左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線信號聯(lián)控的綜合影響

黃河，范英飛,2，李鵬飛，賈志絢

（1.太原科技大學交通與物流學院，山西 太原 030024；2.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川 成都 611756）

1 引言

隨著城市現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，機動車保有量不斷增加，道路擁堵越發(fā)嚴重。干線作為城市交通系統(tǒng)的主體之一，承擔著城市路網(wǎng)的大部分交通負荷。多數(shù)城市采取信號聯(lián)控的方法，產(chǎn)生“綠波”效應，從而提高干線的運營效率，達到緩解交通壓力的目的[1]。

目前，關于干線信號聯(lián)控的研究主要以降低車輛延誤，提高道路通行效率為主要目的[2]。盧凱等[3]提出了一種基于信控方案與綠波車速的協(xié)同優(yōu)化方法，實現(xiàn)了相位與車速的協(xié)同優(yōu)化，達到降低延誤和停車次數(shù)的目的。荊彬彬等[4]針對雙周期的干線綠波信號協(xié)調(diào)控制現(xiàn)有的缺陷，搭建適應于雙周期的協(xié)調(diào)控制模型，以滿足不同流量下的優(yōu)化目標。Ma W J等[5]為了提高傳統(tǒng)干線信號聯(lián)控模型中交通流的效率與安全，提出了一種分區(qū)支持的多模態(tài)頻帶（PM-BAND）模型，考慮了車輛的類型與交通需求的影響，顯著減少了車輛的停車次數(shù)與延誤。Zhuo H等[6]面向干線信號聯(lián)控中交通流量較低的交叉口存在綠燈時間浪費的現(xiàn)象，建立了不均勻雙循環(huán)（UDC）模型，加入對最大綠波帶與了解出行需求的考慮，大大降低了聯(lián)控干線中車輛在不擁堵交叉口的延誤。梁杰等[7]提出大周期協(xié)調(diào)控制優(yōu)化思路，搭建大周期內(nèi)行程時間模型，實現(xiàn)對不同周期時長的信號交叉口的綜合優(yōu)化。

隨著交通流量的增加，左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)車輛易超過左轉(zhuǎn)車道的容量，影響相鄰車道直行車輛的運行，造成交叉口擁堵現(xiàn)象頻繁發(fā)生。設計專用左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)車道能夠?qū)崿F(xiàn)交叉口處車輛的分流[8]，從而緩解這一問題。章國鵬[8]指出合理的左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置能有效提高交叉口通行能力，并從安全角度對左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)進行研究分析。陳亦新等[9]依據(jù)交叉口處左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)交通參數(shù)，構建待轉(zhuǎn)區(qū)通行能力計算模型，驗證了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置對提高交叉口通行能力的有效性。蔣賢才等[10]為了緩解直行車輛與左轉(zhuǎn)車輛沖突嚴重的問題，搭建了面向左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交通延誤模型，有效改善了設有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的信號交叉口的效率與安全問題。

左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置會影響交叉口處信號相位的靈活性，然而現(xiàn)有研究主要集中于傳統(tǒng)的干線信號聯(lián)控或交叉口處待轉(zhuǎn)區(qū)的渠化設置，對兩者之間存在特定影響的研究較少。羊釗等[11]指出左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置與相位相序有著重要聯(lián)系，針對不同路況提出六種信控方案，有效分析了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置對干線信號聯(lián)控的效率影響，然而缺乏安全的考慮。Ma D F等[12]研究證明在不同相序情況下綠波優(yōu)化效果有所不同，對交通效率的提高也有所不同。針對上述研究的缺陷，為了分析左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線信號聯(lián)控中協(xié)調(diào)方向的綜合影響，本文以信號控制方案為基礎，通過相位相序的不同表征交叉口處有無待轉(zhuǎn)區(qū)的設置。選取太原市某干線，通過實地調(diào)查其交通流量，借助微觀交通仿真和間接安全仿真軟件，分析左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線信號協(xié)調(diào)聯(lián)控的綜合影響，以為后續(xù)城市交通規(guī)劃與發(fā)展提供參考。

2 研究方法

2.1 相位相序的設計

為了保證交叉口處的行車安全，左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設立必須遵循相序先直行后左轉(zhuǎn)的原則[8]。本文以上述原則和靈活相位（NEMA）[13]為基礎，通過交叉口不同相序的排列來表征交叉口處左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設立情況。其中NEMA由四種相序組成，依次為lag-lag（左轉(zhuǎn)滯后-滯后）、lead-lead（左轉(zhuǎn)超前-超前）、lag-lead（左轉(zhuǎn)滯后-超前）、lead-lag（左轉(zhuǎn)超前-滯后），如圖1所示。研究表明，當信號聯(lián)控干線中無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)時，lag-lead相序為最優(yōu)相序[11]。故本文在設有左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口采用lag-lag相序，未設左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口采用lag-lead相序。

圖1 相序結構圖

2.2 信號控制方案

通過對相位相序與信號協(xié)調(diào)聯(lián)控的關聯(lián)性分析，結合最大綠波帶模型，求出信號控制模型，具體步驟如下：

①通過實地調(diào)研，確定各路口交通流量、各車道的流量比、相位內(nèi)關鍵車道的流量比以及各交叉口相 位相序。

②利用信號控制優(yōu)化模型計算單個交叉口周期時長，確定關鍵交叉口與公共周期。

2.3 綠波帶計算

本文利用最大綠波帶模型4計算整個干線的綠波帶寬和交叉口的相位差,以相鄰交叉口之間的行程時間和信控方案為輸人參數(shù),模型如下:

2.4 綜合評估體系

為了探索左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對干線信號聯(lián)控的綜合影響，搭建了基于VISSIM 和SSAM 仿真的綜合評價體系，如圖2 所示。其中VISSIM 是微觀交通仿真軟件[14]，能夠通過時間間隔與駕駛行為來搭建仿真模型，有效分析不同情況下的交通運行情況，并輸出對應的評價指標。SSAM[15]是間接交通安全仿真模型，能夠在微觀交通仿真模型基礎上輸出交通沖突數(shù)量、嚴重程度等安全評價指標。

圖2 綜合評價體系

3 案例選擇

3.1 交叉口現(xiàn)狀

以太原市興華街與文興路、千峰路以及和平路三個交叉口為研究對象，位置關系如圖3 所示，交叉口1 為興華街-和平路交叉口，交叉口2 為興華街-千峰路交叉口，交叉口3 為興華街-文興路交叉口。交叉口1 與交叉口2 間距為730m，交叉口2 與交叉口3 間距為670m。通過實地調(diào)研，高峰小時交通量見表1。

圖3 信號交叉口位置關系圖

表1 交通流量調(diào)查表

3.2 信控方案

通過公式（1）～公式（6），依據(jù)交通流量求得交叉口公共周期、各相位綠燈時長與最大綠波帶寬度，見表2 和表3。

表2 交叉口協(xié)調(diào)后的相位和信號控制方案

表3 最佳相位差和綠波帶寬

4 聯(lián)控方案仿真與綜合評價

4.1 效率評價

為了具體分析左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對信號聯(lián)控干線的效率影響，利用VISSIM 軟件依次對信號聯(lián)控干線中有無左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的兩種信控方案進行仿真，仿真示意圖如圖4所示。通過仿真依次輸出車輛的排隊長度、平均行程時間、延誤以及停車次數(shù)等評價指標，結果見表4。

圖4 興華街交通仿真示意圖

表4 信號聯(lián)控干線仿真結果

由表4 可知，在實施信號聯(lián)控的干線中，未設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的干線比設置了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的干線的平均行程時間降低了19s、平均總延誤降低了30.2s、平均排隊長度降低了13.35m 以及平均停車次數(shù)優(yōu)化了16.1%。由此可知，在信號聯(lián)控的干線中，左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置會導致交通效率的降低，其原因是當交通流量過大時，設置了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口的相位相序比較固定，不能依據(jù)交通流量合理調(diào)節(jié)相位相序，從而導致部分綠燈時長浪費，造成效率的降低。

4.2 安全評價

基于間接交通安全仿真（SSAM）系統(tǒng)，以車輛沖突時間和車輛相遇時間為判斷依據(jù)，對信號聯(lián)控干線中有無設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的兩種信控方案進行仿真評價。依據(jù)沖突角度，將沖突類型分為正向沖突、橫穿沖突和追尾沖突，如圖5 所示。將左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)效率評價中輸出的車輛軌跡放入間接安全仿真（SSAM）中，輸出結果見表5。

圖5 仿真沖突類型

由表5 結果可知，在實施信號聯(lián)控的干線中，設置了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口與沒有設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口相比，其沖突嚴重程度（TTC表示）和沖突總數(shù)有所下降，這表明左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置在一定程度上有利于提高整個干線的安全水平。其原因是設置了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口為左轉(zhuǎn)車輛和直行車輛提供了一個緩沖區(qū)，能有效緩解雙向車輛的沖突。

表5 交通安全評價結果

5 結語

為了研究左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對信號聯(lián)控干線的綜合影響，利用不同的相位相序表征交叉口左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)設置情況，并通過搭建綜合評估體系，分析了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對信號聯(lián)控干線的安全影響和效率影響。結果表明：

①左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置限制了信號聯(lián)控干線中相位相序的靈活性，從而導致了信號聯(lián)控干線中交通效率的降低，對信號聯(lián)控干線有一定的負面影響，因此在實施信號聯(lián)控的干線中不應盲目設置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)。

②在信號聯(lián)控干線中左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設置，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的分流，減少左轉(zhuǎn)車輛與直行車輛的交通沖突，降低交通沖突的數(shù)量與嚴重程度。

本文以太原市一條干線為案例分析，僅從相位相序方面研究了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)對信號聯(lián)控干線的影響，并未加入對道路渠化的考慮，后續(xù)的研究需繼續(xù)深入。