“一路一線”模式的十字路口布局及交通控制和換乘方案

程耀林，羅偉華

(中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074)

“一路一線”是一種新的常規(guī)公交模式，即一條道路只運行一路公交線，?？空驹O(shè)在交叉路口便于換乘[1-4]，該模式有很多優(yōu)點，是解決現(xiàn)有公交問題(如等車時間長，換乘站擁擠，公交資源浪費大，客流不均衡等)的一種有效模式，但存在較多實際問題需要解決，其中，換乘多是首先要解決的問題，原則上要求換乘方便、快捷，即要盡量減少換乘所用的時間[5]，但是現(xiàn)有的?？空静季指鶕?jù)交通規(guī)則都設(shè)置在交叉口50米之外，在交叉口換乘很不方便.目前還沒有出現(xiàn)一種理想的換乘方案，換乘問題不解決會制約“一路一線”模式的進一步研究.本文研究了十字路口的布局、交通控制和換乘問題，提出了一種簡單而且易于實現(xiàn)的參考方案，通過在交叉口設(shè)置公交進口道、出口道以及對右轉(zhuǎn)車流和非機動車流進行控制，并設(shè)計了一種新的4相位控制方案，可以實現(xiàn)換乘方便，避免交叉口客流擁擠，同時實現(xiàn)所有的交通流沒有相互沖突，從而提高了通行能力和安全性，并提供了相應(yīng)的理論分析.

1 十字路口的布局

“一路一線”模式在交叉口換乘，為了換乘方便，把?？空驹O(shè)置在交叉口50米之內(nèi)是一種值得研究的方案.該方案對現(xiàn)有交通規(guī)則作出了調(diào)整，這是為了實現(xiàn)公交優(yōu)先而采取的一種措施，但必須解決由此帶來的問題，例如交叉口客流擁擠等，同時要對控制信號的相位重新設(shè)計，從理論上分析由此對交叉口通行能力、安全性以及換乘時間帶來的影響.

1.1 公交站布局

為了方便換乘，分散客流，在十字路口設(shè)置8個站[6]，如圖1所示.

圖1 十字路口的?？空静季諪ig.1 The bus stations layout of a intersection

圖中虛線表示公交車的行駛方向，帶箭頭的實線表示乘客下車后去換乘時步行的方向.公交車經(jīng)過路口時停靠2個站，分別稱之為右站和左站.表示乘客到達交叉口時，如果左行則在左站下車換乘，如果右行則在右站下車換乘.

這種布局的優(yōu)點是換乘時不需要步行過斑馬線，直接步行到換乘站，減少換乘時間，同時，?？孔?、右2個站還具有分散客流的功能，避免了停靠一個站時過分擁擠的狀態(tài)，也方便以交叉口為目的地的乘客選擇哪個站下車，同時會減少過斑馬線的行人數(shù)量.非換乘時，最多過一次馬路即可乘車.對客流小的路口，可以只設(shè)右站，不設(shè)左站.

1.2 進口道布局及其他布局

進口道布局包含公交進口道、右轉(zhuǎn)進口道、左轉(zhuǎn)進口道和直行進口道布局.基于圖1的布局，如果把公交停靠站設(shè)置在交叉口邊緣而不是離交叉口50米之外，則換乘時間會大大減少，但同時會出現(xiàn)交叉口客流擁擠問題，如右轉(zhuǎn)車流擁堵、行人擁擠、非機動車擁擠等.解決這些問題的關(guān)鍵是要對右轉(zhuǎn)車流進行控制，并設(shè)置公交進口道、非機動車專用道和行人專用道，然后對交叉口的控制相位重新設(shè)計，實現(xiàn)公交車、社會車、行人和非機動車井然有序的通過交叉口.

圖2是一種布局案例，以武漢市的民族大道和南湖大道的交叉口為原型，表示東西向和南北向的雙向道路兩邊都是3個車道(可簡稱3*3十字路口)，對于車道數(shù)不對稱和車道數(shù)少于3和大于3的情況，在后面討論.圖2是一個總的布局，包含了換乘站布局、進口道、出口道、非機動車道、人行道等所有的布局，包括公交進口道、出口道布局，社會車輛直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)進口道及其出口道布局.其中， 右轉(zhuǎn)進口道、出口道布局代替了現(xiàn)有的右轉(zhuǎn)專用道.非機動車道布局和人行道布局避免了行人和非機動車、右轉(zhuǎn)車流的沖突.其中，公交進口道緊靠人行道路邊，然后依次是右轉(zhuǎn)進口道、直行進口道、左轉(zhuǎn)進口道、雙向道路的中間隔離帶.公交出口道緊靠人行道路邊，而右轉(zhuǎn)出口道和直行出口道重合，緊靠公交出口道，與之相鄰的是左轉(zhuǎn)出口道，然后是雙向道路的中間隔離帶.非機動車道相鄰人行道，在路的最外邊.

來自于東、南、西、北4個方向的交通流都可細分為公交車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行4股車流，還有行人交通流.為了區(qū)別不同的左站和右站，對8個站分別進行了命名，例如北左站、北右站，分別表示位于北方的2個站.

為了描述方便，將所有的車流和行人交通流都進行命名.例如，來自北方的交通流有：NB(north bus)、NR(north right)、NS(north straight)、NL(north left)、NP(north pedestrian)分別表示北方的公交車流、右轉(zhuǎn)車流、直行車流、左轉(zhuǎn)車流和行人交通流，其他方向的車流和行人交通流命名方法相同.

來自南方的交通流有：SB(south bus)、SR(south right)、SS(south straight)、SL(south left)、SP(south pedestrian).

來自東方的交通流有：EB(east bus)、ER(east right)、ES(east straight)、EL(east left)、EP(east pedestrian).

來自西方的交通流有：WB(west bus)、WR(west right)、WS(west straight)、WL(west left)、WP(west pedestrian).

圖2 十字路口的進口道和公交站布局Fig.2 The bus stations layout and approaches layout of a intersection

圖2還顯示了非機動車道和人行道的布局.這種布局可以避免行人和非機動車的沖突，因為公交站設(shè)置在路口，行人密度大，同時也方便行人乘車和換乘.在路口附近的一定范圍之內(nèi)(例如50米或者100米之內(nèi))應(yīng)該保持非機動車道靠路邊的這種布局.

圖2是一種非對稱布局，可以節(jié)省交叉口的空間從而減少延誤.也可以采用對稱布局，即8個站對稱的分布，但行人斑馬線的長度會對應(yīng)增加，增加延誤.

2 十字路口的相位設(shè)計

在十字交叉口，共有16股車流和4股行人交通流.參考當前交叉口的一些相位設(shè)計[7-8]，提出了圖3所示的相位方案，也可以使用其他方案，在此不作討論.第1相位放行來自北方的車流NB、NS、NL和西方的行人WP，同時，放行ER和SR這兩股右轉(zhuǎn)車流，其中右轉(zhuǎn)車流NR在第2相位被放行.同理，第2相位放行來自南方的車流和東方的行人，第3相位放行來自東方的車流和北方的行人，第4相位放行來自西方的車流和南方的行人.其中，右轉(zhuǎn)車流NR、SR、ER滯后一個相位被放行，而WR滯后2個相位后連續(xù)放行2個相位時間，每個相位都有2股右轉(zhuǎn)車流被放行.

所述相位方案對來自東南西北4個方向的車流分別單獨處理，適合于動態(tài)配時，即每個相位的時間隨檢測到的車流量變化而變化，不是一個固定的值，可以實現(xiàn)相位時間自適應(yīng)調(diào)整.例如,當某一個方向的車流量少時,分配給它的通行時間就短,避免了時間浪費.當某一個方向的車流量大時，分配給它的通行時間就長，可以減輕該方向的擁堵.

在一個相位周期中，每股右轉(zhuǎn)車流被放行2次，可以實現(xiàn)右轉(zhuǎn)車流比其他方向的車流暢通. 所述相位方案在相位上不要求對公交進行優(yōu)先控制，不影響社會車輛的通行.

圖3 十字路口的相位設(shè)計Fig.3 The traffic signal phase design of a intersection

3 特性分析

(1)換乘方便、快捷，解決了“一路一線”的換乘問題.公交站設(shè)置在交叉口50米之內(nèi)，換乘不過斑馬線，步行到換乘站距離短，非換乘時，乘車最多過一次斑馬線.

(2)紅燈效應(yīng)和擁堵效應(yīng).公交車到達交叉口時，如果綠燈亮，因上下乘客，停車是必須的，不是浪費時間.如果紅燈亮，則在紅燈期間等待時，乘客可以繼續(xù)不斷上車，這段時間被利用，是一種“車等人”的現(xiàn)象，而不是“人等車”，這種特性本文稱之為紅燈效應(yīng).

如果幾輛公交車同時到站，則擁堵期間乘客也可以繼續(xù)不斷上車，時間被利用，本文稱之為擁堵效應(yīng).

紅燈效應(yīng)或者擁堵效應(yīng)期間，除去乘客上車所用的時間，剩下的時間屬于空等時間.這種效應(yīng)減少了時間浪費，同時方便了乘客.

(3)交通流無沖突.圖2的布局和圖3的相位控制實現(xiàn)了交通流完全無沖突的目標，即行人和非機動車、行人和右轉(zhuǎn)車流，以及在交叉口中心各股交通流之間都沒有沖突，從而提高了安全性，也意味著提高了交叉口的通行能力并減小延誤.而在當前普遍使用的4相位控制中，仍然存在行人、右轉(zhuǎn)車流、非機動車三者之間的互相沖突，在2相位控制的交叉口，沖突更多.

(4)交叉口路面的使用效率高.每個相位有6股交通流，使得交叉口的車道得到充分利用，減少了路面空閑未用的面積，從而提高了交叉口的通行能力.例如，在當前的交叉口，右轉(zhuǎn)專用道經(jīng)常出現(xiàn)空閑而不能使用，原因是在排隊等待期間，排隊稍長，則直右共用車道上的右轉(zhuǎn)專用道入口被堵.此外，每一個相位的車流多，空擋就少，可以阻止不守規(guī)則的行人走進交叉口中心.

4 換乘時間分析

乘客不換乘時，因為到站停車也會在車上等待，而換乘時要下車，步行到換乘站，再等車，上車，然后等待公交車啟動.

下面估算一下?lián)Q乘比不換乘而多花的時間Δt.

由圖1可知，公交車到達交叉口時，先到右站，后到左站.如果綠燈亮時到右站，在右站正常停車的時間為tstr，則到達右站為紅燈時，不換乘時等待的時間為trw

trw=tstr+trwe,

(1)

其中，trwe為紅燈期間在右站額外要等待的時間，trwe≥0.tstr定義為：到達右站時，如果前方為綠燈，從停車到啟動這段時間，它不是一個常數(shù)，跟上車的乘客多少有關(guān)，乘客越多，其值越大.

下面分右站下車換乘和左站下車換乘2種情況進行討論，以來自南方的公交車流SB為例.

1)右站下車換乘

不換乘時要?？磕嫌艺?、北左站2個站，紅燈期間還要額外等待，北左站?？繒r不等待信號燈，所以，不換乘時在交叉口等待的總時間為Tr

tr=tstr+trwe+tstl,

(2)

其中，tstr為南右站停車的時間，tstl為北左站停車的時間.

換乘站是東左站，換乘時所花的時間是Trc

Trc=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw,

(3)

其中，

tgf：下車的時間.

tfoot：步行到換乘站的時間.

tcw： 到達換乘站后等車的時間，tcw≥0.

tgn： 上車的時間.

tgnw：上車后等待公交車啟動的時間.

換乘比不換乘多花的時間為Δtr

Δtr=Trc-Tr=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw-tstr-trwe-tstl,

(4)

有些情況下，tcw=0，此時

Δtt=tgf+tfoot+tgn+tgnw-tstr-trwe-tstl,

(5)

tgf和tgn一般較小，如果步行時間tfoot較小，tgnw也較小，而tstr和tstl較大(例如，上車乘客較多)，trwe也較大時，則可能會出現(xiàn)Δtr≤0.

上述公式推導沒有考慮到幾輛公交車同時停靠一個站的情況，這種情況下出現(xiàn)Δtr≤0的幾率更多.

這個計算結(jié)果表明，右站下車換乘時額外多花的時間并不一定大，有些情況甚至為負值，表明這種情況下，換乘更省時間，即換乘時先離開交叉口.

2)左站下車換乘

計算時間差時，在北左站停車時開始計時.

不換乘時等待的時間為T1=tstl,

換乘站是東右站，換乘時花費的時間為

Tlc=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw,

(6)

換乘比不換乘多花費的時間為Δt1,

Δt1=T1c-T1=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw-tstl,

(7)

有些情況下，tcw=0，此時

Δt1=T1c-T1=tgf+tfoot+tgn+tgnw-tstl,

(8)

一般情況下，Δt1>0，表明左站下車換乘一般比不換乘要多花時間，但如果在左站有幾輛公交車同時?？?，因為擁堵，則T1=tstl+Tcong(Tcong為擁堵時間)，可能會導致Δt1<0.

3)如何減少上車時間tgn

減少上車時間時，停車時間tstr、tstl也就隨之減少.有2種方法可以參考，一個方法是售票機使用多個刷卡面，方便幾個乘客同時刷卡.另外一個方法是對?？空具M行設(shè)計，在停靠站刷卡，然后排隊等候，車來時直接上車，可以大大減少上車的時間，特別適合于客流較大的交叉口.

5 通行能力分析

先討論一般情況，不針對上述的“一路一線”布局.

對某一個相位j，共有Pj股交通流(不包括行人交通流)，其中某一股交通流i的通行能力Nji的計算公式是

Nji=sjiλji,

(9)

其中，sji為飽和流率，λji為有效綠信比.

一個相位的通信能力等于該相位各股交通流的通行能力之和，一個交叉口的通行能力N等于所有相位的通行能力之和，可以表示為(其中M表示相位數(shù))

(10)

現(xiàn)在分析單獨一股交通流的通行能力Nji.它由飽和流率sji和有效綠信比λji決定.飽和流率可以通過實測或者使用某種模型計算出來，它受多種因素的影響，不是一個常數(shù)[9].有效綠信比受損失時間的影響.

λji=gji/C,

(11)

C為相位周期，gji為j相位的第i股交通流的有效綠燈時間，跟損失的綠燈時間有關(guān)，公式如下[10].

gji=Gj+A+r-Lji損,

(12)

其中，

Gj：j相位的綠燈時間.

A：為黃燈時間，r為全紅時間，A和r可以視為常數(shù).

Lji損：第i股交通流損失的時間，一般指綠初損失與黃后損失之和，其實還可能有其他額外損失.用公式表示如下，其中l(wèi)eji表示額外產(chǎn)生的時間損失.

Lji損=l綠前+l黃后+leji,

(13)

下面分析能產(chǎn)生額外綠燈時間損失的幾種情況：

1)沖突.如果一個相位內(nèi)的交通流有沖突，則會產(chǎn)生額外的綠燈時間損失.例如，左轉(zhuǎn)車流和對面直行車流同時放行時，左轉(zhuǎn)車流在尋找可插入空擋時會減速甚至停車等待.車流和行人有沖突時也會減速，產(chǎn)生時間損失.

2)直左車道.在綠燈放行期間，左轉(zhuǎn)車流和直行車流自動分開，但這2股車流都不能密集通過路口，相當于產(chǎn)生額外綠燈損失.

3)直右車道.當排隊稍長時，右轉(zhuǎn)專用道的入口易被堵，右轉(zhuǎn)專用道被空閑，造成右轉(zhuǎn)車流時間損失，直行車流放行時也不能密集通過路口，產(chǎn)生時間損失.

本文對Nji的分析到此為止，針對前面提出的“一路一線”模式布局，Nji的計算公式推導比較復(fù)雜，可以參考現(xiàn)有的公式及其推導方法[10-15]，但要考慮其特殊性，因為它不同于當前的交叉口布局，例如，它把右轉(zhuǎn)車流納入統(tǒng)一控制.

在飽和狀態(tài)或者過飽和狀態(tài)都能充分體現(xiàn)交叉口的通行能力，而在這2種狀態(tài)下，具有直右車道的交叉口，由于排隊較長，右轉(zhuǎn)專用道入口一般會被堵，此時右轉(zhuǎn)專用道被空閑，對通行能力的貢獻為零.根據(jù)上述分析，對本文提出的“一路一線”十字交叉口布局而言，相位內(nèi)交通流沒有沖突，包括與行人的沖突，進口道不存在直左車道和直右車道，所以不會產(chǎn)生額外綠燈時間損失(即leji=0)，同時每個相位內(nèi)交叉口路面的車道得到了充分利用，減少了空閑車道，這些因素表明：上述“一路一線”的布局可以提高通行能力.

6 其他十字交叉口的布局及相位設(shè)計

下面討論的是車道數(shù)少于3和大于3的雙向道路十字交叉口的情況.

對1個車道的交叉口，進口道要設(shè)置3個，即把直行進口道和左轉(zhuǎn)進口道合并為一個進口道，稱之為直左進口道，右轉(zhuǎn)進口道和公交進口道不變.出口道設(shè)置2個，即公交出口道和共享出口道，共享出口道就是把左轉(zhuǎn)出口道、直行出口道、右轉(zhuǎn)出口道合并而成的一個出口道， 此時保持相位方案不變，即可實現(xiàn)換乘方案.

對于2車道交叉口，進口道要設(shè)置3個，即把直行進口道和左轉(zhuǎn)進口道合并為一個進口道，稱之為直左進口道，右轉(zhuǎn)進口道和公交進口道不變.出口道設(shè)置3個，和圖1中的出口道相同. 此時保持相位方案不變，即可實現(xiàn)換乘方案.

對大于3個車道的交叉口，進口道仍然設(shè)置4個，出口道設(shè)置3個，和圖1所示相同.不同的是，其中有的進口道含2個或者多個車道，有的出口道含2個或者多個車道.相位方案不變，即可實現(xiàn)換乘.

對于車道不對稱的情況，即4個方向的車道數(shù)不相同，此時，4個方向單獨處理，每一個方向的處理方法不一定相同,方法如下：

如果是1個車道 或者2個車道，則進口道要設(shè)置3個，即把直行進口道和左轉(zhuǎn)進口道合并為一個進口道，稱之為直左進口道，右轉(zhuǎn)進口道和公交進口道不變，出口道設(shè)置相應(yīng)的處理，或者合并，或者分開.相位方案不變，即可實現(xiàn)換乘.

如果是3個車道或者大于3個車道，則設(shè)置4個進口道，即左轉(zhuǎn)進口道、直行進口道，右轉(zhuǎn)進口道，公交進口道.出口道設(shè)置相應(yīng)的處理，或者合并，或者分開.相位方案不變，即可實現(xiàn)換乘.

7 結(jié)語

本文針對“一路一線”模式提出的十字交叉口布局及相位設(shè)計方案可以實現(xiàn)換乘方便，節(jié)省換乘時間，可避免交叉口客流擁擠，無交通流沖突，交叉口的通行能力和安全性都得到提高，付出的代價是對交通規(guī)則作了調(diào)整，即對右轉(zhuǎn)車流進行控制，且公交站設(shè)置在交叉口，同時擴大了交叉口的空間，包括增加了一條公交進口道，以及由于人流密度增加需要增加斑馬線的寬度，這些對車流通過交叉口的延誤會產(chǎn)生一定影響.此外，跟當前的布局相比，在欠飽和狀態(tài)時右轉(zhuǎn)車流的延誤會增加.

該方案簡單而且易于實現(xiàn)，因為十字路口的道路改造規(guī)模不大，交通信號控制機在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行硬件和軟件上的小修改即可實現(xiàn)交通燈及相位的要求，而且在相位上不要求對公交進行優(yōu)先控制，簡化了控制算法，是一種較為理想的換乘方案.

基于圖2 的布局不局限于只使用圖3的相位設(shè)計，也可以使用其他相位方案.該方案對交通系統(tǒng)的影響，通行能力的定量計算公式，其他類型交叉口的布局等問題有待于進一步研究.

“一路一線”模式目前處在理論探索階段，沒有實際案例，所以無法提供實際數(shù)據(jù)進行計算和仿真，只能從理論上進行定性分析.