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單進(jìn)口輪流放行方式的四路環(huán)形交叉口交通信號控制

2014-08-16 13:50:34徐洪峰耿現(xiàn)彩
關(guān)鍵詞:交通信號綠燈機(jī)動車

徐洪峰,耿現(xiàn)彩,何 龍

(大連理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,遼寧 大連 116024)

0 引 言

環(huán)形交叉是道路平面交叉的常見形式。作為城市道路網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn),環(huán)形交叉口可以采用兩種交通控制方法:讓行規(guī)則控制和交通信號控制。按照國際慣例,機(jī)動車行經(jīng)讓行規(guī)則控制環(huán)形交叉口時(shí),應(yīng)遵循“入環(huán)車輛讓環(huán)內(nèi)車輛先行、環(huán)內(nèi)車輛讓出環(huán)車輛先行”的規(guī)則通行。實(shí)踐證明,在較低或中等機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,與普通平面交叉口相比,讓行規(guī)則控制環(huán)形交叉口更加安全、高效[1-3]。然而,隨著機(jī)動車交通負(fù)荷水平的提高,環(huán)道車流趨于密集,車輛進(jìn)出環(huán)道的難度加大,違反讓行規(guī)則的現(xiàn)象越來越頻繁,由此導(dǎo)致交通事故頻發(fā)、通行效率降低、行人和非機(jī)動車過街難等交通問題。機(jī)動車交通高峰時(shí)段,將環(huán)形交叉口的交通控制等級由讓行規(guī)則控制提升至交通信號控制成為一種必然的選擇。

就環(huán)形交叉口的交通信號控制模式而言,根據(jù)交通信號燈設(shè)置方式的不同分為:①個(gè)別進(jìn)口道控制;②進(jìn)口道和環(huán)道全控制;根據(jù)信號配時(shí)方案生成方式的不同分為:①預(yù)設(shè)時(shí)間控制;②交通響應(yīng)控制。目前,國外學(xué)者的研究多聚集于“個(gè)別進(jìn)口道控制+交通響應(yīng)控制”[4-6];國內(nèi)學(xué)者的研究多聚集于“進(jìn)口道和環(huán)道全控制+預(yù)設(shè)時(shí)間控制”[7-10]。

進(jìn)口道和環(huán)道全控制的四路環(huán)形交叉口可以采用2種交通組織方式:①多進(jìn)口同步放行;②單進(jìn)口輪流放行。多進(jìn)口同步放行方式下,本向與對向的入環(huán)車輛同步獲得通行權(quán),進(jìn)入環(huán)道后,直行車輛可以順利出環(huán),左轉(zhuǎn)車輛由于受到環(huán)道信號燈的阻滯,必須在環(huán)道停止線后等待第二次通行機(jī)會方能出環(huán)。一旦環(huán)道停止線后的排隊(duì)車輛過多,將嚴(yán)重干擾出環(huán)車輛的正常通行,導(dǎo)致局部環(huán)道乃至整個(gè)交叉口陷入死鎖狀態(tài),進(jìn)而引發(fā)區(qū)域性的全面交通擁堵。因此,多進(jìn)口同步放行方式僅適用于環(huán)道排隊(duì)空間較大或左轉(zhuǎn)車輛較少的環(huán)形交叉口。單進(jìn)口輪流放行方式下,按照順時(shí)針的順序依次為各個(gè)進(jìn)口方向的入環(huán)車輛賦予通行權(quán),進(jìn)入環(huán)道后,左轉(zhuǎn)車輛不會由于受到環(huán)道信號燈的阻滯而對直行車輛的正常通行造成干擾,基本消除了局部環(huán)道死鎖的可能性。因此,單進(jìn)口輪流放行方式具有普遍的適用性。此外,與多進(jìn)口同步放行方式相比,單進(jìn)口輪流放行方式的環(huán)形交叉口在信號配時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)只需獲取各個(gè)進(jìn)口方向、各條進(jìn)口道的機(jī)動車到達(dá)交通量,無需進(jìn)一步區(qū)分機(jī)動車的通行方向比例,大大降低了機(jī)動車到達(dá)交通量調(diào)查工作的復(fù)雜程度,進(jìn)一步增強(qiáng)了單進(jìn)口輪流放行方式的適用性。

就通行空間資源和通行時(shí)間資源的結(jié)構(gòu)性特征而言,環(huán)形交叉口明顯區(qū)別于普通平面交叉口,這意味著傳統(tǒng)的交通信號控制方法無法直接應(yīng)用于環(huán)形交叉口。本文面向機(jī)動車交通高峰時(shí)段采用“進(jìn)口道和環(huán)道全控制+預(yù)設(shè)時(shí)間控制”的四路環(huán)形交叉口,從相位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號配時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)層面,提出一種適用于單進(jìn)口輪流放行方式的交通信號控制方法,期望為環(huán)形交叉口的交通管理與控制工程實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究環(huán)境與符號解釋

本文的研究環(huán)境包括:①在環(huán)形交叉口的適當(dāng)位置安裝有機(jī)動車信號燈和行人信號燈;②機(jī)動車交通低峰和平峰時(shí)段,關(guān)閉交通信號燈,環(huán)形交叉口采用讓行規(guī)則控制;機(jī)動車交通高峰時(shí)段,開啟交通信號燈,環(huán)形交叉口采用交通信號控制;③對于右轉(zhuǎn)車輛不實(shí)施交通信號控制,但它們須主動避讓行人、非機(jī)動車和出環(huán)車輛;④行人和非機(jī)動車實(shí)施一體化過街處理;⑤調(diào)頭車輛須進(jìn)入環(huán)道完成調(diào)頭;⑥機(jī)動車相位的信號燈色依次為“綠燈→黃燈→紅燈→綠燈”,行人相位的信號燈色依次為“綠燈→紅燈→綠燈”;⑦采用RiLSA[11]推薦的方法計(jì)算綠燈間隔時(shí)間。

下文中涉及的符號包括:ad(Ri,Kj)表示相位Kj的排隊(duì)頭車進(jìn)入環(huán)道后,在相位Ri的停止線后的允許阻滯時(shí)間(s);BGZ表示相位Z的綠燈啟亮?xí)r刻(s);C表示信號周期時(shí)間(s);Co表示最佳信號周期時(shí)間(s);C(t)o表示最佳信號周期時(shí)間的第t輪試算值(s);Cmax表示最大信號周期時(shí)間(s);Cmin表示最小信號周期時(shí)間(s);dbg(Ri,Kj)表示相位Ri與Kj的綠燈啟亮?xí)r間差或相位Kj的綠燈早啟時(shí)間(s);EGZ表示相位Z的綠燈結(jié)束時(shí)刻(s);Fi表示行人相位的編號;GZ表示相位Z 的綠燈顯示時(shí)間(s);G(t)Ki表示相位Ki的綠燈顯示時(shí)間的第t輪試算值(s);GminKi,P表示相位Ki保證行人和非機(jī)動車安全過街的最小綠燈顯示時(shí)間(s);GminKi,QC表示相位Ki保證一定數(shù)量的入環(huán)車輛順利通過進(jìn)口道停止線的最小綠燈顯示時(shí)間(s);GminKi,S表示相位Ki保證行車安全的最小綠燈顯示時(shí)間(s);GminZ表示相位Z 的最小綠燈顯示時(shí)間(s);i=1,2,3,4;j=1,2,3,4。i和j同時(shí)出現(xiàn)時(shí),(i,j)= (1,2),(2,3),(3,4),(4,1);intg(Z,Z′)表示相位Z與Z′的綠燈間隔時(shí)間(s);Ki表示進(jìn)口道機(jī)動車相位的編號;l(Ri,Kj)表示相位Ri與Kj的停止線間距(m);QKi,d表示相位 Ki的設(shè)計(jì)流率(pcu/(h·ln));Ri表示環(huán)道機(jī)動車相位的編號;SKi表示相位Ki的飽和流率(pcu/(h·ln));t為正整數(shù);v(Ri,Kj)表示綠燈啟亮后,相位Kj的入環(huán)車輛的進(jìn)入速度(m/s);XKi,d表示相位Ki的設(shè)計(jì)飽和度;X(t)Ki表示相位Ki在最佳信號周期時(shí)間的第t輪試算時(shí)的理論飽和度,X(t)Ki=Z、Z′表示任意相位的編號。

2 相位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是基于平面交叉口的道路空間條件,根據(jù)道路使用者的通行需求特征和交通信號控制設(shè)備的相關(guān)技術(shù)條件,遵循一定的原則和步驟,為不同類型、不同行走方向的道路使用者賦予通行權(quán),提供平等的通行機(jī)會,定義通行權(quán)的傳承順序,實(shí)現(xiàn)通行時(shí)間資源的戰(zhàn)略分配。

2.1 相位設(shè)置

在環(huán)道數(shù)超過2條的四路環(huán)形交叉口內(nèi)部,存在著大量潛在的交通沖突。隨著進(jìn)口道機(jī)動車信號燈、環(huán)道機(jī)動車信號燈、行人信號燈的啟用,除了與右轉(zhuǎn)車輛相關(guān)的交通沖突仍需利用讓行規(guī)則加以分離外,其他的交通沖突均可以利用交通信號燈進(jìn)行分離。

單進(jìn)口輪流放行方式的四路環(huán)形交叉口具有4個(gè)進(jìn)口道機(jī)動車相位(K1~K4)、4個(gè)環(huán)道機(jī)動車相位(R1~R4)、4個(gè)行人相位(F1~F4),如圖1所示。進(jìn)口道機(jī)動車相位和環(huán)道機(jī)動車相位采用的交通信號燈具均為圓形信號燈。歸屬于不同相位的道路使用者的交通沖突關(guān)系,如圖2所示。存在交通沖突的相位不允許同時(shí)獲得通行權(quán)。

2.2 相位組合方案

相位組合方案用以描述一系列允許同步獲得通行權(quán)的相位(或稱并發(fā)相位)的組合關(guān)系,體現(xiàn)了一種相對穩(wěn)定的通行時(shí)間資源供給狀態(tài)。任意一個(gè)相位應(yīng)至少存在于一個(gè)相位組合方案之中。

圖1 相位編號Fig.1 Phase numbering

圖2 交通沖突關(guān)系Fig.2 Traffic conflicts matrix

單進(jìn)口輪流放行方式下,四路環(huán)形交叉口可能產(chǎn)生8種常規(guī)相位組合方案,如圖3所示。進(jìn)口道機(jī)動車相位與逆時(shí)針方向相鄰的第1個(gè)行人相位同步獲得通行權(quán)。進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈期間,為了充分利用局部環(huán)道的通行空間資源,允許順時(shí)針方向相鄰的第1個(gè)進(jìn)口道機(jī)動車相位獲得通行權(quán)。

2.3 相位顯示順序

相位顯示順序用以描述不同相位組合方案之間的更迭關(guān)系,實(shí)質(zhì)上反映了沖突相位之間的通行權(quán)傳承順序,是相位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的集中表現(xiàn)形式。

單進(jìn)口輪流放行方式下,四路環(huán)形交叉口采用的常規(guī)相位顯示順序如圖4所示。按照逆時(shí)針順序,依次為各個(gè)進(jìn)口道機(jī)動車相位賦予通行權(quán)。

2.4 通行權(quán)供給的時(shí)間特性

通行權(quán)供給的時(shí)間特性是對交叉口可能采用的相位顯示順序中隱含的、關(guān)于通行時(shí)間資源供給的結(jié)構(gòu)性特征的歸納和總結(jié)。根據(jù)常規(guī)相位顯示順序,得到以下4項(xiàng)通行權(quán)供給的時(shí)間特性:

(1)進(jìn)口道機(jī)動車相位與緊鄰的環(huán)道機(jī)動車相位存在直接的通行權(quán)傳承關(guān)系,它們的綠燈顯示時(shí)間加上綠燈間隔時(shí)間之和始終等于信號周期時(shí)間,即:

圖3 常規(guī)相位組合方案Fig.3 Common phase combinations

圖4 常規(guī)相位顯示順序Fig.4 Common phase sequence

(2)進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈顯示時(shí)間與信號周期時(shí)間的數(shù)值關(guān)系如圖5所示,數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(3)根據(jù)相位顯示順序和交通沖突關(guān)系,利用式(3)(4)(5)計(jì)算進(jìn)口道機(jī)動車相位、環(huán)道機(jī)動車相位的綠燈啟亮和結(jié)束時(shí)刻。

(4)根據(jù)相位顯示順序和交通沖突關(guān)系,利用式(6)(7)計(jì)算行人相位的綠燈啟亮和結(jié)束時(shí)刻:

3 信號配時(shí)設(shè)計(jì)

信號配時(shí)設(shè)計(jì)的目的是基于平面交叉口的道路空間條件和相位顯示順序,根據(jù)通行權(quán)供給的時(shí)間特性以及控制時(shí)段內(nèi)的通行時(shí)間資源需求水平,遵循一定的原則和步驟,采用一定的方法,計(jì)算信號周期時(shí)間以及各個(gè)相位、各種信號燈色的啟亮和結(jié)束時(shí)刻,實(shí)現(xiàn)通行時(shí)間資源的戰(zhàn)術(shù)分配。

圖5 GKi與C的數(shù)值關(guān)系Fig.5 Numerical relationship between GKiand C

3.1 進(jìn)口道機(jī)動車相位的通行時(shí)間資源需求

設(shè)計(jì)流率表征了進(jìn)口道機(jī)動車相位可能承載的最大通行需求。給定設(shè)計(jì)流率下,進(jìn)口道的通行條件越好,飽和流率越高,滿足通行需求所需的綠燈顯示時(shí)間理應(yīng)越少??梢岳迷O(shè)計(jì)流率與飽和流率的比值(即流率比)表征進(jìn)口道機(jī)動車相位可能承載的最大通行需求水平。流率比的引入使得不同進(jìn)口道機(jī)動車相位對于通行時(shí)間資源的原始需求具備了橫向可比性。

設(shè)計(jì)飽和度是針對各個(gè)進(jìn)口道機(jī)動車相位設(shè)定的最大允許飽和度,表征了該相位通行能力的期望富余程度。不同進(jìn)口道機(jī)動車相位的設(shè)計(jì)飽和度可以不同。給定流率比下,設(shè)計(jì)飽和度越高,通行能力的期望富余程度越低,進(jìn)口道機(jī)動車相位獲得的綠燈顯示時(shí)間越少。設(shè)計(jì)飽和度的建議取值為0.80、0.85、0.90、0.95??梢岳昧髀时扰c設(shè)計(jì)飽和度的比值表征進(jìn)口機(jī)動車相位可能承載的最大通行時(shí)間資源需求水平,并將其作為信號配時(shí)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。流率比與設(shè)計(jì)飽和度的比值的引入使得不同進(jìn)口道機(jī)動車相位對于通行時(shí)間資源的設(shè)計(jì)需求具備了橫向可比性。

3.2 進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈早啟時(shí)間

根據(jù)入環(huán)車輛(特指左轉(zhuǎn)和直行車輛)的交通運(yùn)行特性,進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈啟亮后,入環(huán)車輛將以車隊(duì)的形式進(jìn)入環(huán)道;入環(huán)車隊(duì)的頭車一旦受到環(huán)道信號燈的阻滯,后續(xù)車輛將依次受到阻滯效應(yīng)的影響,或減速、或停車;環(huán)道信號燈的綠燈啟亮后,入環(huán)車隊(duì)的頭車及后續(xù)車輛依次加速至期望車速,環(huán)道信號燈對于入環(huán)車隊(duì)的阻滯效應(yīng)逐漸消失。

相對于逆時(shí)針方向相鄰的第1個(gè)環(huán)道機(jī)動車相位,進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈早啟時(shí)間應(yīng)允許入環(huán)車隊(duì)的頭車經(jīng)歷一定的阻滯時(shí)間,同時(shí),應(yīng)確保阻滯效應(yīng)不會傳遞至進(jìn)口道停止線斷面(即入環(huán)車輛通過進(jìn)口道停止線時(shí)不會受到前方車輛的阻滯而減速或停車)。利用式(8)計(jì)算進(jìn)口道機(jī)動車相位與逆時(shí)針方向相鄰的第1個(gè)環(huán)道機(jī)動車相位的綠燈啟亮?xí)r間差:

3.3 進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈顯示時(shí)間

假定進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈前損失時(shí)間等于綠燈后補(bǔ)償時(shí)間,即有效綠燈時(shí)間等于綠燈顯示時(shí)間。對于任意給定的信號周期時(shí)間,利用式(2)(8)計(jì)算進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈顯示時(shí)間總和,利用式(9)計(jì)算各個(gè)進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈顯示時(shí)間:

3.4 行人相位的最小綠燈顯示時(shí)間

設(shè)置行人過街中央安全島后,人行橫道被分為兩段,可以實(shí)施行人“同步二次過街”控制[11]。較高機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,行人相位的最小綠燈顯示時(shí)間應(yīng)保證綠燈初期進(jìn)入人行橫道的行人能夠到達(dá)另一段人行橫道的中央位置。

3.5 進(jìn)口道機(jī)動車相位的最小綠燈顯示時(shí)間

與普通平面交叉口類似,進(jìn)口道機(jī)動車相位的最小綠燈顯示時(shí)間應(yīng)保證行車安全、一定數(shù)量的入環(huán)車輛順利通過進(jìn)口道停止線以及行人和非機(jī)動車安全過街,見式(10)[12-14]:

式中:GminKi,S和GminKi,QC通常取為經(jīng)驗(yàn)值,GminKi,P的數(shù)值與多種因素密切相關(guān)。根據(jù)通行權(quán)供給的時(shí)間特性,以相位Rj的綠燈結(jié)束時(shí)刻為起點(diǎn)、綠燈啟亮?xí)r刻為終點(diǎn),劃定GminKj,P與GminFi的數(shù)值關(guān)系分析區(qū)間,如圖6所示,數(shù)學(xué)表達(dá)式見式(11)。將式(12)(13)帶入式(11),得到進(jìn)口道機(jī)動車相位的最小綠燈顯示時(shí)間。

圖6 GminKj,P與GminFi的數(shù)值關(guān)系Fig.6 Numerical relationship between GminKj,P and GminFi

3.6 信號周期時(shí)間邊界值

最大信號周期時(shí)間的取值不宜超過150s。將進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈顯示時(shí)間取為該相位的最小綠燈顯示時(shí)間,利用式(2)得到最小信號周期時(shí)間的計(jì)算方法,見式(14):

3.7 最佳信號周期時(shí)間

將最佳信號周期時(shí)間定義為根據(jù)通行權(quán)供給的時(shí)間特性,在信號周期時(shí)間邊界值、進(jìn)口道機(jī)動車相位的最小綠燈顯示時(shí)間和設(shè)計(jì)飽和度的共同約束下,能夠滿足所有道路使用者的通行時(shí)間資源需求的最小信號周期時(shí)間。

與以往研究不同的是,本方法并未建立最佳信號周期時(shí)間的計(jì)算公式,而是要求自最小信號周期時(shí)間開始,直至最大信號周期時(shí)間,針對每個(gè)可能的信號周期時(shí)間取值,計(jì)算各個(gè)進(jìn)口道機(jī)動車相位的綠燈顯示時(shí)間和理論飽和度,將首先滿足進(jìn)口道機(jī)動車相位的最小綠燈顯示時(shí)間和設(shè)計(jì)飽和度約束的信號周期時(shí)間視為最佳信號周期時(shí)間。因此,最終確定的最佳信號周期時(shí)間需要經(jīng)過多輪試算,試算結(jié)果應(yīng)保留小數(shù)點(diǎn)后1位有效數(shù)字并進(jìn)行4舍5入取整操作。

若所有可能的信號周期時(shí)間取值均不滿足約束條件,認(rèn)為在當(dāng)前的通行空間資源供給條件下,本方法無法為所有的道路使用者提供足夠的通行時(shí)間資源,只能終止信號配時(shí)設(shè)計(jì)。必須通過調(diào)整交通流向和流線組織以及交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)計(jì),改變環(huán)形交叉口的通行空間資源供給條件,方能重新進(jìn)行信號配時(shí)設(shè)計(jì)。

信號配時(shí)設(shè)計(jì)的技術(shù)流程如下:

步驟1:確定ad(Ri,Kj),利用式(8)計(jì)算dbg(Ri,Kj),執(zhí)行步驟2。

步驟2:確定GminFi,利用式(11)(12)(13)計(jì)算GminKj,P,執(zhí)行步驟3。

步驟3:確定GminKi,S、GminKi,QC,利用式(10)計(jì)算GminKi,執(zhí)行步驟4。

步驟4:利用式(14)計(jì)算Cmin,令t=1;C(t)o=Cmin,執(zhí)行步驟5。

步驟5:若C(t)o≤Cmax,利用式(2)(9)計(jì)算G(t)K1、G(t)K2、G(t)K3、G(t)K4,執(zhí)行步驟6;否則,執(zhí)行步驟8。

步驟6:若G(t)Ki≥GminKi且X(t)Ki≥XKi,d,令Co=C(t)o;GKi=G(t)Ki,執(zhí)行步驟7;否則,令t=t+1;C(t)o=C(t)o+1,執(zhí)行步驟5。

步驟7:令BGK1=0,利用式(3)~ (7)計(jì)算BGKi、EGKi、BGRi、EGRi、BGFi、EGFi,生成信號配時(shí)方案。

步驟8:調(diào)整交通流向和流線組織以及交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)計(jì),執(zhí)行步驟1。

顯然,本方法并未采用優(yōu)化建模的思想,即通過對充滿隨機(jī)性、時(shí)變性和不確定性的道路交通系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的簡化和抽象,將環(huán)形交叉口的通行時(shí)間資源分配問題描述成交通信號控制參數(shù)的約束優(yōu)化問題,而是采用了非優(yōu)化建模的思想,致力于認(rèn)清道路使用者的交通運(yùn)行特性,發(fā)現(xiàn)通行時(shí)間資源供給的結(jié)構(gòu)性特征,匹配通行時(shí)間資源的供求關(guān)系,在必要的約束條件下,以一種確定性的方式,分層次、分步驟地確定交通信號控制參數(shù),這使得本方法不僅具有科學(xué)性,還具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,更加簡單、易用。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

選取典型的四路環(huán)形交叉口,在中等和較低機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,實(shí)施讓行規(guī)則控制,在較高機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,實(shí)施單進(jìn)口輪流放行方式的交通信號控制。

利用VISSIM 5.3建立仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境,測試和分析對象交叉口的性能。

4.1 道路空間條件

對象交叉口的道路空間條件如圖7所示。南北方向?yàn)橹饕缆?,東西方向?yàn)榇我缆贰8鳁l道路的路段車道數(shù)均為3條,各個(gè)進(jìn)口方向具有相同的車道功能,即1條右轉(zhuǎn)專用車道、2條直行專用車道、1條左轉(zhuǎn)調(diào)頭合用車道。

進(jìn)口道采用右側(cè)展寬,最外側(cè)進(jìn)口道的展寬段長度為50m,展寬漸變段的長度為20m。

中心島的直徑為35m,進(jìn)口道、出口道、環(huán)道的寬度分別為3m/ln、3.5m/ln、4m/ln,人行橫道的寬度為5m,非機(jī)動車過街通道的寬度為3 m。

圖7 道路空間條件Fig.7 Road geometric condition

路段和進(jìn)出口道的限制車速均為50km/h。直行專用進(jìn)口道和左轉(zhuǎn)調(diào)頭合用進(jìn)口道的飽和流率均為1800pcu/(h·ln)。取l(Ri,Kj)≈51m,v(Ri,Kj)=40km/h。

4.2 交通需求條件

較低、中等、較高機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,分別在一定的抽樣范圍內(nèi)隨機(jī)選取3組機(jī)動車到達(dá)交通量,如表1所示。人行橫道的單向過街行人交通量分別為100、200、400ped/h;非機(jī)動車過街通道的單向過街非機(jī)動車交通量分別為50、100、200cyc/h。

表1 機(jī)動車到達(dá)交通量的抽樣結(jié)果Table 1 Sampling results of vehicular demands pcu/h

較高機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,各個(gè)進(jìn)口方向選取車道平均機(jī)動車到達(dá)量的最大值作為進(jìn)口道機(jī)動車相位的設(shè)計(jì)流率。在此基礎(chǔ)上,得到進(jìn)口道機(jī)動車相位的流率比如表2所示。

表2 進(jìn)口道機(jī)動車相位的流率比Table 2 Flow ratios of entering vehicle phases

4.3 信號控制條件

進(jìn)口道機(jī)動車相位和環(huán)道機(jī)動車相位的黃燈時(shí)間均為3s。對象交叉口的綠燈間隔時(shí)間如圖8所示。

較高機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,令GminFi=18s;GminKi,S=10s;GminKi,QC=15s,利用式(10)~(14)得到GminKi=24s。令 XK1,d=XK3,d=0.9;XK2,d=XK4,d=0.95;ad(Ri,Kj)=2s。以相位 K1的綠燈啟亮?xí)r刻作為信號周期時(shí)間的起點(diǎn),不同交通需求條件下的信號配時(shí)方案如表3所示。

4.4 仿真模型參數(shù)

圖8 綠燈間隔時(shí)間Fig.8 Intergreen time matrix

為了消除標(biāo)準(zhǔn)車輛折算給仿真建模帶來的不便,將機(jī)動車的交通構(gòu)成視為標(biāo)準(zhǔn)車輛(即車輛長度小于6m的小型車)。

機(jī)動車的最小和最大期望速度分別為48和58km/h。行人的最小和最大期望速度為4和6 km/h。非機(jī)動車的最小和最大期望速度為12和15km/h。

車輛跟馳模型中,平均停車間距為2.0m,期望安全距離的附加部分為2.5m,期望安全距離的倍數(shù)部分為3.5m。車道變換模型中,車輛消失前的等待時(shí)間為45s。其他駕駛行為參數(shù)采用默認(rèn)值。

表3 信號配時(shí)方案Table 3 Signal timing plans

仿真運(yùn)行總時(shí)間為10800s,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)段為900~10800s。針對每組交通需求進(jìn)行一組仿真實(shí)驗(yàn),每組仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次仿真運(yùn)行,每次仿真運(yùn)行選取的隨機(jī)數(shù)分別為9、19、29、39、49。

4.5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取交叉口的車均延誤、交叉口的車均停車次數(shù)、各個(gè)進(jìn)口方向的車均延誤極差作為機(jī)動車相位的性能指標(biāo),選取行人和非機(jī)動車的人均延誤作為行人相位的性能指標(biāo)。每組交通需求下的性能指標(biāo)值取為5次,仿真運(yùn)行得到該性能指標(biāo)值的算術(shù)平均值。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

較低機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,對象交叉口的各項(xiàng)性能指標(biāo)值均處于低位運(yùn)行態(tài)勢。中等機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,各項(xiàng)性能指標(biāo)值均顯著增大,對象交叉口的整體性能趨于惡化的態(tài)勢已經(jīng)形成,若不及時(shí)提升交通控制等級,局部環(huán)道乃至整個(gè)交叉口陷入死鎖狀態(tài)將在所難免。

表4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Simulation test results

較高機(jī)動車交通負(fù)荷水平下,隨著對象交叉口的交通控制等級由讓行規(guī)則控制提升至交通信號控制,交叉口的車均延誤顯著增大,但交叉口的車均停車次數(shù)和各個(gè)進(jìn)口方向的車均延誤極差得到了有效控制,說明本文提出的交通信號控制方法不僅能夠避免機(jī)動車的通行效率再度降低,還能夠均衡不同進(jìn)口道機(jī)動車相位的性能;與讓行規(guī)則控制相比,行人和非機(jī)動車的人均延誤出現(xiàn)大幅增加是實(shí)施交通信號控制的必然結(jié)果,但是,本文提出的交通信號控制方法可以將人均延誤值控制在一個(gè)相對較低的水平。

5 結(jié)束語

就環(huán)形交叉口的交通控制方法而言,讓行規(guī)則控制適用于機(jī)動車交通低峰和平峰時(shí)段;交通信號控制適用于機(jī)動車交通高峰時(shí)段。對于交通信號控制環(huán)形交叉口,單進(jìn)口輪流放行方式具有更為普遍的適用性,找到一種科學(xué)、有效的交通信號控制方法是促使其推廣應(yīng)用的重要前提。本文面向四路環(huán)形交叉口,以安全、高效地實(shí)施單進(jìn)口輪流放行方式的交通信號控制為基本目的,通過深入剖析道路使用者的交通運(yùn)行特性、通行時(shí)間資源供給的結(jié)構(gòu)性特征、通行時(shí)間資源的供求關(guān)系,建立了相位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和信號配時(shí)設(shè)計(jì)方法,較為系統(tǒng)地解決了通行時(shí)間資源的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)分配問題。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著機(jī)動車交通負(fù)荷水平的提高,讓行規(guī)則控制將難以遏制環(huán)形交叉口整體性能的顯著惡化,本文提出的交通信號控制方法具有科學(xué)性、有效性、實(shí)用性,有助于顯著改善機(jī)動車交通高峰時(shí)段環(huán)形交叉口的整體性能。

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