淺析城市道路交叉口交通改善設計

張佳良

摘 要：當前，人們出行需求日益旺盛，城市道路的壓力與日俱增，對交通系統的建模和控制是避免交通擁堵和減少交通事故的關鍵。在車路協同環境下，智能交通系統，特別交叉口的車輛通行控制方法已經成為各國的研究重點。經過多年的發展，產生了諸如美國的智能駕駛，歐盟的智能交通系統。智能交通系統基于先進的傳感器和信息通信等技術，實現車輛與車輛、車輛與道路之間的信息交互，保證車輛在復雜的交通環境下的行駛安全，對道路交通實施主動控制。

關鍵詞：城市道路;交叉口;交通改善設計

0 引言

近年來，隨著城市經濟、社會持續快速發展，市民機動車擁有量的增加及機動化出行比例居高不下，交通擁堵問題已成為城市發展進程中不可回避的基礎性問題，尤其是高峰時段中心城區的交叉口多處于飽和狀態，車輛運行速度較低，交通擁堵造成車輛出行延誤增大、速度降低，而車輛在低速行駛環境下較常態行駛燃油消耗量增大，污染物排放量增多。交通擁堵容易誘發交通事故，而事故的發生又加劇擁堵，形成惡性循環，交通擁堵加劇，導致巨額經濟損失，制約城市經濟的進一步發展。交叉口是整個路網中通行能力與交通安全的瓶頸，城市道路的交通運行狀況與交叉口的運行狀態密切相關，提高城市道路交叉口通行能力是解決城市交通問題的關鍵。

1 控制模式

目前智能無信號交通控制方式主要分為中央控制站控制模式和車車協同控制模式，本文采用中央控制站控制模式，中央控制站控制模式中車輛主要和路側智能設備進行通信，避免了不同車輛之間的大量信息交互，從而在一定程度上降低了系統對無線通信網絡的要求。無信號交叉口控制系統主要由3部分組成：1）自治車輛：當具有智能車載系統的車輛進入路口感應區域時，車輛能夠將自身狀態信息實時發送給智能路側系統，并且能夠實時接收智能路側系統的指令信息。2）智能路側單元：作為交叉口的“大腦”，與交叉口區域內的自治車輛進行信息交互，獲取車輛的實時狀態信息;路側單元基于所構建模型，利用優化算法，得到最優車輛通行序列，實時向車輛分配交叉口各個區域的使用權，引導車輛通過交叉口。3）協同信息交互系統：自治車輛和智能路側系統的信息傳輸載體。

2 基于仿真技術的信號交叉口綜合待行區設置分析

綜合待行區的作用發揮具有一定設定條件，并非所有的交叉口都能設置綜合待行區，滿足設置條件的綜合待行區才能挖潛交叉口潛在的道路空間，提升進口道通行能力，改善交叉口的交通運作效率。根據仿真研究得出，綜合待行區設置條件主要包括4個方面：一是交叉口類型為大型十字信號交叉口，且進口道必須有各自的專用車道及信號相位供該方向車流使用;二是交叉口高峰期交通流量較大，通行能力有限，飽和度達到0.85以上，服務水平高達為E級甚至F級，車輛出現二次甚至多次排隊現象，若流量較小，提升通行能力的空間有限;三是進口道長度能夠施劃綜合待行區，且預停車線的車輛排隊長度不能倒灌至上一個交叉口;四是綜合待行區車道數應不大于出口道數，避免出口產生交通瓶頸，影響交叉口內的車流正常運行。由于綜合待行區的設置要求條件較高，且實施效果與設置長度、交通流量、信號控制等因素緊密相關。

3 考慮轉向延誤的最短路徑的節點標號算法

最短路徑算法是交通運輸工程領域應用最廣泛的算法之一，是智能交通分配、交通規劃和交通控制的基礎算法。最短路徑算法評估一條路徑是否為最短路徑的度量衡是該路徑的代價，一般為該路徑花費的時間，或者該路徑的其他成本。一般的最短路徑算法在計算路徑代價時僅考慮路段的阻抗，這種情況對公路是適用的，因為公路路段長度大而節點較少，路徑的路段行程時間一般遠遠大于節點消耗的時間，因而車輛的交叉口延誤可以忽略。但是城市道路路段長度一般較短，交叉口數量多，交叉口作為城市道路網絡中通行能力的瓶頸嚴重影響交通流的運行，擁堵情況下車輛在交叉口處花費的時間甚至可能超過在相鄰路段的行駛時間。因此，應用于城市路網的最短路徑算法應該考慮交叉口延誤。首先間接法。間接法對原始網絡按照一定規則進行變換，將轉向延誤和限制直接體現在變換網絡中，然后在變換網絡中計算最短路徑，最后基于變化規則逆向轉換在變化網絡中得到的最短路徑，輸出原始網絡的最短路徑，包括擴展網絡法、對偶網絡法等。其次是直接法。直接法從算法本身入手，將轉向延誤通過節點或者弧的鄰接關系直接表達和求解，主要包括弧標號算法、節點標號算法等。節點標號算法與弧標號算法基本相同，通過兩個節點集分別儲存已確定最短路徑的節點和剩余其他的節點，并對每個節點設置距離標號和緊前節點標號，通過起點層層向外擴展直至到達終點。唯一的不同之處是節點標號算法在每一步的循環中掃描的是節點而不是弧。

4 考慮交叉口延誤的交通微循環路網優化

國內外針對城市交通微循環的研究主要分為2方面：①對交通微循環基本原理的研究：C.P.MICHAEL分析了小區域內的交通微循環系統，指出提高路網支路密度，能有效提高路網可達性，交通微循環系統所能發揮的效益大小也與支

路網密度成正比;W.CHRISTOPHER等研究得出，進行交通微循環交通組織優化設計能有效減緩交通擁堵，并以交通微循環系統特征為依據，提出特殊的交通微循環空間組織模式;②基于交通微循環理論進行路網優化，通過組織交通微循環改善街區交通情況。然而，車輛在路網上行駛所產生的總延誤中，交叉口延誤所占比例高達80%，但大多數已構建的交通微循環理論模型缺少對交叉口的分析。構建交通微循環系統，必須要解決微循環道路選擇和已選擇道路改造深度2個問題。針對這2個問題，筆者建立了考慮交叉口延誤的交通微循環路網優化雙層模型，該模型由一個上層模型和一個下層模型組合而成。上層模型以路網平均行程速度最大為目標，以路段飽和度、通行能力和投資額度為約束條件，建立非線性約束模型，從備擇道路中選擇構成交通微循環系統的道路，并確定選取道路的改建程度;下層模型將交叉口延誤與路段行駛時間結合，構造阻抗函數，并以路網總阻抗為目標函數，在滿足上層模型約束條件的前提下，進行路網交通平衡分配。上層模型的決策變量為備擇道路集中各道路改造后通行能力，下層模型的決策變量為各出行者路徑選擇。上層模型管理者在選擇決策變量的過程中，需要考慮上層模型目標函數和約束條件的影響，還需兼顧下層模型出行需求最優解的制約，所選擇的決策變量還會影響下層模型出行者的行為選擇;同時，下層問題出行者路徑選擇的決策也受上層模型約束條件的約束。通過多次管理者決策與出行者行為選擇，使上下層目標函數均得到最優解，此時路網運行效率最佳。交通微循改造的目標，是通過布設交通微循環系統，使部分交通需求通過交通微循環路網穿越，躲避擁堵干路，提高路網運營效益。

5 結語

智能交通是未來交通系統的發展趨勢，車路協同技術是發展智能交通系統的重要一環，其目標是實現自治車輛和智能路側設備之間的協同關系，確保交通系統的安全高效。

參考文獻：

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[2]李兵強，鐘誠文，牟勇飚.基于安全效應的雙車道元胞自動機交通流模型研究[J].交通與計算機，2007，25（3）：27-30.