針對施工期交叉口提出的排陣式信號控制設計優化方法

0 引言

城市占道施工的實施不僅會對施工路段本身產生影響，還會對周圍路網產生影響，對施工路段交通組織不到位，將會導致路網局部乃至全局的交通供求不平衡，從而引發交通擁擠加劇、交通事故增多、城市環境惡化、能源消耗增加的問題。為了更好地解決交叉口占道施工期間所帶來的交通擁堵等問題，深入系統地分析占道施工對于交叉口的影響就很有必要了。對此，作者參考了一些國內外文獻，對目前的研究現狀有了一定的了解，并做了相應的歸納總結。下面主要從國外和國內兩方面進行介紹。

國外相對于國內而言，在此問題上研究起步較早，主要是針對于高速公路施工區的研究。研究方向也可以分為道路施工區交通流特性研究和施工區通行能力研究。在道路施工區交通流特性研究層面上，一批國外專家進行了關于施工區車輛運行速度的詳細研究，研究結果表明施工區的車速取決于交通量、封閉車道的位置、交通控制方式和施工地點[1-4]。另外，也有從流量—速度關系研究，分析了典型道路施工區域的交通流特征[5-6]。在通行能力方面，文獻提出了許多影響因素，如封閉車道數，車道封閉形式，大型車比例，距離封閉車道的側向距離，施工區長度，坡度，施工作業強度，臨時性的施工標志標線，駕駛員類型，施工作業持續時間，天氣情況以及作業時間等等[7-12]。

國內對于此類問題研究起步較晚，最早是對高速公路施工區的研究，而對于城市占道施工，則主要是從交通組織方向進行研究。在通行能力研究方面，學者們以實際案例與仿真相結合，得出影響因素有大車率、坡度、施工區長度、施工區限速以及施工區封閉車道數等[13-17]。而交通組織方面，則是根據施工特點，提出了通過建立交通微循環系統改善施工地點周邊路網交通狀況的原則、方法和流程。

綜上所述，目前城市占道施工交叉口通行能力計算的文獻較為豐富，有很多的參考模型，而對交叉口進行優化的文獻較少，對于如何提高施工期交叉口通行能力的針對性方案較為匱乏，面對施工區所占車道數的不同，存在很多的固定措施，缺乏靈活性，沒有充分利用好現有資源，造成浪費。面對現有文獻的不足，本文提出了基于預信號控制的非常規設計方法，在不進行大量改建的前提下，充分利用現有資源，最大程度的優化交叉口，提高通行能力。

1 方法介紹

本文以施工區域在交叉口西側為例，如圖1所示。西側道路雙向6車道，現因為道路施工占用了2條車道，西側進出口各只有2條車道可用。對于原先而言，交通量不變，必然導致延誤增高。為了降低延誤，本文提出基于預信號控制的排陣式信號控制這種非常規設計方法，如圖2所示。在信號交叉口進口道停車線前設置排序區，同時設置預信號控制上游車流的進入。排陣式控制下的路口，各方向車流的運行均經過“放入—待行—放行—清空”的過程。該區域內的車道將根據預信號控制供不同流向車輛使用。

圖1 一般施工情況示意圖

圖2 排陣式信號控制優化方法示意圖

幾何設計要求排序區域設置在主信號停車線前面，而預信號設置在排序區之后，目的控制進口道車輛進入排序區域，并與預信號前設置停車線。以這種排陣式信號控制，通過主、預信號協調控制，保證不同流向的車輛，在規定時間內，可以在區域內排空，不會造成交通影響。具體操作如下所示，分為4個階段。

（1）當主信號下一個相位為左轉通過時，預信號對左轉車輛進行放行，讓其進入排序區，等待放行。這個過程稱為左轉車輛流入階段。如圖3中（a）所示。

（2）左轉車輛進入排序區后，主信號左轉信號開啟，車輛通過交叉口，直至排序區內所有車輛清空，此時預信號左轉信號燈變紅，停止繼續放行。此過程稱之為左轉車輛清空階段。如圖3中（b）所示。

（3）左轉車輛全部清空后，預信號直行信號燈開啟，放行直行車輛到達排序區，等待直行放行。此過程稱之為直行車輛流入階段。如圖3中（c）所示。

（4）直行車輛進入排序區后，主信號直行信號開啟，車輛通過交叉口，直至排序區內所有車輛清空，此時預信號直行信號燈變紅，停止繼續放行。此過程稱之為直行車輛清空階段。如圖3中（d）所示。此輪循環結束，返回步驟（1），開始下一個循環。

圖3 排陣式交通控制過程

排陣式信號控制思想理念與傳統信號控制有所不同，主要表現于引進了預信號控制方式，增加了排陣區域這一概念，將傳統車道固定功能方式轉變為交換式可變車道功能，改變了固有思想，最大程度利用了現有資源，提高了排序區內車道的使用頻率，對交叉口的運行效率有所提高，降低了交叉口延誤。

血液中甘油三酯含量反映了機體對脂類的利用情況，甘油三酯含量越低意味著對機體脂肪的利用率越高。本試驗添加過瘤胃脂肪后，處理組甘油三酯含量均較對照組低（P＞0.05），說明處理組脂肪利用率較對照組高。

2 模型建立

為了更好地表達和實現控制方案，故建立以下數學模型，以達到最優狀態。

2.1 目標函數和優化變量

在滿足最大飽和度要求的前提下，信號控制方案中綠信比越小，則可以分配的綠燈時間越多，那么通行能力也必然增大，延誤則會有所降低。因此，本文為了降低施工期交叉口延誤水平，則需要建立以主信號綠燈時間之和最小為目標函數的優化模型，來達到優化目的。具體函數表達式為：

式中：GL表示主信號完整周期內左轉綠燈時長；GT表示主信號完整周期內直右綠燈時長。

式（1）可能會導致出現不唯一相位差結果，所以可以采用相位差越小，即預信號起始時間越小，那么主信號排隊時間越小原則。可以將目標函數改寫為：

式中：表示預信號早亮時間，由主信號與預信號時間差所得。

2.2 約束條件

（1）總周期時間約束：為了保證主、預信號達到協調控制的要求，必須保證主信號和預信號總周期時間相等：

式中：RL表示主信號左轉綠燈之后紅燈時長；RT表示主信號直右綠燈之后紅燈時長；gL表示預信號周期內左轉綠燈總時長；gT表示預信號周期內直右綠燈總時長；rL為預信號左轉綠燈之后紅燈時長；rT為預信號直右綠燈之后紅燈時長。

（2）排陣區域清空約束：為了確保排陣區域內車輛清空，預信號相位時間與主信號相位時間應具有以下關系：

（3）綠燈時間約束：主信號綠燈時長必須滿足最大時間和最小時間，預信號同理：

（4）通行能力約束：為避免排陣區域過飽和，主信號通行能力滿足不小于預信號通行能力的要求：

式中：nL為預信號控制左轉車道數；NL為主信號控制左轉車道數；sL為預信號控制左轉車道飽和流量；SL為主信號控制左轉車道飽和流量。

（5）早亮時間約束：避免時間資源浪費，需要讓預停車線車輛提前進入排陣區域，約束條件如下：

3 案例分析

為了驗證本文中優化設計方法的效益，本文選取了上海市某施工交叉口為例，現狀如圖4所示，信號配時如圖5所示，交通量如表1所示。

針對此交叉口，采用本設計方法，對其幾何設計和信號控制進行優化，并與現狀情況進行對比，優化示意圖和優化信號配時見圖6和圖7。

將模型與案例相結合，得出最優解，并將數據帶入仿真軟件VISSIM中進行仿真驗證，得出結果如圖8所示。比較排陣式信號控制方法前后的實驗數據，可以看到該方法的實施在一定程度上改善了該占道施工交叉口的現狀，平均延誤降低了15.5%，證明本方法切實有效。

4 結論與展望

本文針對交叉口占道施工的特點，在對現有大量文獻學習的基礎上，提出排陣式信號控制方法對施工期交叉口進行優化設計。在不對現有道路進行大量改建的前提下，充分利用道路資源，加入預信號控制。形成主、預信號協調控制的模式，改變了傳統車道固定功能的思想，轉變為交換式可變車道功能。并進行數學建模，以得出最優解的科學數據進行控制。最后，采用實際案例，進行優化前后的延誤對比，驗證出本設計方法真實有效。

圖4 現狀交叉口幾何示意圖

圖5 現狀交叉口信號配時

表1 現狀交叉口交通流量

圖6 優化后交叉口幾何示意圖

圖7 優化后交叉口信號配時

但是由于城市道路交叉口的形式各有不同，占道施工區域也有所區別，現有道路資源和交通量也不盡相同，交叉口的實時狀況也在不斷發生改變，因此上述模型不能包含所有的情況和條件，仍需進一步深入研究。

圖8 仿真結果對比圖