城市道路混合交通流道路交叉口信號配時優化方法

徐琛輝，馬明輝，王棟

（202004 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

城市道路交叉口交通運行往往呈現明顯的混合流特性，所以結合我國城市道路現狀，在混行交通條件下對城市道路平面交叉口進行科學、合理的信號優化，對于改善城市道路擁擠狀況、提高道路通行能力、減少交通事故具有十分重要的現實意義。

目前，國內外學者針對交通數據處理的研究主要集中在對歷史交通數據中異常數據的處理方面。國外學者偏好單一交通流的微觀仿真，對配時優化方案的研究居多，對混行交叉口多種交通量的綜合研究較少，如Mina Ghanbarikarekani[1]，Nasser R[2]，Lin Tong[3]等人進行的有關研究；而國內研究大多能從宏觀角度出發，統籌混行交叉口的運行狀況來進行相關研究，符合我國道路交叉口的實際情況，如江航[4]、甘楊杰[5]、張永志[6]、陳海洋[7]等人進行的研究。

綜上所述，本文擬考慮到我國實際道路交通狀況，針對混行交通流環境下城市道路交叉口信號優化問題，考慮機動車流、非機動車流及行人流等要素，以提升交叉口交通運行效率為出發點，采用最佳信號周期及流量比的優化方法。采用機動車—非機動車—行人3 種交通流的配時優化方案具有創新性和可行性。

1 問題描述

本文依據混行交通流特性和傳統Webster 配時法設計信號配時優化設計。（1）以最佳信號周期和綠燈時間分配為優化目標，建立優化配時理論；（2）以三相位和四相位的十字型混合交通流道路交叉口為仿真背景，分別進行優化配時理論和傳統Webster 理論的仿真模擬對比，并做出合理評價。

2 考慮混行交通的信號配時優化方法

2.1 交叉口信號配時流程

交叉口信號配時過程以總損失時間L、最佳信號周期C0、總有效綠燈時間Gei及各相位有效時間gei的計算順序構成，具體流程如圖1 所示。

圖1 信號配時流程圖Fig.1 Signal timing flow chart

2.2 最佳信號周期優化模型

以米勒延誤公式替代Webster 延誤公式

式中：Q0——平均過飽和排隊車輛數；c——周期時長，s；q——到達率，pcu/h；λ——綠信比；x——飽和度。

然后引入新變量完全停車率

式中：h——每小時完全停車數；y——流量比。建立停車與延誤關系函數PI

式中：K——停車補償系數；D——總延誤時間（s）。當PI 最小時

其中，停車補償系數可根據具體目標選擇，具體取值如表1 所示。

表1 停車補償系數選擇Tab.1 Selection of parking compensation coefficients

本文要求延誤時間盡可能減少，故K 取值為0，因此優化后的最佳信號周期公式為

2.3 綠燈時間分配模型

在我國實際道路運行情況中，非機動車和行人的流量占比不容忽視，因此，本文在信號配時過程中將二者引入流量比參數中，以體現混行交通環境下的優化配時。

各相位流量比優化公式為

式中：qi——i相位機動車流量（pcu/h）；qinon——i 相位非機動車流量（輛/h）；qiped——i相位行人流量（人/h）；Si——i 相位飽和流量；α——非機動車換算系數；β——行人換算系數。

根據《車型分類及折算系數》，人力三輪車、助動車等非機動車換算成標準車輛數（pcu）時，換算系數取0.2，即α=0.2；行人換算系數可根據非機動車與行人時空比式（8）推算：

式中：m——非機動車與行人換算系數，m=2[5]；s非——非機動車占道面積；s人——行人占道面積；v非——非機動車速度；v人——行人速度。

式（8）得出行人換算系數β=0.1，將yi'代入式（6）可得

3 案例分析

仿真背景基于機動車道、非機動車道及人行道構成的混合道路交叉口，其情況如圖2 所示。圖中，十字交叉口南北向進口處各有左轉、直行及右轉三車道及非機動車道；東西向進口處設有左轉、直行及直右三車道及非機動車道。機動車道道寬為3.5 m，非機動車道為3 m。各路口交界處設有常規人行橫道。

圖2 信號配時流程圖Fig.2 Road intersection channelization diagram

3.1 實驗方案設計

一方面，本文分別進行三相位和四相位的傳統Webster 方案配時及優化方案配時的計算；另一方面，本文運用VISSIM 軟件的評價模塊進行評估，主要分成3 個排隊車輛指標（平均排隊長度（AVG）、最大排隊長度（Max）、排隊停車數（Stops））及2 個延誤指標（車輛總延誤平均值和車均停車延誤）。

表2 三相位各進口流量數據Tab.2 Three-phase flow data of each inlet

表3 四相位各進口流量數據Tab.3 Four-phase flow data of each inlet

3.2 配時方案優化結果

經計算，三相位傳統Webster 法配時圖、優化方案配時圖如圖3、圖4 所示；四相位傳統Webster 法配時圖、優化方案配時圖如圖5、圖6所示。

圖3 傳統Webster 法三相位配時圖Fig.3 Traditional Webster method for three-phase timing diagram

圖4 優化方案三相位配時圖Fig.4 Three-phase timing diagram of optimization scheme

圖5 傳統Webster 法四相位配時圖Fig.5 Four-phase timing diagram of traditional Webster method

圖6 優化方案四相位配時圖Fig.6 Four-phase timing diagram of optimization scheme

3.3 實驗結果分析

各相位和方法的仿真結果對比見表4、表5。仿真結果表明，三相位的優化配時方案在排隊車數和延誤上均有改善。其中，三相位排隊停車數減少6.9%，車輛總平均延誤減少22.8%，車均停車延誤減少24.6%；四相位排隊停車數減少28.9%，總平均延誤減少2.4%，而車均停車延誤減少2.1%。

表4 各相位和方法仿真結果的對比（1）Tab.4 Comparison of simulation results of different phases and methods（1）

表5 各相位和方法仿真結果的對比（2）Tab.5 Comparison of simulation results of different phases and methods（2）

綜上所述，在混行交通流三相位和四相位交叉口模擬環境下，優化配時方案能降低排隊車輛數及延誤時間。其中，優化方案對三相位延誤時間降低顯著，而對四相位排隊車輛數降低顯著。

4 結論

本研究針對混行交通環境下城市道路交叉口信號配時問題展開研究，對傳統Webster 配時方法進行優化。優化后的模型特點為：考慮混行交通流特征，引入非機動車和行人交通流量，并以排隊車輛數和延誤為最佳目標，對最佳信號周期及綠燈時間分配進行修正。實驗結果表明，優化后的配時模型有利于減少排隊時間和延誤時間對城市道路平面交叉口進行科學、合理的信號優化，對于改善城市道路擁擠狀況、提高道路通行能力、減少交通事故具有一定現實意義。