基于潮汐交通流特性的交叉口信号配时研究

苏灿航，高圣涵，郭建钢，廖飞宇

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002)

提高交叉口通行能力的方法主要有两种:一是对交叉口进行渠化改造[1-4]，充分利用道路资源增加通行能力；二是不改变渠化方案时针对信号配时进行优化.在信号交叉口配时方案的优化中，针对信号灯相位绿信比进行优化是主要的手段之一.目前，国内外的学者大多数是对相序和相位绿信比进行调整建模，以延误最小或者停车次数最少作为目标函数，利用仿真软件[5-10]对不同信号配时进行模拟仿真；部分学者通过遗传算法[10]、粒子群算法[11-12]等求得合适的信号配时，增加交叉口通行能力.在传统的韦伯斯特配时法的基础上进行改进[13]，通过图像识别道路车流量，设计了一套一体化的信号灯控制系统，并通过仿真实验证明该系统能够更好的应对复杂的交通路况.部分学者从时间与空间两方面，从交叉口信号配时以及车道划分出发[3]，通过实际交通流量调整各进口道绿信比，减少绿灯浪费时间，并通过VISSIM软件进行仿真获得最合适当前交通流量的方法.对于缓解交叉口拥堵程度、减少交叉口车距延误、减少停车次数、缩短车辆排队长度等都有显著的效果.

随着城市的发展，工作日通勤交通成为城市道路的主要交通流[14]，潮汐交通现象已经成为部分城市道路信号灯优化考虑的重要因素之一，本文通过对福建省宁德市一交叉口进行信号灯优化设计，结合该信号交叉口机非分离的管理方式，在潮汐交通流情况下给出较优的解决方案，并通过VISSIM仿真的方式，模拟在不同交通量的情况下交叉口的运行状态，获得在不同交通量情况下的最优信号配时方案.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

福建省宁德市境内的福宁北路与闽东路交叉口，是宁德市一处重要的进出口交通枢纽，据统计，该交叉口日均平均车流量高达69 700辆，该交叉口在高峰时段已经成为城市干道的“瓶颈”.福宁北路与闽东路交叉口进口道设置了专门的两轮车车道，实现汽车与摩托、电动车分离.但在高峰时段该交叉口潮汐交通现象严重，极易造成交叉口的排队溢出，导致该交叉口出现“死锁”现象，引发交通拥堵.由于交叉口四个方向皆设置交通岛，故不考虑右转车辆的影响.该路段现状采用四相位信号配时：1)东西向直行车流通行；2)东西向左转车流通行；3)南北向直行车流通行；4)南北向左转车流通行.

路段现状采用传统的对向放行的模式，该模式是在对向直行左转交通量相近的情况下能够获得最大的通行能力，但是在现实生活中，大多数的路口的车流量并不均匀，如果仍然采用传统的对向放行的模式将会造成绿灯时间损失.在潮汐交通情况下，绿灯时间损失将显得更加明显[15].本文以福宁北路与闽东路交叉口早高峰观测的各交叉口进口道流量流向的数据，见表1.

从表1可知，如果采用传统的对向放行的信号控制形式，如东、西向直行车辆一起放行，由于东进口道的直行车辆比西进口道的直行车辆少，故在绿灯后期，西进口道仍有直行车辆通行，然而东进口道直行无车辆通行，这也就存在着绿灯时间损失的现象.为缓解这种浪费的现象，本文采用信号搭接相位设计的方法设计，充分提高绿灯的利用率，从而提高交叉口的通行能力.

表1 福宁北路与闽东路交叉口早高峰流量表

1.2 信号搭接

信号搭接相位就是在某个相位结束前提前启动另一个相位的一股或多股车流，即在信号周期中增加了一种特别的“小相位”，正是这种“小相位”的存在，可以降低交叉口信号周期的时长，提高各个相位的绿信比，使得交叉口的通行能力增加.

信号搭接相位方案首先根据实际详细的交通调查，利用韦伯斯特配时法进行信号配时设计，得到四个相位的配时方案.其次保持直行相位中流量较大一向的相位时长不变，另一方向的相位时长则根据流量比例进行折减，实现轻交通流方向直行相位的“早断”和重交通流方向左转相位的“早启”.根据仿真的运行效果对方案进行调试，进而确定最终的信号搭接相位方案.

1.2.1 确定相位

由于该信号交叉口在高峰时段潮汐交通现象较为严重，现有传统的对向放行四相位信号配时设计会存在出现同一相位内不同流向间绿灯利用率不均衡现象.因此，针对这个交叉口，提出利用相位搭接的形式进行信号配时.现状早高峰时段的信号相位配时图，见图1.

图1 现状早高峰时段的信号相位配时图

根据现状调查的交通量可知，西进口道直行机动车量为1 020 pcu/h，非机动车为1 554 pcu/h，东进口道直行方向机动车交通量为676 pcu/h，非机动车为1 312 pcu/h.西进口道直行机动车交通量比东进口道直行车机动车每小时多出了344 pcu，如若使用传统的四相位对称放行的配时方案，在东西向绿灯后期，将存在东进口道直行无车行驶的状态，造成绿灯时间浪费.为减少绿灯时间的浪费，故在原先的第一相位与第二相位之间，插入搭接相位.以此类推，在第三相位和第四相位之间插入搭接相位，将原想的四相位配时优化成为六相位配时.计算获得的相位，见图2.

图2 早高峰时段的信号搭接相位配时图

1.2.2 确定配时

针对信号交叉口的交通流量流向特性，将原四相位配时优化成六相位配时方案，减少绿灯时间的浪费，六相位配时的绿灯时间计算步骤如下：

1)根据现状交通流状态，通过韦伯斯特配时法获得四相位配时方案.通过分析各进口道各交通流量流向间的关系，选取对向放行的信号控制方式更加贴合实际.具体相位及配时，见图3.

图3 韦伯斯特四相位配时图

2)明确重交通量方向，计算绿灯时长.在原先四相位配时的基础上，保持原信号周期时长不变，计算东进口道直行所需要的绿灯时间，将第一相位东进口道直行相位提前切断，转换为西进口道左转.公式表达为：

使用相同的方法，计算第三相位与第四相位之间的搭接相位绿灯时长，计算得信号方案，见图4.

图4 早高峰时段的信号搭接相位配时图

2 结果分析

利用仿真软件VISSIM对福宁北路与闽东路交叉口进行仿真，通过实际调查的交通数据对交叉口进行仿真，分别交叉口四个方向的进口道设置检测器，分别对不同方向的直行、左转与右转方向的交通数据进行采集，由于本交叉口右转提前分离，与其他方向交通流冲突较小，故不考虑四个方向右转交通流，右转不设置信号控制.

2.1 通过车辆数

本文选取车辆平均延误以及通过车辆数作为输出指标，分别进行两组仿真试验：1)以现状交通配时进行交通仿真；2)对信号配时进行优化，利用搭接相位配时进行仿真，将两组仿真获得的数据进行对比分析.各进口道通过车辆数对比，见图5、表2.

图5 通过车辆数对比图

表2 通过车辆数对比

通过对图5分析发现，西进口道早高峰的交通量比其他进口道交通量大，是此交叉口最易造成交通拥堵的进口道，现状配时的信号灯控制下，西进口道能通过机动车1 833 pcu/h，非机动车2 241 pcu/h，通过信号搭接的配时优化方法，提高了西进口道通过车辆数，机动车提高至1 978 pcu/h，相比较于现状配时情况下的通过车辆数，提高了7.91%，非机动车提高至2 304，相比较于现状配时情况下的通过车辆数，提高了2.81%.对比数据可知，北进口道、南进口道、东进口道机动车通过车辆数分别提高了3.82%、3.37%、5.01%；北进口道、南进口道方向的非机动车通过的车辆数相比降低了0.79%、3.49%，东进口道提高了4.62%，虽然信号搭接相位的运用有可能产生负效益，造成某些方向通行能力的下降，但影响较小，对于提高交叉口的时空资源利用率起到了一定作用.

2.2 排队长度

排队长度是衡量一个交叉口运行状态的重要指标，两个相近的交叉口如若排队长度过长，上游交叉口的排队车辆将会影响下游交叉口正常运行，从而导致交通瘫痪.因此，本文选取排队长度作为评价指标之一，以此考察搭接相位的优化方式相比较于现状四相位配时在交叉口信号控制方面的优势.平均排队长度优化效果，见表3.最大排队长度优化效果，见表4.

表3 平均排队长度优化效果

表4 最大排队长度优化效果

如表3所示，搭接相位优化后的平均长度除了北进口道直行方向有所增加，其余进口道皆得到较好的改善，特别是对于早高峰交通量较大的西进口道，直行方向平均排队长度由现状的115降低至55，优化效果达到52.17%；左转方向平均排队长度由现状387的严重拥堵状态优化至50，优化了87.08%，优化效果显著.其余方向皆得到一定程度的提升，南进口道直行优化了34.38%，左转优化了10%，东进口道直行优化了7.89%，左转优化了52.94%.在平均长度方面，搭接相位相比较与现状配时，能够有效缓解排队长度过长的问题.

搭接相位优化与现状相比，能够有效减小西进口道、南进口道直行方向、东进口道最大排队长度，重交通量的西进口道的直行方向由原先的371缩短至213，优化了42.59%，左转方向优化了62.08%，能够有效的缓解西进口道拥堵的现状，从而减轻早高峰时期西进口道排队过长造成部分道路瘫痪的问题.

3 结 语

本文针对福建省福鼎市境内的福宁北路与闽东路交叉口早高峰存在的流量不均衡的问题，在四相位韦伯斯特配时的基础上，引入了搭接相位，减少绿灯“空放”的现象，有效提高交叉口的通行能力，运用VISSIM仿真软件分别对现状配时与搭接相位优化配时情况下的交通运行状态进行仿真，以通过车辆数、平均延误以及排队长度为指标，对比现状交通情况与优化后交通情况下各指标之间的差距，探究搭接相位配时对的优化效果.针对早高峰拥堵严重的西进口道效果显著，通过机动车车辆数较现状提升7.91%，非机动车提升2.81%；直行方向平均排队长度降低52.17%，最大排队长度降低42.59%，左转方向平均排队长度降低87.08%，最大排队长度降低62.08%，能够有效的缓解早高峰西进口道拥堵严重的问题，同时对其余三进口道皆有一定的优化效果，控制效果优于现状的四相位配时.

但是，在考虑信号配时的过程中，仍然存在一些问题，仅仅针对早高峰时期进行信号优化，在今后的工作中应当对平峰时段、晚高峰时段以及高峰与平峰之间的衔接段的配时进行优化.