城市道路交叉口的實時交通信號控制研究

孫瑤

（深圳市城市交通規劃設計研究中心股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近年來，我國城鎮化進程日益加快，國民經濟水平不斷提升，城市人口及汽車保有量均迅猛增長，導致交通需求超過原有城市交通設施的承載能力。在城市交通中，道路交叉口的通行效率直接影響整個城市道路網絡的通行能力，成為提升城市通行能力的瓶頸。當前，城市道路交叉口普遍存在沖突點多、交通流量大、運行速度低、混合交通干擾嚴重等缺陷，不僅影響交通效率，也存在比較明顯的安全隱患。從實施交通信號控制的角度著手，以較低的成本實現較好的城市道路交叉口疏導效果，已經成為改善城市道路交通問題的重要手段。

1 城市道路交叉口的交通沖突分析

城市道路交叉口匯集了多個方向的交通流，承載著連接路網、疏導交通、減少交通沖突等功能。交通沖突指的是在交叉口中，不同車流軌跡線呈交叉型的交匯點，是影響交通效率、誘發交通事故的根本因素，城市道路交叉路口的基本沖突點包括交叉沖突點、合流沖突點、分流沖突點三種基本類型。其中，合流沖突點、分流沖突點統稱為交織沖突點。交叉口交通沖突方式如表1 所示。

從信號相位角度分析，交通沖突主要包括以下五種基本類型：

一是直行車流、左轉車流沖突。駛來的車輛在左轉過程中，會與對向車道直行車輛之間存在通行沖突，這一沖突在實踐中屬于兩相位交叉口的主要沖突。

二是右轉車流、左轉車流沖突。左轉車輛在通行過程中需要與通過交叉口出口的右轉車輛合流，此時就會產生一定沖突。

三是直行車流、右轉車流的分流沖突。在右轉時，車輛需要減速，而直行車輛沒有減速需求，雙方在同一車道行駛時可能產生沖突。

四是直行車流、右轉車流沖突。該沖突指的是在出口車道較少的情況下，相鄰入口的直行車流、右轉車流可能由于合流需求產生一定沖突。

五是直行車流、左轉車流的分流沖突。在左轉時，車輛需要減速，而直行車輛沒有減速需求，雙方在同一車道行駛時可能產生沖突[1]。

城市道路交叉口交通信號控制的根本目的是對交通沖突進行控制，在實踐中需要分清主次，遵循特定的控制原則：一是將交叉沖突點轉變為交織沖突點；二是將隨機沖突點轉變為固定沖突點；三是減少沖突點數量；四是降低沖突風險；五是縮小沖突范圍。

2 信號控制交叉口交通流特性分析

2.1 機動車車流運行特性

在當前的城市道路交通中，機動車是交通通行的主體，其數量相對較多，屬于交通理論研究的主要對象。機動車流進入交叉口之后，會呈現出一定的運行特性。主要表現為：第一，交通量在時間分布上的不均勻性。城市道路交通車流量高峰大多集中在早晨、中午、晚上三個時間階段。第二，流量大。交叉口屬于交通流的集散地點，是各方向交通流的集中點，因此交通量比路段交通流量大很多。第三，交通密度大。交叉口需要對各個方向車流的通行權進行分配，在遇到紅燈時，車輛需要暫停等候，因此其交通密度相對較高。

2.2 機動車損失時間

在實際運行過程中，當綠燈亮起時，車輛從停車狀態轉變到正常行駛狀態需要消耗一定時間，這一損失時間會隨著車輛數的不斷增加而減小，一般而言，當第五輛機動車啟動時，通常不會對車頭時距造成比較明顯的影響，而是會穩定在一個確定的數值附近。

2.3 非機動車運行特性分析

非機動車也是城市道路交叉口車輛通行研究的主要對象，在實踐中，非機動車會搶奪機動車通行的時空間資源，其運行特性主要體現在以下兩個方面：一是搖擺性。在通過城市道路交叉口時，非機動車駕駛者往往存在畏懼心理，在實踐中可能會導致車輛運行軌跡的偏移，影響其他駕駛員的判斷。二是群體性。非機動車體積較小，能夠通過機動車中間的空隙，大量聚集在停車線處，綠燈信號發出后，短時間內會有大量的非機動車同時涌進交叉口，進而影響車流的正常運行[2]。

3 城市道路交叉口的交通信號控制設計

在實踐中，城市道路交叉口的交通信號控制設計需要充分考慮機動車、非機動車的運行特性等信息，在此基礎上進行優化設計。

3.1 設計目標與原則

城市道路交叉口的交通信號控制設計目標為，通過對交通信號進行合理調整，提升交叉口不同交通流運行的安全性與高效性，在保障通行安全的基礎上適當提升通行速度。

城市道路交叉口交通信號控制的設計原則為：一是需要盡可能增加交叉口進口車道數量；二是需要優化渠化設計，在信號配時設計上分秒必爭，合理分配和利用時間資源；三是明確交叉口內不同流向的交通流在時間、空間上的通行權；四是在充分考慮機動車的同時，還應滿足行人、非機動車的通行需求[3]。

3.2 設計準備

在正式進行城市道路交叉口的交通信號控制設計之前，相關技術人員必須做好充足的準備工作。具體的準備工作內容包括：一是基礎資料的收集。應當通過多種途徑與渠道，收集當前城市道路交叉口交通信號控制相關資料，包括交叉口相交道路等級、交通流運行規律與運行特性、進出口車道功能劃分、交叉口周圍土地利用情況等相關信息數據，并對其進行詳細分析，初步確定當前城市道路交叉口問題的根本成因。二是現場勘察。僅僅停留于理論研究，可能存在一些錯漏，對此，相關技術人員應當通過現場勘察的方式進行補足。在實踐中，如果單憑資料和數據無法解釋問題的根本成因，則通過現場勘察通常能夠為相關設計人員提供更加充足的靈感，更明確地弄清問題所在。三是政策研究。在進行設計之前，相關技術人員必須對城市道路交叉口所在城市的基本交通政策及相關法律法規進行研究，如某些城市存在公交優先政策，那么在進行城市道路交叉口的交通信號控制設計時，就應當為公交車提供一些便捷，如保留公交專屬車道等[4]。公交優先背景下的信號控制系統概略設計如圖1 所示。

圖1 公交優先背景下的信號控制系統概略設計

3.3 概略設計

在準備完畢之后，設計人員需要根據現狀資料，形成粗略的設計方案，其目的在于解決設計過程中可能存在的問題，提升后續詳細設計的科學性。

概略設計的具體思路為：一是確定設計目標。即根據設計要求、資料內容，確定方案應當達到的具體目標。二是確定初步設計參數。主要包括交通密度、車流速度、綠信比、有效綠燈時間、飽和流量等。三是交通控制方案與交通處理能力的研究。需要從空間、時間兩個方面著手，一方面，根據交通運行狀況的變化進行基本時段劃分；另一方面，根據交通流量數據，制訂針對性較強的配時方案，并對通行能力、飽和度進行有效計算，其中，飽和度是信號控制設計的核心參數，一般應當保持在小于1 的水平。四是一般需要制訂多套概略設計方案，并根據實際情況進行比較分析，選擇最為合適的方案進行詳細設計。此時應當注意，某一問題的解決是否會導致繼發的新問題出現。

3.4 詳細設計

在概略設計之后，技術人員需要在基本設計理念的基礎上，將概略設計的內容轉化為具體的執行方案，即詳細設計。

詳細設計的內容主要包括：一是劃分車道功能；二是劃分停車線、人行橫道等重要位置；三是對交叉口內部進行有效的渠化設計；四是在交叉口內部布設完善的、高質量的附屬設施；五是進行信號控制相位、時序、周期設計；六是充分考慮渠化設計、配時設計；七是確定最終方案。

筆者對其中幾個重點環節進行檢驗分析。

劃分車道功能是交叉口設計的重要環節之一，其目的包括平衡交通負荷、均衡車流量比。在實踐中需要遵循進口道與上游路段車道數相匹配、進口道與出口道相匹配、出口道與路段車道數相匹配等基本原則。車道調整的常見措施包括壓縮車道分隔帶與人行道等空間、減小部分單車道寬度、拓寬交叉口寬度等。

渠化設計是城市道路交叉口交通信號控制設計的重點內容。主要包括左轉交通車流的渠化設計、右轉交通車流的渠化設計、機動車在交叉口內部的渠化設計等。本文以右轉交通車流的渠化設計為例進行分析，當右轉交通車流量較小時，通常可以采取在進口道外側增加平行車道的方法進行解決，能夠在一定程度上消除直行車輛、右轉車輛的沖突。當右轉交通車流量較大或相交道路速度差較大時，可以引進帶有渠化島的右轉專用分離式車道，渠化島的位置可以根據車速確定，減速車道、加速車道的長度一般可以控制在50m 左右[5]。

信號配時設計、信號相位設計是城市道路交叉口的交通信號控制設計的核心內容，兩者相互依存，共同發揮作用。信號相位設計需要充分考慮交通安全、交通效率、交通狀況、交叉口幾何條件、協調控制等，例如，在左轉信號相位設計方面，即存在許可型左轉、保護型左轉、無對向式車流左轉三種類型，其中，許可型左轉指的是，在交叉口內左轉車流穿行通過一個與之相沖突的對向直行車流或行人流時，左轉車流可以利用沖突車流的可接受間隙繼續前行。信號配時設計需要按照特定流程進行，單點交叉口信號配時設計流程如圖2 所示。

圖2 單點交叉口信號配時設計流程圖

4 結語

文章結合實際情況，提出一種城市道路交叉口交通信號控制思路，技術人員在進行交叉口設計時，可以適當參考本文的研究內容，并加以融會貫通，必然能產生更為智慧的火光，為我國城市交通可持續發展增光添彩。