基于复杂交通环境下的道路协调方案设计与优化

随着经济的快速发展，我国城市汽车保有量增长迅速，城市交通问题亦日趋严重。在城市用地性质复杂，集聚住宅、办公、娱乐、医院等的区域，其交通需求往往大于交通供给，即出行存在拥堵、混乱、通行效率低下等问题[1]。传统绿波协调[2]一般以受干扰度较小的干道为主，本文将从信号控制角度着手缓解复杂交通环境下、受干扰较多情况下通行效率低下的问题[3]，以实现道路车辆以较少的停车次数、较短的行程时间通过各个路口。

本研究内容涉及9个路口，路段全长大约2182米，交叉口限速为40km/h。

2.1 道路周边环境

本文研究道路位于某区的老城区，道路南北500m范围内学校约有16所，大型菜场2处，商场2座，医院1个，企事业单位若干，是集生活、办公、娱乐等为一体的交通环境复杂的城市主要道路。其中交叉口5，7向南通向一级公路，向北通向城市东西向交通主干道，交叉口1、9分别通向南北向交通主干道，四个路口均承担着城区内外交互出行的主要交通压力。

图1 道路周边环境图

2.2 横断面形式

大部分路口横断面类型为两块板，见图2，即由一条中央绿化带或隔离带将车行道划分为两部分，机动车道与非机动车道无物理隔离，由白色实线分割开来。两块板道路的优点是节省空间，行人过街耗时较短，缺点是非机动车占用机动车道行驶，机动车占用非机动车道临时停车，不利于行车安全。两块板断面类型一般适用于非机动车不多的道路，但此次研究范围内路段非机动车流量较多，道路机非运行混乱的问题较为突出。

图2 路段横断面形式示意图

2.3  交叉口渠化

9个路口的交叉口渠化图如下：

图3 交叉口1渠化；图4 交叉口2渠化；图5 交叉口3渠化

图6 交叉口4渠化；图7 交叉口5渠化；图8 交叉口6渠化

图9 交叉口7渠化；图10 交叉口8渠化；图11 交叉口9渠化

从以上各路口渠化图可以看出，东西向道路总宽度普遍高于南北向道路宽度，但整体而言道路车道数较少。进口道未拓宽的路口设有专用左转车道的，直行与右转共用一根车道，右转车受行人过街影响，直行车受右转车和信号灯影响，通行能力较低。实际进口道拓宽的路口通行能力较未拓宽进口道通行能力大，但因进口道拓宽采用占用出口道车道拓宽的形式，一定程度上会影响出口的通行能力。

2.4  关键路口流量

表1 交叉口1流量

由上表可得，交叉口1东西进口道流量高于南北进口道流量，则东西方向需要分配更多的通行时间；南北向南进口道流量远远小于北进口流量，主干道方向性不均衡系数较高。

表2 交叉口5流量

由上表可得，交叉口5东西向进口道车流总量远远大于南北向车流总量，但单车道车流量南北向高于东西向，又均为单车道，机非混行现象严重，在优化中应适当增大南北向车辆的通行时间。

表3 交叉口7流量

由上表可得，交叉口7的车流特征与交叉口5的车流特征类似，优化中应综合考虑。

表4 交叉口9流量

由上表可得，交叉口9车流东西向较多，但车辆主要以直行、右转为主，东进口道渠化为左转、直右合用，实际路口左转车辆闲置，直右车道排队长度较长，此路口应适当优化东进口车道功能。

2.5  交叉口间距

路口间距是路段协调子区划分的主要指标，其决定了9个路口是否可以做协调。此次研究范围内的9个信号控制路口中间还有其他非信号灯路口及行人过街开口，其分布与相位置关系图如图12。

图12 交叉口间距

2.6  基础配时

交叉口现配时方案与相位差方案如下：

表5 配时方案与相位差

针对道路各路口特征，从协调速度、单点优化、相位差设计与优化三个方面进行优化。

3.1  协调速度

以交叉口1与9分别为起点，路测每两个路口之间的实际运行时间，并折算平均速度，具体见表6。

表6 实际运行速度

结合上表与实际道路情况，9个路口中间7个行人过街，平均每两个路口中间就有一个行人过街开口，实际车辆行驶中，一旦有一个路口出现行人过街，原有协调就会中断，且实际调查发现行人过街概率较高，则需减小理论设计速度，将行人过街时间尽量考虑到协调中，但若协调中车辆在绿中或绿末到达路口，即其可以较高的速度驶离路口，故结合实际综合考虑，将协调速度设计如下：

图13设计协调速度

3.2  单点优化

结合调查得到的道路周边环境、横断面形式、交叉口渠化、关键路口流量、交叉口间距、基础配时等数据，将交叉口9交叉口渠化优化如图14，东进口道左转专用车道变为直行、左转合用车道。根据多目标遗传算法[4]将关键交叉口单点配时优化如下表7。

图14 交叉口9渠化优化前后（左优化前，右优化后）

表7 关键交叉口优化表

3.3  相位差设计与优化

结合协调速度、交叉口距离、绿信比等应用起点式绿波算法[5]计算相位差如下表设计相位差一列，再结合驾驶员驾驶习惯与实际路测效果，相位差优化如下表优化相位差一列。具体协调图见图15。

表8 相位差

图15 道路协调绿波图

为了更直观地了解道路交叉口配时方案优化前后的效果，进一步对优化方案做出评估，可以对各个研究路口的交通流进行交通仿真分析，建立起多个连续交叉路口的微观仿真模型。

本文采用VISSIM进行交叉路口的微观仿真。其优点为支持各种复杂交通环境下的交通条件设置，如车道设置、交通信号灯控制、优先规则设置等等。本研究中的老城区交通流特性较为复杂，VISSIM可以方便地对不同的交通方案进行模拟仿，并提供2D和3D动画直观展示路网中车辆的行驶情况。

VISSIM交通仿真的具体流程如图16所示：

图16 VISSIM仿真流程

部分交叉口仿真结果如下图所示，从图18可以明显看出，优化后交叉路口1-3的排队长度均明显缩短。

图17 VISSIM交叉路口仿真3D动画

图18 VISSIM优化方案

优化前后路测行程时间对比如图19。

图19 道路优化前后行程时间对比

表9 优化前后行程时间对比

由上图与表可以看出，该道路经过交通组织、单点配时、相位差优化后交叉口1到交叉口9方向的实际行程时间由原来的5.5min减少至4.5min，减少了18%，交叉口9到交叉口1方向的实际行程时间由原来的7.1min减少至4.6min，减少了35%。

综上所述，合适的信号配时、相位差优化方案可以有效的减少延误与行程时间，减少环境污染，提高车辆行车速度与通行效率。在条件允许的情况下，除了要对城市主干道从信号控制角度进行优化，也要对复杂交通环境下的道路进行信号控制优化，其不管从社会价值角度还是从交通参与者角度都大有裨益。

[1]吴兵. 交通管理与控制[M]. 北京:人民交通出版社,2009.

[2]李元. 城市干线交通信号协调控制方法及优化研究[D].西南交通大学,2014.

[3]陈小红. 混合交通环境下城市道路交通信号控制优化模型研究[D].北京交通大学,2012.

[4]卢凯. 交通信号协调控制基础理论与关键技术研究[D].华南理工大学,2010.

[5]宋现敏. 交叉口协调控制相位差优化方法研究[D].吉林大学,2005.

陈云:上海电科智能系统股份有限公司

尹露：上海电科智能系统股份有限公司

本文刊登于《智慧交通》杂志（9~10）双月刊