秦皇島市河北大街中、西段各交叉口交通信號相位的改進設計

王鵬飛，李 政，房 媛，金 莉

(1河北科技師范學院城市建設學院，河北秦皇島，066004;2大連工業(yè)大學信息科學與工程學院)

當兩股或多股交通流的時空坐標都相同的時候，就發(fā)生了交通事故。為了解決交通流在時空相遇的問題，一般考慮將兩股或多股交通流在空間或是在時間上予以分離［2］。立交橋、環(huán)島等設施的建設可以有效的將可能相沖突的交通流在空間上分離開;而使用信號控制則可以將可能相沖突的交通流在時間上分離開。上述兩種方法都可以有效的將多股交通流分離，但是建設環(huán)島將消耗大量的資金，而立交橋建設將對城市景觀產生一定的負面影響。因此，如何進行信號相位設計，避免交通事故的出現，在機動車保有數量激增的今天就顯得尤為重要。在我國，特別是在中小城市的交叉路口處不僅有機動車，而且存在著大量的“弱勢群體(行人和非機動車)”，它們共同構成了“混合交通”。因此，如何減少交叉口處機動車交通流之間，機動車交通流與非機動車交通流之間的沖突成為我國中小城市的道路與交通系統(tǒng)中迫切解決的問題［1］。

在一個平面交叉口處，如果將所有時間上可能沖突的交通流都分離的話，其交叉口的安全系數將可以達到最高。但是，由于設置了過多的信號相位，使得信號周期太長，對于想通過交叉口的車輛來說，時間延誤將達到最大。從這點來說，提高交通安全系數與減少時間延誤損失就是一對矛盾［3］。因此，如何在考慮實際交通需求的前提下，把握矛盾的平衡點就顯得尤為重要。并且對于一條具有復數個交叉口的道路來說，如果把握好各交叉口信號燈相位，并進一步對配時進行優(yōu)化，將有望在河北大街上實現“綠波交通”。秦皇島市的河北大街是南北主干道，作為本研究重點的中、西段的主要交叉口如圖1所示(M1～M5為河北大街中段的主要交叉口，J1為中、西段結合點，J2～W3為河北大街西段的主要交叉口)。如果其交通環(huán)境與通行狀況改善的話，將對整個海港區(qū)的道路交通系統(tǒng)都具有非常重要的指導意義。

1 現狀調查與問題點

1．1 河北大街各交叉口現狀調查

河北大街中、西段的各交叉口的實際交通需求(機動車、非機動車與過街行人)由于區(qū)域政策導向、城市功能定位、周邊的土地開發(fā)強度不同而表現出不同的特征(圖1，圖2)。

河北大街中段各交叉口(M1～M5)表現出以下特征:(1)東西干道與南北干道平面相交，沒有主次道路之分，東西向與南北向交通需求沒有明顯的差別;(2)各方向的行人與非機動車輛交通量大;(3)右轉相位(許可型右轉相位)，綠燈相位利用率不高;(4)特別是M3～M5處因為相位設置過少而導致沖突點過多。

河北大街中、西段的銜接點(J1)與西段第一個交叉口(J2)表現出以下特征:(1)丁字路口，主次道路之分開始逐漸明顯，在機動車交通量方面，東西向在一定程度上大于南北向;(2)相較于河北大街中段各交叉口，行人與非機動車輛交通量有所減少;(3)現行相位設置之下的沖突點過多。

河北大街西段各交叉口(W1～W3)表現出以下特征:(1)東西干道與南北干道平面相交，有很明顯的主次干道差別，在交通需求方面東西向遠大于南北向;(2)各方向的行人與非機動車輛明顯減少;(3)南北向綠燈信號利用率不高。

圖1 秦皇島市河北大街中、西段各主要交叉口表示(來源:Google Map)

圖2 行人、非機動車交通量的空間推移

圖3 右轉綠燈相位利用率的空間推移

1．2 河北大街各交叉口問題點分析

1．2．1 部分交叉口的交通安全系數低 交通安全系數較低的問題點在交通混合程度較高的河北大街中段各交叉口處表現得較為明顯。交叉口處各種危險點(最簡單的兩信號相位下的3種危險點的位置以及數量由圖4，圖5給出［4］)的危險系數排序為:沖突點＞合流點＞分流點。因此，在進行信號相位改進設計時，要遵循盡全力消除沖突點，盡量減少合流點與分流點的原則。特別是在秦皇島這樣的中小城市的各交叉口，行人、非機動車與機動車的沖突點多是交通事故頻發(fā)的主要原因之一。

1．2．2 部分交叉口的時間延誤較大 交叉口時間延誤較大的問題點在河北大街西段的各交叉口處表現得較為明顯。由于交通流在時空上分布的不均衡性，導致某些方向(南北向或東西向)上的綠燈信號利用率不高，進而導致其他方向(東西向或南北向)上的紅燈時間過長，車輛因排隊等待而造成的延誤較大。

1．2．3 遭遇“連續(xù)紅燈”現象 就河北大街整體來看，出行者遭遇“連續(xù)紅燈”的現象比較嚴重。這種現象出現的直接原因就是各交叉口綠燈信號開始的時間差(offset)沒有統(tǒng)一整合好所造成的(本次研究不討論“綠波交通”的實現方法)，但最根本原因是因為各交叉口缺乏統(tǒng)一的信號周期［5～7］。而現狀是相鄰、實際交通需求狀況相似的各交叉口交通信號缺乏統(tǒng)一的相位配置，從而增加了的相同信號周期實現的難度。

圖4 兩相位信號控制下的交叉口3種危險點的位置與數量(東西方向)

圖5 兩相位信號控制下的交叉口3種危險點的位置與數量(南北方向)

2 改進設計的目的

基于以上的現狀調查與分析結果，本次研究的目的是根據河北大街中、西段各交叉口交通需要的實際情況，對各交叉口的信號相位進行改進設計，以期能夠:(1)在保持原有信號周期長度的基礎上，盡可能的提高交叉口交通安全系數;(2)盡可能提高綠燈相位利用率以減少其他方向上的時間延誤;(3)在相鄰交叉口設置相同的相位與統(tǒng)一的信號周期有助于河北大街中、西段“綠波交通”的實現。

3 改進設計方法

3．1 河北大街中段各交叉口的相位配置改進設計

交叉口M1～M2處改進設計理由以及內容:存在的主要問題是行人、非機動車數量多，并且它們與機動車之間的沖突點多，特別是隨時可以右轉彎的機動車輛(許可型右轉)與行人、非機動車輛之間的沖突，導致交通安全系數過低［8］。所以，主要原則是在保持原信號周期長度、信號相位數的基礎上進行信號相位的改進設計，盡可能多的減少沖突點。將許可型的右轉相位更改為保護型的右轉相位，并且不與直行相位放在同一相位內(改進設計前后的信號相位參考圖6，圖7)，這樣改進設計的結果既不增加右轉車輛的延誤，而且還大幅度提高了交通安全系數(參考表1)。

圖6 M1～M2處改進前信號相位

圖7 M1～M2處改進后信號相位

交叉口M3～M5處改進設計理由以及內容:相較交叉口M1～M2，雖然行人、非機動車輛有所減少，但其交通安全系數過低(有信號控制的交叉口的沖突點數、合流點數量最大)，導致交通事故頻繁。所以，可以考慮在保持原有信號周期的基礎上，增加信號相位以提高安全系數(改進設計前后的信號相位參考圖8，圖9)。采取同M1～M2處相同的改進設計方案。其結果既提高了交通安全系數，也增加了各方向綠燈信號的利用率(參考表2)。

交叉口J1～J2處改進設計理由及其內容:由于除了許可型的右轉相位(隨時右轉)之外不存在綠燈相位利用率不高的問題，所以盡量保持原信號周期長度、相位數的基礎上提高交通安全系數(改進設計前后的信號相位參考圖10～圖13)。其結果主要是提高了交通安全系數(參考表3)。

經過改進設計，河北大街中段各交叉口與銜接點(J1)、河北大街西段第一個交叉路口(J2)的沖突點被完全消除，合流點與分流點明顯減少，不僅提高了交通安全的系數，也提高了部分交叉口的各方向的綠燈信號利用率，減少了時空資源的浪費。具體的成果(改進設計前后的比較)總結見表1～表3。沖突點、合流點、分流點的概念以及數量參考圖4，圖5;在此不討論信號周期長的設計方法。

表1 信號相位改進前后M1～M2處危險點數量比較

表3 信號相位改進前后J1～J2處危險點數量比較

表2 信號相位改進前后M3～M5處危險點數量比較

3．2 河北大街西段各交叉口的相位配置改進設計

由調查結果可知，河北大街西段存在的主要問題是南北向綠燈信號利用率不高，造成東西向的時空資源浪費，就此筆者提出兩種可行的改進設計的方案:

(1)在各交叉口的南北向設置感應式信號燈:由于在河北大街西段，主次干道的區(qū)別已經非常明顯，因此有必要保持東西向長時間暢通以減少時間延誤。由于河北大街西段的非機動車輛明顯減少且機動車輛車頭時距長，設置兩相位就足以保證交通安全。在南北向次干道的(機動車道和非機動車道)地下埋置感應線圈，感應等待機動車臺數(也包括行人數、非機動車輛數)以及計算等待時間。根據最大等待時間延誤和等待隊列是否消除來確定信號相位更替的時刻。

(2)在各交叉口設置周期式信號燈:和(1)同樣的理由與相位設計方案，只是不在南北方向地下埋置感應線圈。采用東西向配時多，南北向配時少的周期式信號燈即可(在此不討論信號配時問題)。

4 總結與展望

本研究在考慮河北大街中、西段各交叉口的實際交通需求基礎上，對其信號相位配置進行了改進設計:在不增加信號相位，不延長信號周期的前提下，消除了河北大街中、西段部分交叉口的沖突點、減少了合流點和分流點。使得在不增加停車延誤的前提下，提高了各交叉口的交通安全系數。

本研究成果統(tǒng)一了河北大街中、西段各相鄰交叉口的信號相位與信號周期長度。如果再進一步結合相鄰交叉口之間的路段長度、行駛車速等參數，對各信號相位的配時與綠燈相位開始時刻之差進行改進設計，將可以最大限度的減少利用河北大街的出行者遭遇紅燈的次數，實現河北大街中、西段“綠波交通”。

［1］陳艷艷，郭繼孚，袁和．城市道路交叉口弱勢群體安全設計指南［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［2］徐吉謙．交通工程學總論［M］．北京:人民交通出版社，2002．

［3］于泉．城市交通信號控制基礎［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2011．

［4］Japan Society of Traffic Engineers．Manual on Traffic Signal Control［M］．Revised Edition．Japan:Maruzen Company，2002．

［5］王廷平，蔣珉．一種實現雙向綠波信號控制的方法及其應用實現［J］．電子工程師，2003，29(1):31-33．

［6］CHANG Jian，WU Da-wei．Multi-object traffic signals controlling model［J］．Journal of Dalian University of Technology，2000，40(6):653-656．

［7］馬楠，邵福春，趙熠．基于雙向綠波帶寬最大化的交叉口信號協調控制優(yōu)化［J］．吉林大學學報:工學版，2009，39(增刊2):19-24．

［8］倪穎，李克平．信號交叉口行人與右轉機動車沖突的處理［J］．交通與計算機，2007，25(1):2-26．