一種環形交叉口“左轉兩步”信號控制的新方法

郭瑞軍,高中傳

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)

20世紀80年代,我國借鑒國外經驗在城市中心建設了許多大型環形交叉口,在過去機動車保有量低的情況下,車輛能夠有序駛出環島。現如今機動車大量涌入環形交叉口,當車流量大于傳統環形交叉口的調節能力時,則會導致整個環形交叉口出現“鎖死”狀況。針對環形交叉口擁堵問題,人們對環形交叉口的信號控制方式進行了研究,信號控制方式包括單重信號控制和雙重信號控制。

單重信號控制方式大多采取對稱式放行,并未完全分離沖突車流,對于此控制方式的研究主要集中在信號配時參數優化方面。為了分離不同沖突車流,避免環道內車輛沖突,楊曉光等[1]首次提出了大型四支路環形交叉口“左轉兩步”控制方法,并應用于廈門市蓮坂環形交叉口,并取得了良好的效果。之后許多學者也對此控制方法的可行性與適用性進行了研究,并在此控制方法之上對相位銜接、相序、配時參數做出了諸多優化。Yang等[2],薛昆等[3]針對環型交叉口各流向的不對稱性,以環形交叉口各流向飽和度均衡為優化目標,提出了基于非對稱性的環形交叉口優化控制方法。馬瑩瑩等[4]以十字環形交叉口內部各股車流的潛在沖突點和車輛啟動形成的啟動波為依據,給出了不同相位綠燈間隔時間的計算方法。劉澤[5]改進了“左轉兩步”控制方法,提出了各進口道輪流放行相位重疊方法,構建了相位重疊時間的計算模型,建立了環形交叉口高飽和交通狀態下的周期時長優化模型并分析了其適用條件。Ma等[6]提出了一種基于雙環方案的環形交叉口信號優化模型,考慮了周期長度最小化問題來生成環形交叉口的最優信號定時。Ma等[7]基于雙環方案的環形交叉口信號優化模型,提出了能夠同時確定信號環形交叉口車道標線和配時的綜合優化模型,并通過案例驗證了此模型具有很好的應用前景。管翔等[8]針對環形交叉口在非對稱流量下的環道,利用不均衡問題進行了進口道流量優化,并提出了一種在流量差異的情況下,利用環道空間提前放行車流的方法。馬新露等[9]提出了多進口協同放行的信號控制方法。也有學者從各股車流沖突、儲存車道容量、每周期儲存左轉車輛數等方面給出了新的配時方法。劉燦齊[10]提出了一種基于沖突分析的環形交叉口信號周期計算方法。Chen等[11]提出了一種基于左轉隊列長度約束的環形交叉口信號配時方法。Murat等[12]提出了一種城市多車道“左轉兩步”控制環形交叉口的信號定時程序,加入了附加時間以及信號配時校準系數,利用迭代的計算方法求出最佳周期,并減少了車輛延誤。此外,不少學者在環形交叉口通行能力[13-14]、儲存車道[15]、交通排放及燃油消耗量[16]、儲備通行能力和交織區域交通流特性[17-18]等方面也做了相關研究。本文為改善“左轉兩步”控制方式中左轉車輛的通行效率,提高時空資源利用率,在避免各車流沖突的前提下,以四支路環形交叉口作為研究對象,對此控制方法的相位相序進行設計,分析環道二次左轉車流運行特征,并結合實際左轉車流給出了新的配時方法。為更精確地計算周期時長和環道綠燈時長,本文結合實際左轉車流量以及運行特征,設計了相位相序圖,給出了基于左轉車流儲存時長的配時方法,并分析了3種配時方法中各參數的計算原理。

1 環形交叉口“左轉兩步”控制簡述

“左轉兩步”控制法需在進口道處及環道內設置左轉專用車道,將左轉車流單獨分離出來,并分別受兩次信號控制后,方可駛出環島。即在進口道設置第一停車線、左轉專用信號燈及直行專用信號燈;在環道各進口道左轉車流與對向進口道左轉車流沖突點前保持一定安全車距,設置第二停車線及專用左轉信號燈,環形交叉口“左轉兩步”控制交通設計圖,見圖1。

圖1 環形交叉口“左轉兩步”控制交通設計圖

“左轉兩步”控制是為了避免各車流沖突,使左轉車流有序駛出環島。其中國內比較成熟的配時方法為楊曉光配時方法[1-3],國外配時方法為Cakici配時方法[12]。楊曉光配時方法注重二次左轉車輛的釋放,以此為依據來計算環道周期時長,并根據非對稱流量對配時參數進行了優化,以下簡稱Yang方法。Cakici配時方法考慮到每周期進入儲存車道的左轉車輛數,根據實際情況,加入了附加時間及信號校準系數來優化配時參數,并利用迭代的思想求出總周期,以下簡稱Cakici方法。

Yang方法總周期根據每周期駛入環道左轉車輛數迭代求出,根據進口道直行綠燈時長計算原理,會出現進口道左轉綠燈時長較小的情況。Cakici方法周期值隨流量改變,綠燈時長較大,會出現每周期駛入環道左轉車輛超過儲存車道容量的情況。兩種方法都可能存在以下結果:環道二次左轉車流較大時,二次左轉車輛不能完全釋放。

2 基于左轉車流儲存時長的配時方法

2.1 相位相序設計

在兼顧環形交叉口幾何特征、時空資源利用、環道相位與進口道相位的銜接關系以及配時計算復雜程度的同時,采取對稱放行的控制方式,針對四支路環形交叉口左轉交通流量不對稱的情況設計了基于NEMA相位的環形交叉口“左轉兩步”控制相位相序圖,見圖2。

圖2 環形交叉口“左轉兩步”控制相位相序圖

本相位相序圖將環道相位和進口道相位結合在一起,且增加虛擬相位(相位1、3、5、7中的虛線箭頭)確保上一相位的二次左轉尾部車輛可以順利通過本相位所對應的第二停車線,并順利駛出環島。虛擬相位的時長與二次左轉車流量及儲存車道長度有關。

2.2 配時方法

由相位相序可以看出,每個環道綠燈階段均包含本進口道二次左轉車輛的排出和下一進口道左轉車輛的儲存兩個階段,并且依次循環交替運行,以此為基礎并結合實際左轉車流量作為配時設計的總體思路。

一條左轉儲存車道的長度和車輛數為:

(1)

(2)

2.2.1 總周期時長

(3)

進口道i與進口道i+1對應環道信號燈燈色圖見圖3。

圖3 進口道i與進口道i+1對應環道信號燈燈色圖

(4)

式中:lj為相位損失時間,s。

由式(3)、式(4)可得出環道周期時長Cc,則環形交叉口總周期時長為:

C=max{Ce,Cc}

(5)

式中:C為環形交叉口總周期時長,s;Ce為進口道周期時長,s。

2.2.2 進口道直行綠燈時長

進口道i直行綠燈時長按照各相位直行最大關鍵流量比進行分配:

(6)

2.2.3 進口道左轉綠燈時長

(7)

為確保進口道左轉車輛順利駛入環島,需根據實際左轉車流量分析是否與環道二次左轉車輛存在沖突。

沖突判斷如下:

(8)

所以,進口道i+1左轉綠燈相對于進口道i環道綠燈延啟時間應滿足:

(9)

存在沖突時,各綠燈延啟時間示意圖見圖4,則進口道i+1左轉綠燈相對于進口道i+1直行綠燈延啟時間應滿足:

圖4 各綠燈延啟時間示意圖

(10)

最終,進口道i左轉有效綠燈時長為:

(11)

2.2.4 環道綠燈時長

(12)

當二次左轉車流較大時,進口道i所對應的環道二次左轉綠燈時長需保證進口道i+1二次左轉車輛順利通過此信號燈排出環島,環道綠燈時長優化示意圖見圖5,此時需增加虛擬相位確保二次左轉車輛順利駛出環島。

圖5 環道綠燈時長優化示意圖

虛擬相位時長為:

(13)

則進口道i對應的環道有效綠燈時長為:

(14)

3 試驗仿真

大連市數碼廣場環形交叉口位于沙河口區五一路與數碼路的交會處,鳥瞰圖見圖6。其環島直徑為60 m,初始流量見表1,進口道與環道渠化為四車道,3種方法的配時圖見圖7～圖9。為驗證新配時方法的可行性及3種配時方法的適用性,將車均延誤、平均最大排隊長度作為評價指標,利用PTV VISSIM 9軟件建模并在不同情景下對新方法、Yang方法、Cakici方法進行仿真,設計試驗見表2。總流量增減試驗以平峰流量作為初始流量(1.0倍),保持進口道各方向車流比例不變,改變總流量(0.7～2.0倍,以0.1倍遞增);左轉車流比例增加試驗保持總流量不變,改變各進口道左轉比例(-16%～+24%,以4%遞增),增加或減少的左轉流量平均分配給直行流量和右轉流量;不同環形交叉口半徑試驗總流量同總流量增減試驗,同時改變環形交叉口直徑(80、100 m)。

表2 試驗設計

圖6 大連市數碼廣場環形交叉口鳥瞰圖

圖7 新配時圖

圖8 Yang配時圖

圖9 Cakici配時圖

3.1 總流量增減試驗

3種配時方法的車均延誤圖見圖10,平均最大排隊長度圖見圖11。3種配時方法車均延誤和平均最大排隊長度總體上隨著總流量增大而增大。新方法車均延誤結果較好,Yang方法車均延誤結果適中,Cakici方法車均延誤最大。新方法和Yang方法第二停車線平均最大排隊長度整體相近,Cakici方法第二停車線平均最大排隊長度保持在約65 m且大于其他兩種配時方法。3種配時方法的交叉口平均最大排隊長度整體相近。

圖10 總流量增減試驗車均延誤圖

圖11 總流量增減試驗平均最大排隊長度圖

3.2 左轉車流比例增減試驗

車均延誤圖見圖12,3種配時方法車均延誤均隨著左轉比例的增大而增大。左轉比例增減幅度為-16%～+8%時,新方法車均延誤結果優于其他兩種方法;左轉比例增減幅度為+12%～+24%時,Yang方法車均延誤結果較好。Cakici方法車均延誤整體上大于其他兩種配時方法。

圖12 左轉比例增減試驗車均延誤圖

3.3 不同環形交叉口直徑試驗

不同環形交叉口直徑車均延誤圖見圖13。新方法和Yang方法車均延誤隨著環形交叉口直徑的增大而增大,均在直徑為100 m時,車均延誤達到最大;Cakici方法隨著直徑的增大而減小,當直徑為100 m時,車均延誤達到最小。當直徑為60 m時,新方法車均延誤優于其他兩種方法;當直徑為80 m時,新方法與Cakici方法車均延誤整體相近且優于Yang方法;當直徑為100 m時,Cakici方法車均延誤結果較好。

圖13 不同環交直徑車均延誤圖

3.4 仿真結果與適用性分析

試驗仿真結果對比分析見表3,在直徑較大的傳統環形交叉口,本文基于左轉車流儲存時長的配時方法是可行的,且每種配時方法適用于不同的情景,可以根據不同的交通需求選取不同的配時方法。

表3 試驗仿真結果分析

(1)總流量試驗表明,新方法整體延誤最小。總流量約為2 200～6 500 veh/h時,新方法車均延誤相較于Yang方法減少約12%,相較于Cakici方法減少約20%。

(2)左轉比例增減試驗表明, 新方法適用于左轉車流比例小于35%;Yang方法適用于左轉車流比例約35%～50%。

(3)不同環形交叉口直徑試驗表明,新方法適用于環形交叉口直徑小于80 m;Cakici方法適用于環形交叉口直徑不小于80 m。

4 結論

(1)左轉車流量是影響“左轉兩步”信號控制環形交叉口通行能力的重要因素之一,在配時過程中需著重考慮二次左轉車輛的釋放,避免出現環道“鎖死”的情況。

(2)第二停車線平均最大排隊長度可以作為環道擁擠程度的評價指標,其大于儲存車道長度時,需重新優化配時參數。此外,左轉車流比例可以作為不同配時方法左轉車道劃分的重要依據。

(3)本文配時方法是按照車輛到達符合平均分布來計算的,今后還需結合車輛到達分布函數,進一步精確計算配時參數。在一定程度上,新配時方法的設計思路可為環形交叉口感應信號控制提供一定的參考。