基于可變導(dǎo)向車道的交叉口時空資源協(xié)同優(yōu)化方法

王連震 王宇萍 姚 麗

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院1) 哈爾濱 150040) (哈爾濱市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院2) 哈爾濱 150000)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院3) 哈爾濱 150001)

0 引 言

目前對于城市道路平面交叉口的交通組織主要包括進口道渠化和信號控制兩方面.為了適應(yīng)復(fù)雜多變的交通流在交叉口的通行需求，國內(nèi)外學(xué)者在信號配時與車道功能分配上都提出了有效的優(yōu)化方法.

可變導(dǎo)向車道可進行車道功能的動態(tài)分配，提升交叉口通行效率.國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量富有成效的研究.以交叉口平均延誤最小為目標(biāo)，Assi等[1]提出了基于實時交通流數(shù)據(jù)快速確定車道組動態(tài)功能最優(yōu)組合的方法.Alhajyaseen等[2]則基于交叉口的幾何數(shù)據(jù)及交通量數(shù)據(jù)建立了確定車道組功能的動態(tài)模型.William 等[3]建立了時空資源協(xié)同優(yōu)化模型，具有一定的可行性.Wong等[4]建立了單個交叉口的時空資源優(yōu)化模型，對降低車輛延誤具有顯著效果.鐘章建等[5]以最小化交叉口進口道車均延誤時間為目標(biāo)，構(gòu)建了進口道車道動態(tài)分配模型.趙靖等[6]以關(guān)鍵流量比之和最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立了動態(tài)車道功能優(yōu)化模型.

具體實踐方面，Harvey等[7]研究了對車道功能進行動態(tài)劃分的指示標(biāo)志，但并未給出可變導(dǎo)向車道的具體控制策略.Hoose[8]根據(jù)交通管理規(guī)則制定了導(dǎo)向車道的控制策略，能有效保證道路使用者的正常通行和安全性.Wolshon等[9]分析了可變導(dǎo)向車道技術(shù)的使用條件，并探討了與之配套的交通設(shè)施.周立平等[10]研究了可變導(dǎo)向車道的具體設(shè)計方法，包括確定車道長度的最小值及最大值.周洋等[11]通過對設(shè)置了可變導(dǎo)向車道系統(tǒng)的交叉口進行實地勘察，優(yōu)化了車輛檢測器的埋設(shè)位置.

在可變導(dǎo)向車道功能切換條件方面，傅立駿等[12]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的可變車道自適應(yīng)優(yōu)化方案，能有效降低車均延誤和排隊長度.張東明等[13]根據(jù)實時采集的交通量數(shù)據(jù)，提出可變車道功能轉(zhuǎn)變的條件.陳東靜等[14]提出了通過設(shè)置預(yù)換道線和預(yù)信號進行車道功能切換的控制策略.徐紅嶺[15]提出了改變車道功能屬性的閾值條件.常玉林等[16]建立了可變導(dǎo)向車道自適應(yīng)控制模型，通過在交叉口鋪設(shè)檢測器獲取實時交通流數(shù)據(jù)，并以此作為計算依據(jù)，根據(jù)直行、左轉(zhuǎn)車流的時空需求度變化，實時判別可變導(dǎo)向車道方向?qū)傩?李燦等[17]通過對進口道交通流量、交通流向等因素進行分析，以交叉口進口道車均延誤為判別指標(biāo),以進口道左轉(zhuǎn)、直行流量為主要判別條件，建立了交叉口可變導(dǎo)向車道控制閾值綜合模型，并繪制閾值曲線.丁靖[18]通過交叉口可變導(dǎo)向車道的車道功能與信號配時的協(xié)同優(yōu)化，構(gòu)建優(yōu)化模型，對交叉口時空資源進行優(yōu)化配置，以達到交叉口車輛平均延誤最小的目標(biāo).李麗麗等[19]提出了主預(yù)信號和雙停車線法以解決可變導(dǎo)向車道功能切換時刻不同轉(zhuǎn)向車輛的誘導(dǎo)問題.

已有研究中，針對信號交叉口單獨進行空間優(yōu)化或時間優(yōu)化的研究相對較多，而將信號配時與車道功能進行協(xié)同優(yōu)化的研究較少.基于此，文中提出基于可變導(dǎo)向車道的交叉口時空資源協(xié)同優(yōu)化方法，將車道功能的動態(tài)分配與交叉口信號配時相結(jié)合，用以適應(yīng)交叉口復(fù)雜多變的交通流通行需求，降低交叉口車均延誤.

1 交叉口時空資源協(xié)同優(yōu)化方法

1.1 優(yōu)化模型

車均延誤是評價信號控制交叉口服務(wù)水平的重要指標(biāo)，本文以車均延誤作為衡量交叉口進口道時空資源協(xié)同優(yōu)化方案評價的指標(biāo)，同時將其作為判斷車道功能是否切換的依據(jù).

以車均延誤最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(1)

約束條件：

(2)

為保證模型的實用性，提出如下基本假設(shè).

1) 因為右轉(zhuǎn)車流無信號控制，其延誤可忽略，在此只計算左轉(zhuǎn)車道組和直行車道組的車均延誤.

2) 切換可變導(dǎo)向車道的方向?qū)傩院?，直行、左轉(zhuǎn)車流的到達率不會改變.

3) 直行、左轉(zhuǎn)車輛在車道組內(nèi)的各車道上均勻分布.

文中建立的車均延誤最小模型通過對比車道功能切換前后車輛的車均延誤作為車道功能切換與否的判斷依據(jù).若可變導(dǎo)向車道功能切換后交叉口的車輛平均延誤小于未切換的狀態(tài)時，則P=1，將車道功能進行切換，同時對交叉口進行信號配時優(yōu)化；反之，則P=0，不切換車道功能，僅對交叉口進行信號配時優(yōu)化.可變導(dǎo)向車道功能切換判斷流程見圖1.

圖1 可變導(dǎo)向車道功能切換流程

1.2 電子指示牌與預(yù)信號設(shè)置

為了誘導(dǎo)駕駛?cè)四軌虬凑湛勺儗?dǎo)向車道的變換選擇車道行駛，文中擬設(shè)置一組車道功能電子指示牌、一組預(yù)信號指示燈及預(yù)停車線，見圖2.

圖2 車道功能電子指示牌、停車線設(shè)置位置示意圖

車道功能電子指示牌可以實時為駕駛?cè)藛T傳達車道功能信息，并使駛?cè)朐撥嚨啦豢勺兊蓝蔚能囕v確定行駛方向；預(yù)停車線的設(shè)置是為了使直行車輛在此處排隊，為左轉(zhuǎn)車輛預(yù)留出行駛空間.預(yù)信號由綠燈變?yōu)榧t燈后，直行車輛在此停車，與該車道相鄰的左轉(zhuǎn)車道上的車輛在經(jīng)過該停車線后可變道進入該停止線前方的車道空間內(nèi)，待主信號左轉(zhuǎn)綠燈亮起時，從該可變車道駛離交叉口，其作用相當(dāng)于增加了一條放行的左轉(zhuǎn)車道.

可變導(dǎo)向車道功能指示牌設(shè)置在交叉口不可變道段進口道處；預(yù)停車線位置距離進口道停車線的長度為lt，其設(shè)置的具體位置應(yīng)滿足：

(3)

當(dāng)主信號直行綠燈結(jié)束前，預(yù)信號應(yīng)切換為紅燈，主要作用是清空兩停車線之間的直行車輛，確保左轉(zhuǎn)車進入該可變車道后前方無直行車阻擋；當(dāng)主信號左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束前，預(yù)信號應(yīng)切換為綠燈，主要作用是為了清空可變導(dǎo)向車道內(nèi)的左轉(zhuǎn)車輛，使直行車輛可進入該車道內(nèi)排隊，并在下一周期該進口直行綠燈開啟時，駛離交叉口.根據(jù)上述方法，實現(xiàn)可變導(dǎo)向車道在單周期內(nèi)的切換.預(yù)信號與主信號的切換時間差按式(4)～(5)計算.

因為車道功能電子指示牌距離停車線有一定距離，因此車道功能電子指示牌變換車道功能的顯示應(yīng)提前于該方向左轉(zhuǎn)綠燈信號燈顯示，二者顯示的時間差按式(6)計算.

(4)

lt=L1+L2

(5)

(6)

式中：Δt1為預(yù)信號與主信號切換時間差，s；Δt2為電子指示牌與主信號切換時間差，s；L1為不可變道段長度，m；L2為電子指示燈與停車線之間的距離，m.

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

在各進口道車道組鋪設(shè)感應(yīng)線圈檢測器，檢測器距離進口道停車線的距離應(yīng)滿足：

(7)

檢測器數(shù)據(jù)提取周期根據(jù)信號周期確定，即每周期提取一次測量數(shù)據(jù).通過檢測器獲得上一周期交叉口各進口道的駛?cè)胲囕v，可以計算得到在第n個周期進口道各車道組的平均車輛到達率：

(8)

式中：qi為車道組i平均每條車道到達率，pcu/s；Ni為通過車道組i的檢測器的車輛數(shù)，pcu；T為信號周期時長，s；ni為車道組i包含的車道數(shù)目.

2 案例分析

2.1 案例說明

以哈爾濱市黃河路某交叉口作為案例，該交叉口為典型的四相位信號控制交叉口，該交叉口現(xiàn)狀信號配時方案見圖3，各進口道車道功能劃分見圖4.各進口道高峰小時交通量見表1.

圖3 現(xiàn)狀信號配時方案(單位：s)

圖4 交叉口各進口道車道功能示意圖

表1 交叉口晚高峰時段小時交通量

2.2 優(yōu)化方案

根據(jù)該交叉口現(xiàn)狀，文中分別從信號配時優(yōu)化、可變導(dǎo)向車道設(shè)置等方面提出3種優(yōu)化方案，其中方案1為只進行信號優(yōu)化控制方案，方案2為只切換可變導(dǎo)向車道方案，方案3為時空資源協(xié)同優(yōu)化方案，即同時進行信號配時優(yōu)化及車道功能切換.其中方案4為交叉口現(xiàn)狀控制方案.采用Vissim仿真的方法對各個方案進行評價，仿真參數(shù)設(shè)置見表2.

表2 交通仿真基本參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果分析

為了保證仿真數(shù)據(jù)的正確性，去除前三個周期仿真數(shù)據(jù)后得到最終仿真分析結(jié)果見表3.

表3 交叉口不同控制方案下車輛平均延誤仿真結(jié)果

由表3可知，采用信號配時優(yōu)化方案(方案1)后，交叉口車均延誤降低了4.6%；采用只切換可變導(dǎo)向車道的方案(方案2)后，交叉口車均延誤降低了2.4%；采用時空資源協(xié)同優(yōu)化方案(方案3)后，交叉口車均延誤降低了21.3%，說明文中提出的交叉口時空資源協(xié)同優(yōu)化方案可以有效降低交叉口的車均延誤，提高交叉口通行效率.

3 結(jié) 論

1) 以直行和左轉(zhuǎn)方向車均延誤最小為判別標(biāo)準(zhǔn)，提出了可變導(dǎo)向車道功能是否切換的判斷依據(jù).

2) 提出了通過設(shè)置預(yù)停車線、預(yù)信號與車道功能電子指示牌相結(jié)合對交叉口進口道車輛進行誘導(dǎo)的方法，并分別給出了預(yù)信號、電子指示牌信號與主信號間的切換時間差計算方法，引導(dǎo)直行和左轉(zhuǎn)車輛按信號使用可變導(dǎo)向車道.

3) 通過Vissim仿真軟件以哈爾濱市黃河路某交叉口為例進行仿真，將車均延誤作為評價指標(biāo)，對四種方案進行評價.結(jié)果表明，本文提出的切換可變導(dǎo)向車道并進行信號配時優(yōu)化的方案對降低交叉口車均延誤有較好的效果，可用于改善信號交叉口的通行效率.

4) 可變導(dǎo)向車道可能會增加車道原行駛方向車輛的延誤，今后將進一步結(jié)合交叉口的幾何及交通條件，開展左轉(zhuǎn)車輛排隊空間、直左車流的相互影響、車輛誘導(dǎo)及清空等對可變導(dǎo)向車道設(shè)置的研究.