車道，相當(dāng)于逆行，存在很大的安全隱患，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮一些實(shí)際問題，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制?！敖璧雷筠D(zhuǎn)”就是在中心隔離護(hù)欄靠近路口的位置設(shè)置一個(gè)開口，供左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入對向車道等待左轉(zhuǎn)，分別在入口處設(shè)置提示屏和指示標(biāo)線，相當(dāng)于多了一條左轉(zhuǎn)車道，變?yōu)閮蓷l左轉(zhuǎn)車道，高峰期一個(gè)信號周期可多通行15～20輛機(jī)動(dòng)車，有效提高路段機(jī)動(dòng)車左轉(zhuǎn)通行能力，緩解路段機(jī)動(dòng)車通行壓力。

根據(jù)交通流擁擠程度“借道左轉(zhuǎn)”自動(dòng)開啟后需要對動(dòng)態(tài)信號控制做出改變，包括交通信號燈和交通誘導(dǎo)指示燈，提醒排隊(duì)左轉(zhuǎn)駕駛?cè)思皶r(shí)享用借來的道路。同樣當(dāng)交通流恢復(fù)正常后需要關(guān)閉“借道左轉(zhuǎn)”信號燈，交通誘導(dǎo)指示需更加醒目提醒駕駛?cè)瞬荒荞側(cè)雽ο蜍嚨赖却筠D(zhuǎn)。

（一）“借道左轉(zhuǎn)”車道的渠劃

對于滿足條件的道路交叉口某一方向左轉(zhuǎn)相位，設(shè)置“借道左轉(zhuǎn)”的靜態(tài)控制方式，進(jìn)口道車道線需要重新施劃，利用出口車道的部分車道作為左轉(zhuǎn)車輛借用的通道。在可以借道的起點(diǎn)施劃明顯的標(biāo)線，引導(dǎo)車輛駛?cè)胨柢嚨?，即原來交叉口?shí)際的出口道，原出口車道只能借出部分車道作為借道左轉(zhuǎn)車道，要預(yù)留出部分車道給右轉(zhuǎn)進(jìn)入該出口道的車輛通行。原來中心雙黃線需要修改為單側(cè)虛線，增設(shè)左轉(zhuǎn)導(dǎo)向箭頭。渠劃如圖5所示。

當(dāng)?shù)缆方徊婵趲缀涡螤钶^大，并且交叉口“借道左轉(zhuǎn)”相位的前一相位放行的車流不是以所借車道為出口車道，也即左轉(zhuǎn)放行前一相位放行的車輛不通過所借車道。此時(shí)，可以在臨近交叉口中央處同樣施劃醒目的車道停止線，由于是借來的車道而且是對向行駛，故停止線采用雙白虛線，停止線可以與原來左轉(zhuǎn)車道停止線階梯錯(cuò)位，駛?cè)虢璧赖能囕v在等待左轉(zhuǎn)期間盡量不影響其他進(jìn)口道駛?cè)朐摲较虻能囕v，相當(dāng)于增加一條左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)車道，當(dāng)左轉(zhuǎn)信號燈啟亮?xí)r，原來左轉(zhuǎn)車道車輛和“借道左轉(zhuǎn)”車輛同時(shí)左轉(zhuǎn)，提高左轉(zhuǎn)車輛通行能力。

（二）“借道左轉(zhuǎn)”車道的標(biāo)志

“借道左轉(zhuǎn)”的標(biāo)志應(yīng)當(dāng)配合路面的渠劃的標(biāo)線使用，最好采用動(dòng)態(tài)標(biāo)志，根據(jù)交通流擁擠程度智能提醒駕駛?cè)撕螘r(shí)駛?cè)肱R時(shí)借用的左轉(zhuǎn)車道。動(dòng)態(tài)標(biāo)志需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置在距離道路交叉口足夠的距離，標(biāo)志要清晰醒目，易于辨識，可以設(shè)置成主標(biāo)志和輔助標(biāo)志相結(jié)合的方式。同時(shí)設(shè)置“借道左轉(zhuǎn)”動(dòng)態(tài)控制標(biāo)志，車道信號箭頭燈以及倒計(jì)時(shí)信號燈，并且與原來道路交叉口交通信號燈保持一致。對于設(shè)置借道左轉(zhuǎn)等待的道路交叉口所借左轉(zhuǎn)車道和正常左轉(zhuǎn)車道車輛可以同時(shí)進(jìn)入車道等待左轉(zhuǎn)。

（三）“借道左轉(zhuǎn)”智能開啟后的信號控制

如果“借道左轉(zhuǎn)”車輛未能順利通過路口，而占用對向車道，會影響對向直行車輛的正常通行，甚至出現(xiàn)不必要的交通事故，所以實(shí)現(xiàn)“借道左轉(zhuǎn)”的道路交叉口交通信號控制一定要在首先保證原車道車輛正常通行的前提下才考慮滿足借道左轉(zhuǎn)車輛的需求，充分利用道路資源，利用空間換時(shí)間，要以保證行車安全為前提，車輛通過時(shí)間要絕對分離，保證足夠的行車安全。通過借道左轉(zhuǎn)的交通信號控制，提示駕駛?cè)苏_通行。

以大連市長春路-五四路道路交叉口為例，由南向西左轉(zhuǎn)車輛可以根據(jù)交通流擁擠程度智能開啟“借道左轉(zhuǎn)”信號燈。一個(gè)周期內(nèi)車輛放行按照“借道左轉(zhuǎn)”指示信號燈可以分成三個(gè)階段。其中，白色箭頭表示車流有通行權(quán)，黑色箭頭表示車流禁行，藍(lán)色陰影箭頭借道左轉(zhuǎn)車流駛?cè)氪D(zhuǎn)區(qū)等待左轉(zhuǎn)。

1. 放行五四路由東向西車輛

“借道左轉(zhuǎn)”信號燈根據(jù)長春路南向西交通流擁擠程度智能開啟允許借道左轉(zhuǎn)指示燈，車輛可以駛?cè)搿敖璧雷筠D(zhuǎn)”通道等待轉(zhuǎn)彎但不可以左轉(zhuǎn)，如圖6（1）所示。

2. 放行長春路由南向別和由南向西車輛

此階段車輛可以左轉(zhuǎn)進(jìn)入五四路，左轉(zhuǎn)車輛根據(jù)“借道左轉(zhuǎn)”信號燈指示可以繼續(xù)駛?cè)搿敖璧雷筠D(zhuǎn)”通道左轉(zhuǎn)，如圖6（2）所示。

“借道左轉(zhuǎn)”信號燈在此階段結(jié)束前會早閉10s～15s變?yōu)榧t燈，左轉(zhuǎn)車輛不允許再進(jìn)入到“借道左轉(zhuǎn)”通道，以保證位于“借道左轉(zhuǎn)”通道內(nèi)的車輛清空完畢，為長春路北向直行車輛駛?cè)朐撥嚨雷鰷?zhǔn)備，如圖7（1）所示。

3. 放行長春路南北雙向直行車輛

在此階段由南向西借來的左轉(zhuǎn)車道歸還給長春路由北向南直行車道，南行車輛可以把“借道左轉(zhuǎn)”通道作為直行車道正常使用，如圖7（2）所示。

“借道左轉(zhuǎn)”的信號燈依據(jù)交通流擁擠程度智能開啟，但由于可能前一相位放行車輛在出口車道會出現(xiàn)清空滯后，可以根據(jù)道路交叉口具體幾何形狀，“借道左轉(zhuǎn)”信號燈可以設(shè)置成較正常左轉(zhuǎn)車道車輛延遲10s～15s時(shí)間變綠色，允許車輛進(jìn)入反向車道借道左轉(zhuǎn)；為了在左轉(zhuǎn)相位結(jié)束之前能夠徹底清空所借車道，在正常左轉(zhuǎn)結(jié)束之前10s，禁止車輛借道左轉(zhuǎn)，不允許車輛繼續(xù)進(jìn)入所借車道，并將所借車道歸還，作為下一相位的正常出口車道。大連市長春路-五四路道路交叉口“借道左轉(zhuǎn)”車流通行如圖7所示，有效地提高該路口車輛的通行效率。

五、結(jié)語

“借道左轉(zhuǎn)”的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中能夠提高左轉(zhuǎn)車輛的通行效率。根據(jù)交通流擁擠程度智能啟用“借道左轉(zhuǎn)”，能夠克服于左轉(zhuǎn)交通流不固定導(dǎo)致的固定式開啟通行效率相對低下的問題，充分發(fā)揮工匠精神，進(jìn)一步充分利用時(shí)空資源，智能優(yōu)化信號控制，提高通行效率，緩解交通擁堵?！敖璧雷筠D(zhuǎn)”也存在一些局限性，并非所有的道路交叉口都適用，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)地考察和分析。