大連交通大學(xué)校門口交通組織優(yōu)化仿真研究

何南，李錚，何海濤，徐金辰，金承澤

(大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

高校多位于城市繁華地段，來往車流量較大，校內(nèi)學(xué)生人數(shù)眾多，出行時間又較為集中，特別是在早晚高峰時間段，極易造成交通擁堵，不僅影響通行，威脅生命安全，還會造成經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損失.

對于城市交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有了一定的成果，李建斌等[1]采用遺傳算法，輔以C++語言編制程序進(jìn)行模型求解的方法對交叉路口進(jìn)行優(yōu)化.山東大學(xué)劉治平[2]等從城市道路網(wǎng)的優(yōu)化改造、城市道路的優(yōu)化改造的合理定向和城市交通信號燈控制三個層面，提出了優(yōu)先發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)的解決交通問題的方法.蔡蕾[3]研究了交通信號的優(yōu)化配時問題，利用模糊控制、遺傳算法等方法，提出了一種城市平面交叉路口交通信號優(yōu)化控制的設(shè)計方案.徐建閩等[4]基于動態(tài)子區(qū)劃分構(gòu)建了交通信號區(qū)域協(xié)調(diào)控制的雙層規(guī)劃模型，以及協(xié)調(diào)優(yōu)化變量的約束方程.梁迪等[5]以沈陽大學(xué)為例，建立校內(nèi)路網(wǎng)使交通安全狀況也得到了顯著提高.東北大學(xué)李巧燕等[6]從交通狀況的表征公式入手，建立了交通配時周期的可行域與交叉路口流量以及路口總損失時間之間的聯(lián)系，最終建立以平均延誤時間最小為目標(biāo)，配時周期處于可行域內(nèi)為約束條件的優(yōu)化模型.但之前國內(nèi)外學(xué)者的研究大都集中在一般城市道路或校內(nèi)交通上[7-15]，在優(yōu)化方面取得了一定的成效，但是并沒有涉及到校門口處交叉路口的交通問題，已有的優(yōu)化方法和模型并不適用于這一復(fù)雜的交通環(huán)境.考慮到校門口處道路特定時段的人群密集以及交通擁堵已經(jīng)構(gòu)成了對行人安全的威脅，本文以大連交通大學(xué)為研究對象，對校門口道路展開研究，尋找問題產(chǎn)生的原因和解決方法.大連交通大學(xué)校門前路段情況如圖1所示.

1 數(shù)據(jù)收集

交通擁堵主要發(fā)生在車流量和人流量的高峰時期，為尋找問題所在，對高校門口路段進(jìn)行調(diào)研.收集一周早-中-晚高峰時段的15個以上的信號周期內(nèi)交大路口和黃河橋路口行車數(shù)量以及放學(xué)后出校過街學(xué)生人數(shù)，用于定量研究.其中周二和周四的數(shù)量規(guī)律相近.相比于周二，周三下午出校行人數(shù)減少；周一早上和周五晚上車輛數(shù)增多；周六、周日出校行人數(shù)較少，車輛數(shù)增加.通過分析和調(diào)查，擁堵在工作日發(fā)生最頻繁.因此選擇周二作為基礎(chǔ)進(jìn)行研究.交大路口和黃河橋路口內(nèi)各方向行車數(shù)量如表1、表2所示，出校過街學(xué)生人數(shù)如表3所示.

表1 交大路口各方向行車數(shù)據(jù)表

表2 黃河橋路口各方向行車數(shù)據(jù)表

表3 出校學(xué)生過街?jǐn)?shù)量統(tǒng)計

結(jié)合實際調(diào)查數(shù)據(jù)以及資料顯示，三個高峰期內(nèi)的車流量和人流量都有很大提升.特別是在晚高峰時段放學(xué)后，外出校門的學(xué)生人數(shù)眾多，過街行人數(shù)量激增.路段內(nèi)行駛的車輛數(shù)也是一天中的峰值，包括出校門左轉(zhuǎn)車輛在內(nèi)，各個方向的車流都有明顯的增加.同時，西南路與黃河路的交匯路口處左轉(zhuǎn)車的數(shù)量眾多，擁堵時排隊等待信號燈的車輛甚至延續(xù)至交大校門口處.

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，在研究過程中將校門口處路段的交通問題歸納分類，并針對性地尋找解決方案，進(jìn)行仿真模擬.

2 主要問題

通過上文的調(diào)查和分析可以發(fā)現(xiàn)，在校門口處存在諸多交通問題，錯綜復(fù)雜，影響因素環(huán)環(huán)相扣.為尋找解決方案，本文選擇影響最嚴(yán)重的問題進(jìn)行研究分析，總結(jié)為三大類，分別為信號燈配時問題、人車沖突問題、車車沖突問題.

2.1 信號燈配時問題

信號燈配時問題即由于相鄰路口信號燈配時不合理，造成了車輛、行人的擁堵.前文提到，西南路與黃河路的交匯路口是整條黃河路上唯一一處允許車輛左轉(zhuǎn)的路口，信號的配時不當(dāng)，導(dǎo)致滯留在交匯路口至校門口處路段上的左轉(zhuǎn)車輛不能及時離開路口，排隊積壓.若不能有效疏解，擁堵很有可能會傳遞到交大校門口處.同時，在校門口處人行橫道紅燈時間過長，闖紅燈現(xiàn)象嚴(yán)重，使得影響進(jìn)一步擴(kuò)大.原有的具體配時如圖2所示.

2.2 人車沖突問題

人車沖突問題即行人流線和車輛流線發(fā)生了嚴(yán)重的交叉沖突，難以避免，甚至威脅到生命安全.從收集到的數(shù)據(jù)可以看出，人車沖突主要是發(fā)生在早中晚三個高峰時期，尤其是在晚高峰時期，校內(nèi)大量左轉(zhuǎn)車輛出校，與通過人行橫道的行人(多為放學(xué)的學(xué)生)之間發(fā)生了較為嚴(yán)重的人車交叉沖突，容易造成擁堵，導(dǎo)致行人和車輛通過路口的效率大大降低.并且由2.1可知，黃河路較大的車流量和不合理的信號配時，嚴(yán)重時會導(dǎo)致車輛擁堵至大連交通大學(xué)校門口處，加重了人車沖突的程度.較長的信號周期也造成闖紅燈人數(shù)眾多，交通更加混亂，安全隱患較大，具體沖突如圖3所示.

2.3 車車沖突問題

車車沖突即車輛行駛流線之間的交叉干擾，由于車輛自身較快的速度和較大的體積，使得交叉沖突對通行效率的影響比較嚴(yán)重.在該路段行駛的車輛數(shù)量眾多，路口內(nèi)左轉(zhuǎn)、調(diào)頭車與直行車之間的交叉沖突嚴(yán)重，使得通行效率較低，車流疏散受到阻礙.考慮到出現(xiàn)左轉(zhuǎn)、調(diào)頭車遇到對向直行車不得不停車的情況，后續(xù)的直行車為避免受阻需要變更車道，加重交通堵塞，如圖4所示.校門口左側(cè)禁止車輛左轉(zhuǎn)、調(diào)頭，但是由于監(jiān)管不到位，車輛在此處違章調(diào)頭的行為時有發(fā)生，埋下安全隱患.

3 解決方案

分類總結(jié)出主要問題之后，針對問題提出解決方案，根據(jù)實際情況考慮方案的合理性，減輕交叉沖突，緩解交通壓力，保障行人和車輛通行的安全，實現(xiàn)對高校門口處交通的優(yōu)化.

3.1 信號配時優(yōu)化

配時優(yōu)化主要改正不合理的信號配時，利用信號聯(lián)動提高相鄰路口之間的協(xié)調(diào)性，實現(xiàn)車輛通行能力的優(yōu)化.通過數(shù)據(jù)分析，可知黃河橋處原有的信號配時較為合理，周期為120 s，可以繼續(xù)使用，因此根據(jù)黃河橋信號對校門口處進(jìn)行聯(lián)動信號配時的調(diào)整.

信號配時的基本原理為，計算行人過街的綠燈有效時長，根據(jù)信號周期和各相位流量比確定各方向行車的綠燈有效時長，最后合理安排各個相位的順序.基本公式和數(shù)據(jù)如下：

(1)行人綠燈時長

(1)

式中:t為行人綠燈時長；t行為行人反應(yīng)時間；s為道路寬度；v為行人速度.

(2)行車綠燈時長

g=c-t

(2)

式中:g為行車總時長；c為周期時長.

(3)

式中:gj為每個相位綠燈時間；y為每個相位最大車流量；n為各個相位車流量之和.

(3)經(jīng)數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計，得出常量取值如下：人行走速度(最慢)為0.8 m/s;人反應(yīng)時間(最長)為3 s；車行走速度(平均)為3 s/m；車延誤時間(平均)為3 s；平均車頭距為8 m；黃河路寬為24.5 m；路口距離為34 m.

其中，車輛在左轉(zhuǎn)無干擾時與直行過路車輛的換算系數(shù)取1.0，行人的總延誤時間取5 s，每兩輛車之間的延誤時間取1.5 s.

根據(jù)公式和常量進(jìn)行配時的計算.校門口處與黃河橋信號周期保持一致，為120 s，由式(1)可以求出，行人綠燈時長為35 s.黃河橋至大連交通大學(xué)校門口的路段長度為250 m，車道內(nèi)通行速度為30 km/h，可以求得聯(lián)動配時的延遲時間為9 s.

利用早中晚高峰時期收集的數(shù)據(jù)，由式(2)可以求出調(diào)頭車綠燈時長均為2 s，但是為保證車輛的安全順利通行，取最小限值10 s，周期內(nèi)剩余時間則為直行車輛綠燈時長：72 s；黃燈時長：3 s.最終得到的信號相位如圖5所示，信號聯(lián)動配時如圖6所示.

3.2 轉(zhuǎn)移人車沖突點

針對人車沖突問題，解決方法是將人車流線分離，轉(zhuǎn)移人車沖突點.由于車道已經(jīng)固定，考慮移動人行橫道的位置，先分析影響，確定更為合理的位置，降低人車交叉沖突的程度，緩解人車矛盾.

由數(shù)據(jù)可知，出校左轉(zhuǎn)車輛較多，與過街行人沖突嚴(yán)重，若將人行橫道移至校門口右側(cè)，可以避免行人與出校左轉(zhuǎn)車輛的直接接觸，減少人車沖突，從根本上緩解此處的擁堵.移動人行橫道會產(chǎn)生新的沖突，即出校右轉(zhuǎn)車輛和過街行人之間的沖突，但是由于右轉(zhuǎn)車非常少，對擁堵產(chǎn)生的影響也很小，因此可以采用該種方式緩解人車沖突.

轉(zhuǎn)移人行橫道位置的方案結(jié)果及新的沖突點如圖7所示.

3.3 左轉(zhuǎn)、調(diào)頭車與直行車分行

消除左轉(zhuǎn)、調(diào)頭車影響的基本思路是將左轉(zhuǎn)交通和直行交通分離，單獨設(shè)置左轉(zhuǎn)車專用車道.左轉(zhuǎn)車道必須作為與其他車道獨立的附加車道來設(shè)置，原則是使直行車不需要車道變更即能通過交叉口，而左轉(zhuǎn)車應(yīng)該通過車道變更進(jìn)入左轉(zhuǎn)車道才能通過交叉口.

在改良交叉路口、設(shè)置左轉(zhuǎn)專用車道時，首先要盡量有效的利用道路的寬度，確保左轉(zhuǎn)專用車道基本的寬度.具體方法有:①移動車道中央線及減少車道寬度;②去掉中央分離帶;③削除停車帶.

通常情況下，左轉(zhuǎn)專用車道的寬度可以降到2.75 m，在大型車很少的情況下，最小可以縮到2.5m.交叉口出口道的車道寬度，希望與交叉口附近以外的道路保持一致，即標(biāo)準(zhǔn)寬度為3.0～3.25 m.

干路上左轉(zhuǎn)、調(diào)頭車數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 干路上左轉(zhuǎn)、調(diào)頭車數(shù)量

經(jīng)計算，兩側(cè)左轉(zhuǎn)、調(diào)頭車的數(shù)量，大約穩(wěn)定在每個信號周期4輛.

資料顯示，小型車輛停靠時，車輛間距取1.2m，加上車長，每臺車占據(jù)的馬路空間為6 m左右.現(xiàn)場實地測量數(shù)據(jù)得知，馬路寬3.5 m，綠化帶寬3.4 m，滿足將綠化帶更改成左轉(zhuǎn)車道的條件.

綜上所述，可以將綠化帶削去一部分改成左轉(zhuǎn)調(diào)頭專用車道.根據(jù)每車占用6 m，每次5臺車計算得，削去30 m綠化帶，即可滿足要求，如圖8所示.

4 仿真

前文根據(jù)現(xiàn)存問題，提出了采用信號配時優(yōu)化、轉(zhuǎn)移人車沖突點、左轉(zhuǎn)及調(diào)頭車與直行車分行的解決方案，但是由于實際場地的限制，無法實施實際工程，因而選擇仿真軟件進(jìn)行模擬，從而得到優(yōu)化方案的優(yōu)化效果.作為一款離散多智能體的仿真工具，Anylogic軟件可對多種系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中包括城市道路交通系統(tǒng)，并在模型可視化方面表現(xiàn)出色.對高校門前路段進(jìn)行仿真建模，通過輸入交通調(diào)查得到的表1～表3中的數(shù)據(jù)以及針對交通問題提出的優(yōu)化方案，進(jìn)行仿真模擬，最終得出優(yōu)化前后的對比.對比結(jié)果如表5所示.

表5 仿真輸出對比

通過統(tǒng)計相關(guān)輸出指標(biāo)可以看出，在采取優(yōu)化方案后，車輛通過路段的速率明顯加快，每個信號周期滯留的車輛與過街行人明顯減少.而且車流量越大，優(yōu)化后效果越明顯.

可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的路段，不僅在交通上得到改善，在環(huán)境保護(hù)以及社會經(jīng)濟(jì)上取得良好效果.

5 結(jié)論

本文針對大連交通大學(xué)校門口處交叉路口和相鄰路口的擁堵，開展實地調(diào)查收集數(shù)據(jù)，分析原因并提出優(yōu)化方案，最后建立模型仿真模擬方案的效果.本文旨在解決較為復(fù)雜的高校門口道路交通問題，實現(xiàn)流暢的路口通行，節(jié)約時間，降低出行的成本，緩解交通矛盾，保障人車安全.隨著社會的迅速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏明顯加快，越來越追求效率，特別是高校學(xué)生，較差的耐心和強(qiáng)烈的焦躁引發(fā)了諸多交通事故，也給生活帶來了很多不便.本文為解決大連交通大學(xué)校門處交叉路口的交通問題所提出的優(yōu)化方案，也可以給其他相關(guān)問題研究設(shè)計提供好的靈感和模型，在此基礎(chǔ)之上得以處理更復(fù)雜的道路優(yōu)化問題.