考慮借助逆向車道設置可變車道的多時空優化設計

紀祥龍 許佳佳 鳳鵬飛 張曉祥 黃夢晴 李奎 朱立宇

摘? ? 要：為了改善城市道路交叉口的通行效率，設計了一種借助逆向車道設置可變車道的方法。通過在不同時段變換可變車道的通行狀態，結合優化參數的韋伯斯特模型，使得路口每信號周期內延誤和通行能力達到最優。以合肥市金寨路與繁華大道為例，借助軟件VISSIM進行仿真，并設置道路仿真條件與優化信號配時。仿真結果表明：優化方案能提高道路的通行效率、減少延誤與排隊長度;逆向可變車道設置情況下，西進口道左轉平均周期延誤減少了14.95%、排隊長度縮短了38.59%;在逆向可變車道不變情況下對其進行優化配時后，西進口道左轉平均周期延誤減少21.08%、排隊長度縮短了63.15%。

關鍵詞：逆向可變車道;交叉口延誤;多時空優化;VISSIM仿真

中圖分類號：U491? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2021）02-0034-07

為了提高城市道路的通行效率，保障城市的交通安全，城市道路被進行了不同的功能分區;尤其是在交叉路口，功能分區更為復雜。可是，隨著城市車輛保有率的逐年增長，早晚高峰時段有規律的擁堵問題越來越嚴重，一成不變的道路功能分區反而在這個時候明顯降低了道路的空間利用效率，加重了擁堵程度。

為此，國內外學者基于車流流量的特點，提出在交叉路口區域設置逆向可變車道，來提高特定時段該區域的通行效率，從而緩解城市的交通擁堵。Hausknecht等[1]構建了一個整數線性規劃模型，做到了對可變車道的優化;Li等[2]對主干道潮汐車道的信號控制實現方法進行了優化研究;Wang等[3]以車輛通過能力最大為目標，建立了可變車道的優化模型;張野、袁振洲[4]提出針對左轉車道靜態和動態條件來設置可變車道，并通過軟件仿真得出左轉車流的延誤得到有效降低;劉洋等[5]針對設置逆向可變車道的適用條件進行了研究，并對其進行規范化定義;劉怡等[6]在設置逆行可變車道的基礎上，借助VISSIM軟件進行仿真驗證，表明設置該車道可有效緩解左轉相位的交通擁堵;孫鋒等[7]針對國內常見的平面交叉路口，提出通過構建逆向可變車道與信號優化協同算法來緩解道路擁堵。

上述研究對于緩解交通擁堵起到了一些作用。本文在此基礎上，提出逆向可變車道與交通信號燈相結合的優化設置方法，力求解決左轉相位過飽和狀態下交叉路口的通行問題。

1? 逆向可變車道的設計

1.1? 逆向可變車道的設置

隨著城市中商業中心的興起和早晚通勤高峰的存在，使得道路上某一方向或某一時段的車流產生較大的壓力。如在城市道路的交叉路口，經常會出現左轉車流因避讓對面直行車流而導致通行受阻，轉彎等候車輛不能排空，只能在下一周期排放的情形（信號燈的相位按照主路直行、主路左轉、次路直行、次路左轉四相位為一周期）。鑒此，提出一種借助對向車道設置逆向可變車道左轉待行區，以緩解左轉方向的交通壓力，設置方案如圖1所示。

在逆向可變車道的開口處設置預信號裝置，通過傳感器監測車流的密度，結合信號周期狀態，確定是否開啟逆向可變車道。通過設置限定清空時間和提前轉換時間，對左轉車輛進行合理分流，從而減少左轉車輛擁堵，提升交叉路口總體通行效率。

1.2? 逆向可變車道的清空時間

進入逆向可變車道的車流必須在左轉專用相位結束前清空，且當車輛駛入該車道時也需提示可用時間，故提出逆向可變車道車輛清空時間為：

式中：[ts]表示逆向可變車道車輛清空時間;[l]表示逆向可變車道的長度;[v]表示左轉車道穩定行駛的平均速度;[a]表示車輛的加速度;[v2]表示車輛駛入逆向可變車道的初始速度。

根據研究[8]，交叉路口逆向可變車道的設置與其它車道渠化長度基本相同，為40～60 m。當渠化長度為40 m、50 m、60 m時，根據公式（1）可以算得，逆向可變車道車輛清空用間分別為6 s、7 s、8 s。當左轉相位即將結束時，需開啟提示燈對車輛進行分離引導。可在同向直行與左轉車道分流處設置超聲波傳感器，當左轉車輛排隊達到極值時開啟逆向可變車道。

1.3? 逆向可變車道的通行能力

設置逆向可變車道并在該車道開啟時，左轉相位的通行能力會增大，其通行能力計算公式為：

式中：[p]表示逆向可變車道的通行能力;[ci]表示左轉相位的有效綠燈時間;[c]表示信號燈總周期;[q]表示經過修正后的左轉車道飽和流量;[s]表示清空車輛的安全時間。

1.4? 優化設計與指標驗證

由于設置逆向可變車道后，飽和流量等交通參數將發生變化，因此可通過VISSIM軟件進行仿真，并對該方案作進一步優化，具體過程如下：

（1）收集交叉路口現有的交通參數，利用大車率、車道寬度、道路坡度等，對交通參數進行修正[9]。數據收集采用現場調研的方法，每個進口道安排3人，對時段內各相位車輛排隊數、通過數及調研表其他參數進行統計。各進口道的總延誤與平均延誤表示為：

式中：[D]表示總延誤;[15]表示計算延誤的單位間隔;[q]表示各相位車輛排隊數量。

式中：[D1]表示各進口道平均延誤;[q1]表示時段內各進口道通過車輛數。

（2）利用收集的數據對直行與左轉車輛的占比進行分析，在考慮變換車道屬性及清空車輛的條件下，運用VISSIM軟件進行仿真，并將其結果與交叉路口的真實情況進行比對，從而評價逆向可變車道設置的效果。

（3）在設置逆向可變車道的情形下，通過對信號燈重新配時優化通行方案。

基于所收集數據，結合道路寬度、坡度、大車率等因素，對道路基本飽和流量進行修正，求出各車道的實際飽和流量;確定各方向的最大流率比為：

式中：[y1]表示南北直行最大流率比;[y2]表示南北左轉最大流率比;[y3]表示東西直行最大流率比;[y4]表示東西左轉最大流率比;[Y]表示各方向最大流率比之和。

確定四相位最佳周期為：

式中：[c0]表示最佳周期;[l]表示各相位損失時間之和。

確定各方向綠燈時間為：

式中，[Gei]表示各方向直行或左轉的綠燈時間。

根據以上公式，可得到各指標優化后的配時參數，在此基礎上重新構建仿真交通模型;利用VISSIM軟件進行仿真，并采用延誤等指標對優化的效果進行評價。

2? ? 實例驗證

以合肥市金寨路與繁華大道交叉路口為研究對象，采集該區域一個月內每日17：00～19：00晚高峰時段的交通流數據;在該路口設置逆行可變車道，并采用韋伯斯特配時參數進行優化設計方案。

2.1? 交通調查

該交叉路口的平面圖如圖2所示，原有信號配時及各相位相序如圖3、4所示。基于大車率、車道寬度、車道坡度等參數，修正該路口各進口道的通行能力、直行及左轉流量（見表1）。

為了突出繁華大道西北、東南方向左轉車流的擁堵情況，其交通量采用高峰時段左轉周期車流量來表示，其余各進口道按照實際交通量統計。在此基礎上，進行逆向可變車道設計與信號燈配時的優化。繁華大道20 h左轉高峰期車流量周期如圖5所示。

從表1可明顯看出，西進口道直行、左轉交通量的差異最小，但通行能力與其他口道相差較大，且左轉流向車輛長期存在排隊擁堵現象，表明該口道的直行與左轉相位設計存在問題。圖5顯示，繁華大道西進口高峰周期左轉流量普遍高于600 pcu/h，已超過其通行能力。下面通過設置逆向可變車道與信號燈優化對西進口左轉通行能力與延誤進行改進。

2.2? 逆向可變車道設置與信號燈優化方案

設置逆向可變車道需對現有交通信號燈進行相序轉變，將左轉與直行的相序調整，防止出現直行與逆向可變左轉車道產生沖突點，具體設計如圖6所示。圖6顯示，設計時將左轉相位置于直行相位之前，可有效緩解設置逆向可變車道與對向直行方向車流的沖突，既有利于逆向可變車道的實施，又有利于行車的安全。通過VISSIM仿真軟件搭建逆向可變車道仿真模型，對設置效果進行評價，仿真圖形如圖7所示。

在設置逆向可變車道的基礎上，結合韋伯斯特模型對該路口的信號配時進行優化，優化配時參數如表2所示。根據表2中信號燈配時優化參數對信號燈進行重新分布，并運用VISSIM軟件進行仿真（見圖8）;進一步通過VISSIM軟件中延誤、排隊長度等指標對仿真效果進行評價（見表3）。分析表3可知：在設置逆向可變車道的情況下，西進口道左轉平均周期延誤減少了14.95%、排隊長度縮短了38.59%;設置逆向可變車道并對道口信號燈配時優化后，西進口道左轉平均周期延誤減少了21.08%、排隊長度縮短了63.15%。可見，在該路口設置逆向可變車道并進行信號配時優化，可以有效緩解其車流擁堵情況。

3? ? 結語

針對典型交叉路口左轉車道設置逆向可變車道，以保證安全、提高效率為前提和目的，通過建立不同的模型來驗證其有效性。研究表明，設置逆向可變車道，并結合道口信號燈配時優化，可以有效提高交叉路口左轉車輛的通行效率。該研究可為智慧城市建設提供有益參考。

參考文獻：

[1] HAUSKNECHT M， AU T C， STONE P，et al. Dynamic lane reversal in traffic management[C]// IEEE. Proceedings of the 14th IEEE ITS Conference （ITSC 2011），Washington，D. C.，USA，2011：1929-1934.

[2] WANG J， DENG W. Optimizing capacity of signalized road network with reversible lanes[J]. Transport，2018，33 （1）： 1-11.

[3] LI X， CHEN J， WANG H. Study on flow direction changing method of reversible lanes on urban arterial roadways in china[J] Procedia-Social and Behavioral Sciences，2013，96（6）：807-816.doi：10.1016/j.sbspro.2013.08.092.

[4] 張野，袁振洲.信號交叉口左轉專用可變車道設置研究[J].交通信息與安全，2014，32（4）：26-30.

[5] 劉洋，顧金剛，盧健，等.借道左轉交通組織適用條件及管理設施設計研究[J].中國公共安全（學術版），2018（4）：80-86.

[6] 劉怡，常玉林，毛少東.設置逆向可變車道的交叉口信號配時優化研究[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2018，32（10）：40-46.

[7] 孫鋒，焦方通，馬曉龍，等.交叉口逆向可變車道與信號配時協同優化方法[J].公路交通科技，2019，36（11）：83-89.

[8] 焦方通.基于多源數據的逆向可變車道動態控制方法[C].淄博：山東理工大學，2018.

[9] 紀祥龍，石爽，曹歡，等.一種信號燈優化配時算法[J].淮陰工學院學報，2020，29（1）：27-31.

責任編輯? ? 祁秀春