交叉口可變車道最佳車道功能及信號轉(zhuǎn)變方法

趙　靖,　周溪召

(上海理工大學 管理學院,上海　200093)

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交叉口可變車道最佳車道功能及信號轉(zhuǎn)變方法

趙靖,周溪召

(上海理工大學 管理學院,上海200093)

為了保障交叉口車道功能動態(tài)控制的效果,并在確保行車安全的前提下,減少車道功能轉(zhuǎn)變過程中對交叉口通行能力所造成的損失和對駕駛員所造成的不適應性,對交叉口動態(tài)車道功能劃分的實施方法進行了研究.實施方法分為兩個步驟,首先基于二進制優(yōu)化判斷模型,確定實施方案;在此基礎(chǔ)上,根據(jù)信號相位變化的類型,考慮安全、效率及快捷等因素,確定方案實施的時刻.研究表明,并不是所有最優(yōu)的車道功能方案都有必要實施,此外,方案實施時刻也會根據(jù)轉(zhuǎn)變前后車道功能和信號控制情況而變化.

交通工程; 可變車道; 實施方法; 交叉口

隨著交通供需矛盾的日益突顯,如何在有限的道路空間內(nèi)實現(xiàn)交通安全高效地運行是交通研究人員面臨的一大難題.交叉口作為城市道路交通的重要轉(zhuǎn)換節(jié)點,對其進行時空優(yōu)化,是保障城市道路交通暢通與安全的關(guān)鍵.

車道功能劃分是影響交叉口空間資源分配的重要因素[1-2],針對潮汐交通、緊急救援、突發(fā)事件等特殊需求,快速應對交叉口交通供需關(guān)系的結(jié)構(gòu)性不匹配,交叉口車道功能的動態(tài)控制技術(shù)應運而生.

雖然交叉口車道功能動態(tài)控制已在我國北京、上海、杭州等地的實際控制管理中得到了應用,但在理論層面,以往主要研究動態(tài)車道功能劃分的優(yōu)化算法,而對于具體實施方法的研究較少.如何將優(yōu)化算法結(jié)果轉(zhuǎn)化為具體實施方案,是動態(tài)控制需要解決的一大問題.本文針對上述問題,從方案制定(即判斷是采用優(yōu)化方案還是保持現(xiàn)狀)和方案實施(即確定車道功能和信號控制切換的時刻)兩個方面研究動態(tài)車道功能劃分的實施方法,以保障交叉口通行安全,減少變化過程中通行能力的損失.

1　研究綜述

1.1交叉口車道功能劃分模型算法

車道功能劃分是信號配時的基礎(chǔ)[3-4],其優(yōu)化方法可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種.其中,靜態(tài)優(yōu)化方法從單一參數(shù)的優(yōu)化(如關(guān)鍵流量比[5]),向車道功能劃分與信號控制的組合優(yōu)化方法[6-9]的方向發(fā)展,根據(jù)優(yōu)化目標的不同,建立了一系列混合整數(shù)線性規(guī)劃模型或混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型.但由于需同時求解的變量較多,模型計算復雜,往往難以滿足動態(tài)控制要求.

為了快速有效地應對交通供需結(jié)構(gòu)性變化,信號控制交叉口車道功能動態(tài)控制應運而生.為了滿足動態(tài)控制的實時性要求,需要簡化模型,提高算法的計算速度.Zhong等[10]將研究對象從整個交叉口簡化為單個進口,這雖能起到簡化模型的作用,但導致結(jié)果非最優(yōu)解,無法達到交叉口整體運行水平最優(yōu)的效果.梁瀟[11]和李麗麗等[12]提出了基于檢測數(shù)據(jù)的動態(tài)車道功能控制流程和算法,該方法也以單個進口為研究對象,采用邏輯判斷的方法,簡潔實用,但存在優(yōu)化結(jié)果非最優(yōu)解的不足.為了解決模型優(yōu)化結(jié)果的準確性與計算速度之間的矛盾,趙靖[13]從研究對象、優(yōu)化目標和模型算法這3個方面進行分析,提出最優(yōu)化方法與邏輯判斷相結(jié)合的動態(tài)車道功能劃分優(yōu)化方法.

1.2交叉口動態(tài)車道功能劃分實施方法

理論層面,李麗麗等[14]提出了基于雙停車線的主可變車道誘導方法,在渠化區(qū)上游再設(shè)置一條停車線并配以相應的預信號.當需要切換車道功能時,預信號紅燈提前起亮,確保2條停車線間的車輛能全部清空,然后再切換車道功能,下一周期該進口便可按調(diào)整后的車道功能劃分運行.該方法安全性較高,但2條停車線間的距離需滿足車道變換的要求,并且由于在預信號處未對車道功能進行劃分,可能造成預信號綠燈期間大部分或全部車道被禁止通行的流向所阻塞,影響了進口道通行效率.

實踐層面,實施方法主要有以下4種:a.分時段車道功能調(diào)整,將一天時間劃分成若干時間段(如早高峰、晚高峰、平峰),在各時間段內(nèi)采用不同的固定車道功能劃分方案;b.實時調(diào)整,實時切換;c.實時調(diào)整,對可變車道在綠燈相位結(jié)束前,提前切換車道功能,確保車道功能轉(zhuǎn)變前所屬流向車輛在本周期內(nèi)清空;d.實時調(diào)整,在車道功能切換過程中插入車道關(guān)閉的階段,其目的是使已進入可變車道的車輛回到應當行駛的車道里,然后再顯示變化后車道功能,以保障通行安全.將交叉口車道功能劃分從靜態(tài)發(fā)展到動態(tài),是交通控制與管理的一大進步.但上述4種實施方法中,方法1實施風險性較小,但還是比較低層次的動態(tài)控制;方法2雖然實現(xiàn)了實時動態(tài)控制,但安全性差;方法3為了減少滯留車輛對下一信號周期的影響,將車道功能提前切換,但在綠燈期間切換車道功能,不利于車輛運行的安全性;方法4考慮了車道功能切換過程中的安全性因素,但通行效率又會受到一定影響,并且要求已進入可變車道的車輛回到應當行駛的車道的做法,也是產(chǎn)生交通秩序混亂的隱患.

1.3綜合評述

以往動態(tài)車道功能劃分的研究主要集中于優(yōu)化算法的層面,而對于具體實施方法的研究較少.雖然在我國多個城市已有了一定的實踐經(jīng)驗,但遇到車道功能切換過程中通行秩序混亂、安全性和運行效率難以協(xié)調(diào)等問題.對于車道功能動態(tài)劃分,如何更好地將優(yōu)化結(jié)果得以實施,是目前面臨的一大問題.

本文在對交叉口動態(tài)車道功能劃分總體框架進行描述的基礎(chǔ)上,從方案制定和方案實施2個方面研究其實施方法,以保障交叉口通行安全,減少變化過程中通行能力的損失.

2　總體框架

交叉口動態(tài)車道功能劃分的總體分析順序如圖1(見下頁)所示,包括優(yōu)化算法和實施方法2個部分.前者依據(jù)實時輸入條件的變化,給出理論最優(yōu)方案,目前已有較為深入的研究.本論文將重點對動態(tài)實施方法進行討論,在理論最優(yōu)方案的基礎(chǔ)上進行綜合考量,確定最終實施方案,并制定具體實施方法.

圖1　總體框架

3　方案制定

根據(jù)動態(tài)車道功能劃分模型,對于每個優(yōu)化周期T,均可計算得出一個車道功能劃分優(yōu)化方案A(T).當優(yōu)化方案A(T)與當前運行方案F(T)不一致時,決策者需要判斷采用優(yōu)化方案還是保持現(xiàn)狀.并不是每次生成不同的車道功能方案都需要實施.這是因為一方面,當交通需求變化較小時,信號控制也能很好地應對這些波動,車道功能優(yōu)化所帶來的效益可能很少;另一方面,改變車道功能需要花費更多的代價,可能造成駕駛員的困惑,從而引發(fā)安全隱患.因此,在動態(tài)車道功能優(yōu)化中,作為交叉口控制系統(tǒng)中是一個較為穩(wěn)定部分(慢變量)的車道功能在變化頻率上應與信號控制這種更易改變的參數(shù)(快變量)有所區(qū)分.車道功能的優(yōu)化應當主要在交叉口供需關(guān)系發(fā)生顯著變化的情況下才使用,如潮汐交通、緊急救援或突發(fā)事件等,而對于一般的交通需求波動可通過信號控制來調(diào)節(jié).一般需要考慮以下幾個方面的因素:

a. 方案變化頻率約束.

車道功能動態(tài)控制與信號控制的動態(tài)優(yōu)化不同,前者是對交叉口的空間資源進行重新分配,后者是對交叉口的時間資源進行重新分配,車道功能的變化會給駕駛員造成直觀的感受,對其駕駛行為產(chǎn)生直接的影響.因此,車道功能作為交通控制中較為穩(wěn)定的部分,應限制其變化頻率,這里設(shè)定最高的變化頻率為10 min,如式(1)所示.

(1)

式中:t表示當前運行方案的持續(xù)時間,s;f1表示方案變化頻率約束條件,1表示滿足,0表示不滿足.

b. 交通需求變化穩(wěn)定性約束.

由于交通需求的小幅波動在實際運行中十分常見,只有當交叉口各流向交通需求有較為明顯的發(fā)展趨勢或當前交通需求已有了較為穩(wěn)定的變化特征時,變換車道功能才能起到較好的效果.這里限定至少連續(xù)3個分析周期車道功能的優(yōu)化方案相同,如式(2)所示.

(2)

式中:A(T)表示在優(yōu)化周期T計算得出的車道功能劃分優(yōu)化方案;f2表示交通需求變化穩(wěn)定性約束條件,1表示滿足,0表示不滿足.

c. 優(yōu)化方案實施效益約束.

由于自適應的信號控制能根據(jù)交通需求實時調(diào)整信號配時,因此,當交通需求波動較小時,完全可以通過信號控制的調(diào)整來保障交叉口的運行效率.只有當交叉口交通供需關(guān)系發(fā)生顯著變化時,車道功能的動態(tài)控制才能起到較好的效果.可采用交叉口運行效益指標(如延誤)來判斷是否有必要改變車道功能,如式(3)所示.

(3)

式中:DA(T)表示采用優(yōu)化方案A(T)情況下的交叉口車均延誤,s;DF(T)表示采用當前運行方案F(T)情況下的交叉口車均延誤,s;f3表示運行效益約束條件,1表示滿足,0表示不滿足.

d. 特殊需求約束.

當緊急救援、突發(fā)事件等特殊需求發(fā)生時,為了對其作出快速有效的應對,可通過人為干預參數(shù),切換車道功能方案,如式(4)所示.

(4)

式中，f4表示特殊需求約束,1表示滿足,0表示不滿足.

綜合上述約束條件,可按式(5)決定下一周期所采用的車道功能方案.

F(T+1)=max(f1f2f3,f4)A(T)+

(5)

式中，F(xiàn)(T),F(T+1)分別表示當前、下一時段的運行方案.

4　方案實施

若采用優(yōu)化方案作為下一周期所采用的車道功能方案,則需要對方案進行實施,由于車道功能改變后,信號控制也需要作相應調(diào)整.現(xiàn)主要討論何時對車道功能劃分和信號控制進行調(diào)整最為合理的問題,可表述為將車道功能和信號控制調(diào)整過程對交叉口交通運行帶來的不利影響最小化,應考慮安全、效率和快捷等因素.與變化前后信號相位方案有關(guān),進口信號相位變化的類型可根據(jù)表1確定.為便于討論,定義原車道功能允許通行流向為A、新車道功能允許通行流向為B.

表1信號相位變化類型

Tab.1Changing types of the signal phase for the dynamic lane assignment control

變化前變化后保護型左轉(zhuǎn)相位單口放行或許可型左轉(zhuǎn)相位保護型左轉(zhuǎn)相位工況2工況1單口放行或許可型左轉(zhuǎn)相位工況3工況1

4.1工況1的情況

若信號相位變化類型為工況1,則車道功能轉(zhuǎn)變后進口信號相位采用單口放行或許可型左轉(zhuǎn)相位,在變化后進口道各流向享有通行權(quán)的時間段相同.因此,車道功能切換的時刻主要考慮左轉(zhuǎn)保護相位期間的安全性.可在A,B流向綠燈均結(jié)束后切換車道功能,如式(6)所示,信號控制同時作相應調(diào)整,如式(7)所示.

(6)

ρ=θ

(7)

式中:θ表示車道功能切換時刻,s;TArb為A流向紅燈開始時刻,s;TAgb為A流向綠燈開始時刻,s;TBrb為B流向紅燈開始時刻,s;TBgb為B流向綠燈開始時刻,s;ρ為信號控制參數(shù)調(diào)整時刻,s;δ為安全間隔,s,一般可取3 s.

4.2工況2的情況

若信號相位變化類型為工況2,則變化前后左轉(zhuǎn)車道的功能是唯一的,即不存在左直合用車道.

從安全性角度分析,車道功能切換后,若僅僅是在原車道功能基礎(chǔ)上增加車道功能,則可變車道內(nèi)A流向車輛無需變換車道,對交叉口運行安全不會產(chǎn)生太大影響,可在任意時刻切換車道功能.若是在原車道功能基礎(chǔ)上減少或改變車道功能,則在A流向綠燈期間切換車道功能,會對行駛環(huán)境造成突然變化,駕駛員需快速作出應對反應,這對交通安全極為不利.這種情況應在紅燈期間切換車道功能,因為,一方面,對于準備進入進口道的車輛由于其車速不高,有時間作出反應并變換車道,另一方面,對于已在可變車道內(nèi)排隊的A流向車輛有機會在下一個綠燈信號期間通過交叉口,無需變換車道,安全性較好.因此,考慮安全性因素,車道功能切換時刻應滿足式(8).

(8)

式中:m1表示安全性參數(shù);M表示充分大的正數(shù);D表示車道變化類型參數(shù),新車道功能是在原車道功能基礎(chǔ)上增加車道功能時取0,新車道功能是在原車道功能基礎(chǔ)上減少或改變車道功能時取1.

由安全性約束分析發(fā)現(xiàn),若要保障交叉口的運行安全,就應使車道功能切換后可變車道內(nèi)A流向車輛無需變換車道.但由于可變車道的車道功能已從A流向變?yōu)榱薆流向,此時,在可變車道內(nèi)的前若干輛車為滯留的A流向車輛,這些車輛存在造成下一信號周期B流向車流阻塞的隱患,從而降低交叉口的通行效率.因此,應選擇合適的車道功能切換時刻,使可變車道內(nèi)滯留的A流向車輛能在B流向取得通行權(quán)前清空.下面根據(jù)不同的信號相位情況分類討論.

情況1A流向先于B流向放行的信號相位設(shè)置情況,可在B流向綠燈結(jié)束后切換車道功能同時調(diào)整信號配時.由于A流向先于B流向放行,因此,可變車道停車線前的若干輛A流向排隊車輛可在下一周期A流向綠燈信號期間通過交叉口,而不會對B流向產(chǎn)生影響.

情況2B流向先于A流向放行的信號相位設(shè)置情況,可在A流向紅燈末期切換車道功能同時調(diào)整信號配時.由于可變車道停車線前的若干輛A流向排隊車輛可在隨后的A流向綠燈信號期間通過交叉口,而不會對下一周期的B流向交通產(chǎn)生影響.同時,切換的時刻處于B流向?qū)募t燈或綠燈末期,對其排隊車輛,由于先前車道功能未改變,所以,不會選擇該可變車道,對綠燈末期離散到達的車輛,由于可變車道排隊較長(均為A流向車流),B流向車輛欲通過交叉口也不會選擇變道,因此,不會對交叉口通行效率產(chǎn)生影響.

因此,考慮效率因素,車道功能切換時刻應滿足式(9)和式(10).

(9)

(10)

式中,m2表示效率參數(shù).

在不影響交通安全及運行效率的條件下,應盡早實施車道功能劃分的優(yōu)化方案,如式(11)所示.

(11)

式中,m3表示快捷性參數(shù).

綜合上述三方面考慮,車道功能和信號控制調(diào)整過程對交叉口交通運行帶來的不利影響最小化,應滿足式(12).

(12)

由優(yōu)化目標函數(shù)式(12)及約束條件式(9)～(11),計算得到車道功能切換時刻θ,信號控制同時作相應調(diào)整,如式(13)所示.

(13)

4.3工況3的情況

對于單口放行或左轉(zhuǎn)許可相位變?yōu)樽筠D(zhuǎn)保護相位的情況,左轉(zhuǎn)和直行兩個流向的車流在合用車道內(nèi)無法區(qū)分,為了保障交通秩序,必須使這兩股車流同時放行.可在A,B流向綠燈均結(jié)束后切換車道功能,但保留原配時方案,信號控制延后一個周期再作相應調(diào)整,可解決無法區(qū)分合用車道內(nèi)各流向車輛的問題,從而保障了運行的安全性和效率.如式(14)和式(15)所示.

(14)

(15)

式中:TABrb表示A,B流向綠燈結(jié)束時刻,s;C0表示原信號周期時長,s;δ表示安全時間間隔,取3 s.

5　算例分析

針對上述方法中的3種信號相位變化的類型,分別通過算例1—3分析方案實施的可行性.

5.1信號相位變化類型為工況1的情況

所選擇案例的交叉口在岔口1內(nèi)側(cè)第2條車道為可變車道,車道功能需要由直行車道(圖2(a))變?yōu)樽筠D(zhuǎn)車道(圖2(b)),岔口1的信號相位相序由保護型左轉(zhuǎn)相位(圖3(a))變?yōu)閱慰诜判?圖3(b)),該進口的信號配時方案由圖4(a)變?yōu)閳D4(b).采用上述方法來確定最佳的車道功能和信號控制轉(zhuǎn)變時刻.

圖2　算例1交叉口車道功能

圖3　算例1交叉口信號相位相序

圖4　算例1中岔口1的信號配時

根據(jù)圖5確定車道功能轉(zhuǎn)變前后進口信號相位變化的類型為工況1,則由式(6)確定車道功能切換時刻,θ=53 s;由式(7)確定信號控制調(diào)整時刻,ρ=53 s.因此,確定車道功能和信號控制轉(zhuǎn)變時刻為車道功能轉(zhuǎn)變前所在周期的第53 s.

5.2信號相位變化類型為工況2的情況

將上述算例中車道功能轉(zhuǎn)變后的信號配時方案改為圖5.根據(jù)表1確定車道功能轉(zhuǎn)變前后進口信號相位變化的類型為工況2,由優(yōu)化目標函數(shù)式(12)及約束條件式(8)～(11),計算得到車道功能和信號控制轉(zhuǎn)變時刻,θ=ρ=26 s.因此,確定車道功能和信號控制轉(zhuǎn)變時刻為車道功能轉(zhuǎn)變前所在周期的第25 s.

5.3信號相位變化類型為工況3的情況

將上述算例中岔口1的信號相位相序由許可型左轉(zhuǎn)相位(圖6(a))變?yōu)楸Ｗo型左轉(zhuǎn)相位(圖6(b)),該進口的信號配時方案由圖7(a)變?yōu)閳D7(b).采用上述方法來確定最佳的車道功能和信號控制轉(zhuǎn)變時刻.

圖5　算例2車道功能轉(zhuǎn)變后岔口1的信號配時

根據(jù)表1確定車道功能轉(zhuǎn)變前后進口信號相位變化的類型為工況3,則由式(14)確定車道功能切換時刻,θ=46 s;由式(15)確定信號控制調(diào)整時刻,ρ=136 s.因此,確定車道功能切換時刻為所在周期的第46 s,信號控制調(diào)整時刻為所在周期的第136 s,即為車道功能切換后下一周期的第46 s.

圖6　算例3交叉口信號相位相序

圖7　算例3中岔口1的信號配時

6　結(jié)　論

提出了一種兩步驟的交叉口動態(tài)車道功能劃分實施方法.先基于二進制優(yōu)化判斷模型,確定實施方案;再綜合考慮交通安全、通行效率和實施快捷性,給出具體的車道功能和信號配時切換時刻.該方法可實現(xiàn):

a. 可在車道功能優(yōu)化方案實施前根據(jù)方案變化頻率、交通需求變化穩(wěn)定性、實施效益、特殊需求等方面判斷優(yōu)化方案實施的必要性,未必所有的最優(yōu)方案都需要實施;

b. 可根據(jù)不同的信號相位、相序和車道轉(zhuǎn)變情況,確定最優(yōu)的車道功能和信號控制實施時刻.特別地,對于單口放行或左轉(zhuǎn)許可相位變?yōu)樽筠D(zhuǎn)保護相位的情況,車道功能應先行調(diào)整,信號控制相隔一個周期后再作調(diào)整.

本研究基于駕駛員均遵守信號控制的假設(shè)條件,對于存在不熟悉或惡意違反通行規(guī)則的駕駛員的情況,有待進一步研究.

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(編輯:石瑛)

Optimal Switching Method for Lane Assignment and Signal Control for Variable Lanes at Intersections

ZHAO Jing,ZHOU Xizhao

(Business School,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to enhance the effect of the dynamic lane assignment technology,and reduce the negative impact on traffic capacity and the inadaptation on drivers during the changing of lane assignment,an implementation method was proposed.The method consists of two steps.The first step is to identify a suitable implementation scheme by determining a binary-type threshold.The second step is to obtain the best changing time of the optimal lane assignment scheme in consideration of safety,efficiency,and speediness.The results of numerical examples show that not all the optimal schemes of the dynamic lane assignment are necessary to be used.Moreover,the proposed method could find a suitable changing time according to the optimization and the status quo lane assignments as well as the signal phase schemes.

traffic engineering; variable lane; implementation method; intersections

1007-6735(2016)04-0380-07

10.13255/j.cnki.jusst.2016.04.013

2015-08-27

國家自然科學基金資助項目(61273042);上海市高校青年教師資助計劃(ZZsl15015)

趙靖(1983-),男,講師.研究方向:交通管理與控制、交通系統(tǒng)設(shè)計.E-mail:jing_zhao_traffic@163.com

U 491.5

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