考慮借助逆向車道設(shè)置可變車道的多時空優(yōu)化設(shè)計

紀(jì)祥龍 許佳佳 鳳鵬飛 張曉祥 黃夢晴 李奎 朱立宇

摘? ? 要：為了改善城市道路交叉口的通行效率，設(shè)計了一種借助逆向車道設(shè)置可變車道的方法。通過在不同時段變換可變車道的通行狀態(tài)，結(jié)合優(yōu)化參數(shù)的韋伯斯特模型，使得路口每信號周期內(nèi)延誤和通行能力達(dá)到最優(yōu)。以合肥市金寨路與繁華大道為例，借助軟件VISSIM進(jìn)行仿真，并設(shè)置道路仿真條件與優(yōu)化信號配時。仿真結(jié)果表明：優(yōu)化方案能提高道路的通行效率、減少延誤與排隊長度;逆向可變車道設(shè)置情況下，西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)平均周期延誤減少了14.95%、排隊長度縮短了38.59%;在逆向可變車道不變情況下對其進(jìn)行優(yōu)化配時后，西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)平均周期延誤減少21.08%、排隊長度縮短了63.15%。

關(guān)鍵詞：逆向可變車道;交叉口延誤;多時空優(yōu)化;VISSIM仿真

中圖分類號：U491? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2021）02-0034-07

為了提高城市道路的通行效率，保障城市的交通安全，城市道路被進(jìn)行了不同的功能分區(qū);尤其是在交叉路口，功能分區(qū)更為復(fù)雜。可是，隨著城市車輛保有率的逐年增長，早晚高峰時段有規(guī)律的擁堵問題越來越嚴(yán)重，一成不變的道路功能分區(qū)反而在這個時候明顯降低了道路的空間利用效率，加重了擁堵程度。

為此，國內(nèi)外學(xué)者基于車流流量的特點(diǎn)，提出在交叉路口區(qū)域設(shè)置逆向可變車道，來提高特定時段該區(qū)域的通行效率，從而緩解城市的交通擁堵。Hausknecht等[1]構(gòu)建了一個整數(shù)線性規(guī)劃模型，做到了對可變車道的優(yōu)化;Li等[2]對主干道潮汐車道的信號控制實現(xiàn)方法進(jìn)行了優(yōu)化研究;Wang等[3]以車輛通過能力最大為目標(biāo)，建立了可變車道的優(yōu)化模型;張野、袁振洲[4]提出針對左轉(zhuǎn)車道靜態(tài)和動態(tài)條件來設(shè)置可變車道，并通過軟件仿真得出左轉(zhuǎn)車流的延誤得到有效降低;劉洋等[5]針對設(shè)置逆向可變車道的適用條件進(jìn)行了研究，并對其進(jìn)行規(guī)范化定義;劉怡等[6]在設(shè)置逆行可變車道的基礎(chǔ)上，借助VISSIM軟件進(jìn)行仿真驗證，表明設(shè)置該車道可有效緩解左轉(zhuǎn)相位的交通擁堵;孫鋒等[7]針對國內(nèi)常見的平面交叉路口，提出通過構(gòu)建逆向可變車道與信號優(yōu)化協(xié)同算法來緩解道路擁堵。

上述研究對于緩解交通擁堵起到了一些作用。本文在此基礎(chǔ)上，提出逆向可變車道與交通信號燈相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)置方法，力求解決左轉(zhuǎn)相位過飽和狀態(tài)下交叉路口的通行問題。

1? 逆向可變車道的設(shè)計

1.1? 逆向可變車道的設(shè)置

隨著城市中商業(yè)中心的興起和早晚通勤高峰的存在，使得道路上某一方向或某一時段的車流產(chǎn)生較大的壓力。如在城市道路的交叉路口，經(jīng)常會出現(xiàn)左轉(zhuǎn)車流因避讓對面直行車流而導(dǎo)致通行受阻，轉(zhuǎn)彎等候車輛不能排空，只能在下一周期排放的情形（信號燈的相位按照主路直行、主路左轉(zhuǎn)、次路直行、次路左轉(zhuǎn)四相位為一周期）。鑒此，提出一種借助對向車道設(shè)置逆向可變車道左轉(zhuǎn)待行區(qū)，以緩解左轉(zhuǎn)方向的交通壓力，設(shè)置方案如圖1所示。

在逆向可變車道的開口處設(shè)置預(yù)信號裝置，通過傳感器監(jiān)測車流的密度，結(jié)合信號周期狀態(tài)，確定是否開啟逆向可變車道。通過設(shè)置限定清空時間和提前轉(zhuǎn)換時間，對左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)行合理分流，從而減少左轉(zhuǎn)車輛擁堵，提升交叉路口總體通行效率。

1.2? 逆向可變車道的清空時間

進(jìn)入逆向可變車道的車流必須在左轉(zhuǎn)專用相位結(jié)束前清空，且當(dāng)車輛駛?cè)朐撥嚨罆r也需提示可用時間，故提出逆向可變車道車輛清空時間為：

式中：[ts]表示逆向可變車道車輛清空時間;[l]表示逆向可變車道的長度;[v]表示左轉(zhuǎn)車道穩(wěn)定行駛的平均速度;[a]表示車輛的加速度;[v2]表示車輛駛?cè)肽嫦蚩勺冘嚨赖某跏妓俣取?/p>

根據(jù)研究[8]，交叉路口逆向可變車道的設(shè)置與其它車道渠化長度基本相同，為40～60 m。當(dāng)渠化長度為40 m、50 m、60 m時，根據(jù)公式（1）可以算得，逆向可變車道車輛清空用間分別為6 s、7 s、8 s。當(dāng)左轉(zhuǎn)相位即將結(jié)束時，需開啟提示燈對車輛進(jìn)行分離引導(dǎo)。可在同向直行與左轉(zhuǎn)車道分流處設(shè)置超聲波傳感器，當(dāng)左轉(zhuǎn)車輛排隊達(dá)到極值時開啟逆向可變車道。

1.3? 逆向可變車道的通行能力

設(shè)置逆向可變車道并在該車道開啟時，左轉(zhuǎn)相位的通行能力會增大，其通行能力計算公式為：

式中：[p]表示逆向可變車道的通行能力;[ci]表示左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時間;[c]表示信號燈總周期;[q]表示經(jīng)過修正后的左轉(zhuǎn)車道飽和流量;[s]表示清空車輛的安全時間。

1.4? 優(yōu)化設(shè)計與指標(biāo)驗證

由于設(shè)置逆向可變車道后，飽和流量等交通參數(shù)將發(fā)生變化，因此可通過VISSIM軟件進(jìn)行仿真，并對該方案作進(jìn)一步優(yōu)化，具體過程如下：

（1）收集交叉路口現(xiàn)有的交通參數(shù)，利用大車率、車道寬度、道路坡度等，對交通參數(shù)進(jìn)行修正[9]。數(shù)據(jù)收集采用現(xiàn)場調(diào)研的方法，每個進(jìn)口道安排3人，對時段內(nèi)各相位車輛排隊數(shù)、通過數(shù)及調(diào)研表其他參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。各進(jìn)口道的總延誤與平均延誤表示為：

式中：[D]表示總延誤;[15]表示計算延誤的單位間隔;[q]表示各相位車輛排隊數(shù)量。

式中：[D1]表示各進(jìn)口道平均延誤;[q1]表示時段內(nèi)各進(jìn)口道通過車輛數(shù)。

（2）利用收集的數(shù)據(jù)對直行與左轉(zhuǎn)車輛的占比進(jìn)行分析，在考慮變換車道屬性及清空車輛的條件下，運(yùn)用VISSIM軟件進(jìn)行仿真，并將其結(jié)果與交叉路口的真實情況進(jìn)行比對，從而評價逆向可變車道設(shè)置的效果。

（3）在設(shè)置逆向可變車道的情形下，通過對信號燈重新配時優(yōu)化通行方案。

基于所收集數(shù)據(jù)，結(jié)合道路寬度、坡度、大車率等因素，對道路基本飽和流量進(jìn)行修正，求出各車道的實際飽和流量;確定各方向的最大流率比為：

式中：[y1]表示南北直行最大流率比;[y2]表示南北左轉(zhuǎn)最大流率比;[y3]表示東西直行最大流率比;[y4]表示東西左轉(zhuǎn)最大流率比;[Y]表示各方向最大流率比之和。

確定四相位最佳周期為：

式中：[c0]表示最佳周期;[l]表示各相位損失時間之和。

確定各方向綠燈時間為：

式中，[Gei]表示各方向直行或左轉(zhuǎn)的綠燈時間。

根據(jù)以上公式，可得到各指標(biāo)優(yōu)化后的配時參數(shù)，在此基礎(chǔ)上重新構(gòu)建仿真交通模型;利用VISSIM軟件進(jìn)行仿真，并采用延誤等指標(biāo)對優(yōu)化的效果進(jìn)行評價。

2? ? 實例驗證

以合肥市金寨路與繁華大道交叉路口為研究對象，采集該區(qū)域一個月內(nèi)每日17：00～19：00晚高峰時段的交通流數(shù)據(jù);在該路口設(shè)置逆行可變車道，并采用韋伯斯特配時參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計方案。

2.1? 交通調(diào)查

該交叉路口的平面圖如圖2所示，原有信號配時及各相位相序如圖3、4所示。基于大車率、車道寬度、車道坡度等參數(shù)，修正該路口各進(jìn)口道的通行能力、直行及左轉(zhuǎn)流量（見表1）。

為了突出繁華大道西北、東南方向左轉(zhuǎn)車流的擁堵情況，其交通量采用高峰時段左轉(zhuǎn)周期車流量來表示，其余各進(jìn)口道按照實際交通量統(tǒng)計。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行逆向可變車道設(shè)計與信號燈配時的優(yōu)化。繁華大道20 h左轉(zhuǎn)高峰期車流量周期如圖5所示。

從表1可明顯看出，西進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)交通量的差異最小，但通行能力與其他口道相差較大，且左轉(zhuǎn)流向車輛長期存在排隊擁堵現(xiàn)象，表明該口道的直行與左轉(zhuǎn)相位設(shè)計存在問題。圖5顯示，繁華大道西進(jìn)口高峰周期左轉(zhuǎn)流量普遍高于600 pcu/h，已超過其通行能力。下面通過設(shè)置逆向可變車道與信號燈優(yōu)化對西進(jìn)口左轉(zhuǎn)通行能力與延誤進(jìn)行改進(jìn)。

2.2? 逆向可變車道設(shè)置與信號燈優(yōu)化方案

設(shè)置逆向可變車道需對現(xiàn)有交通信號燈進(jìn)行相序轉(zhuǎn)變，將左轉(zhuǎn)與直行的相序調(diào)整，防止出現(xiàn)直行與逆向可變左轉(zhuǎn)車道產(chǎn)生沖突點(diǎn)，具體設(shè)計如圖6所示。圖6顯示，設(shè)計時將左轉(zhuǎn)相位置于直行相位之前，可有效緩解設(shè)置逆向可變車道與對向直行方向車流的沖突，既有利于逆向可變車道的實施，又有利于行車的安全。通過VISSIM仿真軟件搭建逆向可變車道仿真模型，對設(shè)置效果進(jìn)行評價，仿真圖形如圖7所示。

在設(shè)置逆向可變車道的基礎(chǔ)上，結(jié)合韋伯斯特模型對該路口的信號配時進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化配時參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2中信號燈配時優(yōu)化參數(shù)對信號燈進(jìn)行重新分布，并運(yùn)用VISSIM軟件進(jìn)行仿真（見圖8）;進(jìn)一步通過VISSIM軟件中延誤、排隊長度等指標(biāo)對仿真效果進(jìn)行評價（見表3）。分析表3可知：在設(shè)置逆向可變車道的情況下，西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)平均周期延誤減少了14.95%、排隊長度縮短了38.59%;設(shè)置逆向可變車道并對道口信號燈配時優(yōu)化后，西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)平均周期延誤減少了21.08%、排隊長度縮短了63.15%。可見，在該路口設(shè)置逆向可變車道并進(jìn)行信號配時優(yōu)化，可以有效緩解其車流擁堵情況。

3? ? 結(jié)語

針對典型交叉路口左轉(zhuǎn)車道設(shè)置逆向可變車道，以保證安全、提高效率為前提和目的，通過建立不同的模型來驗證其有效性。研究表明，設(shè)置逆向可變車道，并結(jié)合道口信號燈配時優(yōu)化，可以有效提高交叉路口左轉(zhuǎn)車輛的通行效率。該研究可為智慧城市建設(shè)提供有益參考。

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責(zé)任編輯? ? 祁秀春