針對(duì)施工期交叉口提出的排陣式信號(hào)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

0 引言

城市占道施工的實(shí)施不僅會(huì)對(duì)施工路段本身產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)周圍路網(wǎng)產(chǎn)生影響，對(duì)施工路段交通組織不到位，將會(huì)導(dǎo)致路網(wǎng)局部乃至全局的交通供求不平衡，從而引發(fā)交通擁擠加劇、交通事故增多、城市環(huán)境惡化、能源消耗增加的問(wèn)題。為了更好地解決交叉口占道施工期間所帶來(lái)的交通擁堵等問(wèn)題，深入系統(tǒng)地分析占道施工對(duì)于交叉口的影響就很有必要了。對(duì)此，作者參考了一些國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)目前的研究現(xiàn)狀有了一定的了解，并做了相應(yīng)的歸納總結(jié)。下面主要從國(guó)外和國(guó)內(nèi)兩方面進(jìn)行介紹。

國(guó)外相對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，在此問(wèn)題上研究起步較早，主要是針對(duì)于高速公路施工區(qū)的研究。研究方向也可以分為道路施工區(qū)交通流特性研究和施工區(qū)通行能力研究。在道路施工區(qū)交通流特性研究層面上，一批國(guó)外專家進(jìn)行了關(guān)于施工區(qū)車輛運(yùn)行速度的詳細(xì)研究，研究結(jié)果表明施工區(qū)的車速取決于交通量、封閉車道的位置、交通控制方式和施工地點(diǎn)[1-4]。另外，也有從流量—速度關(guān)系研究，分析了典型道路施工區(qū)域的交通流特征[5-6]。在通行能力方面，文獻(xiàn)提出了許多影響因素，如封閉車道數(shù)，車道封閉形式，大型車比例，距離封閉車道的側(cè)向距離，施工區(qū)長(zhǎng)度，坡度，施工作業(yè)強(qiáng)度，臨時(shí)性的施工標(biāo)志標(biāo)線，駕駛員類型，施工作業(yè)持續(xù)時(shí)間，天氣情況以及作業(yè)時(shí)間等等[7-12]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于此類問(wèn)題研究起步較晚，最早是對(duì)高速公路施工區(qū)的研究，而對(duì)于城市占道施工，則主要是從交通組織方向進(jìn)行研究。在通行能力研究方面，學(xué)者們以實(shí)際案例與仿真相結(jié)合，得出影響因素有大車率、坡度、施工區(qū)長(zhǎng)度、施工區(qū)限速以及施工區(qū)封閉車道數(shù)等[13-17]。而交通組織方面，則是根據(jù)施工特點(diǎn)，提出了通過(guò)建立交通微循環(huán)系統(tǒng)改善施工地點(diǎn)周邊路網(wǎng)交通狀況的原則、方法和流程。

綜上所述，目前城市占道施工交叉口通行能力計(jì)算的文獻(xiàn)較為豐富，有很多的參考模型，而對(duì)交叉口進(jìn)行優(yōu)化的文獻(xiàn)較少，對(duì)于如何提高施工期交叉口通行能力的針對(duì)性方案較為匱乏，面對(duì)施工區(qū)所占車道數(shù)的不同，存在很多的固定措施，缺乏靈活性，沒(méi)有充分利用好現(xiàn)有資源，造成浪費(fèi)。面對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的不足，本文提出了基于預(yù)信號(hào)控制的非常規(guī)設(shè)計(jì)方法，在不進(jìn)行大量改建的前提下，充分利用現(xiàn)有資源，最大程度的優(yōu)化交叉口，提高通行能力。

1 方法介紹

本文以施工區(qū)域在交叉口西側(cè)為例，如圖1所示。西側(cè)道路雙向6車道，現(xiàn)因?yàn)榈缆肥┕ふ加昧?條車道，西側(cè)進(jìn)出口各只有2條車道可用。對(duì)于原先而言，交通量不變，必然導(dǎo)致延誤增高。為了降低延誤，本文提出基于預(yù)信號(hào)控制的排陣式信號(hào)控制這種非常規(guī)設(shè)計(jì)方法，如圖2所示。在信號(hào)交叉口進(jìn)口道停車線前設(shè)置排序區(qū)，同時(shí)設(shè)置預(yù)信號(hào)控制上游車流的進(jìn)入。排陣式控制下的路口，各方向車流的運(yùn)行均經(jīng)過(guò)“放入—待行—放行—清空”的過(guò)程。該區(qū)域內(nèi)的車道將根據(jù)預(yù)信號(hào)控制供不同流向車輛使用。

圖1 一般施工情況示意圖

圖2 排陣式信號(hào)控制優(yōu)化方法示意圖

幾何設(shè)計(jì)要求排序區(qū)域設(shè)置在主信號(hào)停車線前面，而預(yù)信號(hào)設(shè)置在排序區(qū)之后，目的控制進(jìn)口道車輛進(jìn)入排序區(qū)域，并與預(yù)信號(hào)前設(shè)置停車線。以這種排陣式信號(hào)控制，通過(guò)主、預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)控制，保證不同流向的車輛，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，可以在區(qū)域內(nèi)排空，不會(huì)造成交通影響。具體操作如下所示，分為4個(gè)階段。

（1）當(dāng)主信號(hào)下一個(gè)相位為左轉(zhuǎn)通過(guò)時(shí)，預(yù)信號(hào)對(duì)左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)行放行，讓其進(jìn)入排序區(qū)，等待放行。這個(gè)過(guò)程稱為左轉(zhuǎn)車輛流入階段。如圖3中（a）所示。

（2）左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入排序區(qū)后，主信號(hào)左轉(zhuǎn)信號(hào)開(kāi)啟，車輛通過(guò)交叉口，直至排序區(qū)內(nèi)所有車輛清空，此時(shí)預(yù)信號(hào)左轉(zhuǎn)信號(hào)燈變紅，停止繼續(xù)放行。此過(guò)程稱之為左轉(zhuǎn)車輛清空階段。如圖3中（b）所示。

（3）左轉(zhuǎn)車輛全部清空后，預(yù)信號(hào)直行信號(hào)燈開(kāi)啟，放行直行車輛到達(dá)排序區(qū)，等待直行放行。此過(guò)程稱之為直行車輛流入階段。如圖3中（c）所示。

（4）直行車輛進(jìn)入排序區(qū)后，主信號(hào)直行信號(hào)開(kāi)啟，車輛通過(guò)交叉口，直至排序區(qū)內(nèi)所有車輛清空，此時(shí)預(yù)信號(hào)直行信號(hào)燈變紅，停止繼續(xù)放行。此過(guò)程稱之為直行車輛清空階段。如圖3中（d）所示。此輪循環(huán)結(jié)束，返回步驟（1），開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

圖3 排陣式交通控制過(guò)程

排陣式信號(hào)控制思想理念與傳統(tǒng)信號(hào)控制有所不同，主要表現(xiàn)于引進(jìn)了預(yù)信號(hào)控制方式，增加了排陣區(qū)域這一概念，將傳統(tǒng)車道固定功能方式轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q式可變車道功能，改變了固有思想，最大程度利用了現(xiàn)有資源，提高了排序區(qū)內(nèi)車道的使用頻率，對(duì)交叉口的運(yùn)行效率有所提高，降低了交叉口延誤。

血液中甘油三酯含量反映了機(jī)體對(duì)脂類的利用情況，甘油三酯含量越低意味著對(duì)機(jī)體脂肪的利用率越高。本試驗(yàn)添加過(guò)瘤胃脂肪后，處理組甘油三酯含量均較對(duì)照組低（P＞0.05），說(shuō)明處理組脂肪利用率較對(duì)照組高。

2 模型建立

為了更好地表達(dá)和實(shí)現(xiàn)控制方案，故建立以下數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2.1 目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量

在滿足最大飽和度要求的前提下，信號(hào)控制方案中綠信比越小，則可以分配的綠燈時(shí)間越多，那么通行能力也必然增大，延誤則會(huì)有所降低。因此，本文為了降低施工期交叉口延誤水平，則需要建立以主信號(hào)綠燈時(shí)間之和最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，來(lái)達(dá)到優(yōu)化目的。具體函數(shù)表達(dá)式為：

式中：GL表示主信號(hào)完整周期內(nèi)左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長(zhǎng)；GT表示主信號(hào)完整周期內(nèi)直右綠燈時(shí)長(zhǎng)。

式（1）可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不唯一相位差結(jié)果，所以可以采用相位差越小，即預(yù)信號(hào)起始時(shí)間越小，那么主信號(hào)排隊(duì)時(shí)間越小原則。可以將目標(biāo)函數(shù)改寫為：

式中：表示預(yù)信號(hào)早亮?xí)r間，由主信號(hào)與預(yù)信號(hào)時(shí)間差所得。

2.2 約束條件

（1）總周期時(shí)間約束：為了保證主、預(yù)信號(hào)達(dá)到協(xié)調(diào)控制的要求，必須保證主信號(hào)和預(yù)信號(hào)總周期時(shí)間相等：

式中：RL表示主信號(hào)左轉(zhuǎn)綠燈之后紅燈時(shí)長(zhǎng)；RT表示主信號(hào)直右綠燈之后紅燈時(shí)長(zhǎng)；gL表示預(yù)信號(hào)周期內(nèi)左轉(zhuǎn)綠燈總時(shí)長(zhǎng)；gT表示預(yù)信號(hào)周期內(nèi)直右綠燈總時(shí)長(zhǎng)；rL為預(yù)信號(hào)左轉(zhuǎn)綠燈之后紅燈時(shí)長(zhǎng)；rT為預(yù)信號(hào)直右綠燈之后紅燈時(shí)長(zhǎng)。

（2）排陣區(qū)域清空約束：為了確保排陣區(qū)域內(nèi)車輛清空，預(yù)信號(hào)相位時(shí)間與主信號(hào)相位時(shí)間應(yīng)具有以下關(guān)系：

（3）綠燈時(shí)間約束：主信號(hào)綠燈時(shí)長(zhǎng)必須滿足最大時(shí)間和最小時(shí)間，預(yù)信號(hào)同理：

（4）通行能力約束：為避免排陣區(qū)域過(guò)飽和，主信號(hào)通行能力滿足不小于預(yù)信號(hào)通行能力的要求：

式中：nL為預(yù)信號(hào)控制左轉(zhuǎn)車道數(shù)；NL為主信號(hào)控制左轉(zhuǎn)車道數(shù)；sL為預(yù)信號(hào)控制左轉(zhuǎn)車道飽和流量；SL為主信號(hào)控制左轉(zhuǎn)車道飽和流量。

（5）早亮?xí)r間約束：避免時(shí)間資源浪費(fèi)，需要讓預(yù)停車線車輛提前進(jìn)入排陣區(qū)域，約束條件如下：

3 案例分析

為了驗(yàn)證本文中優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的效益，本文選取了上海市某施工交叉口為例，現(xiàn)狀如圖4所示，信號(hào)配時(shí)如圖5所示，交通量如表1所示。

針對(duì)此交叉口，采用本設(shè)計(jì)方法，對(duì)其幾何設(shè)計(jì)和信號(hào)控制進(jìn)行優(yōu)化，并與現(xiàn)狀情況進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化示意圖和優(yōu)化信號(hào)配時(shí)見(jiàn)圖6和圖7。

將模型與案例相結(jié)合，得出最優(yōu)解，并將數(shù)據(jù)帶入仿真軟件VISSIM中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得出結(jié)果如圖8所示。比較排陣式信號(hào)控制方法前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看到該方法的實(shí)施在一定程度上改善了該占道施工交叉口的現(xiàn)狀，平均延誤降低了15.5%，證明本方法切實(shí)有效。

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)交叉口占道施工的特點(diǎn)，在對(duì)現(xiàn)有大量文獻(xiàn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，提出排陣式信號(hào)控制方法對(duì)施工期交叉口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在不對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行大量改建的前提下，充分利用道路資源，加入預(yù)信號(hào)控制。形成主、預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)控制的模式，改變了傳統(tǒng)車道固定功能的思想，轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q式可變車道功能。并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以得出最優(yōu)解的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。最后，采用實(shí)際案例，進(jìn)行優(yōu)化前后的延誤對(duì)比，驗(yàn)證出本設(shè)計(jì)方法真實(shí)有效。

圖4 現(xiàn)狀交叉口幾何示意圖

圖5 現(xiàn)狀交叉口信號(hào)配時(shí)

表1 現(xiàn)狀交叉口交通流量

圖6 優(yōu)化后交叉口幾何示意圖

圖7 優(yōu)化后交叉口信號(hào)配時(shí)

但是由于城市道路交叉口的形式各有不同，占道施工區(qū)域也有所區(qū)別，現(xiàn)有道路資源和交通量也不盡相同，交叉口的實(shí)時(shí)狀況也在不斷發(fā)生改變，因此上述模型不能包含所有的情況和條件，仍需進(jìn)一步深入研究。

圖8 仿真結(jié)果對(duì)比圖