張朝陽，靳 露，曾俊偉

(蘭州交通大學交通運輸學院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

道路平面交叉口作為道路交通的重要一環(huán)，是體現(xiàn)城市道路系統(tǒng)通行能力、行程時間、運營效率以及車流沖突點的關鍵因素所在。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：在發(fā)達國家，城市內的交通事故有50%～80%發(fā)生在道路交叉口及其周邊地帶；即使在使用附加的專用轉向車道、相位信號控制的平面交叉口，其通行能力也只相當于其他路段上的40%～70%；機動車在市區(qū)范圍內大約消耗1/3的行程時間在道路平面交叉口上，80%～90%的延誤時間由平面交叉口造成[1]。這些數(shù)據(jù)充分地表明城市平面交叉口在城市道路交通方面的決定性作用以及進行城市平面交叉口交通優(yōu)化設計的重要性和必要性。

隨著信號交叉口的不斷設置及發(fā)展，英國、美國等發(fā)達國家率先對此進行了研究。他們以連續(xù)的交通流為前提，提出了左、右轉專用車道、渠化交通設施等方法，在交通管理方面采用信號控制與交通規(guī)則相結合的方法。在信號交叉口控制方面，主要集中在交叉口的信號配時、交叉口延誤計算分析，交叉口的交通模擬等[2-5]。在國內，隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市化進程的加快，城市交通尤其是交叉口交通擁堵問題突出，專家學者們在借鑒國外經(jīng)驗的同時，對道路交通規(guī)劃、設計、管理等方面展開了廣泛而深入的研究。1998年，顧懷中、王煒等人提出模擬退火全局優(yōu)化算法應用于交叉口信號配時。[6]2000年，楊東援、楊錦東等人提出周期時長的信號交叉口優(yōu)化模型[7]。李美玲等人開發(fā)出交通組織優(yōu)化專家輔助系統(tǒng)[8]。2005年，鄭長江等人研究了混合交通流條件下的信號交叉口配時優(yōu)化。[9]在一定程度上緩解了我國城市交通擁堵的局面。在渠化設計方面，國內主要研究成果集中在交叉口的拓寬設計，車道的設置及功能劃分，標志標線和交通島的設置，行人和自行車的組織等[2]。

但我國在道路交叉口設計方案評價方面的研究較少，一些發(fā)達國家的道路交通設計雖然比較完善，但其交通結構比較單一，不適合我國道路交通結構比較復雜的實際情況[10][11]。因此，有必要在借鑒國外成功經(jīng)驗的基礎上，進一步研究適合我國城市不同交通狀況、道路條件和用地性質的道路交叉口設計理論和方法。本文采用多渠化多相位對比方法研究，以不同渠化和相位來運算延誤，運用Vissim軟件進行效果對比，評測最佳渠化及相位，以使目標交叉口達到更優(yōu)，對同地區(qū)同干線交叉口優(yōu)化起到借鑒作用。

1 黃島區(qū)長江中路和廬山路交叉口現(xiàn)狀交通流運行特性分析

1.1 交叉口現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)采集

1.1.1 交叉口現(xiàn)狀

長江中路和廬山路交叉口地處黃島長江路中段的商業(yè)區(qū)，交通量大，行人多，周圍家佳源、佳世客等購物中心都具有多個吸引大量車流、人流的公共建筑物的進出口，并且周圍坐落有中石油大學、黃島汽車總站，更加劇了交叉口的行車壓力。作為重要干線和咽喉地位的大型交叉口，在整個主干線起到重要作用。但其現(xiàn)行信號交叉口運行方案不足以承擔高峰期交通狀況，極易造成交通沖突點，進而發(fā)生擁堵現(xiàn)象，由點及線逐步擴大阻塞范圍，所以對其進行優(yōu)化研究設計很有現(xiàn)實意義。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集

研究運用人工調查法進行數(shù)據(jù)采集，對青島市黃島區(qū)長江中路和廬山路交叉口進行交叉口延誤調查、交通量調查、車輛種類分析。運用點樣本法測量交叉口延誤。交叉口延誤分東南西北四個進口以15 s為時間間隔進行調查，得到每個進口道的停車延誤。運用人工測量交叉口高峰小時交通量，得到高峰小時小汽車交通量以及公共汽車交通量。

人工觀測現(xiàn)狀渠化并計時測出信號配時，繪出相關渠化圖(圖1)和相位信號配時圖(圖2)。

圖1 交叉口現(xiàn)狀渠化圖

圖2 交叉口現(xiàn)狀相位信號配時圖

1.2 數(shù)據(jù)處理以及交通流運行特性分析

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

對采集數(shù)據(jù)進行進一步的處理，確定長江中路和廬山路交叉口現(xiàn)狀交通流運行特性。

對交叉口延誤進行相關計算分析，得到每一停駛車輛的平均延誤、入口車輛的平均延誤，停車百分比等相關數(shù)據(jù)，如下頁表1所示。

表1 現(xiàn)狀交叉口延誤分析表

此交叉路口公交車的數(shù)量相對較多，需要對公交車進行單獨的數(shù)據(jù)處理，然后換算成當量的小汽車數(shù)量，根據(jù)當量車輛換算規(guī)范可知公交車換算小汽車系數(shù)為2.5。

根據(jù)各進口道機動車交通量調查表，得到最高15 min流率換算的小時交通量qdmn，如表2所示。

表2 交叉口各流向流量及設計交通量表

1.2.2 交通流運行特性分析

運用處理后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過每車平均信控延誤計算，最終可得到交叉口現(xiàn)狀交通運行特性，并可得到對應的交叉口服務等級，如表3所示。

表3 交叉路口現(xiàn)狀服務等級表

從現(xiàn)狀交叉口的平均信控延誤可以看出，雖然已符合基本的道路平面交叉口的延誤以及服務等級要求，但從實際調查中看出，仍存在沖突點過激導致車輛堵塞情況，有必要進行優(yōu)化設計使其達到更加理想的交叉口行車暢通效果。

2 長江中路和廬山路交叉口信號控制優(yōu)化設計

單個交叉口定時交通信號配時設計，要按照不同的流量時段來劃分信號配時的時段，在同一時段內確定相應的配時方案。本文僅研究在高峰時段內的信號劃分，便于在高峰小時內確定相應的渠化方案。

2.1 交叉口優(yōu)化設計方案一

2.1.1 交叉口渠化圖

根據(jù)處理后的基礎數(shù)據(jù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)，交叉口東西方向的車流量較多，沖突點也多存在于東西方向，是優(yōu)化設計的關鍵所在，于是取消西進口公交車專用道，改為直右車道，確定圖3的交叉口渠化圖。

圖3 優(yōu)化設計方案一渠化圖

先初步確定了如圖3所示渠化方案，初設信號周期120 s，相應的相位方案為三相位，第一相位東西左轉，第二相位東西直行加右轉，第三相位南北直左右。

2.1.2 流量比

黃燈時間取3 s，綠燈間隔時間取3 s。

經(jīng)過一系列計算得到各車道流量比、各相位最大流量比。

流量比總和按式(1)計算：

(1)

j——一個周期內的相位數(shù)；

qd——設計交通量，pcu/h；

Sd——設計飽和流量，pcu/h。

計算Y值>0.9時，須改進進口道設計和信號相位方案，重新設置。

2.1.3 最短綠燈時間

經(jīng)過計算后得到流量比總和Y，其值為0.709 9，<0.9，可以繼續(xù)進行下一步校驗。

由于設相位黃燈時間和起始損失時間均為3 s，則各相位顯示綠燈時間和各相位有效綠燈時間近似相同。經(jīng)計算，得到總損失時間L=9 s，從而周期時長C=31 s。根據(jù)相關計算得出各相位的實際顯示綠燈時間。

最小綠燈時間驗算：根據(jù)車道的劃分，人行橫道的長度超過30 m(根據(jù)渠化圖和車道寬度進行大致估算)，所以東西方向采取路中央設置行人過街安全島。

最短綠燈時間：

(2)

式中：Lp——行人過街道長度，m；

VP——行人過街步速，m/s，可取1.0 m/s。

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)最短綠燈時間均大于顯示綠燈時間，因此，無法滿足行人過街所需的最短時間，需要擴大周期時長重新進行計算。按最短綠燈時間的要求，試將周期時長擴大定為120 s，保持渠化設計方案，以120 s的周期時長重新計算有關信號配時參數(shù)。

2.1.4 平均信控延誤

各車道飽和度是各車道實際到達交通量與該車道通行能力之比。由于交叉口現(xiàn)在屬于設計交叉口，對于設計交叉口，因要滿足設計服務水平的要求，不應出現(xiàn)在分析期初留有初始排隊的情況，即不應出現(xiàn)有初始排隊附加延誤，則設計交叉口時各進口道平均信控延誤僅為均勻延誤和隨機延誤之和。

整個交叉口的平均信控延誤，按該交叉口中各進口道延誤的加權數(shù)估算：

(3)

式中：dI——交叉口每車的平均信控延誤，s/pcu；

qA——進口道A的高峰15 min交通流率，pcu/15 min。

經(jīng)計算最終得到交叉口信控延誤為31.1 s，可知設計交叉口服務水平為C級。

2.1.5 交叉口優(yōu)化信號配時圖

圖4 交叉口優(yōu)化信號配時圖(方案一)

交叉口優(yōu)化設計方案一相位信號配時圖如圖4所示，信號燈控制相位為三相位，第一相位東西直行，綠燈時間為27 s，第二相位為東西左轉，綠燈時間為52 s，第三相位為南北直行左轉，綠燈時間為32 s，整個周期不存在全紅時間。

2.2 交叉口優(yōu)化設計方案二

從對交叉口優(yōu)化設計方案一的結果看來，交叉口的信控延誤僅由現(xiàn)狀32.8 s縮減至31.1 s，效果甚微，所以接下來嘗試另一種優(yōu)化設計方案。

在方案一中只是把渠化設計相對于現(xiàn)狀做出改變，而在方案二中對道路整體進行改造，相對于方案一在東西方向進口道分別增加一條直行車道，并把東西方向的直右車道改成專右車道。東西方向和南北方向的右轉車輛均不必停車。信號周期時長由原來的120 s縮短為90 s，確定如圖5所示交叉口渠化圖。

圖5 方案二渠化圖

方案二的計算方法及過程同方案一相類似。此種渠化設計方案減輕了東西方向的交叉口道路行車壓力，不必再考慮右轉車道，相對應的道路交叉口的服務等級達到C級，交叉口信控延誤縮減至25.7 s，比方案一降低了5.4 s。優(yōu)化結果比方案一更理想。

圖6 交叉口優(yōu)化信號配時圖(方案二)

交叉口優(yōu)化設計方案二相位信號配時圖如圖6所示，信號燈控制相位為三相位，第一相位東西直行，綠燈時間為24 s，第二相位為東西左轉，綠燈時間為33 s，第三相位為南北直行左轉，綠燈時間為24 s，整個周期不存在全紅時間。

2.3 交叉口優(yōu)化設計方案三

在優(yōu)化設計方案二中得到了比較理想的效果，但前兩次優(yōu)化設計中均未改變相位，于是考慮將三相位改變?yōu)樗南辔唬玫饺鐖D7所示交叉口相位圖。渠化和周期時長沿用優(yōu)化設計方案二。

圖7 交叉口優(yōu)化相位圖(方案三)

經(jīng)過優(yōu)化設計相關研究計算，最終得到優(yōu)化設計方案三的平均信控延誤為32.79 s，相對于方案二的平均信控延誤反而擴大，表明此交叉口更加適合三相位的設計模式。

3 優(yōu)化結果仿真及效果對比

3.1 Vissim仿真模擬

3.1.1 Vissim系統(tǒng)簡介

Vissim系統(tǒng)是一個離散的、隨機的、以0.1 s為時間步長的微觀交通仿真軟件。車輛的縱向運動采用了德國Karlsruhe大學Wiedemann教授的“心理-生理跟車模型”，橫向運動(車道變換)采用了基于規(guī)則(Rule—based)的算法。不同駕駛員行為的模擬分為保守型和冒險型。Vissim能夠較真實地反映和重現(xiàn)實際交通狀況，所以，在平面道路交叉口優(yōu)化設計的最后，使用Vissim來作為優(yōu)化結果評測十分必要。

3.1.2 Vissim系統(tǒng)仿真

遵從Vissim軟件的規(guī)范操作，將方案二數(shù)據(jù)應用于Vissim系統(tǒng)，進行微觀模擬仿真，以達到評測目的。

具體仿真過程為：(1)背景地圖采用衛(wèi)星圖；(2)各進口道交通量采用現(xiàn)狀交通量；(3)信號周期時長輸入90 s，相位信號配時輸入方案二數(shù)據(jù)；(4)設置比例進行路網(wǎng)設置以及交通信號控制設置；(5)設置沖突區(qū)域，按照主路優(yōu)先原則進行車輛通行設置；(6)節(jié)點設置用來進行評估。仿真運行結果如圖8所示。

圖8 Vissim仿真模擬運行實測圖

微觀運行交叉口通暢無阻，運行正常。運用設置節(jié)點法，對仿真模擬進行評測，評測結果如表4所示。

表4 Vissim數(shù)據(jù)節(jié)點評估表

根據(jù)節(jié)點評估數(shù)據(jù)，計算得出交叉口的平均信控延誤為24.3 s，與常規(guī)計算結果基本吻合，優(yōu)化成功。

3.2 優(yōu)化效果對比分析

圖9 優(yōu)化效果對比柱狀圖

本文采用三種不同渠化及相位優(yōu)化方案，對比數(shù)據(jù)(圖9)可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化效果最理想的是優(yōu)化設計方案二。對比方案一可以發(fā)現(xiàn)東西方向各添加一條車道，并將信號周期時長縮短為90 s是更加合適此路口的。對比方案三可以發(fā)現(xiàn)三相位的信號配時比四相位更加適合此路口。

(1)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可以發(fā)現(xiàn)長江中路廬山路平面信號交叉路口現(xiàn)階段主要問題集中在東西方向交通量大，信控延誤時間長，和南北左轉直行造成沖突。所以，本文解決其沖突的方法就是要盡量將東西方向信號配時合理延伸，將延誤合理降低。

(2)在優(yōu)化設計階段，經(jīng)過多渠化和多信號相位對比的方法，逐漸降低信控延誤，信號平面交叉口信控延誤從32.8 s縮減至25.7 s，達到了預期的效果。

(3)從多渠化多相位試算中，可以發(fā)現(xiàn)信號控制交叉口的通行能力受信號周期時長影響，正常周期時長范圍內，周期時長越長，通行能力越大，但車輛延誤也隨之增長。當信號交叉口延長周期時長所提高的通行能力遠大于交通需求時，對通車狀況并無多大好處，還會無謂增加車輛延誤，所以通行能力過大并無太大意義。在優(yōu)化設計過程中，需要反復計算，找到最合適的周期時長。

(4)相位選擇時，在分析主要沖突點后，首先需要提出多個可行的渠化及相位方案，經(jīng)過校驗后，才能最終確定比較合適的相位，在本文優(yōu)化設計中可知三相位即為較為適合長江中路和廬山路相位信號平面交叉口的相位設計。

4 結語

城市信號交叉口優(yōu)化設計是我國城市道路交通體系的重要一環(huán)，通過對平面信號交叉口的優(yōu)化設計，能夠有效疏導車流，減輕交叉口擁堵狀況，增加通行速度，對于提高交叉口的通行能力有較為重要的意義。遵照平面信號交叉口的人工采集數(shù)據(jù)標準和優(yōu)化設計標準，本文分析了黃島區(qū)長江中路和廬山路交叉口現(xiàn)狀交通流運行特性，采用多渠化多相位優(yōu)化方法，逐個比選優(yōu)化結果，最終確定最優(yōu)方案，并運用Vissim軟件對優(yōu)化設計結果進行評測，增加了優(yōu)化結果的可行性及科學性。本文所采用的多渠化多相位比選方法，易于研究，標準直觀，結果具備科學性和實用性，為該交叉口的進一步優(yōu)化提供了科學的參考依據(jù)。

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