混合交通環(huán)境下信號交叉口的優(yōu)化設計

申鑫澤 方筱睿 李昆

摘 要：交叉口是城市路網(wǎng)的重要節(jié)點，限制著交通系統(tǒng)的通行效率，混合交通環(huán)境下交叉口的運行更為復雜。為提升混合交通環(huán)境下交叉口的服務水平，本文從時空方面討論了交叉口的信號配時與車道劃分，并根據(jù)西安市尚苑路與草灘一路交叉口的實際調(diào)查，對該路口進行分析與優(yōu)化，利用VISSIM進行優(yōu)化前后的交通仿真。仿真結果表明，優(yōu)化后交叉口的信號周期縮短了20 s，車均延誤降低了1.2 s，而且最長排隊的長度得到顯著減小。

關鍵詞：交叉口;配時優(yōu)化;車道劃分;交通仿真

中圖分類號：U491文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0122-03

Abstract： Intersection is an important node of urban road network， which limits the traffic efficiency of the traffic system， the operation of intersection is more complex in the mixed traffic environment. In order to optimize the service level of the intersection with the mixed traffic environment， the paper discussed the signal timing and lane division of the intersection from the aspect of time and space， and analyzed and optimized the intersection based on the actual investigation into Shangyuan Road and Caotan No.1 Road in Xi'an， and carried out the traffic simulation before and after the optimization by using VISSIM. The simulation results show that the signal period of the optimized intersection is shortened by 20 s， and the average vehicle delay is reduced 1.2 s， and the length of the longest queue is significantly reduced.

Keywords： intersection;timing optimization;lane divided;traffic simulation

在我國城市交通系統(tǒng)中，未設置機非物理隔離的道路非常普遍，混合交通流廣泛存在于城市路網(wǎng)中，并在信號交叉口處匯聚，混行特征顯著。城市交叉口通行能力有限，當非機動車較多時，其趨于涌向機動車道，占用機動車的行駛空間，干擾車流速度，降低道路的通行能力，影響了交通系統(tǒng)的運行效率;而在非機動車較少時，機動車為尋求更多的行駛空間將伺機逼近甚至駛入非機動車道，擾亂了道路的交通秩序，威脅著出行者的安全。為優(yōu)化交叉口的性能，王曉安等[1]通過對典型四相位信號控制交叉口的分析，提出了時間優(yōu)化與空間優(yōu)化相結合的交叉口優(yōu)化模型。同時，借助交通仿真來對交叉口進行優(yōu)化的研究也進一步發(fā)展[2]。石俊剛等[3]通過分析信號交叉口的車道劃分對安全的影響，基于交叉口的時空約束，建立了以信號交叉口最小危險度為目標的優(yōu)化模型。而以車輛延誤、停車次數(shù)等為目標建立的交叉口的多目標優(yōu)化模型也被廣泛討論[4-5]。

在混合交通環(huán)境下，本文通過對交叉口信號配時與車道渠化的分析，從時間與空間方面討論了平面信號交叉口的優(yōu)化方案，并以西安市尚苑路與草灘一路交叉口為例進行了研究。

1 空間優(yōu)化

1.1 車道功能劃分及變更

劃分不同的車道功能是為了在不同的車道合理有序地組織不同方向與不同大小的交通流。車道的功能劃分需要根據(jù)道路寬度和不同方向進口道的交通流大小來確定。例如，左轉交通量比較大時，可通過設置專用左轉車道，并根據(jù)需要配合專用的左轉相位來減少左轉與對向直行交通流的沖突，同時直行車的通行效率將會降低。

在優(yōu)化信號交叉口時，為提高通行效率，減少交通沖突，往往需要進行車道功能的變更。例如，當交叉口某進口道的直行交通量遠大于其右轉交通量時，可考慮將專右車道變更為直右車道，以滿足該方向的直行需求，提高交叉口的通行效率。同樣，當右轉交通流較大時，可將直右車道變更為專右車道，并取消紅燈相位下車輛右轉的限制，保證右轉交通流連續(xù)地通過交叉口。

1.2 設置左轉待轉區(qū)

為減少左轉車輛對直行車輛的干擾，可設置左轉待轉區(qū)，配合專用左轉相位完成左轉。左轉車輛準備轉彎時，在直行車流的信號為綠燈時，可以提前進入交叉口的左轉待轉區(qū)停車等待，待左轉信號燈變?yōu)榫G燈時，才可以繼續(xù)行駛完成轉彎。左轉車輛提前駛入左轉待轉區(qū)不僅可以使駕駛員獲得更好的視線，還減少了左轉車輛通過交叉口的時間，提高了通行效率。

2 時間優(yōu)化

2.1 混行交通下流量比的確定

在交叉口機非混行現(xiàn)象較為嚴重時，為滿足非機動車的行車需求，可以在傳統(tǒng)的交叉口配時方法上考慮非機動車流量對信號燈相位的影響，即結合機動車與非機動車共同的通行需求，配置優(yōu)化的信號周期。

同時考慮機動車與非機動車的交叉口信號配時，須對非機動車流量對相位時間產(chǎn)生的影響進行考慮。因此，機動車與非機動車的共用考慮的信號配時中，最大流量比[Y]可由式（1）確定：

3 案例分析

3.1 交叉口數(shù)據(jù)采集

尚苑路與草灘一路交叉口位于西安市北郊，為一典型的兩相位信號控制交叉口。其機動車道與非機動車道之間無物理隔離設施，具有明顯的混合交通特性，其車道分布如圖1所示。據(jù)調(diào)查，該交叉口為兩相位信號控制，信號周期為78 s;其中，南北向綠燈時長約為20 s，東西向約為50 s。

選取某工作日對交叉口進行交通調(diào)查，可得其晚高峰的小時流量。其中，以西進口交通量較大，為車流的主要來源，機動車流量達1 462 pcu/h，占交叉口總機動車流量的54.2%。而西進口的機動車中又以直行最多，占其總流量的86.9%。東進口直行與左轉交通量相近，分別為383 pcu/h與322 pcu/h。南、北向進口的各向車流量均較小，以南進口左轉車最多，為138 pcu/h。非機動車較少，共928 veh/h，各向流量分布與機動車類似。

3.2 交叉口的延誤計算

利用VISSIM對交叉口進行仿真與節(jié)點評價，可知該交叉口的平均延誤為16.4 s，服務等級為B。根據(jù)仿真可知，在交叉口的直左讓行規(guī)則下，西進口的直行交通流將嚴重影響東進口大量左轉車的通行效率，造成其排隊較長，延誤較大。

3.3 交叉口的優(yōu)化與評價

通常，直左與直右車道上的直行車會因轉向車流的干擾存在產(chǎn)生較大的延誤。根據(jù)調(diào)查可知，西進口的左轉車數(shù)量并非很多，而其直行車所占比例卻達到86.9%，交通需求遠大于其他兩個方向。因此，在保證交叉口各向進出口道數(shù)量不變的前提下，可考慮將原交叉口西進口的專左車道改為直左車道，以提高直行方向的通行能力。

對東進口道而言，因其左轉交通流較大，可將原有的直左車道改變?yōu)閷Ｗ筌嚨溃苊馄渑c該向直行車的互相干擾。另外，因其右轉交通流較小，為提高直行車流的通行效率，可以保留原有的直右車道;為便于組織，也可考慮將直右車道變更為專右車道，使右轉車輛能夠連續(xù)通過，以減少其延誤。利用Synchro對交叉口的信號配時進行優(yōu)化，得到配時方案，如表1所示。

同樣，利用VISSIM對優(yōu)化后的交叉口進行仿真與節(jié)點評價，可得其延誤，如表2所示。

經(jīng)計算，優(yōu)化后交叉口的平均延誤為15.2 s，相比原先提高1.2 s。通過仿真發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化配時和車道劃分后，西進口的直左車道同時分擔了部分的直行車流，提高了其通行效率。此外，信號周期由78 s縮短為50 s后，東進口左轉的排隊車輛可更充分地利用黃燈時間進入交叉口，以減小排隊長度，降低延誤。

4 結論

交叉口作為城市道路網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點，對交通流的集散起著至關重要的作用，是城市交通系統(tǒng)的瓶頸。為解決混合交通環(huán)境下交叉口的通行效率問題，本文分別從時間和空間方面對平面信號交叉口的優(yōu)化進行了討論，并通過實地調(diào)查，對西安市尚苑路與草灘一路交叉口進行了分析與優(yōu)化。通過對該交叉口的仿真結果可知，該優(yōu)化方案降低了交叉口的車均延誤，提高了其通行效率。

參考文獻：

[1]王曉安，熊堅，郭鳳香，等.典型四相位信號交叉口交通組織優(yōu)化應用研究[J].科學技術與工程，2010（23）：5818-5822.

[2]雍安娜，朱海笑，馬欣.基于VISSIM仿真的交叉口信號控制優(yōu)化方法研究[J].交通科技與經(jīng)濟，2015（1）：73-77.

[3]石俊剛，楊靜，王鳳麗.基于交通安全的信號交叉口車道功能優(yōu)化模型[J].公路工程，2017（2）：71-75.

[4]Kesur K B.Multi-objective Optimization of Delay and Stops in Traffic Signal Networks[C]//Metaheuristics in Water，Geotechnical and Transport Engineering.2013.

[5]趙靖，周溪召.基于車道控制的交叉口流向及信號組合優(yōu)化模型[J].計算機應用研究，2016（11）：3284-3288.

[6]徐吉謙，陳學武.交通工程總論[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016.