城市道路交叉口的實(shí)時(shí)交通信號(hào)控制研究

孫瑤

（深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近年來，我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程日益加快，國民經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，城市人口及汽車保有量均迅猛增長，導(dǎo)致交通需求超過原有城市交通設(shè)施的承載能力。在城市交通中，道路交叉口的通行效率直接影響整個(gè)城市道路網(wǎng)絡(luò)的通行能力，成為提升城市通行能力的瓶頸。當(dāng)前，城市道路交叉口普遍存在沖突點(diǎn)多、交通流量大、運(yùn)行速度低、混合交通干擾嚴(yán)重等缺陷，不僅影響交通效率，也存在比較明顯的安全隱患。從實(shí)施交通信號(hào)控制的角度著手，以較低的成本實(shí)現(xiàn)較好的城市道路交叉口疏導(dǎo)效果，已經(jīng)成為改善城市道路交通問題的重要手段。

1 城市道路交叉口的交通沖突分析

城市道路交叉口匯集了多個(gè)方向的交通流，承載著連接路網(wǎng)、疏導(dǎo)交通、減少交通沖突等功能。交通沖突指的是在交叉口中，不同車流軌跡線呈交叉型的交匯點(diǎn)，是影響交通效率、誘發(fā)交通事故的根本因素，城市道路交叉路口的基本沖突點(diǎn)包括交叉沖突點(diǎn)、合流沖突點(diǎn)、分流沖突點(diǎn)三種基本類型。其中，合流沖突點(diǎn)、分流沖突點(diǎn)統(tǒng)稱為交織沖突點(diǎn)。交叉口交通沖突方式如表1 所示。

從信號(hào)相位角度分析，交通沖突主要包括以下五種基本類型：

一是直行車流、左轉(zhuǎn)車流沖突。駛來的車輛在左轉(zhuǎn)過程中，會(huì)與對(duì)向車道直行車輛之間存在通行沖突，這一沖突在實(shí)踐中屬于兩相位交叉口的主要沖突。

二是右轉(zhuǎn)車流、左轉(zhuǎn)車流沖突。左轉(zhuǎn)車輛在通行過程中需要與通過交叉口出口的右轉(zhuǎn)車輛合流，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定沖突。

三是直行車流、右轉(zhuǎn)車流的分流沖突。在右轉(zhuǎn)時(shí)，車輛需要減速，而直行車輛沒有減速需求，雙方在同一車道行駛時(shí)可能產(chǎn)生沖突。

四是直行車流、右轉(zhuǎn)車流沖突。該沖突指的是在出口車道較少的情況下，相鄰入口的直行車流、右轉(zhuǎn)車流可能由于合流需求產(chǎn)生一定沖突。

五是直行車流、左轉(zhuǎn)車流的分流沖突。在左轉(zhuǎn)時(shí)，車輛需要減速，而直行車輛沒有減速需求，雙方在同一車道行駛時(shí)可能產(chǎn)生沖突[1]。

城市道路交叉口交通信號(hào)控制的根本目的是對(duì)交通沖突進(jìn)行控制，在實(shí)踐中需要分清主次，遵循特定的控制原則：一是將交叉沖突點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榻豢棝_突點(diǎn)；二是將隨機(jī)沖突點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭_突點(diǎn)；三是減少?zèng)_突點(diǎn)數(shù)量；四是降低沖突風(fēng)險(xiǎn)；五是縮小沖突范圍。

2 信號(hào)控制交叉口交通流特性分析

2.1 機(jī)動(dòng)車車流運(yùn)行特性

在當(dāng)前的城市道路交通中，機(jī)動(dòng)車是交通通行的主體，其數(shù)量相對(duì)較多，屬于交通理論研究的主要對(duì)象。機(jī)動(dòng)車流進(jìn)入交叉口之后，會(huì)呈現(xiàn)出一定的運(yùn)行特性。主要表現(xiàn)為：第一，交通量在時(shí)間分布上的不均勻性。城市道路交通車流量高峰大多集中在早晨、中午、晚上三個(gè)時(shí)間階段。第二，流量大。交叉口屬于交通流的集散地點(diǎn)，是各方向交通流的集中點(diǎn)，因此交通量比路段交通流量大很多。第三，交通密度大。交叉口需要對(duì)各個(gè)方向車流的通行權(quán)進(jìn)行分配，在遇到紅燈時(shí)，車輛需要暫停等候，因此其交通密度相對(duì)較高。

2.2 機(jī)動(dòng)車損失時(shí)間

在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)綠燈亮起時(shí)，車輛從停車狀態(tài)轉(zhuǎn)變到正常行駛狀態(tài)需要消耗一定時(shí)間，這一損失時(shí)間會(huì)隨著車輛數(shù)的不斷增加而減小，一般而言，當(dāng)?shù)谖遢v機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)時(shí)，通常不會(huì)對(duì)車頭時(shí)距造成比較明顯的影響，而是會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)確定的數(shù)值附近。

2.3 非機(jī)動(dòng)車運(yùn)行特性分析

非機(jī)動(dòng)車也是城市道路交叉口車輛通行研究的主要對(duì)象，在實(shí)踐中，非機(jī)動(dòng)車會(huì)搶奪機(jī)動(dòng)車通行的時(shí)空間資源，其運(yùn)行特性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是搖擺性。在通過城市道路交叉口時(shí)，非機(jī)動(dòng)車駕駛者往往存在畏懼心理，在實(shí)踐中可能會(huì)導(dǎo)致車輛運(yùn)行軌跡的偏移，影響其他駕駛員的判斷。二是群體性。非機(jī)動(dòng)車體積較小，能夠通過機(jī)動(dòng)車中間的空隙，大量聚集在停車線處，綠燈信號(hào)發(fā)出后，短時(shí)間內(nèi)會(huì)有大量的非機(jī)動(dòng)車同時(shí)涌進(jìn)交叉口，進(jìn)而影響車流的正常運(yùn)行[2]。

3 城市道路交叉口的交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)

在實(shí)踐中，城市道路交叉口的交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)需要充分考慮機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行特性等信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則

城市道路交叉口的交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)目標(biāo)為，通過對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行合理調(diào)整，提升交叉口不同交通流運(yùn)行的安全性與高效性，在保障通行安全的基礎(chǔ)上適當(dāng)提升通行速度。

城市道路交叉口交通信號(hào)控制的設(shè)計(jì)原則為：一是需要盡可能增加交叉口進(jìn)口車道數(shù)量；二是需要優(yōu)化渠化設(shè)計(jì)，在信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)上分秒必爭，合理分配和利用時(shí)間資源；三是明確交叉口內(nèi)不同流向的交通流在時(shí)間、空間上的通行權(quán)；四是在充分考慮機(jī)動(dòng)車的同時(shí)，還應(yīng)滿足行人、非機(jī)動(dòng)車的通行需求[3]。

3.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

在正式進(jìn)行城市道路交叉口的交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)之前，相關(guān)技術(shù)人員必須做好充足的準(zhǔn)備工作。具體的準(zhǔn)備工作內(nèi)容包括：一是基礎(chǔ)資料的收集。應(yīng)當(dāng)通過多種途徑與渠道，收集當(dāng)前城市道路交叉口交通信號(hào)控制相關(guān)資料，包括交叉口相交道路等級(jí)、交通流運(yùn)行規(guī)律與運(yùn)行特性、進(jìn)出口車道功能劃分、交叉口周圍土地利用情況等相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析，初步確定當(dāng)前城市道路交叉口問題的根本成因。二是現(xiàn)場勘察。僅僅停留于理論研究，可能存在一些錯(cuò)漏，對(duì)此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)通過現(xiàn)場勘察的方式進(jìn)行補(bǔ)足。在實(shí)踐中，如果單憑資料和數(shù)據(jù)無法解釋問題的根本成因，則通過現(xiàn)場勘察通常能夠?yàn)橄嚓P(guān)設(shè)計(jì)人員提供更加充足的靈感，更明確地弄清問題所在。三是政策研究。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，相關(guān)技術(shù)人員必須對(duì)城市道路交叉口所在城市的基本交通政策及相關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行研究，如某些城市存在公交優(yōu)先政策，那么在進(jìn)行城市道路交叉口的交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)為公交車提供一些便捷，如保留公交專屬車道等[4]。公交優(yōu)先背景下的信號(hào)控制系統(tǒng)概略設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 公交優(yōu)先背景下的信號(hào)控制系統(tǒng)概略設(shè)計(jì)

3.3 概略設(shè)計(jì)

在準(zhǔn)備完畢之后，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)現(xiàn)狀資料，形成粗略的設(shè)計(jì)方案，其目的在于解決設(shè)計(jì)過程中可能存在的問題，提升后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

概略設(shè)計(jì)的具體思路為：一是確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。即根據(jù)設(shè)計(jì)要求、資料內(nèi)容，確定方案應(yīng)當(dāng)達(dá)到的具體目標(biāo)。二是確定初步設(shè)計(jì)參數(shù)。主要包括交通密度、車流速度、綠信比、有效綠燈時(shí)間、飽和流量等。三是交通控制方案與交通處理能力的研究。需要從空間、時(shí)間兩個(gè)方面著手，一方面，根據(jù)交通運(yùn)行狀況的變化進(jìn)行基本時(shí)段劃分；另一方面，根據(jù)交通流量數(shù)據(jù)，制訂針對(duì)性較強(qiáng)的配時(shí)方案，并對(duì)通行能力、飽和度進(jìn)行有效計(jì)算，其中，飽和度是信號(hào)控制設(shè)計(jì)的核心參數(shù)，一般應(yīng)當(dāng)保持在小于1 的水平。四是一般需要制訂多套概略設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行比較分析，選擇最為合適的方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，某一問題的解決是否會(huì)導(dǎo)致繼發(fā)的新問題出現(xiàn)。

3.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

在概略設(shè)計(jì)之后，技術(shù)人員需要在基本設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，將概略設(shè)計(jì)的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為具體的執(zhí)行方案，即詳細(xì)設(shè)計(jì)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：一是劃分車道功能；二是劃分停車線、人行橫道等重要位置；三是對(duì)交叉口內(nèi)部進(jìn)行有效的渠化設(shè)計(jì)；四是在交叉口內(nèi)部布設(shè)完善的、高質(zhì)量的附屬設(shè)施；五是進(jìn)行信號(hào)控制相位、時(shí)序、周期設(shè)計(jì)；六是充分考慮渠化設(shè)計(jì)、配時(shí)設(shè)計(jì)；七是確定最終方案。

筆者對(duì)其中幾個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

劃分車道功能是交叉口設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，其目的包括平衡交通負(fù)荷、均衡車流量比。在實(shí)踐中需要遵循進(jìn)口道與上游路段車道數(shù)相匹配、進(jìn)口道與出口道相匹配、出口道與路段車道數(shù)相匹配等基本原則。車道調(diào)整的常見措施包括壓縮車道分隔帶與人行道等空間、減小部分單車道寬度、拓寬交叉口寬度等。

渠化設(shè)計(jì)是城市道路交叉口交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。主要包括左轉(zhuǎn)交通車流的渠化設(shè)計(jì)、右轉(zhuǎn)交通車流的渠化設(shè)計(jì)、機(jī)動(dòng)車在交叉口內(nèi)部的渠化設(shè)計(jì)等。本文以右轉(zhuǎn)交通車流的渠化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，當(dāng)右轉(zhuǎn)交通車流量較小時(shí)，通?？梢圆扇≡谶M(jìn)口道外側(cè)增加平行車道的方法進(jìn)行解決，能夠在一定程度上消除直行車輛、右轉(zhuǎn)車輛的沖突。當(dāng)右轉(zhuǎn)交通車流量較大或相交道路速度差較大時(shí)，可以引進(jìn)帶有渠化島的右轉(zhuǎn)專用分離式車道，渠化島的位置可以根據(jù)車速確定，減速車道、加速車道的長度一般可以控制在50m 左右[5]。

信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)、信號(hào)相位設(shè)計(jì)是城市道路交叉口的交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，兩者相互依存，共同發(fā)揮作用。信號(hào)相位設(shè)計(jì)需要充分考慮交通安全、交通效率、交通狀況、交叉口幾何條件、協(xié)調(diào)控制等，例如，在左轉(zhuǎn)信號(hào)相位設(shè)計(jì)方面，即存在許可型左轉(zhuǎn)、保護(hù)型左轉(zhuǎn)、無對(duì)向式車流左轉(zhuǎn)三種類型，其中，許可型左轉(zhuǎn)指的是，在交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)車流穿行通過一個(gè)與之相沖突的對(duì)向直行車流或行人流時(shí)，左轉(zhuǎn)車流可以利用沖突車流的可接受間隙繼續(xù)前行。信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)需要按照特定流程進(jìn)行，單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)語

文章結(jié)合實(shí)際情況，提出一種城市道路交叉口交通信號(hào)控制思路，技術(shù)人員在進(jìn)行交叉口設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)參考本文的研究內(nèi)容，并加以融會(huì)貫通，必然能產(chǎn)生更為智慧的火光，為我國城市交通可持續(xù)發(fā)展增光添彩。