基于感應控制的過飽和交叉口流量轉移方法研究

成 衛，唐逸超，鄭佐雄

(1. 昆明理工大學 交通工程學院,云南 昆明 650500; 2. 云南省設計院集團,云南 昆明 650000)

0 引 言

隨著城市建設進程的加快，城市小汽車的數量在逐年增加，城市交叉口在高峰期間容易出現過飽和狀態。主要表現為在綠燈時間內，各進口道的排隊車輛難以順利通過交叉口，經常會由于車輛流向溢流導致存在滯留超過一個周期的車輛。隨著時間的不斷延長，上游交叉口發生“死鎖”現象，最終將導致大面積的交通擁堵。相關學者對過飽和交叉口的交通控制已做了大量研究，其結果表明，排隊管理策略對過飽和交通流具有較好的優化效果[1-2]。現有針對過飽和交叉口的信號控制方法大多是從固定的相位結合及相序的角度出發，對周期、綠信比等信號控制參數進行優化，但是僅僅通過信號控制參數的優化并不能適應交通流的動態變化，綠燈時間無法被充分利用。

相比較固定式的過飽和交通信號控制，感應式信號控制更能適應道路交通的動態性，配時方案更靈活，更利于降低交叉口的排隊長度，提高車輛的通行效率[3]。為了減少過飽和交叉口的排隊長度，消除滯留車輛防止排隊溢出，從過飽和交叉口排隊溢出誘因入手，引入“轉移流量”概念，通過識別排隊溢出車輛確定需要優先轉移的交通流量，以防止發生排隊溢流和通過交叉口最大車輛數為優化目標，運用感應控制方法實現流量從過飽和交叉口的轉移，最后利用VISSIM微觀交通仿真軟件對基于感應控制的過飽和交叉口流量轉移方法進行驗證。

1 交叉口過飽和狀態分析

1.1 過飽和交叉口排隊溢出影響分析

由于過飽和交通狀態所表現出來的現象往往是交通擁堵，而發生交通擁堵的地方有很多，比如說信號相位、進口道、交叉口等等，所以在進行過飽和交通研究時首先要確定研究對象。筆者主要針對由于流向溢流而導致的過飽和現象提出流量轉移方法，解決單點交叉口的過飽和狀態。當交叉口還未進入過飽和狀態時，由于交叉口進口道的道路空間資源可以滿足進口道排隊車輛的需求，直行的排隊車輛與轉彎的排隊車輛之間不會互相干擾正常的運行秩序，兩股車流可以順利地進入對應車道，排隊車輛能夠在現有的綠燈時間內駛離交叉口；但是當交叉口處于過飽和狀態時，由于進口道排隊車輛的交通需求大于其空間供給能力，所以直行車輛與左右轉彎車輛會互相干擾正常的運行秩序，車輛行駛緩慢，在現有配時方案的綠燈時間內，車輛發生二次排隊，造成車輛排隊長度不斷增加，逐漸影響上游交叉口[4-5]，如圖1。

圖1 車輛排隊溢出現象Fig. 1 The phenomenon of vehicle queue overflow

定義某一流向車輛發生溢流而阻礙另一流向車流通行，從而導致進口道發生過飽和現象，該車流為“轉移流量”，在進行信號控制時應優先考慮給予通行權。圖2中，由于進口道直行車輛排隊長度過大，所以導致了進口道左轉車輛無法正常進入左轉車道，從而使得左轉車輛產生二次排隊的現象，進而使得進口道處于過飽和狀態，那么直行車流就是需要轉移的流量，在進行信號控制時需要賦予優先通行權，使其能夠從過飽和交叉口轉移出去；圖3中，左轉車流發生溢流而導致直行車流無法通行，使得進口道處于過飽和狀態，那么左轉車流為轉移流量。

圖2 直行排隊車輛干擾左轉車輛的正常運行Fig. 2 Left turning lane blocked by straight vehicles

圖3 左轉車輛干擾直行車輛的正常運行Fig. 3 Straight lane blocked by left turning vehicles

1.2 進口道過飽和狀態判別

如圖4，在每個車道上設置兩種檢測器，排隊溢出檢測器和停車線檢測器。排隊溢出檢測器設置在停車線上游50～70 m的位置[6]，用來檢測哪股流向車流發生排隊溢出。停車線檢測器設置在停車線處，用來檢測兩輛車通過檢測器的時間間隔。

圖4 進口道檢測器的設置Fig. 4 Approach detector setting

當某一流向綠燈啟亮時，如果排隊溢出檢測器檢測到車輛排隊已經超出檢測點，由于排隊車輛消散至檢測器需要一定時間，在那段時間內排隊溢出檢測器為完全占有狀態，假設這段時間為T1。經過T1時間后，如果后續還有車輛駛過排隊溢出檢測器，那么檢測器在剩余綠燈時間內的占有率為Os。綠燈時間結束后，后續到達的車輛從停車線開始逐漸排隊，在一段時間后，車輛排隊達到檢測點。這段時間內，車流對應于飽和流率的情形，排隊溢出檢測器的占有率最大為Os，假設這段時間為T2。直到下個綠燈啟亮，排隊溢出檢測器的占有率為1。因此，排隊溢出檢測器的飽和占有率為

(1)

式中：G為綠燈時間，s；R為紅燈時間，s；C為周期時長，s；Os，T1和T2根據實際交叉口調查確定，如果沒有調查值，Os可取0.2，令T1=T2。

如果排隊溢出檢測器檢測到某一流向的占有率O達到或者接近飽和占有率O0，那么確定該流向車流為轉移流量，需要讓其從交叉口快速轉移出去，才能緩解交叉口的過飽和現象。

2 基于感應控制的流量轉移方法

基于感應控制的流量轉移方法是通過感應控制方案設計、感應控制參數設計來實現的。當檢測到交叉口內的車輛數大于設定的閾值并且駛出交叉口車輛的運行速度小于設定的閾值時，開始啟用感應信號控制方案來對過飽和交叉口的流量進行轉移。當檢測到交叉口進口道內的車輛數不大于設定的閾值并且駛出交叉口車輛的運行速度不小于設定的閾值時，即可能發生排隊上溯的危險解除之后，取消感應信號控制方案，繼續使用原有的信號控制方案。

2.1 全感應控制方案設計

在運用感應控制方法對過飽和交叉口進行流量轉移的過程中，為達到過飽和交叉口排隊控制和綠燈時間充分利用的目的，設置具有相位優先功能及跳相功能的全感應控制[7]，其基本工作原理如下：

1)先對當前相位的車輛進行放行，當檢測器檢測到下一相位的排隊車輛達到閾值時，判斷當前相位的綠燈時間是否滿足最小綠燈時長的要求，如果滿足并且后續到達的車輛不連續，那么就將當前相位切換成下一相位。

2)如果當前相位已經滿足最小綠燈時間的要求時，該相位的車輛到達仍然保持著連續性，這個時候檢測器檢測到下一相位的排隊車輛還未達到閾值時，則繼續放行當前相位的車輛，直到達到最大綠燈時間或者下一相位有車輛排隊等待時變換相位。

3)如果當前相位的綠燈時間滿足最大綠燈時間時，這時檢測器檢測到下一相位的排隊車輛還沒達到閾值并且其它相位的排隊車輛達到閾值時，不對下一相位的車輛進行放行，而是將當前相位切換到排隊車輛達到閾值的那個相位，對該相位的排隊車輛進行放行。

以標準十字信控交叉口為例，進行感應控制方案設計說明。不考慮右轉車流以及非機動車對于控制方案的影響，假定從交叉口轉移出去的流量均不會引起相鄰交叉口的擁堵，交叉口檢測器設置示意圖如圖5[8-11]。圖中Dij(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3…n)表示第i個方向進口道的第j個檢測器組，西進口中D11、D12為停車線檢測器，D13、D14為排隊溢出檢測器，東進口、南進口和北進口的檢測器布設參照西進口進行布設。

交叉口相位方案如圖6，結合圖6可知以下感應控制流程：當前為相位1綠燈時間，若本相位已達到最小綠燈時間且停車線檢測器檢測到車頭時距大于3 s，同時排隊溢出檢測器D13或D34檢測到上方有車輛，即東西左轉排隊車輛有排隊溢出，切換到相位2；若本相位已達到最小綠燈時間且車頭時距大于3 s，同時排隊溢出檢測器D13或D34沒有檢測到上方有車，即相位2無車輛排隊溢出，則跳過相位2進入相位3。

圖5 交叉口檢測器的布置示意Fig. 5 The intersection detector setting

Fig.6 Intersection phase

2.2 感應式信號控制的參數確定

2.2.1 最小綠燈時間Gmin

感應信號控制對于一個信號周期內的每一個相位均設有一個最小綠燈時間，考慮進口道實際到達的交通量與通行能力，最小綠燈時間必須確保在感應控制階段從停車線到排隊溢出檢測器之間的排隊車輛能夠全部通過停車線，所以最小綠燈時間為

圖7 全感應控制相位切換流程Fig. 7 The phase transition in full-actuated control

(2)

2.2.2 最大綠燈時間Gmax

研究表明[12]當交叉口進入過飽和狀態時，無法利用F-B法周期公式進行配時。為了保證過飽和交叉口某一進口道在放行期間其他進口道不發生排隊上溯現象，最大綠燈時間為

(3)

(4)

2.2.3 周期時長約束

對于過飽和交叉口來說，如果其信號控制周期較長，那么就會造成延誤超過行人與駕駛員的心理接受范圍，部分行人與駕駛員將會無視信號控制，造成交叉口交通秩序的混亂，降低道路交通的安全性。因此，感應控制的周期時長需要控制在一定范圍，保證交叉口通行的安全性。理論研究和實際交通調查表明，當周期時長達到160 s后，交叉口的通行能力增長幅度將會變小，如果繼續增加周期時長就會導致延誤迅速增加。所以感應控制方案的最大周期時長為160 s。

2.3 基于VISVAP的仿真實現

VAP是交叉口感應控制專用的邏輯編寫語言，為了驗證筆者提出的流量轉移方法的有效性，在VISVAP操作平臺里面對流量轉移方法的工作原理進行編寫，編寫完畢后嵌入到VISSIM中。最終完成的VISVAP程序流程圖如圖8，其中所涉及的控制函數及其含義如表1：

圖8 VISVAP邏輯流程Fig. 8 The logical flow chart of VISVAP

表1 VISVAP控制函數及其含義Table 1 VISVAP control function and its implication

1)相位組

Stage(i)(i=1,2,3,4)：對應圖6的第i相位組。

2)時間條件

NotTgMin_stgi(i=1,2,3,4)：未到第i相位組最小綠燈時間；T1：相位1的綠燈時間已經滿足最小綠燈時間的要求；T2：相位1的綠燈時間已經滿足最大綠燈時間的要求；T3：相位2的綠燈時間已經滿足最小綠燈時間的要求；T4：相位2的綠燈時間已經滿足最大綠燈時間的要求；T5：相位3的綠燈時間已經滿足最小綠燈時間的要求；T6：相位3的綠燈時間已經滿足最大綠燈時間的要求；T7：相位4的綠燈時間已經滿足最小綠燈時間的要求；T8：相位4的綠燈時間已經滿足最大綠燈時間的要求。

3)邏輯條件

Li(i=1,2,…12)為邏輯條件判斷語句：

L1：Presence(D14) or Presence(D33)，表示檢測器組D14、D33至少有一組上方有車輛等待，即東、西直行方向至少有一個方向的車輛排隊溢出檢測點，此時檢測器組D14、D33要求東西直行綠燈啟亮；

L2：(Occupancy(D14)>8.0)or(Occupancy(D33)>8.0)，表示檢測器D14或者檢測器D33的上方在8 s內連續有車輛通過，說明東、西方向直行道路交通需求量比較大，即進口道為擁擠狀態，要求延長東、西方向直行綠燈；

L3：(Headway(D12) >3.5)&(Headway(D31)>3.5)，表示檢測器組D12、D31檢測到兩輛車之間的車頭時距均大于3.5 s，表示東、西直行方向進口道已處于空閑狀態，要求東西直行方向紅燈啟亮；

L4：Presence(D13)or Presence(D34)，表示檢測器D13或檢測器D34上方有車輛在排隊等待，即東、西左轉方向至少有一個方向的車輛排隊溢出檢測點，要求東西方向左轉綠燈啟亮；

L5：(Occupancy(D13)>8.0)or(Occupancy(D34)>8.0)，表示檢測器組D13、D34上方連續8 s均有車輛通過，表示東、西方向左轉進口道為擁擠狀態，要求延長東、西方向左轉綠燈；

L6：(Headway(D11)>3.5)&(Headway(D32)>3.5)，表示檢測器D11和檢測器D32檢測到的車輛車頭時距均大于3.5 s，東西左轉方向紅燈啟亮；

L7：Presence(D23)or Presence(D44)，可參見L1；

L8：(Occupancy(D23)>8.0)or(Occupancy(D44)>8.0)，可參見L2；

L9：(Headway(D21)>3.5)&(Headway(D41)>3.5)，可參見L3；

L10：Presence(D24) or Presence(D43)，可參見L4；

L11：(Occupancy(D24)>8.0)or(Occupancy(D43)>8.0)，可參見L5；

L12：(Headway(D22)>3.5)&(Headway(D41)>3.5)，可參見L6。

3 仿真驗證

選取昆明市青年路與人民路交叉口作為驗證對象，利用微觀交通仿真軟件VISSIM對筆者提出的基于感應控制的流量轉移方法進行驗證。

圖9 青年路-人民路交叉口現狀交通組織示意Fig. 9 Qing Nian Road-Ren Min Road Intersection current trafficsituation

圖9為云南省昆明市青年路與人民路交叉口的現狀交通組織示意圖，該交叉口為十字交叉口，人民路為東西向通行、青年路為南北向通行。對交叉口進行車輛檢測器的布設，分車道實時獲取道路信息，南北進口道長度為50 m，東西進口道長度為40 m。在VISSIM中構建該路網，路段和進出口道的限制車速均為40 km/h。通過實地檢測數據獲得該交叉口高峰小時流量與路段長度如表2：

表2 青年路-人民路交叉口信息Table 2 Qing Nian Road - Ren Min Road intersection information

交叉口現狀的信號相位如圖10，為了保證仿真結果對比的有效性，在進行感應控制時的相位相序將保持一致。

Fig.10 Intersection phase

參照文中的感應式信號控制參數計算方法以及現狀信號配時方案如表3，表4。

表3 感應控制配時Table 3 Actuated signal

表4 現狀信號配時Table 4 Current traffic signal

在VISSIM軟件中對昆明市青年路與人民路交叉口分別進行現狀信號控制仿真與全感應式信號控制仿真，并分別輸入現狀信號配時方案及感應式信號配時方案，將現狀信號配時方案記為方案1，感應式信號配時方案記為方案2，每種方案的仿真次數均為10次，每次仿真運行時間為5 000仿真秒，記錄400～4 000仿真秒的評價參數，然后對兩個方案的仿真結果進行對比，如表5。

表5 仿真結果對比Table 5 Comparison of simulation results

從表5數據可以看出，由于方案一是現狀信號配時方案，交叉口的排隊長度超過了路段長度，車道阻塞嚴重且車輛延誤較大。在采用感應控制方法來對過飽和交叉口進行流量轉移后，交叉口進口道的排隊車輛不會蔓延到上游交叉口，有效維持了交叉口交通的正常運行；高峰時段的車輛通過數為3 823 pcu/h，比現狀信號配時方案(3 564 pcu/h)增加了259 pcu/h；由于設置了動態相位組合，車輛延誤也比現狀信號配時方案降低了10.3%。通過上述分析可知，提出的基于感應控制的流量轉移方法通過轉移交叉口的擁擠車流，能夠緩解交叉口的過飽和狀態，防止交通擁堵的進一步蔓延。

4 結 語

考慮到引起過飽和交叉口進口道發生溢流現象的誘因，引入了轉移流量的定義；為了能夠提高感應式信號控制對于流量轉移的準確性，對過飽和交叉口進行檢測器設置；通過構建現狀信號配時方案與感應式信號配時方案的仿真模型，驗證了基于感應控制的流量轉移方法能夠有效的提高過飽和狀態下平面交叉口的通行效率，并且能夠降低其排隊長度緩解交車口的過飽和狀態；說明基于感應控制的流量轉移方法對于解決高峰時期由于進口道某一流向的排隊車輛而導致的交通擁堵問題具有積極作用。

由于筆者提出的過飽和交叉口流量轉移方法只考慮如何合理調節交叉口的供給能力，并沒有考慮對上游流入下游交叉口的車輛進行交通控制。所以為了更好地解決交叉口在過飽和狀態下的信號控制問題，下一步工作可基于以上分析結果對過飽和交叉口的協調控制進行更深入探討，進而考慮通過協調控制解決過飽和交叉口的流量轉移問題，提高路網的通行效率。