郭瑞軍,高中傳

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

20世紀(jì)80年代,我國借鑒國外經(jīng)驗(yàn)在城市中心建設(shè)了許多大型環(huán)形交叉口,在過去機(jī)動(dòng)車保有量低的情況下,車輛能夠有序駛出環(huán)島?，F(xiàn)如今機(jī)動(dòng)車大量涌入環(huán)形交叉口,當(dāng)車流量大于傳統(tǒng)環(huán)形交叉口的調(diào)節(jié)能力時(shí),則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)環(huán)形交叉口出現(xiàn)“鎖死”狀況。針對(duì)環(huán)形交叉口擁堵問題,人們對(duì)環(huán)形交叉口的信號(hào)控制方式進(jìn)行了研究,信號(hào)控制方式包括單重信號(hào)控制和雙重信號(hào)控制。

單重信號(hào)控制方式大多采取對(duì)稱式放行,并未完全分離沖突車流,對(duì)于此控制方式的研究主要集中在信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化方面。為了分離不同沖突車流,避免環(huán)道內(nèi)車輛沖突,楊曉光等[1]首次提出了大型四支路環(huán)形交叉口“左轉(zhuǎn)兩步”控制方法,并應(yīng)用于廈門市蓮坂環(huán)形交叉口,并取得了良好的效果。之后許多學(xué)者也對(duì)此控制方法的可行性與適用性進(jìn)行了研究,并在此控制方法之上對(duì)相位銜接、相序、配時(shí)參數(shù)做出了諸多優(yōu)化。Yang等[2],薛昆等[3]針對(duì)環(huán)型交叉口各流向的不對(duì)稱性,以環(huán)形交叉口各流向飽和度均衡為優(yōu)化目標(biāo),提出了基于非對(duì)稱性的環(huán)形交叉口優(yōu)化控制方法。馬瑩瑩等[4]以十字環(huán)形交叉口內(nèi)部各股車流的潛在沖突點(diǎn)和車輛啟動(dòng)形成的啟動(dòng)波為依據(jù),給出了不同相位綠燈間隔時(shí)間的計(jì)算方法。劉澤[5]改進(jìn)了“左轉(zhuǎn)兩步”控制方法,提出了各進(jìn)口道輪流放行相位重疊方法,構(gòu)建了相位重疊時(shí)間的計(jì)算模型,建立了環(huán)形交叉口高飽和交通狀態(tài)下的周期時(shí)長優(yōu)化模型并分析了其適用條件。Ma等[6]提出了一種基于雙環(huán)方案的環(huán)形交叉口信號(hào)優(yōu)化模型,考慮了周期長度最小化問題來生成環(huán)形交叉口的最優(yōu)信號(hào)定時(shí)。Ma等[7]基于雙環(huán)方案的環(huán)形交叉口信號(hào)優(yōu)化模型,提出了能夠同時(shí)確定信號(hào)環(huán)形交叉口車道標(biāo)線和配時(shí)的綜合優(yōu)化模型,并通過案例驗(yàn)證了此模型具有很好的應(yīng)用前景。管翔等[8]針對(duì)環(huán)形交叉口在非對(duì)稱流量下的環(huán)道,利用不均衡問題進(jìn)行了進(jìn)口道流量優(yōu)化,并提出了一種在流量差異的情況下,利用環(huán)道空間提前放行車流的方法。馬新露等[9]提出了多進(jìn)口協(xié)同放行的信號(hào)控制方法。也有學(xué)者從各股車流沖突、儲(chǔ)存車道容量、每周期儲(chǔ)存左轉(zhuǎn)車輛數(shù)等方面給出了新的配時(shí)方法。劉燦齊[10]提出了一種基于沖突分析的環(huán)形交叉口信號(hào)周期計(jì)算方法。Chen等[11]提出了一種基于左轉(zhuǎn)隊(duì)列長度約束的環(huán)形交叉口信號(hào)配時(shí)方法。Murat等[12]提出了一種城市多車道“左轉(zhuǎn)兩步”控制環(huán)形交叉口的信號(hào)定時(shí)程序,加入了附加時(shí)間以及信號(hào)配時(shí)校準(zhǔn)系數(shù),利用迭代的計(jì)算方法求出最佳周期,并減少了車輛延誤。此外,不少學(xué)者在環(huán)形交叉口通行能力[13-14]、儲(chǔ)存車道[15]、交通排放及燃油消耗量[16]、儲(chǔ)備通行能力和交織區(qū)域交通流特性[17-18]等方面也做了相關(guān)研究。本文為改善“左轉(zhuǎn)兩步”控制方式中左轉(zhuǎn)車輛的通行效率,提高時(shí)空資源利用率,在避免各車流沖突的前提下,以四支路環(huán)形交叉口作為研究對(duì)象,對(duì)此控制方法的相位相序進(jìn)行設(shè)計(jì),分析環(huán)道二次左轉(zhuǎn)車流運(yùn)行特征,并結(jié)合實(shí)際左轉(zhuǎn)車流給出了新的配時(shí)方法。為更精確地計(jì)算周期時(shí)長和環(huán)道綠燈時(shí)長,本文結(jié)合實(shí)際左轉(zhuǎn)車流量以及運(yùn)行特征,設(shè)計(jì)了相位相序圖,給出了基于左轉(zhuǎn)車流儲(chǔ)存時(shí)長的配時(shí)方法,并分析了3種配時(shí)方法中各參數(shù)的計(jì)算原理。

1 環(huán)形交叉口“左轉(zhuǎn)兩步”控制簡述

“左轉(zhuǎn)兩步”控制法需在進(jìn)口道處及環(huán)道內(nèi)設(shè)置左轉(zhuǎn)專用車道,將左轉(zhuǎn)車流單獨(dú)分離出來,并分別受兩次信號(hào)控制后,方可駛出環(huán)島。即在進(jìn)口道設(shè)置第一停車線、左轉(zhuǎn)專用信號(hào)燈及直行專用信號(hào)燈;在環(huán)道各進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車流與對(duì)向進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車流沖突點(diǎn)前保持一定安全車距,設(shè)置第二停車線及專用左轉(zhuǎn)信號(hào)燈,環(huán)形交叉口“左轉(zhuǎn)兩步”控制交通設(shè)計(jì)圖,見圖1。

圖1 環(huán)形交叉口“左轉(zhuǎn)兩步”控制交通設(shè)計(jì)圖

“左轉(zhuǎn)兩步”控制是為了避免各車流沖突,使左轉(zhuǎn)車流有序駛出環(huán)島。其中國內(nèi)比較成熟的配時(shí)方法為楊曉光配時(shí)方法[1-3],國外配時(shí)方法為Cakici配時(shí)方法[12]。楊曉光配時(shí)方法注重二次左轉(zhuǎn)車輛的釋放,以此為依據(jù)來計(jì)算環(huán)道周期時(shí)長,并根據(jù)非對(duì)稱流量對(duì)配時(shí)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,以下簡稱Yang方法。Cakici配時(shí)方法考慮到每周期進(jìn)入儲(chǔ)存車道的左轉(zhuǎn)車輛數(shù),根據(jù)實(shí)際情況,加入了附加時(shí)間及信號(hào)校準(zhǔn)系數(shù)來優(yōu)化配時(shí)參數(shù),并利用迭代的思想求出總周期,以下簡稱Cakici方法。

Yang方法總周期根據(jù)每周期駛?cè)氕h(huán)道左轉(zhuǎn)車輛數(shù)迭代求出,根據(jù)進(jìn)口道直行綠燈時(shí)長計(jì)算原理,會(huì)出現(xiàn)進(jìn)口道左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長較小的情況。Cakici方法周期值隨流量改變,綠燈時(shí)長較大,會(huì)出現(xiàn)每周期駛?cè)氕h(huán)道左轉(zhuǎn)車輛超過儲(chǔ)存車道容量的情況。兩種方法都可能存在以下結(jié)果:環(huán)道二次左轉(zhuǎn)車流較大時(shí),二次左轉(zhuǎn)車輛不能完全釋放。

2 基于左轉(zhuǎn)車流儲(chǔ)存時(shí)長的配時(shí)方法

2.1 相位相序設(shè)計(jì)

在兼顧環(huán)形交叉口幾何特征、時(shí)空資源利用、環(huán)道相位與進(jìn)口道相位的銜接關(guān)系以及配時(shí)計(jì)算復(fù)雜程度的同時(shí),采取對(duì)稱放行的控制方式,針對(duì)四支路環(huán)形交叉口左轉(zhuǎn)交通流量不對(duì)稱的情況設(shè)計(jì)了基于NEMA相位的環(huán)形交叉口“左轉(zhuǎn)兩步”控制相位相序圖,見圖2。

圖2 環(huán)形交叉口“左轉(zhuǎn)兩步”控制相位相序圖

本相位相序圖將環(huán)道相位和進(jìn)口道相位結(jié)合在一起,且增加虛擬相位(相位1、3、5、7中的虛線箭頭)確保上一相位的二次左轉(zhuǎn)尾部車輛可以順利通過本相位所對(duì)應(yīng)的第二停車線,并順利駛出環(huán)島。虛擬相位的時(shí)長與二次左轉(zhuǎn)車流量及儲(chǔ)存車道長度有關(guān)。

2.2 配時(shí)方法

由相位相序可以看出,每個(gè)環(huán)道綠燈階段均包含本進(jìn)口道二次左轉(zhuǎn)車輛的排出和下一進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車輛的儲(chǔ)存兩個(gè)階段,并且依次循環(huán)交替運(yùn)行,以此為基礎(chǔ)并結(jié)合實(shí)際左轉(zhuǎn)車流量作為配時(shí)設(shè)計(jì)的總體思路。

一條左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存車道的長度和車輛數(shù)為:

(1)

(2)

2.2.1 總周期時(shí)長

(3)

進(jìn)口道i與進(jìn)口道i+1對(duì)應(yīng)環(huán)道信號(hào)燈燈色圖見圖3。

圖3 進(jìn)口道i與進(jìn)口道i+1對(duì)應(yīng)環(huán)道信號(hào)燈燈色圖

(4)

式中:lj為相位損失時(shí)間,s。

由式(3)、式(4)可得出環(huán)道周期時(shí)長Cc,則環(huán)形交叉口總周期時(shí)長為:

C=max{Ce,Cc}

(5)

式中:C為環(huán)形交叉口總周期時(shí)長,s;Ce為進(jìn)口道周期時(shí)長,s。

2.2.2 進(jìn)口道直行綠燈時(shí)長

進(jìn)口道i直行綠燈時(shí)長按照各相位直行最大關(guān)鍵流量比進(jìn)行分配:

(6)

2.2.3 進(jìn)口道左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長

(7)

為確保進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車輛順利駛?cè)氕h(huán)島,需根據(jù)實(shí)際左轉(zhuǎn)車流量分析是否與環(huán)道二次左轉(zhuǎn)車輛存在沖突。

沖突判斷如下:

(8)

所以,進(jìn)口道i+1左轉(zhuǎn)綠燈相對(duì)于進(jìn)口道i環(huán)道綠燈延啟時(shí)間應(yīng)滿足:

(9)

存在沖突時(shí),各綠燈延啟時(shí)間示意圖見圖4,則進(jìn)口道i+1左轉(zhuǎn)綠燈相對(duì)于進(jìn)口道i+1直行綠燈延啟時(shí)間應(yīng)滿足:

圖4 各綠燈延啟時(shí)間示意圖

(10)

最終,進(jìn)口道i左轉(zhuǎn)有效綠燈時(shí)長為:

(11)

2.2.4 環(huán)道綠燈時(shí)長

(12)

當(dāng)二次左轉(zhuǎn)車流較大時(shí),進(jìn)口道i所對(duì)應(yīng)的環(huán)道二次左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長需保證進(jìn)口道i+1二次左轉(zhuǎn)車輛順利通過此信號(hào)燈排出環(huán)島,環(huán)道綠燈時(shí)長優(yōu)化示意圖見圖5,此時(shí)需增加虛擬相位確保二次左轉(zhuǎn)車輛順利駛出環(huán)島。

圖5 環(huán)道綠燈時(shí)長優(yōu)化示意圖

虛擬相位時(shí)長為:

(13)

則進(jìn)口道i對(duì)應(yīng)的環(huán)道有效綠燈時(shí)長為:

(14)

3 試驗(yàn)仿真

大連市數(shù)碼廣場環(huán)形交叉口位于沙河口區(qū)五一路與數(shù)碼路的交會(huì)處,鳥瞰圖見圖6。其環(huán)島直徑為60 m,初始流量見表1,進(jìn)口道與環(huán)道渠化為四車道,3種方法的配時(shí)圖見圖7～圖9。為驗(yàn)證新配時(shí)方法的可行性及3種配時(shí)方法的適用性,將車均延誤、平均最大排隊(duì)長度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),利用PTV VISSIM 9軟件建模并在不同情景下對(duì)新方法、Yang方法、Cakici方法進(jìn)行仿真,設(shè)計(jì)試驗(yàn)見表2。總流量增減試驗(yàn)以平峰流量作為初始流量(1.0倍),保持進(jìn)口道各方向車流比例不變,改變總流量(0.7～2.0倍,以0.1倍遞增);左轉(zhuǎn)車流比例增加試驗(yàn)保持總流量不變,改變各進(jìn)口道左轉(zhuǎn)比例(-16%～+24%,以4%遞增),增加或減少的左轉(zhuǎn)流量平均分配給直行流量和右轉(zhuǎn)流量;不同環(huán)形交叉口半徑試驗(yàn)總流量同總流量增減試驗(yàn),同時(shí)改變環(huán)形交叉口直徑(80、100 m)。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖6 大連市數(shù)碼廣場環(huán)形交叉口鳥瞰圖

圖7 新配時(shí)圖

圖8 Yang配時(shí)圖

圖9 Cakici配時(shí)圖

3.1 總流量增減試驗(yàn)

3種配時(shí)方法的車均延誤圖見圖10,平均最大排隊(duì)長度圖見圖11。3種配時(shí)方法車均延誤和平均最大排隊(duì)長度總體上隨著總流量增大而增大。新方法車均延誤結(jié)果較好,Yang方法車均延誤結(jié)果適中,Cakici方法車均延誤最大。新方法和Yang方法第二停車線平均最大排隊(duì)長度整體相近,Cakici方法第二停車線平均最大排隊(duì)長度保持在約65 m且大于其他兩種配時(shí)方法。3種配時(shí)方法的交叉口平均最大排隊(duì)長度整體相近。

圖10 總流量增減試驗(yàn)車均延誤圖

圖11 總流量增減試驗(yàn)平均最大排隊(duì)長度圖

3.2 左轉(zhuǎn)車流比例增減試驗(yàn)

車均延誤圖見圖12,3種配時(shí)方法車均延誤均隨著左轉(zhuǎn)比例的增大而增大。左轉(zhuǎn)比例增減幅度為-16%～+8%時(shí),新方法車均延誤結(jié)果優(yōu)于其他兩種方法;左轉(zhuǎn)比例增減幅度為+12%～+24%時(shí),Yang方法車均延誤結(jié)果較好。Cakici方法車均延誤整體上大于其他兩種配時(shí)方法。

圖12 左轉(zhuǎn)比例增減試驗(yàn)車均延誤圖

3.3 不同環(huán)形交叉口直徑試驗(yàn)

不同環(huán)形交叉口直徑車均延誤圖見圖13。新方法和Yang方法車均延誤隨著環(huán)形交叉口直徑的增大而增大,均在直徑為100 m時(shí),車均延誤達(dá)到最大;Cakici方法隨著直徑的增大而減小,當(dāng)直徑為100 m時(shí),車均延誤達(dá)到最小。當(dāng)直徑為60 m時(shí),新方法車均延誤優(yōu)于其他兩種方法;當(dāng)直徑為80 m時(shí),新方法與Cakici方法車均延誤整體相近且優(yōu)于Yang方法;當(dāng)直徑為100 m時(shí),Cakici方法車均延誤結(jié)果較好。

圖13 不同環(huán)交直徑車均延誤圖

3.4 仿真結(jié)果與適用性分析

試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比分析見表3,在直徑較大的傳統(tǒng)環(huán)形交叉口,本文基于左轉(zhuǎn)車流儲(chǔ)存時(shí)長的配時(shí)方法是可行的,且每種配時(shí)方法適用于不同的情景,可以根據(jù)不同的交通需求選取不同的配時(shí)方法。

表3 試驗(yàn)仿真結(jié)果分析

(1)總流量試驗(yàn)表明,新方法整體延誤最小?？偭髁考s為2 200～6 500 veh/h時(shí),新方法車均延誤相較于Yang方法減少約12%,相較于Cakici方法減少約20%。

(2)左轉(zhuǎn)比例增減試驗(yàn)表明, 新方法適用于左轉(zhuǎn)車流比例小于35%;Yang方法適用于左轉(zhuǎn)車流比例約35%～50%。

(3)不同環(huán)形交叉口直徑試驗(yàn)表明,新方法適用于環(huán)形交叉口直徑小于80 m;Cakici方法適用于環(huán)形交叉口直徑不小于80 m。

4 結(jié)論

(1)左轉(zhuǎn)車流量是影響“左轉(zhuǎn)兩步”信號(hào)控制環(huán)形交叉口通行能力的重要因素之一,在配時(shí)過程中需著重考慮二次左轉(zhuǎn)車輛的釋放,避免出現(xiàn)環(huán)道“鎖死”的情況。

(2)第二停車線平均最大排隊(duì)長度可以作為環(huán)道擁擠程度的評(píng)價(jià)指標(biāo),其大于儲(chǔ)存車道長度時(shí),需重新優(yōu)化配時(shí)參數(shù)。此外,左轉(zhuǎn)車流比例可以作為不同配時(shí)方法左轉(zhuǎn)車道劃分的重要依據(jù)。

(3)本文配時(shí)方法是按照車輛到達(dá)符合平均分布來計(jì)算的,今后還需結(jié)合車輛到達(dá)分布函數(shù),進(jìn)一步精確計(jì)算配時(shí)參數(shù)。在一定程度上,新配時(shí)方法的設(shè)計(jì)思路可為環(huán)形交叉口感應(yīng)信號(hào)控制提供一定的參考。