冰雪條件下城市道路交叉口交通流特性研究

巴興強，王 梅，陳長茂

(1.東北林業大學交通學院，哈爾濱150040;2.長安大學公路學院，西安710064)

交通流理論研究作為一門新興的交叉性邊緣科學，近年來受到了科學工作者和工程師們的廣泛關注。交通流理論研究的長遠目標是要建立能夠描述實際道路交通一般特性的交通流模型，以揭示控制交通流的基本規律，從而更好地指導交通工程部門規劃、設計、建造和完善城市交通網絡與交通控制系統服務［1］。多年來，對交通流各個特性參數的研究無論是正常天氣還是冰雪天氣都局限于理論層次居多，所形成的交通管理與控制措施很難適應隨氣候動態變化的交通系統。

為了解決交通擁堵問題，交通工程界學者開始結合人類工程、汽車應用工程、應用數學工程、道路工程、環境工程、交通規劃工程、自動控制工程等知識，通過交通流知識和計算機技術的融合來對交通設施設置、日常車輛出行、道路交通狀況進行交通仿真，其中所占比例最大的是道路交通系統仿真。道路交通仿真基于交通流時間和空間隨機變化，利用計算機對整個交通系統的結構、狀態、功能以及交通參與者的思維與行為進行模擬，是一種準確、直觀、靈活的再現復雜交通現象的有效手段［2］。

圖1 和平路和民生路道路交叉口Fig.1 Road intersection between Heping Road and Minsheng Road

1 數據調查

1.1 調查時間、地點

本文主要研究冬季冰雪條件下北方城市道路交叉口的交通運行情況，綜合考慮城市道路實際情況，選擇研究時段為城市居民上、下班高峰期。以哈爾濱市典型的十字交叉路口——和平路與民生路交叉口作為研究對象。該交叉口是兩條主干路交匯的典型十字型交叉口，具有完整的信號配時控制體系，其中和平路六車道，民生路五車道，除民生路東南向進口外，其他三個進口道的車輛都可左轉。該交叉口有著良好的道路設計和交通渠化方案，每個進口設置有專用的直行車道，左轉車道，右轉車道，并且進行了車道拓寬，信號配時有四個相位，有專用左轉相位，如圖1所示。

1.2 調查方案確定

(1)交通量調查。交通量調查的目的在于了解交通量在時間、空間上分布和變化規律，為交通規則、道路建設、工程經濟分析等提供必要的數據［3］。交通量數據采集方法主要有人工觀測法、儀器自動計測法、流動車觀測法以及錄像觀測法［4］。本文在交通量調查過程中，考慮到冰雪條件隨機因素，人員調配程度，現有設備條件等，綜合最低成本和方便快捷性，選擇人工觀測法。

本觀測調查組共6名成員，3人為一組，共2組，分別記錄和平路與民生路的車輛通過道路交叉口的流量。

(2)速度。速度調查資料通常用于掌握某地點車速分布規律及變化趨勢，它是交通安全分析、交通工程設施設計的依據，也是制定交通管理與控制措施的依據以及作為交通流理論研究中的重要參數［4］。速度測量采用儀器測量法，即雷達槍測速法。當雷達測速儀瞄準被測車輛時，發射出雷達測速電波，遇車輛后再從車輛反射回來，發射波與反射波的頻率差與車輛行駛的速度成正比，從而得到車輛的瞬時速度。

(3)密度調查。由于本文主要研究對象為交叉口交通流特性，考察其信號配時對通行能力的影響，因此密度不是主要參數，不需要進行特別調查，可通過交通流三參數之間的關系計算得出。

1.3 調查數據

首先通過人工調查法得到哈爾濱市和平路與民生路交叉口在非冰雪條件下和冰雪條件下的交通量數據見表1和表2。

表1 冰雪條件下的交通量調查數據 (輛/h)Tab.1 Capacity investigation under ice and snow condition

表2 非冰雪條件下的交通量調查數據 (輛/h)Tab.2 Capacity investigation under non-ice and-snow condition

然后，通過雷達測速儀測得該交叉口在非冰雪條件下和冰雪條件下的速度見表3和表4。

表3 冰雪條件速度調查數據 (km/h)Tab.3 Traffic speed investigation under ice and snow condition

表4 非冰雪條件下速度調查數據 (km/h)Tab.4 Traffic speed investigation under non-ice and-snow condition

1.4 問題與措施

通過分析調查數據，可以看出在冰雪條件下哈爾濱市和平路與民生路交叉口存在以下問題。

(1)哈爾濱市和平路與民生路交叉口在非冰雪條件下的交通流量為8946輛/h，而冰雪條件下的交通流量為5488輛/h(僅占非冰雪條件下的61%)。

(2)該交叉口在非冰雪條件時測得平均行車速度為44 km/h，而在冰雪條件下測得平均行車速度為30 km/h，在相同的行程距離內，冰雪條件下的行程時間增加，延誤增加。

(3)該交叉口信號配時是不變，飽和流率降低。

(4)該交叉口在冰雪條件下，車輛行駛速度較非冰雪條件時有所降低。該交叉口信號配時方案周期時間過長，造成各個進口道排隊車輛較多，而單獨設置的左轉相位通過車輛較少，因此導致有效綠燈時間浪費，增加了行程時間和延誤，降低了交叉口的通行效率。

可見，與非冰雪條件下相比，冰雪條件下的哈爾濱市和平路和民生路交叉口交通流特性參數中交通量、速度、交叉口飽和流率有所下降，而行程時間和延誤有所增加，給交通參與者造成不便，違背了高效、快捷的交通設施設計原則［5－6］。因此，在冬季北方城市冰雪條件下，有必要采取和非冰雪條件不同的信號周期時長。

2 道路交叉口信號控制

2.1 和平路與民生路交叉口現行信號配時方案

哈爾濱市和平路與民生路交叉口，現有信號配時方案有四個相位，信號周期時間140 s，其中全紅時間2 s，黃燈時間2 s，信號相位方案如圖2和圖3所示。

圖2 交叉口信號配時Fig.2 Signal timing for road intersection

圖3 交叉口配時方案Fig.3 Signal timing plan for road intersection

2.2 仿真后優化配時方案

以延誤和行車時間為評價指標，以延誤為優化指標，以一定間隔對現行信號配時方案信號周期進行調整，分為增加信號周期時長和降低信號周期時長兩種調整方式，應用VISSIM軟件進行逐步仿真，得到延誤最小信號配時方案。

(1)建立仿真路網，通過仿真過程中離線數據分析，得到交叉口各進口道直行、左轉、右轉的延誤值，先對各進口道延誤值進行加權平均后得到進口道平均延誤值，再對整個交叉口進行加權平均，得到初始延誤值D0。

(2)調整信號周期，首先將信號周期由140 s降低到130 s，計算此時仿真輸出結果的平均延誤值D1。

(3)比較此時的延誤值D1與延誤初值D0的大小，如果此時D1較D0大，說明降低信號周期時長調整方式不正確，停止調整，轉而采用增加信號周期時長的調整方式;若D1比D0小，說明信號周期時長調整方式正確，繼續以10 s為間隔降低信號周期時長。

(4)當調整信號周期后的延誤值不再增加時，即得到最佳信號配時。

每次調整后的信號周期時長和平均延誤D見表5。

表5 仿真優化后的周期與平均延誤Tab.5 Period and average delay after simulation and optimization

可見，在配時方案不變的前提下，通過仿真得到哈爾濱市和平路與民生路的信號周期時長由140 s降到了110 s，信號配時如圖4所示。

3 仿真分析

3.1 虛擬仿真路網

根據和平路與民生路交叉口的道路寬度、車道數、車道漸變段、出入口車道連接、車輛轉向等實際情況，在VISSIM仿真軟件的工作環境中建立虛擬仿真路網，如圖5所示。

圖4 交叉口優化配時圖Fig.4 Diagram of signal timing for road intersection

圖5 虛擬仿真路網Fig.5 Simulated road networks

3.2 仿真數據分析

對于一個道路交叉口信號配時評價指標有很多，在此選用行程時間和延誤為評價指標，通過VISSIM軟件仿真后得到離線分析數據［7］，整理出以下城市道路交叉口交通流特性評價指標對比表。

(1)非冰雪條件和冰雪條件城市道路交叉口交通流特性評價指標對比見表6。

表6 非冰雪條件和冰雪條件交通流特性評價指標對比Tab.6 Comparison of evaluation indicators of traffic characteristics under snow and ice condition and non-snow and-ice condition

根據表6的數據對比可知，在冰雪條件下，行車速度降低，車輛通過交叉口的行程時間和延誤增加，降低了交叉口的通行能力，也降低了交叉口的交通效率。

(2)優化信號配時前后交叉口交通流特性評價指標對比見表7。

表7 優化信號配時前、后交通流特性評價指標對比Tab.7 Comparison of evaluation indicators of traffic characteristics before and after signal timing optimization under snow and ice condition and non-snow and-ice condition

可見，以平均延誤為優化指標，經過VISSIM的仿真分析與優化后，得到周期時長為110s信號配時方案，相比于優化前交叉口140s配時方案來說，總體上每個進口道行程時間和延誤都降低了，說明減少周期時長后方案在一定程度上提高了交叉口的通行效率。

4 結論

對于城市道路交通路網而言，其交通流特性會受到諸多客觀因素影響。交通流依據不同天氣條件會發生明顯變化，相應調整其信號配時，可以提高道路通行能力，減少延誤，降低交通擁堵，提高道路交通路網 (系統)的整體效率，對冬季北方城市道路交叉口交通通行效率具有一定的參考價值。

以冰雪條件下哈爾濱市和平路與民生路交叉口交通流特性參數為研究對象，以行程時間和延誤為評價指標，通過仿真分析與優化，獲得了冰雪條件下城市道路交叉口較為理想的信號配時方案，得到如下結論。

(1)與非冰雪條件情況相比，冰雪條件下道路交叉口的行車速度、交通量、通行能力、飽和度都有所下降，延誤有所增加，道路交叉口的通行效率有較大的降低。

(2)在非冰雪條件下適用的北方城市道路交通管理措施，難以滿足冰雪條件的道路交通狀況需求。由于我國北方城市冬季降雪時間較長，應采取切實可行的應對措施，以保證冰雪條件下道路交叉口的通行效率。

(3)以延誤為優化指標，利用VISSIM軟件仿真分析后，可得到的哈爾濱市和平路與民生路交叉口信號優化配時方案，周期時長由原來的140 s降低為110 s，降低了車輛通過該交叉口時行程時間和延誤，提高了交叉口的通行效率。

［1］ Transportation Research Board.Highway Capacity Manual［M］.Transportation Research Board，Washington，D.C.，2000.

［2］張 奇.城市交通仿真中的路網自動化生成技術研究［D］.武漢:武漢理工大學，2011.

［3］王向紅.淺談公路交通情況調查信息在公路建設中的應用［J］.北方交通，2010(6):85－88.

［4］王 瑋.交通工程學［M］.南京:東南大學出版社，2000.

［5］王 林.高等級公路運行速度調查與分析［J］.黑龍江交通科技，2009(7):38 －41.

［6］宋洪洋，胡永舉，張添綱.基于交通噪聲的交通量測量方法研究與實例分析［J］.森林工程，2009，25(2):70 －76.

［7］李 江.交通工程學［M］.北京:人民交通出版社，2000.