基于人車沖突的右轉(zhuǎn)機動車信號配時優(yōu)化方法

梁春巖,梁 顥,宋 菲,于林慶

(吉林建筑大學(xué),吉林 長春 130118)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展,私家車的比例也越來越高,僅在2020年全國新注冊登記的機動車就達到3 328萬輛,新領(lǐng)證的駕駛?cè)? 231萬人,達到歷史最高水平,由于機動車過多而引起的人車沖突現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重。步行是我國中短距離出行的主要方式,行人成為道路使用者重要組成部分之一。在行人使用其通行權(quán)時,在信號交叉口中主要與右轉(zhuǎn)機動車沖突較明顯,由于右轉(zhuǎn)機動車往往不受信號燈的控制,雖然我國《道路交通管理條例》中明確規(guī)定右轉(zhuǎn)機動車必須禮讓行人,但是在實際與行人的沖突發(fā)生時,右轉(zhuǎn)車的搶行時常發(fā)生,降低了行人過街的安全性,運行效率也大大降低[1-2]。Qureshi的研究說明[3]:只有信號燈的控制才能讓右轉(zhuǎn)機動車禮讓行人。但是,對右轉(zhuǎn)機動車進行紅燈設(shè)置會對右轉(zhuǎn)機動車的延誤[4]產(chǎn)生影響,因此有必要對右轉(zhuǎn)機動車的信號配時方案進行優(yōu)化設(shè)計。

1 右轉(zhuǎn)機動車與行人沖突

在大多數(shù)信號交叉口中,行人的相位一般與同方向行駛的直行機動車相位相同;信號交叉口的右轉(zhuǎn)機動車往往不受紅燈限制,在司機判定安全后可以自由駛出、駛?cè)虢徊婵凇．?dāng)直行相位綠燈起亮,行人開始過街,行人和右轉(zhuǎn)機動車在同時到達人行橫道上的沖突區(qū)域時,便會發(fā)生沖突,道路使用者中行人較弱勢,所以機動車搶行的現(xiàn)象時常發(fā)生,對過街行人的安全造成威脅。在人行橫道上,每個路口的人車沖突區(qū)都有兩個。

當(dāng)右轉(zhuǎn)機動車流量較大時,右轉(zhuǎn)機動車搶行,行人被迫在道路兩側(cè)空白處等待過街;當(dāng)行人流量較大時,右轉(zhuǎn)機動車找不到可穿越間隙,右轉(zhuǎn)機動車駛出停車線,在靠近人行橫道處排隊等待或向過街行人處緩慢滲透式通過[5]。無論哪種情況的出現(xiàn),機動車都會有搶行的行為出現(xiàn)。沖突主要發(fā)生在行人綠燈起亮?xí)r,在紅燈期間排隊等待的行人以“行人群”的方式結(jié)伴過街,此時道路通行權(quán)競爭最嚴(yán)重。因此,有必要對右轉(zhuǎn)機動車進行信號控制,用以緩解人車沖突,提高交叉口過街行人安全性。

2 右轉(zhuǎn)機動車信號配時設(shè)計方案優(yōu)化

以右轉(zhuǎn)即到策劃與行人的沖突為基礎(chǔ),確定右轉(zhuǎn)機動車信號配時方案:在行人群以飽和狀態(tài)過街的時段內(nèi),對右轉(zhuǎn)機動車設(shè)置禁行時長。以十字型交叉口南北相位的南進口為例,相位綠燈起亮以后,由南向北方向過街的行人通過沖突區(qū)。

為了研究的需求,在對右轉(zhuǎn)機動車進行禁行時間分析之前,假設(shè)行人群過街時的人群寬度為人行橫道的寬度,且較整齊的通過沖突區(qū)。建立右轉(zhuǎn)機動車禁行時間[6]算法模型,計算過程如下所示

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Tp1為同向等待過街行人全部通過沖突區(qū)的時間,s;lc為人行橫道上沖突區(qū)域的長度,m;lp1為同向過街行人群長度,m;Vp為過街行人群平均速度,ms;M1為同向過街行人群面積,m2;W為過街行人群寬度,即人行橫道寬度,m;qp為紅燈期間交叉口行人的到達率,人/s;tr為行人紅燈時長,s;Kp為行人群阻塞密度,人m2;t1為行人群完全消散時間,s;Sp為行人飽和流率,人/s。

由于南北方向綠燈相位開始時,對向(北向南)行人群同樣開始通行,但是比南向北方向行人群后通過沖突區(qū)域,可建立北向南方向行人群通過沖突區(qū)域的時間。

計算過程如下所示。

由北向南方向等待過街行人群通過人行橫道沖突區(qū)域的時間為

(5)

式中:Tp2為由北向南方向等待過街行人群通過人行橫道沖突區(qū)域的時間,s;lp2為對向過街行人群長度,m。

式中其他符號意義與上述所述相同。

當(dāng)南北方向綠燈結(jié)束,東西方向綠燈起亮?xí)r,因為右轉(zhuǎn)機動車不受信號燈控制,所以南進口的右轉(zhuǎn)車流將會與東西方向相位的行人流同樣發(fā)生沖突,其沖突區(qū)域也會相應(yīng)的改變。

計算過程如上述所述相同,可得東西相位下,右轉(zhuǎn)機動車的禁行時間。

同理可得其他3個路口右轉(zhuǎn)車流的紅燈時間。

在對實際的信號交叉口的觀測中發(fā)現(xiàn),在兩相位信號交叉口和多相位信號交叉口中,對右轉(zhuǎn)機動車的紅燈時間的設(shè)定會有明顯差別,最主要的一個原因就是由于信號交叉口的幾何尺寸各不相同,人行橫道兩側(cè)的行人群到達沖突區(qū)域?qū)幸粋€時間差(后文中將此時間差用t0代替),而t0的取值情況會很大程度上影響右轉(zhuǎn)機動車的延誤產(chǎn)生影響,進而會影響右轉(zhuǎn)機動車的紅燈時間的設(shè)置。下面分別對兩相位信號交叉口和四相位信號交叉口的t0進行分析。

(1)兩相位信號交叉口

在大多數(shù)兩相位信號交叉口中,實際的交叉口幾何尺寸相對來說都較小,當(dāng)行人流量較大時,經(jīng)常發(fā)生的一種現(xiàn)象就是與直行車行駛方向一致的道路一側(cè)行人并未通過沖突區(qū),而道路另一側(cè)的行人群已經(jīng)到達沖突區(qū),即t0≤0。本文的研究對行人交錯而產(chǎn)生的延誤暫且忽略不計,此時右轉(zhuǎn)機動車的紅燈時間為道路對向過街行人通過整個人行橫道的時間,即右轉(zhuǎn)機動車的紅燈時間為

式中:Tp為右轉(zhuǎn)機動車紅燈時間,s;L為整個人行橫道距離,m。式中其他參數(shù)意義與計算方法同上。

(2)四相位信號交叉口

在大多數(shù)四相位信號交叉口中,實際交叉口的面積較大,如果沒有右轉(zhuǎn)專用車道,信號設(shè)計原理與兩相位相同,這里只探討具有右轉(zhuǎn)專用車道的情況。道路一側(cè)的過街行人群完全通過沖突區(qū)到道路另一側(cè)的行人群到達沖突區(qū)域?qū)泻苊黠@的時間間隔,即在此時的t0>0,由于行人群過街時各個年齡段的行人過街特性不同,在人行橫道較短時,這種單個行人過街特性并不會對整個行人群的過街特性有很大的影響;當(dāng)人行橫道較長的時候,這種過街特性的差異性就會比較明顯,最明顯的差別就是各個年齡段的行人過街的速度不同。此時的行人群就會逐漸消散,分前后相繼到達沖突區(qū)域,對交叉口處的右轉(zhuǎn)機動車的正常行駛不會有較大的影響,因此也不設(shè)置紅燈對右轉(zhuǎn)機動車禁行。此時右轉(zhuǎn)機動車紅燈時間為

Tp=Tp1

(7)

式中各參數(shù)意義上同。

3 實例分析

用Webster延誤模型驗證該右轉(zhuǎn)機動車信號配時方案,Webster延誤模型計算公式如下所示

(8)

(9)

(10)

式中:C為信號周期時長,s;λ為綠信比;x為信號交叉口飽和度;g為有效綠燈時間,s;q為機動車流量,pcus;S為機動車飽和流率,pcus。

選取長春市自由大路和同志街信號控制交叉口為例,該信號交叉口行人相位與同方向直行機動車相位相同,交叉口現(xiàn)有的信號配時方案為三相位,如圖1所示。

首先計算右轉(zhuǎn)機動車信號配時方案設(shè)置前的右轉(zhuǎn)機動車和行人的平均延誤,選用Webster延誤計算模型,需要用到的參數(shù)如表1所示。

表1 信號配時方案設(shè)置前計算延誤所用參數(shù)

計算可得

接下來采用優(yōu)化方案對右轉(zhuǎn)機動車進行信號控制:該交叉口自由大路西進口道和同志街南出口道交匯處有學(xué)校,在學(xué)生放學(xué)即17∶00～17∶30期間行人流量將大大增加,因此首先對交叉口進行渠化設(shè)計,將西進口直右混合車道改成右轉(zhuǎn)專用車道,其他車道屬性不變。然后對右轉(zhuǎn)機動車的紅燈時間進行計算,右轉(zhuǎn)機動車的禁行時段分為兩個時段:第一時段為東西直行相位行人通過同志街人行橫道,第二時段為南北直左相位過街行人通過自由大路人行橫道(忽略左轉(zhuǎn)機動車對行人延誤的影響)。

通過對交叉口的觀測可以看出,該時間段同志街人行橫道由西向東一側(cè)行人較多,由東向西方向行人較少,影響可以忽略不計,僅考慮由西向東一側(cè)過街行人的影響。

該路口人行橫道較長,即t0>0,按照四相位信號控制的原理進行優(yōu)化,因此僅考慮由南向北方向一側(cè)行人群的影響。計算所用的參數(shù)如表2所示。

將參數(shù)數(shù)值代入公式(1)～公式(4)可得,第一時段右轉(zhuǎn)機動車的紅燈時間為8 s;第二時段右轉(zhuǎn)機動車的紅燈時間為6 s,黃燈時間為3 s。交叉口右轉(zhuǎn)機動車優(yōu)化后的信號配時方案如圖2所示。

圖2 交叉口優(yōu)化后的信號配時圖

最后計算優(yōu)化信號配時方案后的行人和右轉(zhuǎn)機動車的延誤。通過Webster延誤計算模型可以看出,改變右轉(zhuǎn)機動車的信號配時方案前后,行人的延誤不變;當(dāng)右轉(zhuǎn)機動車信號配時方案改變后,相應(yīng)改變的右轉(zhuǎn)機動車參數(shù)如表3所示。

表3 右轉(zhuǎn)機動車配時方案后的參數(shù)

計算信號配時后的右轉(zhuǎn)機動車延誤為

將右轉(zhuǎn)機動車配時方案優(yōu)化前后的延誤進行對比分析,如表4所示

表4 右轉(zhuǎn)機動車配時方案優(yōu)化前后的延誤對比表

通過表4的對比可以看出,在渠化設(shè)計之前,右轉(zhuǎn)機動車由于沒有右轉(zhuǎn)專用車道,只能在東西方向直行相位的綠燈時間通行,設(shè)計前后的綠信比大大增加,因此右轉(zhuǎn)機動車進行渠化和信號配時方案的設(shè)計前后右轉(zhuǎn)機動車減少98%的延誤;對行人和右轉(zhuǎn)機動車的總延誤也減少了20%。所以,對右轉(zhuǎn)機動車進行信號配時優(yōu)化,大大降低右轉(zhuǎn)機動車的延誤,同時,很大程度上緩解交叉口右轉(zhuǎn)機動車行人的沖突問題。

4 結(jié) 論

為緩解右轉(zhuǎn)機動車和過街行人沖突現(xiàn)象,并貫徹“以人為本”的信念,對右轉(zhuǎn)機動車進行信號控制用以緩解沖突。在綠燈初期過街行人會以“群”的形式通過沖突區(qū)域,行人群中沒有可供右轉(zhuǎn)機動車穿越的間隙,沖突率達到最大,因此采用行人群通過沖突區(qū)域的時間來決定右轉(zhuǎn)機動車的禁行時間。分別針對兩相位和四相位信號控制交叉口,建立右轉(zhuǎn)機動車禁行時間計算模型,最后,以長春市實際交叉口為例,用Webster延誤模型對優(yōu)化方案進行驗證,結(jié)果表明,交叉口總延誤降低20%,同時在很大程度上緩解了右轉(zhuǎn)機動車與行人之間的延誤。