平面交叉口優化設計研究及發展綜述

程可

摘 要：隨著小汽車保有量的增加，城市道路交通量大幅增長，平面交叉口作為城市道路中各類交通流的集散地。我國城市道路網中存在一部分間距過小的交叉口群，這些交叉口群周邊環境復雜、道路功能結構紊亂，存在較多沖突點，極大地影響了道路整體通行能力。本文從平面交叉口渠化設計與信號控制出發，總結和評述以往對平面交叉口優化設計的研究，并提出新型交叉口的設計方式，為研究方向提供一定思路。

關鍵詞：平面交叉口;渠化設計;信號控制;新型交叉口

0 引言

針對平面交叉口上述問題，最早提出交叉口渠化設計方法，渠化設計可以有效解決城市道路交通擁堵，提高行車速度和通行能力。但是，在城市交通網絡中，某個交叉口的交通狀態很大程度上受到相鄰交叉口的影響，因此許多學者致力于研究由多個交叉口組成的交叉口群信號控制問題，這是對整個交通網絡實施控制的基礎。

1 平面交叉口信號控制

1.1 國外研究現狀

交通信號控制技術主要經歷了4次重要的發展階段，從最初的機械式到固定配時式，再到線控和區域交通控制技術，國外的研究都較為領先。1964年Gazis對平面交叉口交通流進行分析，提出了優先考慮延誤的信號配時方法，Khatib構思了一種綠信比優化模型，可使路網通行能力最大化，以此緩解路網中車輛擁擠狀況。2015年David K.Hale等人提出了孤立信號交叉口的最優信號配時。

1917年，美國鹽城應用了世界上第一個手動控制的干線控制系統，可以同時控制6個交叉口。1994年，美國ITS研究室的Rekhas.Pillai和Ajay K.Rathi提出了在支路有限的交通系統中得到最大線控帶寬的方法，并介紹了一種獲得最大帶寬的啟發式的方法MILP（Mixed Integer Linear Progamming）的形成和發展過程，以及基于MILP的MAXBAND線控軟件的優缺點，并提出了改進方法。1999年日本研究者Inoue和Takeshi仿真了交通狀況，并用事件掃描法評價信號設計方案，研究了在高峰時段擁擠狀態下信號協調控制系統相位差的設計方法。2001年美國學者Abbas和Moniasis提出了一種交通信號相位差的轉換運算方法，在優化過程中考慮交通量和占有率影響，該方法與傳統信號協調控制系統有較好的兼容性。2015年Mike Smith提出了一種動態分配和控制模型，該模型可以計算階段性綠燈時間。2017年S.M.A. Bin Al Islam等學者以串聯街道網絡為研究對象，提出了分布式協調的信號優化方法。隨著智能交通系統的發展，智能優化算法也應用于交通信號協調控制中，其中很有價值的研究方法是利用開發自適應動態規劃（ADP）和增強學習（RL）方法來優化復雜動態系統的性能。該研究得到了越來越多的關注，Ling等人研究了通過多個強化學習（RL）對一系列連續信號交叉口進行操作，從而實現自動的有軌電車群控。Salkham等開發了一種用于城市環境中最優交通控制的協同強化學習方法。

1.2 國內研究現狀

國內學者在平面交叉口信號控制研究上也取得較好成果。1998年顧懷中與王煒針對我國城市道路平面交叉口的交通流特性，提出了以延誤時間、停車次數和通行能力為優化目標函數的模擬退火全局優化算法，能根據交通需求調整目標函數，以適應平面交叉口的混合交通特性[1]。2003年葛亮等人基于我國城市交通特點，在現有的信號相位設計基礎上，計算各方向車流的延誤，并以計算出的延誤為優化目標，研究了混合交通情況下相位設計方案，提出了多相位控制的信號配時優化方法[2]。高海軍、陳德望、陳龍考慮到我國道路上非機動車輛較多，改進了Webster信號配時公式，提出適合我國的平面交叉口信號配時計算公式[3]。2005年楊兆升與王爽闡述了平面交叉口單點信號配時設計的方法流程，以及各種交通信號配時參數的確定方法、標準及依據，并將其應用于實際的交叉口，在已有的配時方案基礎上，設計了多個適用于不同時段的新方案，并利用Vissim進行仿真模擬，從仿真的結果中選擇適當的參數進行綜合比較，最終選出最佳方案[4]。2007年北京交通大學邵春福、陳曉明闡述了行人定時信號控制研究的方法，給出行人信號配時設計步驟，促進了行人信號控制研究的發展[5]。

我國在交叉口群的信號協調控制研究上也有新的進步。雷磊等人在2010年提出基于系統工程的方法，構建了過飽和交叉口群系統優化數學模型，并提出了求解方法以實現優化目標，從而建立群系統的全局最優化[6]。2011年牟海波、俞建寧以交叉口群為研究對象，提出了模糊控制器和特殊情況控制器組成的分布式控制系統，通過系統仿真，說明了該系統在不同情況下能夠適應交通流的變化[7]。

2 新型平面交叉口

近幾年，學者意識到左轉車輛會顯著降低交叉口通行能力，由此提出一些非常規平面交叉口設計來試圖轉移或消除左轉彎的沖突。2011年Xuan等學者提出了串聯交叉路口（TI），在入口道處將左轉車輛和直行車輛分別排成一排，因此在綠燈時間內每種交通流都可以使用所有車道。

這些非常規平面交叉口設計可以增加交叉口通行能力，但是需要額外的土地來設置子交叉口和預信號，此外，子交叉口和預信號將增加車輛的停車時間和延誤時間。為了改善這些問題，2018年Sun等學者提出了自動駕駛車輛在交叉口的通行方案，稱為MCross，這是基于信號控制的最大通行能力交叉口方案。由于自動駕駛的推廣仍需時間，于是2019年Li提出了對稱相交（SI）的概念，車輛遵循左轉交通規則并在左側行駛，SI僅需要三個信號相位來分離所有沖突，因此，當信號周期長度相同時，對稱交叉口可為左轉車輛和直行車輛提供更長的綠燈時間。Jiang在2017年提出直行等待區域（TWA），將SI的特殊布局變得更加容易，TWA位于停車線之外，可作為專用直行車道的延伸，可以增加單位時間內交叉口的直行車輛量。

3 現狀評價與未來發展

3.1 研究現狀評價

對比國內外研究現狀，國外在各個方面的研究相對領先國內，我國在國外研究的基礎上進行深入研究，創建出適合我國國情的方法、指標、模型、原則等，在未來將不斷的進行改善和創新。

對于平面交叉口渠化設計，國內考慮交通流特征后采用幾何設計、渠化設計以及交通組織設計等優化方法，對影響交叉口通行能力的因素進行匯集，構建多目標動態決策優化模型。但是，由于影響因素較多，很多模型并不能全面包含。而且渠化設計在土地資源緊張的情況下，可能需要占用額外的土地資源，導致效果并不明顯，不能滿足不斷增長的交通需求，由此需要在交叉口規劃時預留一定的改建擴建空間。并且國內外基本是針對單個交叉口或距離較近的兩個錯位交叉口的渠化設計，基本上沒有針對區域內的平面交叉口做整體渠化設計。

針對交叉口群的研究，國內外現有的交叉口群信號協調控制的理論和方法比較全面，對于城市交通的管控起到了正向作用，在很大程度上提高了道路通行能力，減少了車輛的延誤并降低擁堵的幾率，學者提出的各種信號優化算法都在不斷的改進和優化中。但目前僅針對距離較近的已有的交叉口整體進行優化研究，沒有在道路規劃設計階段進行整體研究。所以在今后的城市道路發展建設中，應當在規劃階段將信號協調控制的思想融入其中，對一條線路或一個片區的平面交叉口進行協調控制，提高道路網的通行能力和服務水平，增強交叉口之間協調聯動性，減少交通擁堵帶來的不便利。

對于現提出的新型非常規平面交叉口，能夠有效減少交叉口功能區內的沖突點和交織區，提高交叉口安全性能的同時緩解交通擁堵，但是新型交叉口的設計存在以下問題：（1）大多新型交叉口可能需要更多的土地來設置子交叉口、分隔帶等;（2）在新型交叉口中存在復雜的車道變道問題，會帶來一定的混亂;（3）子交叉口和預信號的設置將增加車輛的停車時間和交通延誤。

3.2 未來發展趨勢

上述存在的不足即可成為未來研究的方向，在此提出其它新的交叉口研究趨勢：（1）平面交叉口中車輛與行人之間的關系，尤其是行人安全過街和行人過街延誤問題;（2）公交車在城市的公共交通系統中必不可少，因為其行駛速度較低且車型較為龐大，在平面交叉口中運行將帶來一定阻礙影響，尤其當平面交叉口附近有公交站點時，如何規劃公交車的行駛路徑和乘客過街等問題將越發重要;（3）新型非常規交叉口設計會因特殊布局而使駕駛員駛入交叉口時感到困惑，但是自動駕駛汽車將克服這一缺點，因此，當自動駕駛逐漸普遍時，在平面交叉口設計信號控制及處理自動駕駛車輛的行駛軌跡將成為新的研究熱點。

參考文獻：

[1]顧懷中，王煒.交叉口交通信號配時模擬退火全局優化算法[J].東南大學學報，1998（3）：70-74.

[2]葛亮，王煒，陳學武，等.信號控制交叉口配時優化研究[J].交通與計算機，2003（5）：7-10.

[3]高海軍，陳德望，陳龍.混合交通流環境下信號配時研究[J].公路交通科技，2003（4）：80-83+91.

[4]楊兆升，王爽.基于Vissim仿真軟件的交通信號配時研究[J].交通與計算機，2005（1）：7-11.

[5]邵春福，陳曉明.信號交叉口行人定時控制方法研究綜述與展望[J].交通運輸系統工程與信息，2007（5）：18-23.

[6]雷磊，吳洋，劉昱崗.過飽和交叉口群系統建模及優化模型[J].計算機工程與應用，2010（4）：26-28.

[7]牟海波，俞建寧.城市交叉口群交通信號控制研究[J].蘭州交通大學學報，2011（6）：106-110.