容 穎，陳海蝶，張曉帆，薛 剛?

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510665；2.廣東技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510665）

0 引言

汽車保有量的不斷增加，使得道路交通正面臨著重重挑戰(zhàn).如廣州市的城市交通體量日益增大，導(dǎo)致與日俱增的交通管理壓力等.交叉口是連接道路的節(jié)點(diǎn)，交叉口的運(yùn)行效率會(huì)影響多條道路的運(yùn)行.但許多郊區(qū)道路或不發(fā)達(dá)的城市，大多都是沒有設(shè)置專用的非機(jī)動(dòng)車道.而非機(jī)動(dòng)車在人們出行中有著獨(dú)特的地位，且其對(duì)交叉口運(yùn)行的影響在不斷加深，成為了不可忽視的部分.在未設(shè)置非機(jī)動(dòng)車專用車道的交叉口，易與機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生沖突，必會(huì)有一方做出避讓行為，導(dǎo)致車輛延誤增加，影響交叉口的運(yùn)行效率.現(xiàn)階段，分離機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車的方法主要有從時(shí)空上進(jìn)行分離，如設(shè)置非機(jī)動(dòng)車專用車道與非機(jī)動(dòng)車相位.然而部分道路由于空間限制，不足以設(shè)置非機(jī)動(dòng)車專用車道；而在時(shí)間上，設(shè)置非機(jī)動(dòng)車相位也會(huì)使信號(hào)周期增大，進(jìn)而增加交叉口的延誤.綜合考慮，從配時(shí)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行優(yōu)化出發(fā)，通過考慮非機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車的互動(dòng)關(guān)系，調(diào)整流率比模型優(yōu)化配時(shí)過程，會(huì)是一個(gè)有效的折中方法.

目前，機(jī)非混合交叉口占城鄉(xiāng)道路的較大比例，仍是交通管控的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象.李建新[1]學(xué)者研究非機(jī)動(dòng)車比例較大時(shí)對(duì)通行能力的影響，且分析其交通運(yùn)營(yíng)行為.而景春光[2]等學(xué)者對(duì)機(jī)動(dòng)車流與非機(jī)動(dòng)車流的沖突進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的模型.另外，邊曉麗[3]學(xué)者研究各類車輛和行人的運(yùn)行特性，對(duì)交叉口服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià).同時(shí)，曹士強(qiáng)[4]學(xué)者對(duì)不同干擾條件下非機(jī)動(dòng)車騎行的特征進(jìn)行研究，分析了非機(jī)動(dòng)車對(duì)道路的影響.

信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)改善交叉口運(yùn)行狀況和安全性至關(guān)重要.胡怡瑋[5]等學(xué)者通過計(jì)算不同方案下的延誤與服務(wù)水平，確定最佳周期，改善交叉口交通運(yùn)行狀況.魏婧[6]學(xué)者提出以優(yōu)化車道功能劃分優(yōu)化設(shè)計(jì)為主要目的，在時(shí)空上實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口的管理與控制，改善所選交叉口的各項(xiàng)道路指標(biāo).另外，還有部分學(xué)者從理論模型的角度出發(fā)，優(yōu)化相應(yīng)的信號(hào)配時(shí)方法.Rouphail[7]學(xué)者利用一種接口與仿真模型相結(jié)合，從而對(duì)周期長(zhǎng)度、綠燈長(zhǎng)度、相位差進(jìn)行同步優(yōu)化.石茂銀[8]等學(xué)者建立與優(yōu)化考慮人車交互的交叉口信號(hào)配時(shí)模型的方法，并應(yīng)用于實(shí)例，證明模型的可行性.

VISSIM 軟件對(duì)交通領(lǐng)域的發(fā)展影響深遠(yuǎn).王玉鵬[9]學(xué)者首先將VISSIM 分析結(jié)果與算法結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證利用VISSIM 仿真的可行性及有效性.李明霞[10]學(xué)者說(shuō)明VISSIM 軟件使道路運(yùn)行狀況呈現(xiàn)出三維動(dòng)畫狀態(tài)，更具直觀化，并能生成排隊(duì)長(zhǎng)度、車輛平均延誤等數(shù)據(jù).趙秀云[11]等學(xué)者從道路結(jié)構(gòu)模型、交通信號(hào)模型等多個(gè)交通仿真模型的建立與分析出發(fā)，研究仿真的優(yōu)點(diǎn)及其參數(shù)的標(biāo)定.曹洪斌[12]等學(xué)者簡(jiǎn)要介紹VISSIM 軟件后，進(jìn)一步研究軟件在交通影響分析方面的意義，同時(shí)也闡述了軟件可模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案.

從所查閱的資料中可知，目前定時(shí)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)大多從渠化設(shè)計(jì)和配時(shí)設(shè)計(jì)方面入手.大部分學(xué)者都選擇實(shí)際交叉口進(jìn)行調(diào)查后再進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，達(dá)到提高通行能力的目的.與此同時(shí)，有一部分學(xué)者利用仿真軟件進(jìn)行仿真分析，從而評(píng)價(jià)優(yōu)化方案的可行性.而較少學(xué)者通過考慮交叉口機(jī)非混合的影響，優(yōu)化交叉口信號(hào)配時(shí)模型，并分析其對(duì)交叉口運(yùn)行狀況的改善效果.綜上所述，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有研究中考慮非機(jī)動(dòng)車因素的信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)較為少見，然而實(shí)際交通中機(jī)非混合交叉口仍占著較大的比例.因此，考慮機(jī)非混合的交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得格外重要，其意義重大.

1 交叉口現(xiàn)狀調(diào)查及分析

1.1 交叉口概況

環(huán)鎮(zhèn)西路-江石東路交叉口連通商業(yè)區(qū)、教學(xué)區(qū)、工業(yè)區(qū)，車流來(lái)往頻繁，車輛種類繁多，是廣州市江高鎮(zhèn)重要的道路路口之一.經(jīng)過調(diào)查，該交叉口存在道路交通設(shè)施不完善、交通沖突點(diǎn)多、運(yùn)行狀況不良等問題.從而，交叉口配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧行駛安全和交叉口運(yùn)行效率.

由實(shí)地調(diào)研可知，目前東進(jìn)口為雙向六車道，道路總寬度為21m，車道寬度均為3.5m ；西進(jìn)口為雙向四車道，道路總寬度為16m，車道寬度均為4m ；南進(jìn)口為雙向四車道，道路總寬度為15m，車道寬度均為3.75m ；北進(jìn)口的進(jìn)口道為雙向單車道，道路總寬度為13m，車道寬度均為3.25m.如圖1 所示.

圖1 交叉口渠化現(xiàn)狀圖

該交叉口現(xiàn)采用二相位放行方式，即第一相位為南北進(jìn)口車流放行時(shí)間，綠燈時(shí)間為50s ；第二相位東西進(jìn)口車流放行時(shí)間，綠燈時(shí)間為60s ；黃燈時(shí)間均為3s，且無(wú)全紅時(shí)間.相位圖如圖2 所示.

圖2 現(xiàn)狀相位圖

1.2 交通調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2022 年3 月4 日17:00 至19:00，在廣州市環(huán)鎮(zhèn)西路-江石東路交叉口進(jìn)行晚高峰交通量調(diào)查，并將數(shù)據(jù)整理得表1（單位：輛/h）.

從表1 上看，不難發(fā)現(xiàn)東進(jìn)口的車流量最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他進(jìn)口道的車流量，甚至達(dá)到了其他進(jìn)口各自車流量的二至三倍，而南進(jìn)口的車流量次之，西進(jìn)口與東進(jìn)口的車流量相差較小.另外，東進(jìn)口的直行車流量最大，與其轉(zhuǎn)向車流量之和大致持平，而南進(jìn)口的右轉(zhuǎn)車流量次之，同時(shí)西進(jìn)口右轉(zhuǎn)方向及南進(jìn)口左轉(zhuǎn)方向的車流量極小.

表1 交通量調(diào)查

在忽略特殊情況時(shí)（如違反交通規(guī)則），二相位的信號(hào)控制交叉口易產(chǎn)生沖突，產(chǎn)生機(jī)非交互行為，即對(duì)向車流同時(shí)放行時(shí)，直行車流易與轉(zhuǎn)彎車流發(fā)生沖突，從而出現(xiàn)避讓行為.從表2 可知，該交叉口發(fā)生機(jī)非交互情況的頻率為232 次/h.從總體上看，非機(jī)動(dòng)車避讓機(jī)動(dòng)車的行為出現(xiàn)的次數(shù)較多，但與機(jī)動(dòng)車避讓非機(jī)動(dòng)車的次數(shù)相當(dāng).其中，可看出在東西向車流放行時(shí)（一相位），非機(jī)動(dòng)車避讓行為出現(xiàn)次數(shù)較多；南北向車流放行時(shí)（二相位），機(jī)非交互發(fā)生較為頻繁.

表2 機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車交互數(shù)據(jù)匯總

2 考慮機(jī)非混行的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型

2.1 交叉口渠化方案與相位方案設(shè)計(jì)

2.1.1 渠化方案的設(shè)計(jì)

綜合考慮交通量及車道寬度，將渠化方案更新如下圖3.即將東進(jìn)口車道分別設(shè)為直行與左轉(zhuǎn)車道、直行車道及直行與右轉(zhuǎn)合用車道；西進(jìn)口維持原渠化方案不變；將南進(jìn)口道分別設(shè)為直行與左轉(zhuǎn)合用車道、右轉(zhuǎn)車道；將北進(jìn)口道分別設(shè)為左轉(zhuǎn)車道、直行與左轉(zhuǎn)合用車道、直行和右轉(zhuǎn)合用車道，且將展寬距離延長(zhǎng)為原距離的兩倍.

圖3 交叉口優(yōu)化渠化圖

2.1.2 相位方案設(shè)計(jì)

根據(jù)車流量調(diào)查情況，該交叉口相位方案設(shè)計(jì)如下：

相位一：東進(jìn)口所有方向車流放行；

相位二：西進(jìn)口所有方向車流放行，東進(jìn)口直行車流放行；

相位三：南進(jìn)口所有方向車流放行，北進(jìn)口所有方向車流放行.

圖4 優(yōu)化后相位圖

2.2 相關(guān)配時(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 飽和流率的校正

由于該交叉口車流難達(dá)到連續(xù)車隊(duì)，因此本文采用模型計(jì)算法[13]（即估算法）.通過引用關(guān)于車道寬度校正系數(shù)、車道坡度及大車校正系數(shù)對(duì)飽和流率的校正.飽和流率的估算模型如下：

式中，Sb表示基本飽和流率，本文取值為1650 veh/h ；fw表示車道寬度校正系數(shù)；fg表示道路坡度校正系數(shù)，此交叉口道路坡度為0；fHV表示大車校正系數(shù).

通過數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，各進(jìn)口直行車道飽和流率如表3.

表3 飽和流率表

2.2.2 考慮機(jī)非交互情況的流率比模型構(gòu)建

當(dāng)忽略機(jī)非交互情況時(shí)（即運(yùn)行狀況不受非機(jī)動(dòng)車影響時(shí)），流率比計(jì)算模型為：

式中，qi為平均單車道直行當(dāng)量.

當(dāng)機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生沖突時(shí)，總會(huì)有其中一方會(huì)先避讓，避免交通事故的發(fā)生.在本文調(diào)查研究中，將機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車交互時(shí)，機(jī)動(dòng)車避讓非機(jī)動(dòng)車的行為定義為機(jī)動(dòng)車避讓率；而非機(jī)動(dòng)車避讓機(jī)動(dòng)車的行為定義為非機(jī)動(dòng)車避讓率.其中，機(jī)動(dòng)車避讓率指機(jī)動(dòng)車避讓次數(shù)與機(jī)非交互總次數(shù)的比值；同理，非機(jī)動(dòng)車避讓率指非機(jī)動(dòng)車避讓次數(shù)與機(jī)非交互總次數(shù)的比值.計(jì)算公式如下：

式中：Kv表示機(jī)動(dòng)車避讓率，Bvn表示機(jī)動(dòng)車避讓非機(jī)動(dòng)車的次數(shù)，B表示機(jī)非交互總次數(shù)，Kn表示非機(jī)動(dòng)車避讓率，Bnv表示非機(jī)動(dòng)車避讓機(jī)動(dòng)車的次數(shù).

接下來(lái)，通過建立線性回歸模型，對(duì)避讓率與車流量（同時(shí)考慮機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車的交通量）之間關(guān)系的研究.假設(shè)Sv為機(jī)動(dòng)車流量，Sn為非機(jī)動(dòng)車流量，模型如下：

式中：a，b，c為模型參數(shù).

利用Excel 的線性回歸功能可得出該線性回歸模型擬合度為0.79，具有良好的可行性，且模型參數(shù)a，b，c分別為3.61×10-5、-9.50× 10-4、0.77，即：

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可得，當(dāng)機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生交互行為時(shí)，車輛作出避讓行為，會(huì)增加1～2 秒的延誤（取平均值1.5s）.因延誤會(huì)減少相應(yīng)的車流通行時(shí)間，所以在相同時(shí)間內(nèi)，通行車輛減少.因此要對(duì)車道飽和流率進(jìn)行調(diào)整，流率比也隨之變化.而根據(jù)調(diào)查結(jié)果，東西方向產(chǎn)生機(jī)非交互行為的頻率為82 次/h，南北方向產(chǎn)生機(jī)非交互行為的頻率為150 次/h.

綜上，流率比優(yōu)化模型為

式中，M 表示機(jī)非交互行為發(fā)生的頻率，即為82 次/h 或150 次/h.

通過計(jì)算各相位的關(guān)鍵流率比分別為0.27、0.32、0.21.

各相位的關(guān)鍵流率比之和為

即滿足要求，可進(jìn)行下一步設(shè)計(jì).

2.2.3 計(jì)算周期長(zhǎng)度

本文啟動(dòng)損失取一般值3s ；而交叉口信號(hào)相位切換時(shí)，沖突交通流能安全通過沖突點(diǎn)，故可不設(shè)置全紅時(shí)間.因此，總損失時(shí)間為：

利用Webster 法[14]確定最佳信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)如下：

取整得周期C 為93s.

計(jì)算綠燈時(shí)間

首先確定總有效綠燈時(shí)間：

以及各相位有效綠燈時(shí)間（需取整）：

同理可得，第二相位、第三相位的有效綠燈時(shí)間分別為34s、22s.

進(jìn)而可計(jì)算實(shí)際顯示綠燈時(shí)間

式中，Ai為黃燈時(shí)間，取一般值為3s

同理可得，二相位、三相位的實(shí)際顯示綠燈時(shí)間分別為34s、22s.

經(jīng)檢驗(yàn)，綠燈時(shí)間大于行人過街最短綠燈時(shí)間，符合要求，完成設(shè)計(jì).

3 基于VISSIM 軟件的仿真及分析

本文利用VISSIM 仿真軟件對(duì)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析.將仿真時(shí)間設(shè)為600 仿真秒，運(yùn)行速度設(shè)為20 仿真秒/s，仿真精度為5時(shí)間步長(zhǎng)/仿真秒，隨機(jī)種子為42.通過對(duì)交叉口設(shè)置節(jié)點(diǎn)評(píng)估，收集仿真數(shù)據(jù)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析如下.

3.1 交叉口優(yōu)化前后方案運(yùn)行效率對(duì)比分析

3.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確立

參照林翰[15]、吳瑤[16]等學(xué)者的研究，本文選取排隊(duì)長(zhǎng)度、車輛延誤（其中包括靜態(tài)停車延誤）及停車次數(shù)作為運(yùn)行效率的主要評(píng)價(jià)指標(biāo).由于車輛的油耗及CO、NOx 等排放物的情況與車流運(yùn)行通暢與否息息相關(guān)，為此，本文進(jìn)一步對(duì)比分析該交叉口在優(yōu)化前后的CO、NOx等排放物、油耗的情況，以更全面地了解優(yōu)化方案的效果.

3.1.2 交叉口現(xiàn)狀及優(yōu)化方案運(yùn)行效率評(píng)價(jià)

通過對(duì)節(jié)點(diǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)整理及分析，交叉口運(yùn)行效率相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表4、表5 所示，交叉口優(yōu)化前后的運(yùn)行效率直觀對(duì)比如圖5 所示.

圖5 交叉口運(yùn)行效率主要評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比圖

表4 運(yùn)行效率主要評(píng)價(jià)指標(biāo)表

表5 運(yùn)行效率其他相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)表

從表4 和表5 可知，仿真結(jié)果表明，除了停車次數(shù)有小幅度上升之外，優(yōu)化方案的平均排隊(duì)長(zhǎng)度、車輛延誤、靜態(tài)停車延誤都下降了，相比現(xiàn)狀方案分別下降了10.51%、5.80%、12.90% ；各類排放物及油耗也在一定程度上減少了，分別減少了8.81%、8.79%、8.82%、9.59% ；這說(shuō)明了該交叉口優(yōu)化后的運(yùn)行效率得以提升.此外，根據(jù)式（6）對(duì)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車避讓率也小幅度降低了，由70.43%下降到68.27%，即在相同車流量的情況下，優(yōu)化方案的機(jī)動(dòng)車避讓行為減少，能降低車輛的延誤，提高了運(yùn)行效率.

而其中東進(jìn)口的車流量最大，對(duì)該交叉口運(yùn)行效率影響最大，也是本次優(yōu)化的重點(diǎn).根據(jù)仿真結(jié)果可知，東進(jìn)口優(yōu)化程度最大，平均排隊(duì)長(zhǎng)度、車輛延誤、靜態(tài)停車延誤、停車次數(shù)、排放物CO、NOX、VOC 及油耗分別下降了30.37%、34.07%、40.18%、25.97%、45.00%、45.00%、45.00%、44.52%.

由此可見，優(yōu)化方案能有效緩解該交叉口的擁堵現(xiàn)象，提升各進(jìn)口道的運(yùn)行效率，確保交叉口的正常運(yùn)行秩序，且減少車輛排放物，貫徹我國(guó)可持續(xù)發(fā)展理念.綜上，該優(yōu)化方案可行.

3.2 交叉口優(yōu)化前后方案服務(wù)水平對(duì)比分析

3.2.1 確立評(píng)價(jià)體系

本文對(duì)道路交叉口服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)參考《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37－ 2016)[17].為了能更好地體現(xiàn)評(píng)價(jià)效果，充分考慮道路的運(yùn)行狀況及交通參與者心理接受度，本文還結(jié)合參考王爽、周彤梅[18]學(xué)者研究中信號(hào)控制交叉口的評(píng)價(jià)指標(biāo).綜上，本文對(duì)優(yōu)化前后方案服務(wù)水平主要選取道路使用者的滿意程度、飽和度及延誤時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以道路使用者滿意程度為評(píng)價(jià)基礎(chǔ).即若道路使用者對(duì)交叉口服務(wù)較滿意，分值為1，權(quán)重系數(shù)為0.1，以此類推，對(duì)交叉口服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中飽和度與延誤時(shí)間權(quán)重之比為5 ∶6，評(píng)價(jià)體系如表6 所示.

表6 交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)表

根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)可得

式中，G為總分值，A為道路使用者滿意程度原始分值，B為飽和度原始分值，C為延誤時(shí)間原始分值.

3.2.2 交叉口現(xiàn)狀及優(yōu)化方案服務(wù)水平評(píng)價(jià)

通過調(diào)查數(shù)據(jù)分析，各評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)如表7所示.

表7 交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)表

（1）現(xiàn)狀方案服務(wù)水平評(píng)價(jià)

由調(diào)查結(jié)果可知，道路使用者滿意度對(duì)該交叉口為勉強(qiáng)接受，即A=3，a=0.3，

即現(xiàn)狀方案的總分值G=3.26.

（2）優(yōu)化方案服務(wù)水平評(píng)價(jià)

由調(diào)查結(jié)果可知，道路使用者滿意度對(duì)該交叉口為基本滿意，即A=1，a=0.1，

即優(yōu)化方案的總分值G=1.49.

綜上，基于現(xiàn)狀方案時(shí)，交叉口服務(wù)水平為三級(jí)；基于優(yōu)化方案時(shí)，交叉口服務(wù)水平為二級(jí).即優(yōu)化方案使該交叉口的服務(wù)水平得到有效提升，也改善了駕駛員的體驗(yàn)感.雖然交叉口服務(wù)比一級(jí)時(shí)弱，但此時(shí)道路使用者可以根據(jù)駕駛意愿在一定范圍內(nèi)選擇車輛的行駛速度，有較高的舒適感，對(duì)交叉口服務(wù)表示基本滿意；且能夠在較大程度上避免小型交通事故產(chǎn)生，較小的行車堵塞能在短時(shí)間消除，使道路保持基本通暢，驗(yàn)證了優(yōu)化方案可行.

4 結(jié)語(yǔ)

目前，城市交通仍在快速發(fā)展，在疫情的大背景下，外賣服務(wù)的蓬勃生長(zhǎng)，也導(dǎo)致非機(jī)動(dòng)車數(shù)量的大幅度上升，而在許多偏離繁榮地區(qū)的道路，都具備機(jī)非混合的特點(diǎn)，此類道路交通安全仍然需要重點(diǎn)關(guān)注.本文以環(huán)鎮(zhèn)西路-江石東路十字交叉口為研究對(duì)象，基于交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)，建立相關(guān)配時(shí)優(yōu)化模型，同時(shí)考慮渠化設(shè)計(jì)與相位方案設(shè)計(jì)，對(duì)交叉口配時(shí)優(yōu)化進(jìn)行研究.研究結(jié)果表明，交叉口的服務(wù)水平及運(yùn)行效率有所提升，進(jìn)一步證明了優(yōu)化方案的可行性，能夠有效緩解擁堵，提高道路使用者的交通安全.