大連交通大學校門口交通組織優化仿真研究

何南，李錚，何海濤，徐金辰，金承澤

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)*

高校多位于城市繁華地段，來往車流量較大，校內學生人數眾多，出行時間又較為集中，特別是在早晚高峰時間段，極易造成交通擁堵，不僅影響通行，威脅生命安全，還會造成經濟和環境損失.

對于城市交通網絡優化的研究，國內外已經有了一定的成果，李建斌等[1]采用遺傳算法，輔以C++語言編制程序進行模型求解的方法對交叉路口進行優化.山東大學劉治平[2]等從城市道路網的優化改造、城市道路的優化改造的合理定向和城市交通信號燈控制三個層面，提出了優先發展城市公共交通系統的解決交通問題的方法.蔡蕾[3]研究了交通信號的優化配時問題，利用模糊控制、遺傳算法等方法，提出了一種城市平面交叉路口交通信號優化控制的設計方案.徐建閩等[4]基于動態子區劃分構建了交通信號區域協調控制的雙層規劃模型，以及協調優化變量的約束方程.梁迪等[5]以沈陽大學為例，建立校內路網使交通安全狀況也得到了顯著提高.東北大學李巧燕等[6]從交通狀況的表征公式入手，建立了交通配時周期的可行域與交叉路口流量以及路口總損失時間之間的聯系，最終建立以平均延誤時間最小為目標，配時周期處于可行域內為約束條件的優化模型.但之前國內外學者的研究大都集中在一般城市道路或校內交通上[7-15]，在優化方面取得了一定的成效，但是并沒有涉及到校門口處交叉路口的交通問題，已有的優化方法和模型并不適用于這一復雜的交通環境.考慮到校門口處道路特定時段的人群密集以及交通擁堵已經構成了對行人安全的威脅，本文以大連交通大學為研究對象，對校門口道路展開研究，尋找問題產生的原因和解決方法.大連交通大學校門前路段情況如圖1所示.

1 數據收集

交通擁堵主要發生在車流量和人流量的高峰時期，為尋找問題所在，對高校門口路段進行調研.收集一周早-中-晚高峰時段的15個以上的信號周期內交大路口和黃河橋路口行車數量以及放學后出校過街學生人數，用于定量研究.其中周二和周四的數量規律相近.相比于周二，周三下午出校行人數減少；周一早上和周五晚上車輛數增多；周六、周日出校行人數較少，車輛數增加.通過分析和調查，擁堵在工作日發生最頻繁.因此選擇周二作為基礎進行研究.交大路口和黃河橋路口內各方向行車數量如表1、表2所示，出校過街學生人數如表3所示.

表1 交大路口各方向行車數據表

表2 黃河橋路口各方向行車數據表

表3 出校學生過街數量統計

結合實際調查數據以及資料顯示，三個高峰期內的車流量和人流量都有很大提升.特別是在晚高峰時段放學后，外出校門的學生人數眾多，過街行人數量激增.路段內行駛的車輛數也是一天中的峰值，包括出校門左轉車輛在內，各個方向的車流都有明顯的增加.同時，西南路與黃河路的交匯路口處左轉車的數量眾多，擁堵時排隊等待信號燈的車輛甚至延續至交大校門口處.

根據以上數據分析的結果，在研究過程中將校門口處路段的交通問題歸納分類，并針對性地尋找解決方案，進行仿真模擬.

2 主要問題

通過上文的調查和分析可以發現，在校門口處存在諸多交通問題，錯綜復雜，影響因素環環相扣.為尋找解決方案，本文選擇影響最嚴重的問題進行研究分析，總結為三大類，分別為信號燈配時問題、人車沖突問題、車車沖突問題.

2.1 信號燈配時問題

信號燈配時問題即由于相鄰路口信號燈配時不合理，造成了車輛、行人的擁堵.前文提到，西南路與黃河路的交匯路口是整條黃河路上唯一一處允許車輛左轉的路口，信號的配時不當，導致滯留在交匯路口至校門口處路段上的左轉車輛不能及時離開路口，排隊積壓.若不能有效疏解，擁堵很有可能會傳遞到交大校門口處.同時，在校門口處人行橫道紅燈時間過長，闖紅燈現象嚴重，使得影響進一步擴大.原有的具體配時如圖2所示.

2.2 人車沖突問題

人車沖突問題即行人流線和車輛流線發生了嚴重的交叉沖突，難以避免，甚至威脅到生命安全.從收集到的數據可以看出，人車沖突主要是發生在早中晚三個高峰時期，尤其是在晚高峰時期，校內大量左轉車輛出校，與通過人行橫道的行人(多為放學的學生)之間發生了較為嚴重的人車交叉沖突，容易造成擁堵，導致行人和車輛通過路口的效率大大降低.并且由2.1可知，黃河路較大的車流量和不合理的信號配時，嚴重時會導致車輛擁堵至大連交通大學校門口處，加重了人車沖突的程度.較長的信號周期也造成闖紅燈人數眾多，交通更加混亂，安全隱患較大，具體沖突如圖3所示.

2.3 車車沖突問題

車車沖突即車輛行駛流線之間的交叉干擾，由于車輛自身較快的速度和較大的體積，使得交叉沖突對通行效率的影響比較嚴重.在該路段行駛的車輛數量眾多，路口內左轉、調頭車與直行車之間的交叉沖突嚴重，使得通行效率較低，車流疏散受到阻礙.考慮到出現左轉、調頭車遇到對向直行車不得不停車的情況，后續的直行車為避免受阻需要變更車道，加重交通堵塞，如圖4所示.校門口左側禁止車輛左轉、調頭，但是由于監管不到位，車輛在此處違章調頭的行為時有發生，埋下安全隱患.

3 解決方案

分類總結出主要問題之后，針對問題提出解決方案，根據實際情況考慮方案的合理性，減輕交叉沖突，緩解交通壓力，保障行人和車輛通行的安全，實現對高校門口處交通的優化.

3.1 信號配時優化

配時優化主要改正不合理的信號配時，利用信號聯動提高相鄰路口之間的協調性，實現車輛通行能力的優化.通過數據分析，可知黃河橋處原有的信號配時較為合理，周期為120 s，可以繼續使用，因此根據黃河橋信號對校門口處進行聯動信號配時的調整.

信號配時的基本原理為，計算行人過街的綠燈有效時長，根據信號周期和各相位流量比確定各方向行車的綠燈有效時長，最后合理安排各個相位的順序.基本公式和數據如下：

(1)行人綠燈時長

(1)

式中:t為行人綠燈時長；t行為行人反應時間；s為道路寬度；v為行人速度.

(2)行車綠燈時長

g=c-t

(2)

式中:g為行車總時長；c為周期時長.

(3)

式中:gj為每個相位綠燈時間；y為每個相位最大車流量；n為各個相位車流量之和.

(3)經數據收集統計，得出常量取值如下：人行走速度(最慢)為0.8 m/s;人反應時間(最長)為3 s；車行走速度(平均)為3 s/m；車延誤時間(平均)為3 s；平均車頭距為8 m；黃河路寬為24.5 m；路口距離為34 m.

其中，車輛在左轉無干擾時與直行過路車輛的換算系數取1.0，行人的總延誤時間取5 s，每兩輛車之間的延誤時間取1.5 s.

根據公式和常量進行配時的計算.校門口處與黃河橋信號周期保持一致，為120 s，由式(1)可以求出，行人綠燈時長為35 s.黃河橋至大連交通大學校門口的路段長度為250 m，車道內通行速度為30 km/h，可以求得聯動配時的延遲時間為9 s.

利用早中晚高峰時期收集的數據，由式(2)可以求出調頭車綠燈時長均為2 s，但是為保證車輛的安全順利通行，取最小限值10 s，周期內剩余時間則為直行車輛綠燈時長：72 s；黃燈時長：3 s.最終得到的信號相位如圖5所示，信號聯動配時如圖6所示.

3.2 轉移人車沖突點

針對人車沖突問題，解決方法是將人車流線分離，轉移人車沖突點.由于車道已經固定，考慮移動人行橫道的位置，先分析影響，確定更為合理的位置，降低人車交叉沖突的程度，緩解人車矛盾.

由數據可知，出校左轉車輛較多，與過街行人沖突嚴重，若將人行橫道移至校門口右側，可以避免行人與出校左轉車輛的直接接觸，減少人車沖突，從根本上緩解此處的擁堵.移動人行橫道會產生新的沖突，即出校右轉車輛和過街行人之間的沖突，但是由于右轉車非常少，對擁堵產生的影響也很小，因此可以采用該種方式緩解人車沖突.

轉移人行橫道位置的方案結果及新的沖突點如圖7所示.

3.3 左轉、調頭車與直行車分行

消除左轉、調頭車影響的基本思路是將左轉交通和直行交通分離，單獨設置左轉車專用車道.左轉車道必須作為與其他車道獨立的附加車道來設置，原則是使直行車不需要車道變更即能通過交叉口，而左轉車應該通過車道變更進入左轉車道才能通過交叉口.

在改良交叉路口、設置左轉專用車道時，首先要盡量有效的利用道路的寬度，確保左轉專用車道基本的寬度.具體方法有:①移動車道中央線及減少車道寬度;②去掉中央分離帶;③削除停車帶.

通常情況下，左轉專用車道的寬度可以降到2.75 m，在大型車很少的情況下，最小可以縮到2.5m.交叉口出口道的車道寬度，希望與交叉口附近以外的道路保持一致，即標準寬度為3.0～3.25 m.

干路上左轉、調頭車數據如表4所示.

表4 干路上左轉、調頭車數量

經計算，兩側左轉、調頭車的數量，大約穩定在每個信號周期4輛.

資料顯示，小型車輛停靠時，車輛間距取1.2m，加上車長，每臺車占據的馬路空間為6 m左右.現場實地測量數據得知，馬路寬3.5 m，綠化帶寬3.4 m，滿足將綠化帶更改成左轉車道的條件.

綜上所述，可以將綠化帶削去一部分改成左轉調頭專用車道.根據每車占用6 m，每次5臺車計算得，削去30 m綠化帶，即可滿足要求，如圖8所示.

4 仿真

前文根據現存問題，提出了采用信號配時優化、轉移人車沖突點、左轉及調頭車與直行車分行的解決方案，但是由于實際場地的限制，無法實施實際工程，因而選擇仿真軟件進行模擬，從而得到優化方案的優化效果.作為一款離散多智能體的仿真工具，Anylogic軟件可對多種系統進行仿真，其中包括城市道路交通系統，并在模型可視化方面表現出色.對高校門前路段進行仿真建模，通過輸入交通調查得到的表1～表3中的數據以及針對交通問題提出的優化方案，進行仿真模擬，最終得出優化前后的對比.對比結果如表5所示.

表5 仿真輸出對比

通過統計相關輸出指標可以看出，在采取優化方案后，車輛通過路段的速率明顯加快，每個信號周期滯留的車輛與過街行人明顯減少.而且車流量越大，優化后效果越明顯.

可以發現，優化后的路段，不僅在交通上得到改善，在環境保護以及社會經濟上取得良好效果.

5 結論

本文針對大連交通大學校門口處交叉路口和相鄰路口的擁堵，開展實地調查收集數據，分析原因并提出優化方案，最后建立模型仿真模擬方案的效果.本文旨在解決較為復雜的高校門口道路交通問題，實現流暢的路口通行，節約時間，降低出行的成本，緩解交通矛盾，保障人車安全.隨著社會的迅速發展，人們的生活節奏明顯加快，越來越追求效率，特別是高校學生，較差的耐心和強烈的焦躁引發了諸多交通事故，也給生活帶來了很多不便.本文為解決大連交通大學校門處交叉路口的交通問題所提出的優化方案，也可以給其他相關問題研究設計提供好的靈感和模型，在此基礎之上得以處理更復雜的道路優化問題.