環(huán)形交叉口信號(hào)控制方式研究

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 重慶 400074)

一、前言

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)形交叉口的控制方式不一樣，國(guó)內(nèi)采用定時(shí)信號(hào)控制方式，而國(guó)外則優(yōu)先采用感應(yīng)信號(hào)控制方式。2012年，董愛(ài)妹優(yōu)先提出感應(yīng)控制優(yōu)化模型。感應(yīng)信號(hào)控制環(huán)形交叉口能夠根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的流量調(diào)整控制策略，這既發(fā)揮了無(wú)信號(hào)控制環(huán)形交叉口在平峰時(shí)低延誤的優(yōu)勢(shì)，又避免了環(huán)形交叉口在高峰時(shí)出現(xiàn)通擁堵。定時(shí)信號(hào)控制模式不能根據(jù)實(shí)時(shí)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，只適用于流量變化情況較為穩(wěn)定的交叉口，如果交通流變化情況不穩(wěn)定，則會(huì)造成一些不必要的延誤的產(chǎn)生。

國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)形交叉口一般采用直接的控制方式，對(duì)左轉(zhuǎn)車(chē)輛進(jìn)行二次停車(chē)控制。2010年，劉澤對(duì)左轉(zhuǎn)車(chē)輛二次控制提出一種改進(jìn)的方法。而國(guó)外則優(yōu)先選用間接的控制方式，對(duì)入環(huán)車(chē)輛進(jìn)行信號(hào)控制，為使繞環(huán)車(chē)輛享有優(yōu)先通行權(quán)，對(duì)繞環(huán)車(chē)輛不采取信號(hào)控制。其原因主要是國(guó)外環(huán)形交叉口的尺寸一般比國(guó)內(nèi)的小，無(wú)法為左轉(zhuǎn)車(chē)輛提供足夠的二次停車(chē)空間。

二、環(huán)形交叉口交通特性分析

(一)沖突特性分析

早期的環(huán)形交叉口一般無(wú)信號(hào)控制。其交通運(yùn)行特點(diǎn)是，不同方向的車(chē)輛直接進(jìn)入環(huán)道，按照一定的速度和轉(zhuǎn)向繞中心島單向行駛，進(jìn)行連續(xù)的合流、交織與分流。環(huán)形交叉口的出口與入口處車(chē)輛換道行為頻繁是環(huán)形交叉口擁堵的常發(fā)地點(diǎn)。

環(huán)形交叉口的幾何參數(shù)是構(gòu)成環(huán)形交叉口的關(guān)鍵尺寸，環(huán)形交叉口與其他形式交叉口的主要區(qū)別是中心島及環(huán)道。由于中心島的存在使得車(chē)輛在進(jìn)入交叉口后繞中心島在環(huán)道逆時(shí)針行駛，不同的行駛規(guī)則使車(chē)輛在環(huán)形交叉口的運(yùn)行行為具有特殊性，影響了交叉口的服務(wù)水平與運(yùn)行效率，對(duì)新建或改建交叉口的型式選擇具有一定的影響。

(二)運(yùn)行特性分析

在環(huán)形交叉口入口處，入環(huán)車(chē)輛排隊(duì)等待可利用間隙依次駛?cè)虢徊婵?出口處車(chē)輛依據(jù)優(yōu)先權(quán)迅速換道駛出交叉口。出入口處車(chē)輛運(yùn)行特征大致如下:

①當(dāng)交叉口內(nèi)車(chē)輛飽和度較高時(shí)，出入口處的運(yùn)行車(chē)輛會(huì)與交織區(qū)和環(huán)流區(qū)的車(chē)輛發(fā)生交織沖突。環(huán)內(nèi)運(yùn)行的車(chē)輛對(duì)入口處車(chē)輛具有一定優(yōu)先權(quán)，入口車(chē)輛需要等待可利用間隙的出現(xiàn)而進(jìn)入交叉口。

②在入口處，左轉(zhuǎn)車(chē)輛一般進(jìn)入內(nèi)側(cè)車(chē)道進(jìn)入交織區(qū)，直行車(chē)輛由外側(cè)車(chē)道進(jìn)入交織區(qū)，但當(dāng)交通流量較大時(shí)，左轉(zhuǎn)車(chē)輛由外側(cè)車(chē)道進(jìn)入，在交織區(qū)內(nèi)完成換道行為;右轉(zhuǎn)車(chē)輛沿環(huán)道與路緣間隙完成轉(zhuǎn)向駛出交叉口，并不與左轉(zhuǎn)和直行車(chē)輛交織。

③在出口處，出環(huán)車(chē)輛一般由交織區(qū)外側(cè)車(chē)道駛離交叉口，然而某些未能在交織區(qū)內(nèi)成功換道到外側(cè)車(chē)道的車(chē)輛只能在出口處由內(nèi)側(cè)車(chē)道與環(huán)島車(chē)輛或沿外側(cè)入環(huán)車(chē)輛交織駛出交叉口。

左轉(zhuǎn)的車(chē)流和對(duì)向直行車(chē)流產(chǎn)生了沖突點(diǎn)，但是在劃分車(chē)道功能時(shí)間，不可能為了避開(kāi)這種沖突點(diǎn)，都設(shè)立保護(hù)型車(chē)道和相位。信號(hào)設(shè)計(jì)只是對(duì)此進(jìn)行協(xié)調(diào)，目的是提高通行效率，提高交叉口的通行能力。

三、優(yōu)化控制研究

(一)交叉口渠化

為了解決環(huán)形交叉口交通量大于通行能力而引起的交通擁堵問(wèn)題，同時(shí)減少交叉口內(nèi)的沖突點(diǎn)，提出了一種左轉(zhuǎn)車(chē)輛二次停車(chē)的方法。但這種方法下行駛的車(chē)輛仍存在繞行距離較遠(yuǎn)的問(wèn)題。在交通流分布不均勻的交叉口內(nèi)，可以采用剖口和偏環(huán)信號(hào)控制的方式來(lái)解決此問(wèn)題。

針對(duì)于主次道路相交的四路環(huán)形交叉口，敖谷昌提出了一種信號(hào)控制剖口環(huán)形交叉口的方式，主干道上的直行車(chē)輛直接經(jīng)過(guò)剖口通過(guò)交叉口，減少了主干道上直行車(chē)輛的繞行距離，以及與支路上車(chē)輛的沖突，充分保證了主干道上車(chē)流優(yōu)先通行性。

對(duì)于主要車(chē)流方向位于環(huán)形交叉口相鄰的兩條道路時(shí)，信號(hào)控制剖口的方式則不適用，無(wú)法保證主要車(chē)流方向的優(yōu)先通行權(quán)。所以，提出了一種偏環(huán)信號(hào)控制的方式。針對(duì)于四路環(huán)形交叉口，其相鄰的兩條道路為主要車(chē)流方向。結(jié)合信號(hào)控制的方式，主要車(chē)流采用信號(hào)控制通行，支路上的車(chē)輛采用合流以及交織的形式通過(guò)交叉口，保證了主干道上車(chē)輛優(yōu)先通行，提高交叉口的通行能力。

(二)交叉口信號(hào)控制

為了解決城市交通擁堵問(wèn)題，使環(huán)形交叉口的通行能力滿(mǎn)足城市交通發(fā)展的需求，適應(yīng)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，采用信號(hào)控制的方法提高環(huán)形交叉口的通行能力，對(duì)信號(hào)控制的方法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合環(huán)形交叉口的幾何特點(diǎn)，分析環(huán)形交叉口的交通特性。提出相應(yīng)的控制方法，建立模型在VISSIM環(huán)境下模擬并得出結(jié)論。對(duì)環(huán)形交叉口內(nèi)的車(chē)流特性和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。深入地研究通行能力，采取有效的控制與管理措施。并通過(guò)單點(diǎn)控制和協(xié)調(diào)控制思想，對(duì)環(huán)形交叉口控制進(jìn)行研究。

在比較大的交叉口內(nèi)，車(chē)輛通過(guò)交叉口的時(shí)間比較長(zhǎng)，影響了車(chē)輛的通行效率，所以提出了停車(chē)線前置法，車(chē)輛降低通過(guò)交叉口的距離。將各進(jìn)口道停車(chē)線前置一段距離，使車(chē)輛在入環(huán)前完成啟動(dòng)加速過(guò)程，以較穩(wěn)定的車(chē)速通過(guò)環(huán)島。根據(jù)停車(chē)線前置的環(huán)形交義口車(chē)流運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)重疊相位。通過(guò)計(jì)算相位重疊的時(shí)間，將沖突車(chē)流在時(shí)空上進(jìn)行分離，提高環(huán)形交義口的通行能力和安全系數(shù)。

信號(hào)控制方式分為單重和雙重兩種模式，針對(duì)這兩種模式如何進(jìn)行選擇，提出了各自的設(shè)置條件。雙重信號(hào)控制在滿(mǎn)足通行能力的條件下，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：第一，環(huán)島上至少為2條車(chē)道，以滿(mǎn)足左轉(zhuǎn)車(chē)輛在環(huán)道上停車(chē)等候二次放行的空間停放需求；第二，各進(jìn)口道需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用進(jìn)口道，以滿(mǎn)足對(duì)左轉(zhuǎn)車(chē)輛單獨(dú)進(jìn)行信號(hào)控制的需求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)通行能力特性的分析，提出一種單重最佳周期的控制方法。

四、總結(jié)

由于環(huán)形交叉口的通行能力有限，以及汽車(chē)保有量的增加，常規(guī)的環(huán)形交叉口跨到了信號(hào)控制環(huán)形交叉口。國(guó)內(nèi)外對(duì)于信號(hào)控制的方式均做了相應(yīng)的研究，從宏觀的層面看，只要滿(mǎn)足延誤最小就能確定信號(hào)周期。但這并不能有效的解決擁堵問(wèn)題，提高運(yùn)行效率，所以，需要從微觀的角度進(jìn)行分析。首先，主要是對(duì)環(huán)形交叉口的交通特性進(jìn)行分析，了解交叉口的沖突特性以及車(chē)輛運(yùn)行特性，由此找到?jīng)_突點(diǎn)，針對(duì)主要沖突點(diǎn)尋找相應(yīng)的解決方案。其次，從微觀的層面，結(jié)合交叉口的具體情況，分析其交通流的分布，交叉口大小及幾何情況，交叉口渠化，信號(hào)周期的長(zhǎng)短、綠信比以及適用性，提出環(huán)形交叉口特殊的信號(hào)控制方法。并通過(guò)仿真軟件VISSIM進(jìn)行驗(yàn)證分析。