跨河橋交叉口協(xié)調(diào)控制策略研究
——以濟(jì)南市為例

張統(tǒng)洋,王 婷

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100089;2.北京大唐高鴻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司,北京 100191)

1 引 言

受地表河流的影響,在城市路網(wǎng)中存在一種特殊的短連線交叉口——跨河橋交叉口,即跨河道路與兩條沿河道路交叉所形成的兩個(gè)平面交叉口,交叉口間距短,交通關(guān)聯(lián)性強(qiáng)[1]。特別是在交通高峰時(shí)段,由于交叉口間容納交通量不能滿足下游車輛排隊(duì)需求,排隊(duì)溢出現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,不僅會(huì)導(dǎo)致交叉口死鎖,甚至造成局部路網(wǎng)癱瘓,而且大量車輛怠速排隊(duì)引起的碳排和能耗,也不符合城市綠色發(fā)展的理念。因此研究跨河橋交叉口的協(xié)調(diào)控制顯得尤為重要。近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)短連線交叉口排隊(duì)溢出問題的研究漸臻成熟。楊曉光、付晶燕[2]對(duì)短連線交叉口進(jìn)行界定,利用波動(dòng)理論和車流運(yùn)行時(shí)空?qǐng)D建立了短連線交叉口群的通行能力計(jì)算模型,同時(shí)注意到相位差會(huì)對(duì)通行能力產(chǎn)生影響,但未做深入研究;劉巖[3]假設(shè)關(guān)聯(lián)交叉口間的相位差為0,以短連線信號(hào)交叉口車輛排隊(duì)長(zhǎng)度不大于路段長(zhǎng)度為條件,提出了過飽和狀態(tài)下短連線的延誤模型;齊立群[4]將排隊(duì)長(zhǎng)度和相位差的研究相結(jié)合,基于波動(dòng)理論提出飽和條件下動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)短連線交叉口相位差的方法;楊曉芳、芮麗麗[5]針對(duì)短連線交叉口死鎖問題,提出了基于車流無縫銜接的短連線交叉口協(xié)調(diào)控制模型,并以左轉(zhuǎn)車流排隊(duì)長(zhǎng)度為約束,運(yùn)用波動(dòng)理論建立了排隊(duì)約束模型;Liu H X[6]利用波動(dòng)理論,對(duì)擁堵條件下信號(hào)控制交叉口的實(shí)時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度做出了評(píng)價(jià)研究;吳先宇,李璐兵[7]基于美國(guó)NEMATS-2標(biāo)準(zhǔn)中提出的雙環(huán)相位結(jié)構(gòu),針對(duì)信號(hào)合并和信號(hào)協(xié)調(diào)兩類短連線交叉口分別建立兩種控制方式對(duì)應(yīng)的信號(hào)相位相序設(shè)置策略和信號(hào)配時(shí)方法。以往研究表明,調(diào)節(jié)相位差多被用作近距離交叉口的協(xié)調(diào)控制的主要手段,但是其首要目的是保證干線直行車流優(yōu)先通行,忽視了交叉口左轉(zhuǎn)車流對(duì)整個(gè)交叉口交通運(yùn)行的影響。由于跨河橋交叉口間距過短,直行與左轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)間的車流沖突較普通交叉口更為嚴(yán)重,極易造成整個(gè)交叉口的擁堵甚至癱瘓,而鮮有研究對(duì)直行和左轉(zhuǎn)車流的通行權(quán)分配進(jìn)行分析探究。由此,以濟(jì)南市為例,通過分析不同類型跨河橋交叉口的車流離散規(guī)律,兼顧直行和左轉(zhuǎn)車流通行權(quán)的協(xié)調(diào)分配,從交叉口信號(hào)配時(shí)和空間優(yōu)化設(shè)計(jì)角度提出相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略,并給出相位差的計(jì)算模型。

2 跨河橋交叉口擁堵成因分析

濟(jì)南市共有4條大型河流及120條中小河流[8],部分河流流經(jīng)城市內(nèi)部,形成眾多跨河橋交叉口。通過實(shí)地踏勘,依據(jù)交叉口車流離散規(guī)律將跨河橋交叉口歸為3類(如表1所示),并發(fā)現(xiàn):濟(jì)南市城市內(nèi)部跨河橋交叉口間距普遍小于規(guī)定值150 m[9],交通關(guān)聯(lián)性強(qiáng);為弱化關(guān)聯(lián)交叉口間的相互干擾,在現(xiàn)行交通組織中多將次路(沿河道路)實(shí)施單向交通組織,同時(shí)壓縮交叉口左轉(zhuǎn)車流通行時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)主路(跨河道路)直行車流快捷暢通的目的。但結(jié)果卻未達(dá)到預(yù)期目標(biāo),擁堵時(shí)有發(fā)生,其擁堵成因如下。

表1 濟(jì)南市跨河橋交叉口分類

(1)交通流沖突嚴(yán)重。雖然單向交通使整個(gè)交叉口組織簡(jiǎn)單化,但是直行與左轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)之間的車流沖突問題依舊嚴(yán)重,大大增加行車延誤,車流沖突點(diǎn)如圖1所示。

圖1 跨河橋交叉口交通流沖突示意圖

(2)交叉口間距過短。高峰時(shí)段,交叉口左轉(zhuǎn)車流無法在有效綠燈時(shí)間內(nèi)通過交叉口,車輛在交叉口間路段積壓排隊(duì)致使下游交叉口排隊(duì)車輛經(jīng)常蔓延至上游,阻礙上游交叉口車輛通行,形成死鎖。

當(dāng)交叉口間距小于交叉口最小間距時(shí)需要進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)[10],因此將跨河橋交叉口看成一個(gè)系統(tǒng),基于車流離散規(guī)律,對(duì)相位和空間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),消除較為嚴(yán)重的沖突點(diǎn),減少交叉口間排隊(duì)長(zhǎng)度,協(xié)調(diào)控制各個(gè)方向交通流有序高效運(yùn)行,提高系統(tǒng)通行能力。

3 跨河橋交叉口協(xié)調(diào)控制策略

3.1 非對(duì)稱相位設(shè)計(jì)

Ⅰ型跨河橋交叉口主路采用干線協(xié)調(diào)控制,不產(chǎn)生排隊(duì)。但次路左轉(zhuǎn)流量較大,南北進(jìn)口同時(shí)放行左轉(zhuǎn)交通流存在沖突(如圖2所示),車輛只能利用可穿越間隙通過交叉口,大大增加行車延誤,倘若車輛在交叉口間路段滯留,極易造成交叉口死鎖。因此,采用非對(duì)稱相位設(shè)計(jì),即次路各進(jìn)口分別單獨(dú)放行,主路各進(jìn)口同時(shí)放行,相位設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 左轉(zhuǎn)車流沖突

圖3 非對(duì)稱相位設(shè)計(jì)

假設(shè)第一相位為交叉口B南進(jìn)口放行。當(dāng)?shù)谝幌辔唤Y(jié)束時(shí),南進(jìn)口與下游交叉口A東進(jìn)口信號(hào)之間存在協(xié)調(diào)相位差θ,使車隊(duì)最后一輛車順暢駛出下游交叉口A,減少車輛滯留。

(1)

式中:L為交叉口間距,m;v為交叉口間的平均行駛速度,m/s。

第二相位與第三相位零相位銜接。交叉口A北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車流可不停車駛出下游交叉口,而主路直行車流跟隨左轉(zhuǎn)車流通行實(shí)現(xiàn)無縫銜接,提高綠燈時(shí)間利用率。相位設(shè)計(jì)配時(shí)圖如圖4所示。

圖4 非對(duì)稱相位設(shè)計(jì)配時(shí)圖

3.2 基于波動(dòng)理論相位設(shè)計(jì)

針對(duì)Ⅱ型跨河橋交叉口間距可滿足次路左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)需求的特點(diǎn),犧牲左轉(zhuǎn)車流的通行權(quán),使其在交叉口間路段排隊(duì)以消除左轉(zhuǎn)車流間沖突點(diǎn),如圖5所示,相位設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖5 左轉(zhuǎn)車輛沖突消除

圖6 基于波動(dòng)理論相位設(shè)計(jì)示意圖

同時(shí),為確保排隊(duì)不溢出,還需運(yùn)用波動(dòng)理論對(duì)相位差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以交叉口B為例,南進(jìn)口放行時(shí),直行、右轉(zhuǎn)車流可直接駛出交叉口,左轉(zhuǎn)車輛在交叉口間排隊(duì)。當(dāng)左轉(zhuǎn)車流消散波傳至交叉口B前,切換相位。因此整個(gè)過程的時(shí)間關(guān)系滿足下式

w1(ta+ts)=w2ts

(2)

w1(ta+ts)≤L

(3)

ta=TAE=gBS

(4)

θ=ts

(5)

由以上各式推導(dǎo)可得

(6)

式中:θ為交叉口A東進(jìn)口與交叉口B東進(jìn)口與第二相位的相位差,s;ta為停車波波速,km/h;ts為啟動(dòng)波波速,km/h;w1為停車波傳播時(shí)間,s;w2為啟動(dòng)波傳播時(shí)間,s;L為交叉口間距,m;TAB為交叉口A東進(jìn)口紅燈時(shí)間,s;gBS為交叉口B南進(jìn)口綠燈時(shí)間,s。

另外,為防止交叉口間路段有車輛滯留而產(chǎn)生額外延誤,增加下游交叉口綠燈時(shí)間η清空滯留車輛,計(jì)算方法同公式(1)。

通過公式(6)可以看出,跨河橋交叉口協(xié)調(diào)相位差與波速和進(jìn)口綠燈時(shí)間有關(guān),并應(yīng)根據(jù)車流到達(dá)率和車速進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。相位設(shè)計(jì)配時(shí)如圖7所示。

圖7 相位設(shè)計(jì)配時(shí)圖

圖8 搭接相位設(shè)計(jì)配時(shí)圖

3.3 搭接相位設(shè)計(jì)

Ⅲ型跨河橋交叉口主路左轉(zhuǎn)流量大,現(xiàn)行交通組織主要有兩種:一種是主路東西進(jìn)口直行通行時(shí),左轉(zhuǎn)車輛在進(jìn)口停車線處停車排隊(duì);另一種是左轉(zhuǎn)車輛駛?cè)虢徊婵陂g路段并停車排隊(duì)。前者保障了行車安全但增加了行車延誤,后者雖在一定程度上縮短了行車時(shí)間,但是對(duì)向左轉(zhuǎn)車流相互干擾,易誘發(fā)事故。鑒于此,首先對(duì)交叉口進(jìn)行渠化,將交叉口間路段最內(nèi)側(cè)車道分別改造為對(duì)向車流的左轉(zhuǎn)待行區(qū),主路左轉(zhuǎn)車輛利用該區(qū)域進(jìn)行左轉(zhuǎn),消除了左轉(zhuǎn)車流間的相互干擾。采用搭接相位設(shè)計(jì),主路左轉(zhuǎn)車流可充分利用直行綠燈時(shí)間駛?cè)胂鄳?yīng)待行區(qū)排隊(duì),減少交叉口內(nèi)的行車時(shí)間。

為保證主路左轉(zhuǎn)車輛不發(fā)生排隊(duì)溢出,在第二相位結(jié)束時(shí)存在相位差θ清空左轉(zhuǎn)待行區(qū)內(nèi)的車輛,θ計(jì)算方法同公式(1)。

4 案例分析

選擇濟(jì)南市西工商河路與師范路交叉口作為算例。西工商河路與師范路交叉口屬于Ⅱ型交叉口,其中師范路雙向四車道,一塊板斷面形式;西工商河路為南北走向的沿河道路,由西工商河分隔成為西工商河西路和西工商河?xùn)|路,單車道。兩交叉口交通關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),高峰時(shí)期該交叉口經(jīng)常因排隊(duì)溢出而形成擁堵。交叉口現(xiàn)狀流量見表2。

表2 交叉口流量表 單位:veh/h

以此為例,通過優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證模型的可行性。已知條件如下:兩交叉口間距L=42 m,主路綠燈時(shí)間為45 s,次路綠燈時(shí)間35 s,黃燈時(shí)間3 s。停車波波速1.84 km/h,啟動(dòng)波波速14.6 km/h。路段平均車速20 km/h?，F(xiàn)狀配時(shí)方案如圖7所示,其中θ=0 s,η=42 s。

應(yīng)用Ⅱ型相位差計(jì)算模型對(duì)該交叉口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)果對(duì)比如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出,配時(shí)方案優(yōu)化后,增加了θ時(shí)長(zhǎng),使南北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛能夠完全駛出交叉口或在交叉口間路段排隊(duì),以免堵塞主路通行。與此同時(shí),清空滯留車輛的η時(shí)長(zhǎng)得以優(yōu)化減少,整個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)大大降低。

表3 優(yōu)化前后配時(shí)對(duì)比

利用VISSIM仿真軟件設(shè)置檢測(cè)器,從行程時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度和系統(tǒng)延誤三方面,對(duì)案例進(jìn)行仿真對(duì)比分析與評(píng)價(jià),結(jié)果如圖9、圖10和表4所示。

圖9 行程時(shí)間對(duì)比

圖10 排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比

表4 系統(tǒng)平均延誤和通行能力對(duì)比

由表4可知,實(shí)施協(xié)調(diào)控制策略之后,在不影響跨河橋交叉口主路直行車流行程時(shí)間的同時(shí),南、北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛行程時(shí)間有較大幅度降低,下降比例分別為13.27%和18.04%,進(jìn)而提高了該方向的通過能力,通過車輛數(shù)分別上漲13.84%和15.32%,主路直行方向通過車輛數(shù)也因此增加約7%。各個(gè)進(jìn)口排隊(duì)長(zhǎng)度均有不同比例的下降,尤其是跨河橋交叉口間路段,即交叉口A東進(jìn)口和交叉口B西進(jìn)口的排隊(duì)長(zhǎng)度,分別下降51.56%和35.14%,有效的避免了交叉口排隊(duì)車輛溢流情況的發(fā)生。表4數(shù)據(jù)顯示,優(yōu)化后系統(tǒng)平均延誤下降17.50%,整個(gè)交叉口系統(tǒng)通行能力提高8.02%,通行效率大大提升。

5 結(jié) 論

針對(duì)跨河橋交叉口間距短、關(guān)聯(lián)性強(qiáng),極易發(fā)生排隊(duì)溢流的問題,將整個(gè)交叉口作為系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。在剖析車流特性的基礎(chǔ)上將跨河橋交叉口按車流運(yùn)行規(guī)律歸為3類,以消除沖突點(diǎn)為原則,避免排隊(duì)溢出為約束,提高系統(tǒng)通行能力為目標(biāo),提出相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略,并推導(dǎo)了相位差的計(jì)算模型。運(yùn)用VISSIM仿真軟件對(duì)濟(jì)南市西工商河路與師范路交叉口進(jìn)行仿真評(píng)價(jià),結(jié)果顯示跨河橋交叉口間的排隊(duì)長(zhǎng)度明顯減少,整個(gè)交叉口系統(tǒng)通行效率有較高提升,證明模型有效。