祖永昶， 薛 新， 付 強(qiáng)， 盧 健， 顧家悅

(1.公安部交通管理科學(xué)研究所， 江蘇無錫 214151； 2.蘇州市公安局交通警察支隊， 江蘇蘇州 215000)

0 引言

環(huán)島是一種特殊交叉口形式，其交通組織方式是讓進(jìn)入環(huán)島的交通流通過圍繞中心島單向通行，利用合流、分流的方式來化解交叉口中常見的交叉口沖突，能夠較好保證通行安全性、有序性和連續(xù)性。但是環(huán)島通行能力卻受到入口瓶頸段和交織段影響。當(dāng)車流密度較小時，環(huán)島通行能力與駛?cè)氲能嚵髁砍烧龋?dāng)環(huán)島內(nèi)的交通流達(dá)到峰值時，各進(jìn)口道可駛?cè)氲能囕v數(shù)出現(xiàn)下降狀態(tài)，環(huán)島的總通行能力逐漸下降，要保證環(huán)島有效運行，駛?cè)牒婉偝霏h(huán)島的車輛數(shù)是有限的[1-2]。所以，環(huán)島自身的通行能力也是有限。

近年來，隨著我國城市交通快速發(fā)展，很多地方的環(huán)島交通擁堵問題逐漸顯現(xiàn)，甚至出現(xiàn)了“鎖死”現(xiàn)象。為提升環(huán)島通行效率，徐洪峰針對四路環(huán)形交叉口,建立了具有4個進(jìn)口道機(jī)動車相位、4個環(huán)道機(jī)動車相位和4個行人相位的相位結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,建立了有條件地滿足所有道路使用者的通行時間資源需求的信號配時設(shè)計方法[3]；馬新露針對環(huán)形交叉口環(huán)內(nèi)車輛間相互干擾，建立以減少交叉口延誤為優(yōu)化目標(biāo)、配時參數(shù)為目標(biāo)變量的信號優(yōu)化模型[4]；楊曉光提出了一種以交叉口車均延誤最小為目標(biāo),適合于在非飽和狀態(tài)下采用多進(jìn)口道放行協(xié)同環(huán)道控制環(huán)形交叉口的最佳周期值計算方法[5]。以上環(huán)島優(yōu)化方法的研究，均是從提升環(huán)島本身通行能力角度出發(fā)。

在環(huán)島交通組織實踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交通集聚速度大于環(huán)島疏散能力時，也是引發(fā)交通擁堵的主要原因。因此，通過關(guān)聯(lián)路口協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)進(jìn)出環(huán)島的流量平衡，才能從根本上解決擁堵問題。楊晶茹提出了城市交通子區(qū)的交叉口群特性的劃分及協(xié)調(diào)控制方法，并在干線信號控制中進(jìn)行了應(yīng)用，有效緩解交通擁堵[6]；唐博研究了交叉口群理論在公交協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用[7]；趙盼明針對小區(qū)域交叉口群過飽和狀態(tài)，采用群信號協(xié)調(diào)控制，達(dá)到減少區(qū)域最大排隊長度和平均行車延誤的目的[8]。交叉口群理論對關(guān)聯(lián)路口的信號協(xié)調(diào)，為環(huán)島的信號協(xié)調(diào)控制，提供了新思路。

基于此，本文提出：環(huán)島在提升自身通行能力同時，基于交叉口群劃分方法，通過群類交叉口的協(xié)調(diào)，匹配環(huán)島交通集聚度與疏散能力，從而改善環(huán)島交通擁堵優(yōu)化的方法。該方法在商丘市“商字環(huán)島”交通優(yōu)化項目中得到了應(yīng)用。

1 項目簡介

“商字環(huán)島”位于商丘市城市中心區(qū)，是神火大道和南京路兩條主干道相交點。神火大道為南北主干道，雙向6車道，北接火車站，南連經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，沿線分布有各類企事業(yè)單位；南京路為東西方向主干道，雙向6車道。兩條道路交通流量均較大，見圖1。

圖1 擁堵情況

該環(huán)形交叉口直徑約100 m，島內(nèi)設(shè)置有5個車道，由于流量大、車輛在島內(nèi)換道交織嚴(yán)重，早晚高峰期，容易發(fā)生交通擁堵，急需對該路口進(jìn)行交通優(yōu)化改造。對環(huán)島高峰期的交通流量進(jìn)行統(tǒng)計分析見表1。由于該環(huán)形交叉口是城市地標(biāo)性建筑，所以改造優(yōu)化仍然要保留環(huán)島形式。

表1 高峰交通流量

2 優(yōu)化思路

解決環(huán)島交通擁堵問題，需從兩方面進(jìn)行優(yōu)化：一是從環(huán)島內(nèi)部出發(fā)，提升環(huán)島自身通行能力。通過優(yōu)化交通渠化組織、實施并優(yōu)化信號控制等交通管控措施，減少交織沖突，提升環(huán)島的承載能力和自我疏散調(diào)節(jié)能力。二是從環(huán)島外部出發(fā)，協(xié)同入島交通集聚速度與環(huán)島疏散能力。尋找與環(huán)島關(guān)聯(lián)路口，實施協(xié)調(diào)控制，通過對源頭流量調(diào)控，降低進(jìn)入環(huán)島交通集聚度，緩解環(huán)島外部交通壓力，同時通過協(xié)同管控，提升出島交通疏散能力，實現(xiàn)集聚與疏散的平衡，其關(guān)鍵是尋找到與環(huán)島關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的交叉口，將其劃分到一個控制子區(qū)內(nèi)進(jìn)行協(xié)調(diào)管控，本文結(jié)合案例對此進(jìn)行詳細(xì)分析。優(yōu)化思路如圖2所示。

圖2 環(huán)島交通優(yōu)化思路

3 環(huán)島內(nèi)部交通組織優(yōu)化

早晚高峰進(jìn)入“商字環(huán)島”交通流量大，進(jìn)出交通交織嚴(yán)重，高峰期交通擁堵頻發(fā)。因此，一方面對環(huán)島內(nèi)部進(jìn)行交通渠化改善，另一方面對環(huán)島內(nèi)部交通采用信號控制，通過信號相位組合，協(xié)同各進(jìn)口進(jìn)入時序。通過時空優(yōu)化，減少內(nèi)部交通組織沖突，保障環(huán)島內(nèi)部交通有序通行，提高其自身的通行能力。

3.1 渠化方案

由于該環(huán)島空間較大，考慮其內(nèi)部具備足夠的停車等候條件，因此采用“雙停車線+信號控制”[9]交通組織方式。

(1)依據(jù)表1中，環(huán)島方向交通流量數(shù)據(jù)，同時結(jié)合采用“雙停車線+信號控制”的渠化思路，進(jìn)口道渠化為3直行1右轉(zhuǎn)，在進(jìn)口方向設(shè)置信號燈，直行車輛和左轉(zhuǎn)出島車輛按信號燈指示通行，右轉(zhuǎn)車出島車輛不受信號控制。

(2)島內(nèi)設(shè)置第二組停止線，左轉(zhuǎn)出島車輛在此處等候通行，在出口方向處設(shè)置信號燈進(jìn)行控制。

(3)非機(jī)動車和行人采用共板設(shè)計，在環(huán)島外側(cè)通行。

圖3 環(huán)島渠化

3.2 信號方案

對左轉(zhuǎn)出島車輛采用二次放行的方式，其相位設(shè)置如圖4所示。根據(jù)楊曉光[5]提出的環(huán)島信號控制最佳周期計算方法確定信號周期，見式(1)。損失時間包括黃燈以及清空時間，清空時間應(yīng)使駛離車輛通過沖突點而不至于和進(jìn)入車輛產(chǎn)生交織，沖突距離如圖5所示。所以損失時間L的計算方法見式(2)[10]。

圖4 信號相位圖[10]

圖5 駛離和駛?cè)胲囕v沖突距離示意圖

(1)

其中：Co為最佳周期，L為損失時間，Y為各相位關(guān)鍵流量比之和。

(2)

其中：L為損失時間，A為綠間隔時間，在未設(shè)全紅時，即為黃燈時間，l1為駛離車輛從停止線至沖突點的距離，l2為進(jìn)入車輛從停止線至沖突點的距離，lv為車輛的平均長度，vr為駛離車輛的速度，ve為進(jìn)入車輛的速度，tr為車輛啟動反應(yīng)時間。

同時考慮保證左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入等待區(qū)不應(yīng)溢出，以及滿足行人綠燈過街需求，初步確定環(huán)島信號配時方案，如表2所示。

表2 環(huán)島初步配時方案

4 環(huán)島外部關(guān)聯(lián)交叉口群協(xié)同管控

交叉口群協(xié)同管控是考慮交叉口之間關(guān)聯(lián)程度強(qiáng)弱，將關(guān)聯(lián)程度高的交叉口劃分在同一個群內(nèi)，對群內(nèi)交叉口進(jìn)行信號協(xié)調(diào)控制。通過對單個群通行最優(yōu)，實現(xiàn)路網(wǎng)交通運行最優(yōu)。因此，同一群內(nèi)交叉口可能在一條道路上，也可能分布在相連接的不同道路上。群劃分的關(guān)鍵是尋找到關(guān)聯(lián)程度較為緊密的交叉口，本文中，通過兩步驟法尋找與環(huán)島存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的交叉口，進(jìn)行群組劃分并進(jìn)行協(xié)調(diào)管控。

4.1 交叉口群劃分

4.1.1 初步判斷

初步判斷時，一般依據(jù)交叉口距離、流量、周期等交通特征參數(shù)，尋找存在潛在關(guān)聯(lián)的交叉口。

(1)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

相鄰交叉口間距過長時，車流容易發(fā)生離散現(xiàn)象，此時不宜進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。依據(jù)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)間距在400 m時，能夠獲得更寬的綠波帶，協(xié)調(diào)效果最佳[11]。此外根據(jù)規(guī)定，實施信號協(xié)調(diào)控制的交叉口間距不宜超過500 m[12]。因此，在初步判斷中，可將500 m作為是否可以劃分在同一群內(nèi)的評判依據(jù)。

(2)交通流[13]

流量均較小或極不穩(wěn)定時，一般將其劃分在不同交叉口群；交通流較大且運行特征相似的時候，應(yīng)將其劃分在同一交叉口群內(nèi)。

(3)信號控制周期

在初步劃分時，可考慮將周邊周期時長相差不大的，劃分在一個交叉口群內(nèi)。在實際中，存在大小周期的現(xiàn)象，當(dāng)兩個交叉口周期比值小于等于2時，可考慮劃分在一個交叉口群內(nèi)。

據(jù)此，依據(jù)交叉口間距、高峰期流量以及信號周期，初步判斷交叉口群的劃分如圖6所示。

圖6 交叉口群初步劃分

4.1.2 關(guān)聯(lián)度分析

初步劃分后，依據(jù)路口之間的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)一步尋找存在緊密關(guān)系的交叉口。目前針對交叉口關(guān)聯(lián)度模型研究相對較多，如Whiston模型[14]、耦合指數(shù)模型[15]、鍥合度指數(shù)[16]等?？紤]模型的可靠性，以及工程項目的實際應(yīng)用性和便利性，選擇Synchro軟件中的協(xié)調(diào)控制系數(shù)CF和不均衡系數(shù)IB作為關(guān)聯(lián)度評判指標(biāo)。協(xié)調(diào)控制系數(shù)CF充分考慮了交叉口間距、交通流、車速、行車道數(shù)、離散系數(shù)、排隊等影響因素，見式(3)，當(dāng)CF值越大，協(xié)調(diào)控制需求就越高。不均衡系數(shù)IB見式(4)，IB值越小，表示較多車輛通過各自交叉口駛?cè)肫渌范?，兩個交叉口聯(lián)系強(qiáng)度越弱，反之則聯(lián)系越強(qiáng)[17]。各個參數(shù)確定方法見參考文獻(xiàn)[18]。

CF=max (CF1+CF2)+Ap+Av+Ac

(3)

式中：CF1：行程時間系數(shù)；CF2：密度流量系數(shù);Ap：離散系數(shù);Av：流量系數(shù);Ac：周期系數(shù)

IB=v2/QOUT×100

(4)

式中：v2：相鄰交叉口之間路段的雙向交通小時流量值；QOUT：將相鄰兩個交叉口及其相連路段視為一個整體時，外部對整體輸入的小時交通流量。

環(huán)島周期為公共周期，通過Synchro軟件對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計算，結(jié)果見表 3。以3號路口為例，2～3的CF值、IB值均小于3～4的路口值，所以可以判斷，3號路口與2號路口的關(guān)聯(lián)性小于3號路口與4號路口之間關(guān)系。依次，根據(jù)表3可以判斷出，其他路口與環(huán)島之間的關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)弱。據(jù)此，可以判斷出，3號路口與環(huán)島的關(guān)聯(lián)度，較其與4號的關(guān)聯(lián)度較弱；6號交叉口與環(huán)島關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)；6、7號之間的關(guān)聯(lián)度較7、8號的關(guān)聯(lián)度強(qiáng)；8、9號之間的關(guān)聯(lián)度較7、8號的關(guān)聯(lián)度強(qiáng)。因此根據(jù)系數(shù)強(qiáng)弱，同時依據(jù)Tina Z[19]等研究顯示，交叉口群的控制范圍劃分在3至5個交叉口內(nèi)能夠達(dá)到最優(yōu)的協(xié)調(diào)控制效果[19]。所以，將2號環(huán)島與6、7號交叉口劃分在一個群內(nèi)，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。見圖7所示。

表3 交叉口關(guān)聯(lián)度

圖7 交叉口群最終劃分

4.2 協(xié)調(diào)管控方案

將商字環(huán)島為基準(zhǔn)交叉口，南北交通作為主協(xié)調(diào)方向，對3個路口實施協(xié)調(diào)控制，配時方案如表4所示。方案實施前，利用Vissim進(jìn)行仿真，高峰15分鐘流量(pcu)提升了82%，車均延誤降低了68%，平均排隊長度縮短了27%。

表4 關(guān)聯(lián)交叉口群協(xié)調(diào)方案

表5 仿真數(shù)據(jù)

方案實施后，車輛能連續(xù)不停車通過2(環(huán)島)、6、7號路口。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)地圖對早晚高峰期交通實施狀況對比可見，方案實施后，道路整體運行情況有了很大轉(zhuǎn)變，如圖8所示。

圖8 實施前后的路況對比

5 結(jié)語

在早期城市建設(shè)中，環(huán)島由于其美觀性成為城市地標(biāo)。但隨著城市交通快速發(fā)展，環(huán)島不能適應(yīng)大交通流的弊端逐漸顯現(xiàn)，往往成為交通擁堵點。受到環(huán)島自身交通組織方式的局限性，通過提升自身通行能力來緩解交通擁堵，其效果是有限的?；谏鲜稣J(rèn)識，本文提出了應(yīng)在挖掘環(huán)島自身通行能力建設(shè)的同時，通過路網(wǎng)交通調(diào)控，平衡進(jìn)出環(huán)島交通的環(huán)島交通優(yōu)化思路，在“商字環(huán)島”交通組織優(yōu)化項目中得到了應(yīng)用，并取得了較好效果。一是在交通渠化中，采用“雙停車線+信號控制”，充分利用空間資源和時間差，減少進(jìn)出環(huán)島的交通交織，提升環(huán)島通行效率；二是將環(huán)島作為關(guān)鍵的路口，利用Synchro軟件尋找到與環(huán)島關(guān)聯(lián)度強(qiáng)的交叉口，通過交叉口群組劃分，實現(xiàn)群內(nèi)運行最優(yōu)，實現(xiàn)入島交通集聚速度與環(huán)島疏散能力的匹配，更好發(fā)揮信號協(xié)調(diào)管控效果。

在后期的實施應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，由于大型環(huán)島半徑較大，島內(nèi)繞行距離長，左轉(zhuǎn)繞行出島的車輛，在行駛過程中容易出現(xiàn)頻繁變道、強(qiáng)行加塞的情況，在一定程度上影響了環(huán)島的通行效率。如何有效地解決此類問題，有待開展相關(guān)研究。