信號交叉口可變車道主預信號配時協(xié)調(diào)關(guān)系研究

陳東靜，李林波，朱 銳，吳 兵

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

信號交叉口可變車道主預信號配時協(xié)調(diào)關(guān)系研究

陳東靜，李林波，朱 銳，吳 兵

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

為緩解各流向交通流量分布不均導致的交叉口特定流向交通擁擠，減少道路交叉口的資源浪費，基于主信號和預信號聯(lián)合控制的信號交叉口控制方法，采用預信號換道線的概念，對預信號的設置方法進行分析，提出了車道屬性過渡中預信號的配時方案及其計算方法;通過交通仿真軟件VISSIM分別對設置可變車道前、后以及不同的主預信號協(xié)調(diào)方案進行了對比。研究表明:該方法能夠使關(guān)鍵狀態(tài)參量（如延誤）顯著降低。

交通控制;動態(tài)車道;主信號;預信號;信號交叉口

0 引言

近年來，城市交通出現(xiàn)日趨緊張的局面，其中交叉口延誤所占比例遠大于路段延誤。因此，提高城市道路交叉口的運行效率對于緩解城市交通擁擠具有至關(guān)重要的作用。

OD需求的變化常會導致某些時段內(nèi)城市道路交叉口不同方向的車道利用與實際交叉口到達流量不匹配，為了避免這種不匹配帶來的道路設施利用不充分，國內(nèi)外有許多學者提出通過交叉口的動態(tài)車道劃分來提高交叉口通行能力，減小交叉口延誤。Arthur Harvey，等［1］通過建立車道分配模型，實現(xiàn)了可變車道的分配問題;王京元，等［2］通過建立車道功能劃分矩陣得出信號交叉口車道功能的劃分方法;鐘章建，等［3］從非飽和條件下信號控制交叉口單個車道出發(fā)，以所有車輛車均延誤最小作為優(yōu)化目標函數(shù)，提出基于時空資源組合的車道功能動態(tài)劃分模型;曾瀅，等［4］從信號控制交叉口時空關(guān)系分析，建立了動態(tài)車道功能與信號相位組合模型;傅立駿［5］以實時交通流量指標作為控制參數(shù)，提出了一種基于動態(tài)交通的可變車道神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制方法。

然而，上述研究并沒有考慮在實際交叉口動態(tài)車道劃分中，由于車道屬性的突然變化，駕駛員需要一定時間反應并做出決策，需要一定的距離改變行駛車道。因此，單純依靠交叉口動態(tài)車道功能的劃分可能會造成駕駛員缺少足夠時間來反應決策而造成車輛駛?cè)脲e誤車道，導致交叉口的運行混亂?；诖耍恍W者提出交叉口主預信號的聯(lián)合控制方法。英國運輸局于1991年在一份關(guān)于促進公交發(fā)展報告中首先提出預信號控制的概念［6］，之后相繼有研究人員根據(jù)各自的具體研究對象對主預信號聯(lián)合控制進行了深入的細化研究。Wu Jianping，等［6］和 Oakes，J.Thellmann，等［7］在研究公交優(yōu)先時提出通過設置雙停車線讓公交車輛優(yōu)先進入交叉口，而社會車輛則在預信號換道線后排隊等待，以此實現(xiàn)公交車輛在信號交叉口的優(yōu)先控制;張衛(wèi)華，等［8］在進行公交優(yōu)先的研究中確立了主信號和預信號換道線之間距離的計算方法，并針對主信號與預信號之間配時的相互協(xié)調(diào)關(guān)系提出了相關(guān)改進方法;梁瀟［9］根據(jù)不同交通狀態(tài)下可變車道所能體現(xiàn)的功能不同，研究了在高流量和低流量下主、預信號的控制思路及流程;李麗麗，等［10］對雙停車線布局方法進行了研究，并確立了主、預信號之間的配時協(xié)調(diào)關(guān)系;周立平，等［11］在詳細分析主副功能信號燈配時關(guān)系的基礎上，建立了轉(zhuǎn)向可變車道長度最大值和最小值的計算模型;杜丹丹，等［12］在詳細分析鋸齒形公交優(yōu)先車道工作原理和工作流程的基礎上，對公交候駛區(qū)的長度和主、預信號的信號配時協(xié)調(diào)關(guān)系加以了研究。但是研究發(fā)現(xiàn)，雖然目前關(guān)于交叉口主預信號聯(lián)合控制的研究較多，但大都基于公交優(yōu)先來進行，只有少量研究是針對社會車輛研究的，而且已有研究在主預信號燈色和時間協(xié)調(diào)的選擇上還有待進一步優(yōu)化。針對以上問題，筆者提出基于預信號換道線的主預信號配時協(xié)調(diào)方法。

1 主預信號的設置布局

1.1 可變車道的設置條件

信號交叉口可變車道的設置需要考慮交叉口不同流向的車道利用情況。如果對于各流向車道利用情況長期較為固定的交叉口，只需將不同流向的流量及各方向飽和流量進行對比即可確定一個固定的車道功能分配方案。因此，并不是所有的信號交叉口都適宜可變車道的設置?？傮w來說，可變車道的設置條件可分為以下3點:

1）信號交叉口可變車道方向的左轉(zhuǎn)車流和直行車流在不同的相位放行。

2）信號交叉口可變車道方向要求至少有4條渠化車道，保證左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)車輛至少各1條車道，并且留有余地供設置可變車道。

3）預設置可變車道的交叉口進口道多次出現(xiàn)時段性、方向性不均衡交通流。不均衡交通流出現(xiàn)的頻率和不均衡程度在此暫不做研究。

1.2 主預信號的設置條件

對于一般的城市交叉口來說，右轉(zhuǎn)車流對交叉口的影響較小，因此在本研究中不對右轉(zhuǎn)車流進行單獨考慮。在交叉口設有可變車道的條件下，當某車道交通流狀態(tài)發(fā)生變化，即左轉(zhuǎn)車流或者直行車流流量逐漸增大，直至過飽和狀態(tài)，而可變車道為非飽和狀態(tài)時，改變可變車道車流的通行方向，可以在一定程度上緩解過飽和車道的通行壓力。這種利用可變車道合理分配交叉口直行和左轉(zhuǎn)時空資源的方法即為可變車道控制，而實施可變車道控制之前需要判別是否執(zhí)行可變車道控制，即確定可變車道控制的觸發(fā)條件，其觸發(fā)邏輯圖如圖1。當交叉口設置有可變車道時，需要通過主預信號燈的設置來保證可變車道的安全性、提高可變車道的運作效率。

圖1 可變車道控制觸發(fā)邏輯Fig.1 Control triggers logic of variable lanes

為便于分析問題，假設:①交叉口主信號的信號配時不會隨到達流量的變化而發(fā)生變化，即主信號的信號控制采取定時控制;②交叉口車道的相位設置為該方向先直行后左轉(zhuǎn);③車道通行能力不小于交通需求，即通過可變車道的設置可以有效疏解每個信號周期內(nèi)的到達流量;④除去可變車道，交叉口車道還有其它車道供各方向車輛通過交叉口。

1.3 預信號的設置布局

在交叉口渠化區(qū)上游設置1條平行于主信號停車線的直線，用虛線表示，命名為預信號換道線，并給出如下條件:①不管可變車道是否可為該方向利用，車輛都可以由其它車道進入渠化段，在該線后沒有停車現(xiàn)象，通過在預信號換道線上設置預信號來控制待進入渠化區(qū)的車輛，使這些車輛選擇可利用的車道;②在可變車道主信號和預信號設有直行和左轉(zhuǎn)兩個箭頭的指示燈;③當預信號的直行標志為綠色、左轉(zhuǎn)標志為紅色時，表示可變車道為直行車道;反之，可變車道為左轉(zhuǎn)車道。布局如圖2。

圖2 預信號設置布局Fig.2 Distribution of intersections entrance with pre-signals

1.4 主信號停車線與預信號換道線之間的距離

主信號停車線與預信號換道線之間的距離主要考慮以下3方面的因素:

1）渠化段（L1段）的長度需要保證1個周期內(nèi)該方向的車輛能夠全部存入渠化段?？紤]到1天之中各車道各方向的車流到達較不均衡，結(jié)合本研究中具體交叉口的車輛到達和主信號的信號配時情況，取L1段的長度為45 m。

2）車輛由預信號換道線進入渠化段之前（L2段）必須有充分的距離使車輛完成換道，L2取28 m為宜［8］。

3）車輛在預信號綠燈末期進入過渡段之后有足夠時間離開主信號停車線，即這部分車輛在到達主信號停車線時，主信號顯示該方向的燈色應為綠色，車輛可以通行。

2 主預信號配時協(xié)調(diào)關(guān)系分析

當交叉口進行主預信號聯(lián)合控制時，除了要確定主信號的相位配時方案外，還要確定主信號與預信號配時之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。目前，關(guān)于主預信號配時的協(xié)調(diào)在交叉口公交優(yōu)先控制中研究的比較多，在這些研究中，預信號的設置主要是基于以下兩點進行的:①設置預信號紅燈，確保主信號紅燈期間到達交叉口的公交車輛停靠在社會車輛的前面，減小公交車的停車延誤;②預信號綠燈時間啟亮要早于主信號綠燈啟亮時間，盡量減小由于公交車輛優(yōu)先引起的主信號綠燈損失。

基于公交優(yōu)先信號交叉口預信號設置的前提，所以在計算預信號綠燈提前時間時社會車輛的速度是由0開始加速的，而在本研究中不分公交車輛與一般社會車輛，不管可變車道是否可為該方向利用，車輛都可以由其它車道通過交叉口。因此，在計算預信號綠燈提前時間時車輛速度不能由0開始，需要尋求新的計算方法。為了說明方便，以下在進行主預信號協(xié)調(diào)關(guān)系的分析時，只將主信號分為綠燈和紅燈兩種燈色來考慮。

2.1 可變車道屬性由直行變?yōu)樽筠D(zhuǎn)

可變車道的屬性由直行變?yōu)樽筠D(zhuǎn)時，主預信號之間的信號協(xié)調(diào)配時如圖3。

圖3 直行-左轉(zhuǎn)主預信號協(xié)調(diào)配時Fig.3 Coordinate relationship between main signals and pre-signals on through-left turn movements

圖 3 中，gt，gl，t1，t2分別代表直行綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈、預信號黃燈時間、預信號提前綠燈時間。為了保證周期的穩(wěn)定性，預信號與主信號具有相同的周期時間。

1）t1為預信號黃燈時間，在該時間內(nèi)越過預信號換道線的直行車輛可以進入可變車道，但是需要左轉(zhuǎn)的車輛則要等預信號左轉(zhuǎn)方向的燈色顯示為綠色時才能進入該車道，因此為了避免燈色變化引起車輛運行混亂，應保證在t1時間內(nèi)直行車輛能夠通過過渡段進入渠化段。計算方法如下:

式中:vs為車輛平均行駛速度，m/s;l2為過渡段長度，一般取28 m。

2）因為實際交通流的到達存在一定不均勻性，一天之中交通流會呈現(xiàn)高峰和平峰的狀態(tài)，因此可變車道的直行車輛可能很少。也就是說，大多數(shù)情況下可變車道上游的左轉(zhuǎn)車輛與可變車道的直行車輛之間存在較大未被利用的空間，所以需要將預信號左轉(zhuǎn)方向的綠燈啟亮時間比主信號綠燈啟亮時間早t2。由前面的分析可知，t1時間的設置只能保證直行車輛在預信號黃燈時間內(nèi)順利通過過渡段。為了保證直行車輛通過主信號停車線，不影響之后的左轉(zhuǎn)車輛利用可變車道，還需保證進入可變車道的直行車輛能夠離開該停車線，因此有:

3）由圖3 可知，gt預=gt主-t1-t2，為了提高交叉口車道綠燈的利用效率，減少交叉口的車輛延誤，在保證t1，t2的情況下，需要使預信號直行方向的綠燈時間盡可能長，所以t1，t2的取值理應盡可能的小，因此有:

2.2 可變車道屬性由左轉(zhuǎn)變?yōu)橹毙?/h3>

可變車道的屬性由左轉(zhuǎn)變?yōu)橹毙袝r，主預信號之間的信號協(xié)調(diào)配時如圖4。

圖4 左轉(zhuǎn)-直行主預信號協(xié)調(diào)配時Fig.4 Coordinate relationship between main signals and pre-signals on left turn-through movements

圖4中，t3，t4分別代表預信號黃燈時間、預信號提前紅燈時間。預信號提前紅燈的設置是為了保證該周期內(nèi)可變車道的左轉(zhuǎn)車輛能夠全部通過主信號停車線，以免影響下一周期的直行車輛通行。之所以設置預信號提前紅燈而非預信號提前綠燈，是因為該相位的主信號相位為左轉(zhuǎn)相位，下一相位為交叉口其它車道方向車輛的通行時間，所以在這部分時間內(nèi)，待直行的車輛有充分的時間進入可變車道，因此設置預信號提前紅燈，最大程度的避免進入可變車道的直行車輛出現(xiàn)跟隨前面左轉(zhuǎn)車輛的行為。t3，t4長度的考慮同t1，t2相同，即:

3 仿真驗證

為了驗證方法的可行性，利用仿真軟件VISSIM進行模擬分析。

3.1 仿真基礎資料

以上海市虹許路—延安西路交叉口為例，圖5是其交叉口的渠化情況和現(xiàn)狀信號配時方案，其中南北直、南北左、東西直、東西左的顯示綠燈時間分別為 22，25，70，60 s，黃燈時間都為 3 s。

圖5 虹許路—延安西路交叉口渠化及其信號配時方案Fig.5 Channelization and signal timing formula of Hongxu Road-Yananxi Road

虹許路—延安西路毗鄰上海虹橋樞紐，相交道路都為城市主干路，2011年的觀測交叉口高峰小時流量達8 036 pcu（各方向早高峰小時交通流量如表1），交叉口服務水平處于D級，交通擁擠現(xiàn)象嚴重。經(jīng)過研究，在該交叉口南進口采取可變車道控制，即將與直行車道相鄰的左轉(zhuǎn)車道設為可變車道。在仿真中，將該車道的屬性由現(xiàn)狀的左轉(zhuǎn)變?yōu)橹毙小?/p>

表1 交叉口早高峰小時交通量Table 1 Traffic volume of intersection at morning rush hour/（pcu·h-1）

3.2 仿真結(jié)果分析

由于VISSIM仿真不能模擬車道屬性的變換，因此在南向車道處通過將一條可變車道設置為兩條空白車道的方法來模擬車道屬性的變換，即當可變車道屬性為直行時，用右邊的空白車道作為可變車道;當可變車道屬性為左轉(zhuǎn)時，用左邊的空白車道作為可變車道，空白車道之間的轉(zhuǎn)換通過信號燈的設置來控制，空白車道具體設置如圖6中的黑色虛框線所示。

圖6 空白車道設置位置Fig.6 The setting position of vacancy lanes

式中:d1，d2分為左轉(zhuǎn)和直行的延誤;q1，q2分為左轉(zhuǎn)和直行的流量。

分別通過將設置可變車道前后的車均延誤，以及以初始速度為0的預信號優(yōu)化方法與本文的預信號優(yōu)化方法得到的車均延誤作對比，得出延誤對比如圖7～圖9和表2。在本研究中令綜合延誤指標:

圖7 設置可變車道前后直行車車均延誤對比Fig.7 Average delay change comparison of the straight vehicle before and after setting variable lanes

圖8 設置可變車道前后綜合延誤對比Fig.8 Comprehensive delay change comparison before and after setting variable lanes

圖9 不同算法下的綜合延誤對比Fig.9 Comprehensive delay change comparison with different algorithms

表2 仿真時間為1 h的綜合車均延誤對比Table 2 The average delay comparison in an hour /（s·veh-1）

由圖7可知，通過設置可變車道可顯著減少該交叉口直行車的車均延誤。

由圖8和表2可以看出，可變車道的設置對綜合延誤的減少雖然并不是很明顯，但左轉(zhuǎn)車輛與直行車輛的車均延誤更加均衡，這對于城市交通控制是非常有意義的。因為對于很多城市來說，交叉口的間距很小，如果單純追求綜合延誤最小，而忽略某些方向的車輛延誤，往往會使該方向車流發(fā)生擁堵，因此有必要均衡不同方向的車均延誤，平衡各向車流。

由圖9可以看出，在本仿真中，改進算法相對于原來的以初速度為0的算法來說，綜合延誤有一定程度的減小，但改善效果并不是很明顯。經(jīng)分析，出現(xiàn)這種情況的原因主要有:①改進算法只是對待進入可變車道車輛的啟動速度來進行的算法改進以及相應主預信號協(xié)調(diào)的改變，改善效果在理論上也不是很大;②雖然研究交叉口的車流量較大，服務水平為D級，但東西向的車流較大，南北向飽和度并不大，因此南車道的交通壓力較小，改善的效果也相應較小;③圖9是基于每個周期來繪制的，在一個周期的較短時間內(nèi)改善效果也不可能很明顯，因此，筆者進一步配以更長的重復仿真時間，結(jié)果見表2，由該表可以看出無論是左轉(zhuǎn)車輛還是直行車輛，車均延誤均有一定程度的降低。

4 結(jié)語

在信號交叉口信號周期已知的情況下，筆者提出了預信號換道線的概念，通過對預信號和預信號換道線的布置方法進行分析，確定了主預信號之間的周期關(guān)系;并對主信號停車線與預信號換道線之間的距離對預信號配時的影響進行研究，得出了可變車道屬性變換中主預信號的信號配時協(xié)調(diào)關(guān)系。最后，通過實際案例的仿真分析表明本文中的信號協(xié)調(diào)方法雖然會略微增加個別方向的車均延誤，但就整體車均延誤而言，其減小的幅度較為明顯。雖然筆者針對的交叉口信號控制為定時控制，但其主預信號配時協(xié)調(diào)的思想依然可為感應控制或自適應控制交叉口所借鑒，不過主預信號配時協(xié)調(diào)如何隨具體交通量的變化而變化還有待進一步的研究。另外，需要指出的是本文方法在實際應用時還應考慮車道功能變換頻率等因素所造成的不利影響，將分析范圍擴展至整個交叉口乃至網(wǎng)絡上進行綜合考慮，將是很有價值的后續(xù)研究課題。

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Coordinate Relationship between Main Signals and Pre-Signals of the Variable Lane at Signalized Intersection

Chen Dongjing，Li Linbo，Zhu Rui，Wu Bing
（Key Laboratory of Road＆ Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to alleviate the traffic jam that caused by the traffic flow maldistribution，and reduce the waste of capacity of intersections，a new kind of signal intersection control method was proposed.The proposed control method is based on the combined control of the main signal and the pre-signal in which the concept of the changing line behind the pre-signal was put forward.Meanwhile，the setting method of pre-signal was analyzed，and the timing formula and the calculation method of pre-signal in the process of lane transition were proposed.Then schemes before and after setting the variable lane as well as different coordinate schemes between main signals and pre-signals were simulated and compared with VISSIM.The simulation results show that the method can significantly reduce the key state parameters such as delay.

traffic control;dynamic lane;main signal;pre-signal;signalized intersection

U491.2

A

1674-0696（2013）02-0252-06

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.18

2012-05-14;

2012-10-12

國家高技術(shù)研究發(fā)展（863計劃）項目（SQ2010AA1100330012）

陳東靜（1986—），男，四川眉山人，碩士研究生，主要從事交通運輸規(guī)劃與管理方面的研究。E-mail:tianfudejiyi@126.com。