短間距交叉口控制策略研究

相文森

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

短間距交叉口控制策略研究

相文森

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

為解決城市道路網(wǎng)中短間距交叉口引起的蓄車(chē)能力低、交通擁堵問(wèn)題，提出針對(duì)該類(lèi)交叉口進(jìn)行交通組織方案優(yōu)化，并運(yùn)用信號(hào)協(xié)同控制方案在交通仿真軟件VISSIM中對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證交叉口改善方案效果。

短間距交叉口；信號(hào)協(xié)同控制；蓄車(chē)能力；交通組織優(yōu)化

0　引言

在城市道路網(wǎng)中，經(jīng)常會(huì)碰到短間距交叉口，特別是通過(guò)小跨徑橋梁連接的河道兩側(cè)道路位置。對(duì)于短間距交叉口，由于彼此交叉口之間距離較短，導(dǎo)致蓄車(chē)能力有限，因此必須對(duì)短間距交叉口在交通組織方案中進(jìn)行統(tǒng)籌考慮、協(xié)調(diào)控制，提升交叉口通行能力。

1　定義

在《城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范》（GB 50647—2011）中，所謂的短間距交叉口即相鄰交叉口間距小于上游交叉口所需出口道總長(zhǎng)與下游交叉口所需進(jìn)口道總長(zhǎng)之和的兩交叉口［1］。

ΔL＜L上游出+L下游進(jìn)

進(jìn)出口道的總長(zhǎng)度包含展寬段長(zhǎng)度和漸變段長(zhǎng)度，對(duì)于交叉口進(jìn)口道總長(zhǎng)規(guī)范中也給出了相應(yīng)的規(guī)定（見(jiàn)表1）。

表1　平面交叉口進(jìn)口道展寬段和漸變段長(zhǎng)度　（m）

對(duì)于出口道展寬段長(zhǎng)度，視道路等級(jí)，主干路不應(yīng)小于60 m，次干路不應(yīng)小于45 m，支路不應(yīng)小于30 m，有公交港灣停靠站時(shí)，還應(yīng)增加設(shè)置停靠站所需的長(zhǎng)度，展寬漸變段長(zhǎng)度不應(yīng)小于20 m。本文所講的短間距交叉口不同于“小街坊密路網(wǎng)”城市規(guī)劃理念中的交叉口，“小街坊密路網(wǎng)”是指在一定的規(guī)劃范圍內(nèi)采用相近的道路間距，路網(wǎng)密度較高，試圖創(chuàng)建功能混合、適宜步行、交通高效的城市街區(qū)空間，而本文所指的短間距交叉口還是指在“大街坊寬?cǎi)R路”背景下因?yàn)闂l件限制（水系、地形等原因）造成的個(gè)別短間距交叉口。

2　短間距交叉口存在的主要問(wèn)題

2.1通行效率折減

道路由基本路段和路口組成，其通行能力很大程度上是由交叉口通行能力決定的，而在短間距交叉口節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)相近的交叉口，對(duì)道路的通行能力除了單個(gè)交叉口本身造成的通行能力折減外，還存在兩個(gè)交叉口協(xié)作配合之間的“互動(dòng)折減”，即對(duì)兩個(gè)路口進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)路口間存在相位差ΔT，構(gòu)成綠燈損失。如圖1所示，對(duì)于B交叉口來(lái)說(shuō)，其進(jìn)口道①要提前亮綠燈，這樣才能保證T0時(shí)A交叉口的①進(jìn)口道有車(chē)輛可以釋放；同樣，B交叉口的進(jìn)口道②要延遲亮綠燈，這樣才能保證B交叉口的②進(jìn)口道亮綠燈時(shí)有車(chē)輛可以釋放。即對(duì)于短間距交叉口，要保證A交叉口的通行效率，B交叉口的運(yùn)行效率就存在損失。

圖1　短間距交叉口示意

2.2運(yùn)行可靠性差

短間距交叉口的“瓶頸區(qū)”長(zhǎng)度短，蓄車(chē)能力有限，若信號(hào)控制協(xié)調(diào)不好，容易導(dǎo)致車(chē)輛溢出，影響上游交叉口的運(yùn)行。

2.3交叉口部分轉(zhuǎn)向功能喪失

大部分短間距交叉口都由支路和干路組成，通常為了保證干路的通行能力，往往會(huì)犧牲部分支路的轉(zhuǎn)向功能，如按照右進(jìn)右出組織。

2.4慢行交通

對(duì)于大部分位于河道位置的短間距交叉口，往往也是行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)較為集中的位置，短間距交叉口雖然可以減小行人的繞行距離，增加可達(dá)性，但在制定交通組織方案時(shí)還應(yīng)充分考慮慢行交通與機(jī)動(dòng)車(chē)交通在時(shí)間和空間上的協(xié)調(diào)。

3　短間距交叉口的類(lèi)型

在片區(qū)現(xiàn)狀路網(wǎng)或者規(guī)劃路網(wǎng)中，考慮到不同等級(jí)道路之間的間距，一般短間距交叉口有以下幾種類(lèi)型：

3.1干路型

構(gòu)成短間距交叉口的三條道路中有兩條為干路（主干路或者次干路），基本形式如圖2所示。

圖2　干路型短間距交叉口類(lèi)型

3.2準(zhǔn)干路型

構(gòu)成短間距交叉口的三條道路中有一條為干路（主干路或者次干路），基本形式如圖3所示。

圖3　準(zhǔn)干路型短間距交叉口類(lèi)型

3.3支路型

構(gòu)成短間距交叉口的三條道路均為支路，基本形式如圖4所示。

4　短間距交叉口信號(hào)協(xié)同控制設(shè)計(jì)

短間距交叉口尤其是小于50 m的超短距離交叉口信號(hào)協(xié)調(diào)方案的主要目的就是保證兩個(gè)交叉口之間的路段在前后兩個(gè)信號(hào)周期變化時(shí)沒(méi)有交通流的“淤積”。

圖4　支路型短間距交叉口

要實(shí)現(xiàn)交通流“零淤積”，保證道路的通行效率，減少交叉口延誤，就需要對(duì)交叉口群施行信號(hào)協(xié)同控制設(shè)計(jì)。

4.1短距離交叉口信號(hào)協(xié)同控制基本思想

（1）整體性思想。與車(chē)路協(xié)同的交叉口信號(hào)控制設(shè)計(jì)不同的是，短距離交叉口的信號(hào)控制設(shè)計(jì)應(yīng)將兩個(gè)交叉口看成一個(gè)整體，在理論上實(shí)現(xiàn)作為一個(gè)“異形”交叉口的功能。

（2）功能有增有減。被定義為短距離的兩個(gè)交叉口，尤其是距離小于50 m的交叉口，強(qiáng)化主路交叉口的車(chē)道通行能力，增加直行車(chē)道，同時(shí)，將支路上的交叉口進(jìn)行車(chē)道改進(jìn)，通過(guò)減少左轉(zhuǎn)車(chē)道，降低支路交叉口對(duì)車(chē)流的分散作用。

（3）化零為整思想。可將在一個(gè)相位內(nèi)通過(guò)停車(chē)線的車(chē)輛看作一個(gè)該相位車(chē)道寬度總和，長(zhǎng)為該相位內(nèi)同一行駛方向所有進(jìn)口道車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度最大值的長(zhǎng)方形“車(chē)輛”。計(jì)算車(chē)輛速度時(shí)選取所有車(chē)道車(chē)輛的平均速度。

4.2交叉口信號(hào)協(xié)同控制配時(shí)參數(shù)

（1）共同周期。在進(jìn)行信號(hào)協(xié)同控制設(shè)計(jì)時(shí)，基于上文中提出的整體性思想，參與信號(hào)協(xié)同控制的短距離交叉口需采用統(tǒng)一的信號(hào)周期，稱(chēng)為共同周期。本文中兩個(gè)短距離交叉口的信號(hào)周期的確定是基于英國(guó)WEBSTER法的改進(jìn)。

（2）信號(hào)偏移。不同于線路上交叉口群“綠波”帶信號(hào)控制方案的設(shè)計(jì)，短距離兩個(gè)信號(hào)控制方案之間的時(shí)差非常短，應(yīng)根據(jù)被理論化的長(zhǎng)方形“車(chē)輛”通過(guò)交叉口之間路段的時(shí)間來(lái)對(duì)兩個(gè)交叉口相同相位之間的時(shí)間來(lái)設(shè)定信號(hào)偏移的數(shù)值。

4.3信號(hào)配時(shí)以及信號(hào)偏移時(shí)間設(shè)定方法

首先運(yùn)用WEBSTER法設(shè)定出兩個(gè)交叉口的共同周期。其信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

根據(jù)WEBSTER法，周期時(shí)長(zhǎng)由流量比總和Y和總損失時(shí)間L決定。

流量比總和Y的計(jì)算公式為式中：Y為組成周期的全部信號(hào)相位的各個(gè)最大流量比y值之和；j為一個(gè)周期內(nèi)的相位數(shù)；yi為第i相位的流量比。

圖5　信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)流程圖

總損失時(shí)間L的計(jì)算公式為

式中：Ls為啟動(dòng)損失時(shí)間，無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)可取3 s；A為黃燈時(shí)長(zhǎng)，可定3 s；I為綠燈間隔時(shí)間，s；k為一個(gè)周期內(nèi)的綠燈間隔數(shù)。

則信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算公式為

則總有效綠燈時(shí)間、各相位的綠燈時(shí)間以及顯示綠燈時(shí)間計(jì)算公式為

式中：Ge為總有效綠燈時(shí)間；Gej為各相位的有效綠燈時(shí)間；gi為各個(gè)相位的顯示綠燈時(shí)間；lj為第j相位的啟動(dòng)損失時(shí)間。

共同周期計(jì)算完成后，需要確定兩個(gè)交叉口之間的信號(hào)偏移值TΔ，其計(jì)算公式為

式中：Qmax為同一相位內(nèi)同一行駛方向所有進(jìn)口道車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度最大值；LΔ為兩個(gè)短距離交叉口之間的距離；Va為車(chē)道平均速度。

同時(shí)，在交通組織方案上應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

（1）上游交叉口與下游交叉口進(jìn)、出口道車(chē)道規(guī)模應(yīng)匹配，且渠化車(chē)道的劃分要適配，在條件允許的情況下車(chē)道盡量采取專(zhuān)用轉(zhuǎn)向車(chē)道。

（2）上下游交叉口應(yīng)協(xié)調(diào)規(guī)劃控制，渠化組織應(yīng)盡可能增大交叉口之間“瓶頸”區(qū)域的道路容量，在間距受限情況下，增加道路的寬度，進(jìn)口道的增加不僅有利于轉(zhuǎn)向車(chē)道的組織，也有助于提升蓄車(chē)能力。

（3）以道路功能為導(dǎo)向，優(yōu)先保證干道通行能力。以優(yōu)先保證干道通行能力為基本準(zhǔn)則，靈活處理其他道路轉(zhuǎn)向交通組織方式，視情況可采用右進(jìn)右出或單向交通組織方式。

（4）重視人性化設(shè)計(jì)。注重慢行交通組織，體現(xiàn)“以人為本”設(shè)計(jì)理念，兼顧效率與安全。

對(duì)于兩個(gè)短間距交叉口，不適宜將兩個(gè)交叉口單獨(dú)采用定周期單點(diǎn)控制方式，該方式僅適用于中飽和和高飽和狀態(tài)下單點(diǎn)控制。短間距交叉口在“干路型”或者“準(zhǔn)干路型”通道中屬于瓶頸路段，瓶頸狀態(tài)本質(zhì)上是交通需求不斷增長(zhǎng)的必然結(jié)果，對(duì)應(yīng)的解決方式是快速消散交叉口的排隊(duì)，因此對(duì)應(yīng)信號(hào)控制策略即通過(guò)合理調(diào)節(jié)上下游交叉口的信號(hào)配時(shí)參數(shù)，減少路段上游輸入、增大路段下游輸出，以緩解短間距交叉口內(nèi)交通壓力。而對(duì)于“支路型”短間距交叉口，則應(yīng)注重慢行交通的可達(dá)、連續(xù)，在交通組織方案上倡導(dǎo)單向交通。

5　案例研究

在上海某大型居住社區(qū)路網(wǎng)（見(jiàn)圖6）中，由于水系布局的影響，片區(qū)北部陶浜兩側(cè)的年喜路（支路）、年吉路（支路）與橫向道路構(gòu)成短間距交叉口，片區(qū)南部李家涇兩側(cè)的美文路（支路）、楊南路（次干路）與橫向道路構(gòu)成短間距交叉口，以上短間距交叉口涵蓋了干路型、準(zhǔn)干路型和支路型三種類(lèi)型，本文選取干路型短間距交叉口進(jìn)行研究。

該交叉口由主干路陸翔路、次干路楊南路及支路美文路構(gòu)成，為區(qū)別單獨(dú)控制與協(xié)調(diào)控制在交叉口通行效率上的差別，兩個(gè)交通組織方案如圖7所示。

方案一中兩個(gè)交叉口按照單獨(dú)的交叉口處理，保留各進(jìn)口道所有轉(zhuǎn)向功能，考慮到美文路和楊南路之間路段不足30.0 m，為提升蓄車(chē)能力，在該段不布置人行過(guò)街設(shè)施，慢行交通過(guò)街通過(guò)美文路北側(cè)或者楊南路南側(cè)人行橫道通行。

方案二中為了保證主干道陸翔路的通行能力，美文路交通組織方式為右進(jìn)右出，同時(shí)重點(diǎn)考慮慢行交通過(guò)街的便捷，美文路和楊南路之間路段布置一處人行橫道。區(qū)別于方案一，陸翔路美文路交叉口南進(jìn)口展寬為4個(gè)車(chē)道，并布置單獨(dú)的右轉(zhuǎn)車(chē)道。

圖6　某大型居住社區(qū)路網(wǎng)

圖7　交通組織優(yōu)化方案圖

應(yīng)用交通仿真軟件VISSIM對(duì)以上兩個(gè)方案進(jìn)行仿真，仿真效果如圖8和圖9所示。

圖8　方案一（無(wú)信號(hào)協(xié)同，僅僅交通組織優(yōu)化方案）仿真效果圖

圖9　方案二（有信號(hào)協(xié)同同時(shí)配合交通組織優(yōu)化方案）仿真效果圖

仿真運(yùn)行后得出兩個(gè)改善方案實(shí)施以后陸翔路-楊南路交叉口東南西北四個(gè)方向進(jìn)口道延誤數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)與改善前目前該交叉口延誤數(shù)據(jù)相比對(duì)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用了交叉口信號(hào)協(xié)同控制并配合交通組織以及慢行交通組織改善的方案二對(duì)該交叉口的改善效果明顯。

陸翔路-楊南路交叉口進(jìn)口道延誤各方案比對(duì)如圖10所示。

圖10　陸翔路-楊南路交叉口進(jìn)口道延誤各方案比對(duì)圖

6　結(jié)語(yǔ)

在“大街坊寬?cǎi)R路”的城市格局背景下，短間距交叉口易成為路網(wǎng)中的瓶頸節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)擁堵的擴(kuò)散導(dǎo)致道路通行能力的下降，為盡可能降低短間距交叉口范圍內(nèi)的交通擁堵、提升交通轉(zhuǎn)換效率，對(duì)其進(jìn)行交通組織方案優(yōu)化和信號(hào)協(xié)同控制方案是十分有必要的，在實(shí)際方案論證中，也應(yīng)注重慢行交通組織，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，兼顧效率與安全。

［1］GB 50647—2011，城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范［S］.

U412.35

A

1009-7716（2016）06-0276-04

2016-02-22

相文森（1986-），男，山東臨沂人，碩士，工程師，從事道路交通工程設(shè)計(jì)和研究工作。