數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兩相位信號(hào)控制交叉口行人專用相位動(dòng)態(tài)設(shè)置方法

董潔霜，卞 春，王嘉文，林詩悅，劉魏巍

(1.上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093；2.上海市公安局交通警察總隊(duì)，上海 200070)

0 引言

中國現(xiàn)行的交叉口交通控制信號(hào)大多針對(duì)機(jī)動(dòng)車交通流設(shè)置[1]，對(duì)交叉口行人通行效率及公平性的優(yōu)化較少。而在城區(qū)商業(yè)區(qū)(核心區(qū))交叉口環(huán)境下，行人流量大并且往往行人交通是其主要服務(wù)對(duì)象之一。在該環(huán)境下需要保證行人的通行安全、通行效率及通行公平性，從而提升交叉口服務(wù)水平。行人專用相位(Exclusive Pedestrian Phases，EPP)可減少人車沖突，為行人提供安全便利的步行環(huán)境，該方法是提高城市行人通行效率的有效手段[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)行人專用相位進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究。早在20世紀(jì)50年代國外學(xué)者展開了對(duì)行人專用相位的研究，一方面是基于安全的研究，另一方面是基于效率的研究[1]。行人專用相位是為了給信號(hào)交叉口即將到來的車輛顯示紅色信號(hào),以便行人可以同時(shí)在交叉口對(duì)角線及側(cè)向通過交叉口[3],消除了車輛和行人之間的沖突以提高安全性，減少了行人在交叉口過街的距離，提高了便利性。Ivan等[4]比較了行人信號(hào)控制的兩種類型，一種是常規(guī)信號(hào)相位，另一種是行人專用相位。Zhang等[5]提出了這兩種相位模式下的行人沖突數(shù)與車輛相互作用嚴(yán)重性預(yù)測模型，并得出建議僅在行人服從率高的地區(qū)設(shè)置行人專用相位。Alhajyasen[6]提出了一種考慮人車交通沖突概率和預(yù)期沖突嚴(yán)重程度的安全措施,引入PET(post-encroach ment time)、TTC(time to collision)和速度等影響因素，建立了交叉口安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系CI(Conflict index)，并通過對(duì)實(shí)際交叉口的數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性。Ma等[7-8]提出了一個(gè)模擬行人專用相位的適應(yīng)性分析方法，并與常規(guī)信號(hào)相位進(jìn)行對(duì)比；并在考慮了過街行人需求且降低車輛延誤的基礎(chǔ)上開發(fā)了行人專用相位驅(qū)動(dòng)與常規(guī)并行相位驅(qū)動(dòng)控制的信號(hào)控制邏輯；研究發(fā)現(xiàn)車輛需求、行人需求、車輛轉(zhuǎn)彎率和行人交叉口的通過率等因素共同決定了行人專用相位的性能和使用范圍；同年也提出了一種針對(duì)這兩種相位模式的多目標(biāo)優(yōu)化模型及其優(yōu)化行人相位模型的求解算法，模型將根據(jù)交叉口車輛的行駛情況和行人移動(dòng)確定當(dāng)前最佳行人相位模式。Medina等[9]研究行人的個(gè)體和群體的行為特征，如自由流穿越人行橫道的速度，為交叉口信號(hào)配時(shí)提供了重要依據(jù)，以減少因設(shè)置行人專用相位導(dǎo)致的車輛延誤。Hediyeh等[10]針對(duì)行人專用相位做了更深入的研究，分析了步態(tài)參數(shù)(步長和步頻)受行人性別、年齡、群體大小、人行橫道長度及行人信號(hào)指示的影響，從微觀層面了解了行人步行機(jī)制的變化和各類行人與交叉口特征的影響。國內(nèi)亦有諸多學(xué)者對(duì)該問題展開研究，楊曉光等[11]運(yùn)用穿越理論推導(dǎo)出行人在交叉口通行時(shí)穿越行人的轉(zhuǎn)彎車輛通行能力模型和行人延誤模型，論證了交叉口行人專用相位的設(shè)置條件。袁黎等[12]探討路口實(shí)施行人專用信號(hào)的可行性，兼顧路口交通安全與效益指標(biāo)，建立安全效益評(píng)價(jià)方法，得出結(jié)論應(yīng)在行人流量較高或車流右轉(zhuǎn)比較大的路口實(shí)施行人專用相位。錢大琳等[13]針對(duì)道路等級(jí)相差較大的兩相位信號(hào)控制交叉口，提出了一種針對(duì)行人專用相位修改的交叉口信號(hào)控制方案。趙靖等[14]提出了一種利用下游交叉口紅燈信號(hào)時(shí)間來為路段行人提供專用過街信號(hào)相位的行人過街橫道信號(hào)控制方法。

綜上，考慮行人流量和車輛流量的動(dòng)態(tài)行人專用相位優(yōu)化方法是最前沿的研究領(lǐng)域，此前的研究中較少考慮到人車公平性的優(yōu)化問題。因此本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，分析了交叉口行人與機(jī)動(dòng)車發(fā)生沖突時(shí)的相互影響，以城區(qū)商業(yè)區(qū)(核心區(qū))交叉口作為研究對(duì)象，并基于視頻檢測數(shù)據(jù)得出的行人與機(jī)動(dòng)車流量，實(shí)時(shí)估計(jì)設(shè)置行人專用相位前后行人與機(jī)動(dòng)車的吞吐量(throughput)，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兩相位交叉口動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位模型，通過比較設(shè)置行人專用相位前后交叉口的行人、機(jī)動(dòng)車的流量比(按通行人數(shù)計(jì))差值，在下個(gè)周期選用使得交叉口二者飽和度之差最小的相位方案，在保證通行效率的同時(shí)，使得人與機(jī)動(dòng)車能在人均占有道路時(shí)空資源較公平的條件下通過交叉口，以保證人與車通過交叉口的效率與公平性。

本研究的主要貢獻(xiàn)包括：(1)將過街行人和機(jī)動(dòng)車中的人流量作為變量，并加入行人重要程度指標(biāo)，以考慮過街行人與機(jī)動(dòng)車中的人流量大小關(guān)系，針對(duì)人流密集且需要保證行人過街效率的交叉口，提出了將過街行人和機(jī)動(dòng)車均換算成“標(biāo)準(zhǔn)人”的吞吐量的估計(jì)與評(píng)級(jí)方法，為動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位的判別提供理論支撐；(2)考慮了新信息環(huán)境下，可通過動(dòng)態(tài)采集行人和機(jī)動(dòng)車實(shí)時(shí)流量的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交叉口每周期的流量數(shù)據(jù)更新，并將每周期采集的交叉口人車流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的行人專用相位的設(shè)置公平性模型的輸入變量，指導(dǎo)了在城區(qū)商業(yè)區(qū)(核心區(qū))交叉口動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位的自適應(yīng)判別；(3)在動(dòng)態(tài)模型的方案選擇上，以行人與機(jī)動(dòng)車(按行人計(jì))的飽和度之差最小為優(yōu)化目標(biāo)，考慮了交叉口通過的行人數(shù)量與機(jī)動(dòng)車中的行人數(shù)量的公平性，保證過街行人與機(jī)動(dòng)車中的人能更公平地通過交叉口。

1 交叉口機(jī)動(dòng)車與行人沖突特性分析

本研究是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以研究相位設(shè)置方法，是以每個(gè)信號(hào)周期中的行人和機(jī)動(dòng)車作為研究目標(biāo)，實(shí)則是將交叉口每小時(shí)的通行能力細(xì)分成每個(gè)周期的吞吐量。因此本研究將基于前人對(duì)交叉口行人和機(jī)動(dòng)車通行能力的研究，分析影響交叉口行人和機(jī)動(dòng)車的沖突特性，得出行人和機(jī)動(dòng)車每周期吞吐量的計(jì)算公式。本研究重點(diǎn)研究城區(qū)商業(yè)區(qū)(核心區(qū))交叉口，在這類交叉口中，交通參與者主要以過街行人、小汽車、公交車為主，因此研究對(duì)象僅考慮這3類交通參與者。

路口行人專用相位是從時(shí)間上將行人與機(jī)動(dòng)車流分離，顧名思義，行人過街時(shí)有一個(gè)專門的相位通過，此時(shí)所有方向的機(jī)動(dòng)車均禁止通過交叉口；反之，無論哪個(gè)方向的機(jī)動(dòng)車通行時(shí)，所有方向的行人均不能通過交叉口。在該種類型的相位情況下，行人過街多采用斜穿方式設(shè)置人行橫道，如圖1所示。設(shè)置行人專用相位后，較未設(shè)置行人專用相位之前，多出一個(gè)相位(φ3)，以供行人通行，兩相位行人專用相位信號(hào)設(shè)置圖見圖2。

圖1 行人專用相位時(shí)段行人過街示意圖Fig.1 Schematic diagram of pedestrian crossing in EPP

圖2 兩相位行人專用相位信號(hào)設(shè)置Fig.2 Setting two-phase pedestrian dedicated phase signal

1.1 行人對(duì)機(jī)動(dòng)車吞吐量的影響分析

(1)設(shè)置行人專用相位前后機(jī)動(dòng)車的吞吐量

本研究在停止線法計(jì)算車輛通行能力的基礎(chǔ)上，分別討論設(shè)置行人專用相位前后公交車、小汽車每個(gè)周期吞吐量的變化情況。信號(hào)控制交叉口通行能力的計(jì)算方法主要有以下4種：飽和流率法、停止線法、停車線法、沖突點(diǎn)法。其中停車線法是中國計(jì)算信號(hào)控制交叉口通行能力的常用方法之一，該方法以前后兩車接連通過停車線的平均間隔時(shí)間為基礎(chǔ)，分別就左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)車道通行能力給出計(jì)算模型[15]，如式(1)～(3)所示。

(1)

式中，tL為左轉(zhuǎn)車輛通過停車線的車頭時(shí)距；vL為左轉(zhuǎn)車輛的通過速度；aL為左轉(zhuǎn)車輛的加速度；vT為直行車輛的通過速度；aT為直行車輛的加速度；tT為直行車輛通過停車線的車頭時(shí)距；tR為右轉(zhuǎn)車輛通過停車線的車頭時(shí)距；NL，NT，NR分別表示左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)車道的通行能力。

(2)

(3)

對(duì)于各進(jìn)口道，在每個(gè)周期內(nèi)，有效綠燈時(shí)間除了加速損失時(shí)間，還應(yīng)包括相位切換初期時(shí)行人集中過街，導(dǎo)致車輛不能通過交叉口產(chǎn)生的損失時(shí)間tl。假設(shè)每個(gè)周期內(nèi)，行人過街流量為Qp，其中在相位切換初期時(shí)行人集中過街的數(shù)量所占比例為θ1，人行橫道寬為d，過街行人與轉(zhuǎn)彎車輛的安全距離為s，行人平均占地面積為A(通過查閱HCM的A為0.75×0.75m2的矩形)。

(1)相位切換初期時(shí)行人集中過街時(shí)，行人占滿一排時(shí)，一排所站的人數(shù)n。

(4)

(2)相位切換初期時(shí)行人集中過街，一排行人占人行道長度L。

(5)

(3)因行人集中過街導(dǎo)致車輛損失的行駛時(shí)間tl。

(6)

式中,vp為行人步行平均速度1. 2～1. 5 m/s，取1.2 m/s;l為行為過街長度，即人行橫道長度,這種情況可以通過設(shè)置行人信號(hào)燈進(jìn)行遲起早斷控制解決[1]。如果交叉口采取這種信號(hào)控制方法，視作車輛通過交叉口時(shí)不受到相位切換的影響，不發(fā)生時(shí)間損失，即tl=0。

只有相應(yīng)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)車輛會(huì)在相位切換初期受到行人集中過街的影響，直行車輛不受影響，每個(gè)周期每個(gè)進(jìn)口道小汽車和公交車的吞吐量如式(7)～(12)所示：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

切換至行人專用相位之后，在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，行人專用相位時(shí)段內(nèi)車輛不能通行。該周期內(nèi)其余時(shí)段的車輛吞吐量如式(13)～(18)所示：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

1.2 機(jī)動(dòng)車對(duì)過街行人吞吐量的影響分析

本研究是在李文勇對(duì)于平面人行橫道通行能力研究的基礎(chǔ)上[17-18]，考慮右轉(zhuǎn)車輛對(duì)行人過街的影響，在不設(shè)置行人專用相位的情況下建立行人吞吐量,如式(19)所示：

(19)

式中,NBp為沒有插入行人專用相位時(shí)交叉口過街行人的吞吐量;tp為行人過街綠燈時(shí)間長度;l為行人過街長度;b1為前后行人間距，取0.75 m；t1為等待過街的行人對(duì)燈色變換的反應(yīng)時(shí)間，造成的損失很短，可忽略不記；t2為紅燈末行人因安全感降低使流量未達(dá)飽和所造成的損失，經(jīng)實(shí)測為2 s；K5為右轉(zhuǎn)專用車道對(duì)行人通行的影響的折減系數(shù)。

(20)

(21)

式中,QR為當(dāng)前周期內(nèi)右轉(zhuǎn)車輛的的實(shí)時(shí)流量;tR為右轉(zhuǎn)車輛用人行道的時(shí)間;C為周期時(shí)長;lC為換算車輛長度，取6 m;lR為行人與右轉(zhuǎn)車輛的最小安全距離;vR為右轉(zhuǎn)車速，經(jīng)實(shí)測在2.22～4.17 m/s之間，取2.78 m/s。

切換至行人專用相位之后，行人每周期的吞吐量分成兩部分計(jì)算，一部分是行人專用相位時(shí)段，另一部分是除了行人專用相位以外的時(shí)段。

第1部分，在行人專用相位的時(shí)段內(nèi)，行人的吞吐量NAp1。行人過街示意圖如圖1所示，公式推導(dǎo)過程如下所示：

分別求通過四邊和斜對(duì)角線人行橫道的行人吞吐量。以長為l1的人行橫道為例。

(1)行人過街的最短時(shí)間ts

(22)

(2)tE時(shí)段內(nèi)一條長l1為人行橫道能通過的人數(shù)M1。

(23)

(3)2條長為人行橫道能通過的人數(shù)Ml1

Ml1=2M1。

(24)

(4)同理可得，6條人行橫道每個(gè)周期總共能通過的人數(shù)NAp1。

NAp1=2(M1+M2+M3),

(25)

式中,NAp1為設(shè)置行人專用相位后，行人專用相位時(shí)段的過街行人的吞吐量；M1為(每周期內(nèi))長度為l1的人行橫道可通過的行人數(shù)；M2為(每周期內(nèi))長度為l2的人行橫道可通過的行人數(shù)；M3為(每周期內(nèi))斜對(duì)角線的人行橫道可通過的行人數(shù)。

第2部分，在C-t專的時(shí)間段內(nèi)，即在行人專用相位周期的非行人專用相位時(shí)段內(nèi)，行人依舊可以如正常相位時(shí)過街，相當(dāng)于計(jì)算行人在正常兩相位周期為C-tE的交叉口的吞吐量。

(26)

式中,NAp2為設(shè)置行人專用相位后，每個(gè)周期非行人專用相位時(shí)段的過街行人的吞吐量。

設(shè)置行人專用相位后，行人吞吐量公式表示如式(27)所示。

NAp=NAp1+NAp2。

(27)

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兩相位交叉口行人專用相位設(shè)置公平性模型

本研究考慮到在人流密集區(qū)域，轉(zhuǎn)彎車輛與行人之間會(huì)產(chǎn)生更大的相互影響，也會(huì)導(dǎo)致更多的人車沖突，會(huì)使得機(jī)動(dòng)車排隊(duì)的情況發(fā)生，也可能會(huì)導(dǎo)致行人因避讓車輛而不能一次過街，會(huì)影響行人的通行效率和體驗(yàn)。因此需要加強(qiáng)對(duì)交叉口的行人、非機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車的管理和控制，以此來提高交叉口的安全性，同時(shí)減少人車沖突，從而減少對(duì)行人、非機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車的通行能力的影響。本研究從信號(hào)控制的角度，對(duì)交叉口的機(jī)動(dòng)車和行人在時(shí)間上和空間上進(jìn)行分離，以減少交通沖突的影響，提高交叉口的通行效率和安全性。

2.1 基本假設(shè)

本研究中做以下假設(shè)：

(1)每周期各交叉口進(jìn)口道車流量不超過其吞吐量，即此處討論車流量不飽和的情況。

(2)因主要研究城區(qū)商業(yè)區(qū)(核心區(qū))的交叉口，車輛主要以小型客車(私家車)及公交車為主，所以在本研究中車輛不考慮貨車、自行車、電動(dòng)車等，只包括小型客車(私家車)及公交車。

(3)行人通過人行橫道的速度保持不變，且沒有加速過程，可看作瞬間提速。行人的步行速度較機(jī)動(dòng)車而言較低，機(jī)動(dòng)車有加減速損失時(shí)間，而行人的加減速時(shí)間可忽略不計(jì)，故可看作瞬間減速。

(4)插入行人專用相位后，信號(hào)周期時(shí)長保持不變，只在原周期時(shí)長的基礎(chǔ)上減去行人專用相位時(shí)長，即設(shè)置前后相位綠信比保持不變，行人專用相位時(shí)長在本研究中取行人過街最短綠燈時(shí)間[9]。目的是保證在動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位時(shí)有較高的技術(shù)可行性。

(5)行人過街時(shí)不考慮對(duì)向人流的干擾，也不考慮同向行人的橫向干擾。因?yàn)樾腥诉^街時(shí)會(huì)受到對(duì)向行人在同一步行帶上相遇而降低速度，假設(shè)行人過街都靠右行走，不存在兩個(gè)方向相遇而導(dǎo)致速度降低。同時(shí)同方向也會(huì)因?yàn)樾腥诵凶咚俣炔煌瑢?dǎo)致超越前人的情況，也會(huì)導(dǎo)致行走速度變化，本研究假設(shè)行人速度一致，不存在超越行為的情況發(fā)生。

(6)公交車和小汽車起步加速階段的速度和加速度與其行駛方向無關(guān)。

(7)交叉口各進(jìn)口道公交車占總流量的比例相同。

2.2 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

設(shè)置行人專用相位前后交叉口每個(gè)周期人的總流量比之差的絕對(duì)值Φ1，Φ2分別如式(28)～(29)所示：

(28)

(29)

式中，Φ1，Φ2分別為設(shè)置行人專用相位前、后交叉口當(dāng)前周期車的人均流量比與行人流量比之差的絕對(duì)值；Qij為當(dāng)前周期第j個(gè)方向進(jìn)口道第i個(gè)行車方向(左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn))車道的實(shí)時(shí)車流量(i=1,2,3，j=1,2,3,4)；Qpk為第k條人行橫道上當(dāng)前周期的實(shí)時(shí)人流量(k=1,2,3,4)；NiB1，NiA1分別為設(shè)置行人專用相位前、后各行車方向(左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn))車道的當(dāng)前周期公交車的吞吐量；NiB2，NiA2分別為設(shè)置行人專用相位前、后各行車方向(左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn))車道的當(dāng)前周期小汽車的吞吐量；NBp，NAp分別為設(shè)置行人專用相位前、后過街行人的吞吐量；α為公交車平均載客率；β為小汽車平均載客率；γ為行人的重要程度調(diào)整系數(shù)；θ2為公交車占當(dāng)前周期實(shí)時(shí)車流量的比例。

運(yùn)用0-1規(guī)劃構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)如式(30)所示：

(30)

s.t.xij=0或1，(i=1,2，j=1,2，…，n)，

Φ1j=Φ1，x1j=0， 當(dāng)Φ1<Φ2，

Φ2j=Φ2，x2j=1， 當(dāng)Φ1≥Φ2，

式中,Φij為第j個(gè)周期內(nèi)使用第i個(gè)相位方案時(shí)車的人均流量比與行人流量比之差的絕對(duì)值;xij為決策變量，x1j=0時(shí)為第j個(gè)周期不插入行人專用相位的正常信號(hào)方案;x2j=1時(shí)為第j個(gè)周期插入行人專用相位之后的信號(hào)方案；n為n個(gè)信號(hào)周期。

2.3 模型數(shù)值分析及靈敏度分析

為驗(yàn)證模型的理論分析結(jié)果，對(duì)式(30)進(jìn)行數(shù)值分析。以仿真兩相位信號(hào)交叉口為例，進(jìn)口道為直左車道和右轉(zhuǎn)車道兩車道，具體參數(shù)設(shè)置詳見表1。

表1 仿真交叉口基本參數(shù)

圖3 不同公交車比例下(0～0.05)的行人專用相位插入臨界曲線Fig.3 EPP inserting critical curves in different bus ratios (0～0.05)

分析結(jié)果如圖3所示，在曲線上方的部分，表示在相應(yīng)的行人流量和公交車流量的情況下需要插入行人專用相位；反之，在曲線下方的部分則表示不需要插入。

通過圖3可以看出，在沒有公交車行駛的交叉口，不需要通過設(shè)置行人專用相位調(diào)節(jié)行人與機(jī)動(dòng)車通過交叉口的流量，即可使行人與機(jī)動(dòng)車較為公平地通過交叉口。隨著公交車比例的上升，設(shè)置行人專用相位的效果越明顯，因?yàn)楣卉嚨钠骄d客率高，在不設(shè)置行人專用相位的情況下，過街行人會(huì)影響車輛的正常行駛，使得通過交叉口的機(jī)動(dòng)車數(shù)量下降，過街行人越多，對(duì)其影響越大，所以在高人流量的情況下考慮設(shè)置行人專用相位減少行人對(duì)車輛行駛的干擾，使得行人與機(jī)動(dòng)車盡可能公平地通過交叉口。

不設(shè)置行人專用相位時(shí)，行人過街時(shí)會(huì)與左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩股車流產(chǎn)生沖突，使車輛每周期的吞吐量降低，與此同時(shí)，行人也會(huì)受到轉(zhuǎn)彎車流的影響，導(dǎo)致其每周期吞吐量降低。而設(shè)置行人專用相位之后，會(huì)導(dǎo)致車輛的有效綠燈時(shí)間降低，也會(huì)影響每周期車輛的吞吐量。因此需要在特定的時(shí)段設(shè)置行人專用相位減少機(jī)動(dòng)車對(duì)過街行人的影響，從而提高行人每周期的吞吐量。

具體來說，當(dāng)行人流量較低時(shí)，行人雖然會(huì)在其過街期間與左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩股車流產(chǎn)生沖突，影響機(jī)動(dòng)車每周期的吞吐量，但因?yàn)樾腥丝傮w流量較少，對(duì)車輛的干擾較少；插入行人專用相位反而會(huì)減少車輛的有效綠燈時(shí)間使得機(jī)動(dòng)車吞吐量減少更多，因此在人流量較低時(shí)，無論車流量多與少，不插入行人專用相位是更好的選擇。

隨著人流量的增加，過街行人與轉(zhuǎn)彎車輛的沖突也隨之增加，在車流量較少的情況下，可通過插入行人專用相位減少行人對(duì)轉(zhuǎn)彎車輛的影響，可達(dá)到二者流量比差值最小的目標(biāo)；隨著車流量的增加，插入行人專用相位以減少人對(duì)車輛行駛影響的效果與不設(shè)置時(shí)行人專用相位時(shí)行人對(duì)轉(zhuǎn)彎車輛的影響相同，即出現(xiàn)圖中水平線的情況；隨著機(jī)動(dòng)車流量的繼續(xù)增加，插入行人專用相位以減少行人對(duì)車輛行駛的影響的效果已經(jīng)超過了不設(shè)置時(shí)行人專用相位時(shí)行人對(duì)轉(zhuǎn)彎車輛的影響，因此在人流量較高且車流量較高的信號(hào)周期內(nèi)，選擇不插入行人專用相位以使得二者流量比差值最小。

因?yàn)楣卉嚨钠骄d客率較高，因此公交車數(shù)量較少(公交車比例在0～0.05范圍內(nèi))時(shí)，機(jī)動(dòng)車中的交通參與者與過街行人數(shù)量的差別不大，不需要設(shè)置行人專用相位來保證二者的通行公平性；而隨著公交車比例的上升，機(jī)動(dòng)車內(nèi)交通參與者的數(shù)量明顯上升，需要考慮機(jī)動(dòng)車與過街行人流量直接的相互關(guān)系，在公交車比例為0.1～0.3的范圍內(nèi)(如圖4所示)，臨界曲線上下分布情況較為平均，說明在公交車比例為0.1～0.3的交叉口，采用動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位的信號(hào)控制方法時(shí)對(duì)公平性的控制效果最佳，換言之這種情況下交叉口的過街行人與機(jī)動(dòng)車中的交通參與者能更為公平地通過交叉口，以體現(xiàn)以人為本的思想。

圖4 不同公交車比例下(0.1～0.4)的行人專用相位插入臨界曲線Fig.4 EPP inserting critical curves in different bus ratios (0.1～0.4)

另一方面，從圖3和圖4的灰色區(qū)域中可以看出，是由于在不設(shè)置行人專用相位的情況下行人流量過飽和,所以需要設(shè)置行人專用相位，說明了在行人流量較大機(jī)動(dòng)車流量較少的情況下設(shè)置行人專用相位后增加了行人通過交叉口的吞吐量。

與此同時(shí)，本研究是在考慮了設(shè)置行人專用相位前后，對(duì)機(jī)動(dòng)車和行人的通行效率影響不大的情況下，才考慮人車通行均衡的問題。從圖5中可以看出，在不同的公交車比例下(分別為0.1和0.2)，設(shè)置行人專用相位前后，只在圖中A，B，C，D4個(gè)區(qū)域機(jī)動(dòng)車流量比有明顯差異，但對(duì)比設(shè)置前后流量比均不超過0.2，在可接受范圍內(nèi)，說明設(shè)置行人專相位后，對(duì)機(jī)動(dòng)車的通行效率影響不大，同時(shí)大幅提高了行人交叉口的吞吐量。

圖5 不同公交車比例下設(shè)置行人專用相位前后機(jī)動(dòng)車流量比對(duì)比圖Fig.5 Comparison of traffic volumes before and after setting EPP in different bus ratios

3 行人專用相位動(dòng)態(tài)設(shè)置判定流程及相位切換方法

3.1 行人專用相位動(dòng)態(tài)設(shè)置判定流程

本模型的行人專用相位動(dòng)態(tài)設(shè)置判定流程圖如圖6所示。

圖6 行人專用相位動(dòng)態(tài)設(shè)置判定流程圖Fig.6 Flowchart of EPP dynamic setting decision

3.2 相位切換方法

對(duì)于實(shí)施本研究動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位的交叉口，通過算法結(jié)合實(shí)時(shí)流量計(jì)算得出達(dá)到判定閾值的條件時(shí)，為確保交叉口車輛駕駛員充分接收信息，應(yīng)事先在交叉口各信號(hào)燈上方或地面顯眼處設(shè)置LED顯示屏，以提示駕駛員在本周期結(jié)束下個(gè)周期起步階段依舊停止不能通行，等待行人專用相位時(shí)段結(jié)束方可通行。尤其要注意各進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車輛的信息提示，因?yàn)樵谖词褂迷摲椒ǖ恼＝徊婵谟肄D(zhuǎn)車輛不受信號(hào)燈控制。同時(shí)在人行道行人等待過街處也應(yīng)設(shè)置LED顯示屏，以提示行人下個(gè)周期是行人專用相位，注意信號(hào)燈指示準(zhǔn)備過街。還可以在交叉口設(shè)置初期，配合交警指揮，以提高駕駛員和行人對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位信號(hào)配時(shí)方案的熟悉程度。

4 仿真試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以仿真交叉口為例進(jìn)行分析，交叉口處于人流較密集的地區(qū)，各個(gè)入口的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車道寬度均為3.5 m，人行橫道寬4 m；每個(gè)進(jìn)口道均為兩車道，一條是右轉(zhuǎn)車道，另一條是直左車道，因本研究仿真交叉口較小，故不設(shè)置安全島。交叉口對(duì)機(jī)動(dòng)車采取兩相位信號(hào)控制。具體交叉口參數(shù)與上節(jié)數(shù)值分析時(shí)的參數(shù)設(shè)定保持一致(如表1所示)。

仿真試驗(yàn)針對(duì)上述交叉口，選取不設(shè)置行人專用相位(條件1)、設(shè)置行人專用相位(條件2)和通過各周期實(shí)時(shí)流量動(dòng)態(tài)判定插入行人專用相位與否(條件3)3種仿真條件，考慮到行人流量與機(jī)動(dòng)車流量有波動(dòng)變化，所以設(shè)置10個(gè)周期內(nèi)該交叉口的每個(gè)進(jìn)口道的車流量和交叉口總?cè)肆髁康膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)流量如圖7所示。

圖7 各周期內(nèi)人、車流量變化曲線Fig.7 Curves of pedestrian-vehicle volumes in each cycle

4.2 參數(shù)標(biāo)定

筆者通過對(duì)上海市北京路常德路等交叉口進(jìn)行視頻監(jiān)測(對(duì)視頻的觀測時(shí)長為15 min)，得到了仿真需要的參數(shù)輸入值。需要標(biāo)定的參數(shù)有車頭時(shí)距調(diào)整系數(shù)、設(shè)置行人專用相位前后行人波動(dòng)系數(shù)。行人專用相位動(dòng)態(tài)設(shè)置仿真試驗(yàn)需要標(biāo)定的參數(shù)如表2所示。

表 2 仿真參數(shù)標(biāo)定表

4.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)于每一種仿真條件，分別選取5種不同的隨機(jī)數(shù)種子進(jìn)行5次仿真試驗(yàn)，以降低結(jié)果的隨機(jī)影響。仿真時(shí)段長為15 min。具體結(jié)果及各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比詳見表3。

表3 VISSIM仿真結(jié)果指標(biāo)對(duì)比

由表3可以看出，在不設(shè)置行人專用相位(條件1)的情況下，路網(wǎng)的平均速度最高、機(jī)動(dòng)車和行人總延誤時(shí)間最少、總行程時(shí)間最短，但交叉口的人車通過總量最少，且公平程度(人均通過量差值)相較其他兩種仿真條件而言，最不公平(差值最大)；在設(shè)置行人專用相位(條件2)的情況下，路網(wǎng)的平均速度最低、機(jī)動(dòng)車和行人總延誤時(shí)間最長、總行程時(shí)間最長，而交叉口機(jī)動(dòng)車的人車通過總量有明顯增加；在動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位(條件3)的情況下，平均速度較仿真條件2稍有下降，機(jī)動(dòng)車和行人總延誤和總行程時(shí)間介于條件1和條件2之間，且交叉口能通過的交通量最大，交叉口通過的行人與機(jī)動(dòng)車的公平程度最高。其他指標(biāo)效果也類似，具體詳見附錄。綜上所述，在實(shí)際仿真的情況下，動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位總體說來有較好的應(yīng)用前景，可以保證行人與機(jī)動(dòng)車更為公平地通過交叉口，同時(shí)提高交叉口可通過的交通量并對(duì)交叉口的通行效率的影響不大。

5 結(jié)論

本研究利用交叉口人車沖突特性的思想，考慮兩相位信號(hào)控制交叉口行人與機(jī)動(dòng)車的相互影響，提出了以行人與機(jī)動(dòng)車(按行人計(jì))的飽和度之差最小為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的兩相位交叉口行人專用相位動(dòng)態(tài)設(shè)置模型。把行人專用相位設(shè)置與否作為決策變量，以行人和機(jī)動(dòng)車(按通行人數(shù)計(jì))通過交叉口的流量差值最小為目標(biāo)函數(shù)。通過VISSIM仿真，結(jié)果表明該模型可行有效，通過根據(jù)交叉口實(shí)時(shí)人車流量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判定動(dòng)態(tài)設(shè)置行人專用相位與否，達(dá)到了在保證行人安全過街的同時(shí)，也保證了進(jìn)口道機(jī)動(dòng)車的通行效率，從整體上保證了行人與機(jī)動(dòng)車的通行公平性。

后續(xù)研究可考慮對(duì)行人專用相位時(shí)長進(jìn)行優(yōu)化，考慮交叉口信號(hào)控制綠信比的自適應(yīng)優(yōu)化，通過每周期實(shí)時(shí)人流量和車流量，確定下個(gè)周期是否應(yīng)插入的行人專用相位并確定行人專用相位時(shí)長。因本文中只考慮了車流不過飽和的情況，故后續(xù)研究還可對(duì)車流量過飽和的情況進(jìn)行討論。后續(xù)研究還可以討論其他情況的交叉口，如生活性交叉口、主城區(qū)車流人流量密集交叉口等情況。