王鵬飛，李 政，房 媛，金 莉

(1河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，河北秦皇島，066004;2大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院)

當(dāng)兩股或多股交通流的時(shí)空坐標(biāo)都相同的時(shí)候，就發(fā)生了交通事故。為了解決交通流在時(shí)空相遇的問(wèn)題，一般考慮將兩股或多股交通流在空間或是在時(shí)間上予以分離［2］。立交橋、環(huán)島等設(shè)施的建設(shè)可以有效的將可能相沖突的交通流在空間上分離開(kāi);而使用信號(hào)控制則可以將可能相沖突的交通流在時(shí)間上分離開(kāi)。上述兩種方法都可以有效的將多股交通流分離，但是建設(shè)環(huán)島將消耗大量的資金，而立交橋建設(shè)將對(duì)城市景觀產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。因此，如何進(jìn)行信號(hào)相位設(shè)計(jì)，避免交通事故的出現(xiàn)，在機(jī)動(dòng)車保有數(shù)量激增的今天就顯得尤為重要。在我國(guó)，特別是在中小城市的交叉路口處不僅有機(jī)動(dòng)車，而且存在著大量的“弱勢(shì)群體(行人和非機(jī)動(dòng)車)”，它們共同構(gòu)成了“混合交通”。因此，如何減少交叉口處機(jī)動(dòng)車交通流之間，機(jī)動(dòng)車交通流與非機(jī)動(dòng)車交通流之間的沖突成為我國(guó)中小城市的道路與交通系統(tǒng)中迫切解決的問(wèn)題［1］。

在一個(gè)平面交叉口處，如果將所有時(shí)間上可能沖突的交通流都分離的話，其交叉口的安全系數(shù)將可以達(dá)到最高。但是，由于設(shè)置了過(guò)多的信號(hào)相位，使得信號(hào)周期太長(zhǎng)，對(duì)于想通過(guò)交叉口的車輛來(lái)說(shuō)，時(shí)間延誤將達(dá)到最大。從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，提高交通安全系數(shù)與減少時(shí)間延誤損失就是一對(duì)矛盾［3］。因此，如何在考慮實(shí)際交通需求的前提下，把握矛盾的平衡點(diǎn)就顯得尤為重要。并且對(duì)于一條具有復(fù)數(shù)個(gè)交叉口的道路來(lái)說(shuō)，如果把握好各交叉口信號(hào)燈相位，并進(jìn)一步對(duì)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，將有望在河北大街上實(shí)現(xiàn)“綠波交通”。秦皇島市的河北大街是南北主干道，作為本研究重點(diǎn)的中、西段的主要交叉口如圖1所示(M1～M5為河北大街中段的主要交叉口，J1為中、西段結(jié)合點(diǎn)，J2～W3為河北大街西段的主要交叉口)。如果其交通環(huán)境與通行狀況改善的話，將對(duì)整個(gè)海港區(qū)的道路交通系統(tǒng)都具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)狀調(diào)查與問(wèn)題點(diǎn)

1．1 河北大街各交叉口現(xiàn)狀調(diào)查

河北大街中、西段的各交叉口的實(shí)際交通需求(機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車與過(guò)街行人)由于區(qū)域政策導(dǎo)向、城市功能定位、周邊的土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度不同而表現(xiàn)出不同的特征(圖1，圖2)。

河北大街中段各交叉口(M1～M5)表現(xiàn)出以下特征:(1)東西干道與南北干道平面相交，沒(méi)有主次道路之分，東西向與南北向交通需求沒(méi)有明顯的差別;(2)各方向的行人與非機(jī)動(dòng)車輛交通量大;(3)右轉(zhuǎn)相位(許可型右轉(zhuǎn)相位)，綠燈相位利用率不高;(4)特別是M3～M5處因?yàn)橄辔辉O(shè)置過(guò)少而導(dǎo)致沖突點(diǎn)過(guò)多。

河北大街中、西段的銜接點(diǎn)(J1)與西段第一個(gè)交叉口(J2)表現(xiàn)出以下特征:(1)丁字路口，主次道路之分開(kāi)始逐漸明顯，在機(jī)動(dòng)車交通量方面，東西向在一定程度上大于南北向;(2)相較于河北大街中段各交叉口，行人與非機(jī)動(dòng)車輛交通量有所減少;(3)現(xiàn)行相位設(shè)置之下的沖突點(diǎn)過(guò)多。

河北大街西段各交叉口(W1～W3)表現(xiàn)出以下特征:(1)東西干道與南北干道平面相交，有很明顯的主次干道差別，在交通需求方面東西向遠(yuǎn)大于南北向;(2)各方向的行人與非機(jī)動(dòng)車輛明顯減少;(3)南北向綠燈信號(hào)利用率不高。

圖1 秦皇島市河北大街中、西段各主要交叉口表示(來(lái)源:Google Map)

圖2 行人、非機(jī)動(dòng)車交通量的空間推移

圖3 右轉(zhuǎn)綠燈相位利用率的空間推移

1．2 河北大街各交叉口問(wèn)題點(diǎn)分析

1．2．1 部分交叉口的交通安全系數(shù)低 交通安全系數(shù)較低的問(wèn)題點(diǎn)在交通混合程度較高的河北大街中段各交叉口處表現(xiàn)得較為明顯。交叉口處各種危險(xiǎn)點(diǎn)(最簡(jiǎn)單的兩信號(hào)相位下的3種危險(xiǎn)點(diǎn)的位置以及數(shù)量由圖4，圖5給出［4］)的危險(xiǎn)系數(shù)排序?yàn)?沖突點(diǎn)＞合流點(diǎn)＞分流點(diǎn)。因此，在進(jìn)行信號(hào)相位改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循盡全力消除沖突點(diǎn)，盡量減少合流點(diǎn)與分流點(diǎn)的原則。特別是在秦皇島這樣的中小城市的各交叉口，行人、非機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車的沖突點(diǎn)多是交通事故頻發(fā)的主要原因之一。

1．2．2 部分交叉口的時(shí)間延誤較大 交叉口時(shí)間延誤較大的問(wèn)題點(diǎn)在河北大街西段的各交叉口處表現(xiàn)得較為明顯。由于交通流在時(shí)空上分布的不均衡性，導(dǎo)致某些方向(南北向或東西向)上的綠燈信號(hào)利用率不高，進(jìn)而導(dǎo)致其他方向(東西向或南北向)上的紅燈時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，車輛因排隊(duì)等待而造成的延誤較大。

1．2．3 遭遇“連續(xù)紅燈”現(xiàn)象 就河北大街整體來(lái)看，出行者遭遇“連續(xù)紅燈”的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的直接原因就是各交叉口綠燈信號(hào)開(kāi)始的時(shí)間差(offset)沒(méi)有統(tǒng)一整合好所造成的(本次研究不討論“綠波交通”的實(shí)現(xiàn)方法)，但最根本原因是因?yàn)楦鹘徊婵谌狈y(tǒng)一的信號(hào)周期［5～7］。而現(xiàn)狀是相鄰、實(shí)際交通需求狀況相似的各交叉口交通信號(hào)缺乏統(tǒng)一的相位配置，從而增加了的相同信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)的難度。

圖4 兩相位信號(hào)控制下的交叉口3種危險(xiǎn)點(diǎn)的位置與數(shù)量(東西方向)

圖5 兩相位信號(hào)控制下的交叉口3種危險(xiǎn)點(diǎn)的位置與數(shù)量(南北方向)

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的

基于以上的現(xiàn)狀調(diào)查與分析結(jié)果，本次研究的目的是根據(jù)河北大街中、西段各交叉口交通需要的實(shí)際情況，對(duì)各交叉口的信號(hào)相位進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期能夠:(1)在保持原有信號(hào)周期長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，盡可能的提高交叉口交通安全系數(shù);(2)盡可能提高綠燈相位利用率以減少其他方向上的時(shí)間延誤;(3)在相鄰交叉口設(shè)置相同的相位與統(tǒng)一的信號(hào)周期有助于河北大街中、西段“綠波交通”的實(shí)現(xiàn)。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

3．1 河北大街中段各交叉口的相位配置改進(jìn)設(shè)計(jì)

交叉口M1～M2處改進(jìn)設(shè)計(jì)理由以及內(nèi)容:存在的主要問(wèn)題是行人、非機(jī)動(dòng)車數(shù)量多，并且它們與機(jī)動(dòng)車之間的沖突點(diǎn)多，特別是隨時(shí)可以右轉(zhuǎn)彎的機(jī)動(dòng)車輛(許可型右轉(zhuǎn))與行人、非機(jī)動(dòng)車輛之間的沖突，導(dǎo)致交通安全系數(shù)過(guò)低［8］。所以，主要原則是在保持原信號(hào)周期長(zhǎng)度、信號(hào)相位數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)相位的改進(jìn)設(shè)計(jì)，盡可能多的減少?zèng)_突點(diǎn)。將許可型的右轉(zhuǎn)相位更改為保護(hù)型的右轉(zhuǎn)相位，并且不與直行相位放在同一相位內(nèi)(改進(jìn)設(shè)計(jì)前后的信號(hào)相位參考圖6，圖7)，這樣改進(jìn)設(shè)計(jì)的結(jié)果既不增加右轉(zhuǎn)車輛的延誤，而且還大幅度提高了交通安全系數(shù)(參考表1)。

圖6 M1～M2處改進(jìn)前信號(hào)相位

圖7 M1～M2處改進(jìn)后信號(hào)相位

交叉口M3～M5處改進(jìn)設(shè)計(jì)理由以及內(nèi)容:相較交叉口M1～M2，雖然行人、非機(jī)動(dòng)車輛有所減少，但其交通安全系數(shù)過(guò)低(有信號(hào)控制的交叉口的沖突點(diǎn)數(shù)、合流點(diǎn)數(shù)量最大)，導(dǎo)致交通事故頻繁。所以，可以考慮在保持原有信號(hào)周期的基礎(chǔ)上，增加信號(hào)相位以提高安全系數(shù)(改進(jìn)設(shè)計(jì)前后的信號(hào)相位參考圖8，圖9)。采取同M1～M2處相同的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。其結(jié)果既提高了交通安全系數(shù)，也增加了各方向綠燈信號(hào)的利用率(參考表2)。

交叉口J1～J2處改進(jìn)設(shè)計(jì)理由及其內(nèi)容:由于除了許可型的右轉(zhuǎn)相位(隨時(shí)右轉(zhuǎn))之外不存在綠燈相位利用率不高的問(wèn)題，所以盡量保持原信號(hào)周期長(zhǎng)度、相位數(shù)的基礎(chǔ)上提高交通安全系數(shù)(改進(jìn)設(shè)計(jì)前后的信號(hào)相位參考圖10～圖13)。其結(jié)果主要是提高了交通安全系數(shù)(參考表3)。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，河北大街中段各交叉口與銜接點(diǎn)(J1)、河北大街西段第一個(gè)交叉路口(J2)的沖突點(diǎn)被完全消除，合流點(diǎn)與分流點(diǎn)明顯減少，不僅提高了交通安全的系數(shù)，也提高了部分交叉口的各方向的綠燈信號(hào)利用率，減少了時(shí)空資源的浪費(fèi)。具體的成果(改進(jìn)設(shè)計(jì)前后的比較)總結(jié)見(jiàn)表1～表3。沖突點(diǎn)、合流點(diǎn)、分流點(diǎn)的概念以及數(shù)量參考圖4，圖5;在此不討論信號(hào)周期長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方法。

表1 信號(hào)相位改進(jìn)前后M1～M2處危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)量比較

表3 信號(hào)相位改進(jìn)前后J1～J2處危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)量比較

表2 信號(hào)相位改進(jìn)前后M3～M5處危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)量比較

3．2 河北大街西段各交叉口的相位配置改進(jìn)設(shè)計(jì)

由調(diào)查結(jié)果可知，河北大街西段存在的主要問(wèn)題是南北向綠燈信號(hào)利用率不高，造成東西向的時(shí)空資源浪費(fèi)，就此筆者提出兩種可行的改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案:

(1)在各交叉口的南北向設(shè)置感應(yīng)式信號(hào)燈:由于在河北大街西段，主次干道的區(qū)別已經(jīng)非常明顯，因此有必要保持東西向長(zhǎng)時(shí)間暢通以減少時(shí)間延誤。由于河北大街西段的非機(jī)動(dòng)車輛明顯減少且機(jī)動(dòng)車輛車頭時(shí)距長(zhǎng)，設(shè)置兩相位就足以保證交通安全。在南北向次干道的(機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道)地下埋置感應(yīng)線圈，感應(yīng)等待機(jī)動(dòng)車臺(tái)數(shù)(也包括行人數(shù)、非機(jī)動(dòng)車輛數(shù))以及計(jì)算等待時(shí)間。根據(jù)最大等待時(shí)間延誤和等待隊(duì)列是否消除來(lái)確定信號(hào)相位更替的時(shí)刻。

(2)在各交叉口設(shè)置周期式信號(hào)燈:和(1)同樣的理由與相位設(shè)計(jì)方案，只是不在南北方向地下埋置感應(yīng)線圈。采用東西向配時(shí)多，南北向配時(shí)少的周期式信號(hào)燈即可(在此不討論信號(hào)配時(shí)問(wèn)題)。

4 總結(jié)與展望

本研究在考慮河北大街中、西段各交叉口的實(shí)際交通需求基礎(chǔ)上，對(duì)其信號(hào)相位配置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì):在不增加信號(hào)相位，不延長(zhǎng)信號(hào)周期的前提下，消除了河北大街中、西段部分交叉口的沖突點(diǎn)、減少了合流點(diǎn)和分流點(diǎn)。使得在不增加停車延誤的前提下，提高了各交叉口的交通安全系數(shù)。

本研究成果統(tǒng)一了河北大街中、西段各相鄰交叉口的信號(hào)相位與信號(hào)周期長(zhǎng)度。如果再進(jìn)一步結(jié)合相鄰交叉口之間的路段長(zhǎng)度、行駛車速等參數(shù)，對(duì)各信號(hào)相位的配時(shí)與綠燈相位開(kāi)始時(shí)刻之差進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將可以最大限度的減少利用河北大街的出行者遭遇紅燈的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)河北大街中、西段“綠波交通”。

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