城市道路干線優化設計及仿真研究

趙景然，王景升

（中國人民公安大學，北京 100038）

引言

東風路位于鄭州市北部的金水區，東西走向，是一條位于北二環與北三環之間的主干道。研究路段位于東風路中部，包括三個交叉口，東風路-政七街交叉口與東風路-經三路交叉口間距447 m；東風路-經三路交叉口與東風路-東明路交叉口間距727 m，北側緊鄰東風渠，有大片綠化的步行道，南側為住宅區建筑工地和寫字樓，總體上對干線交通流影響較小，適合進行干線協調。

干線協調控制不僅可以改善單個交叉口的服務水平，還可以提高干線整體運行效率。從交通渠化和信號配時兩方面考慮，對東風路-政七街交叉口至東風路-東明路交叉口之間路段交通設施存在的問題進行改進，在優化各交叉口信號配時的基礎上，使相鄰交叉口交通信號協調運行，從而提高交通運行效率，增加交通安全性，并運用仿真軟件對優化效果進行分析與評價。

1 交通渠化優化方案

渠化設計是從空間上使不同交通方式在交叉口處分流，以減少沖突點。從而降低行人、非機動車的不安全因素，使交通流更加順暢，減少交叉口處的延誤和擁堵［1］。結合具體情況和實際需求，提出優化方案。

1.1 偏移中心線新增非機動車道

由于東風路-政七街交叉口西進口和東風路-東明路東進口沒有非機動車道，導致最外側進口道機動車和非機動車混行現象嚴重，不僅威脅到非機動車駕駛員的行車安全，而且使得最外側機動車道通行能力下降。根據《城市道路交通組織設計規范》（GB/T 36670—2018）并結合實際道路條件，采用中心線偏移的方式，占用對向最內側出口道的方式，展寬進口道，來新增非機動車道進口道。

1.2 減少機動車道數量，增設非機動車道

由于東風路-政七街南進口道路寬度有限，左轉車輛較少且北進口車流量也不大，因此，采用禁止左轉并縮短機動車道寬度的方法來增設東風路-政七街南進口和南出口的非機動車道，而原來在南進口左轉的車輛，可在下一個路口調頭，在北進口右轉駛出。

將東風路-政七街東進口的直行車道改為直右車道，并將最外側車道改為非機動車道。

1.3 新增左轉專用道

根據《城市道路交叉口規劃規范》（GB 50647—2011）規定，高峰15 min內每個信號周期左轉車平均交通量超過2輛時，宜設置左轉專用車道［2］。東風路-政七街交叉口西進口左轉交通流量為138輛/h，且沒有設置左轉專用車道，增加了交叉口內的沖突點數量以及行車延誤。因此，將該交叉口西進口的直左車道改為左轉專用車道。

1.4 東風路干線禁止停車

因為該路段機動車違停現象嚴重，且部分機動車停車位施劃在非機動車道上，所以東風路干線上大量非機動車在機動車道上行駛。不僅威脅到道路使用者安全，還會降低道路的通行效率。因此，應取消東風路干線上政七街至經三路方向上非機動車道上的停車位，并加大監管和懲罰力度，治理東風路-經三路交叉口東出口等路段的違法停車現象，保證非機動車的通行空間。

2 交通信號優化方案

東風路干線的三個交叉口不僅存在交通設施設置不合理的問題，信號配時也存在綠燈時間浪費，與實際交通量不匹配的現象。因此，在解決交通設施設置及渠化問題后，便需要根據前期實地調查的交通現狀和整理后的交通數據，對東風路干線上三個路口的信號進行優化和協調，來提高整個干線的服務水平。

2.1 共同信號周期的確定

為了城市干道交通流的暢通，在現代化城市交通信號控制中經常會采用干線協調控制的方案來實現，這就是“綠波交通”控制模式［3］。需要協調控制的信號交叉口之間通過相位差聯系在一起，要求相位差能夠保持恒定，不隨信號周期的重復而發生變化［4］。通常選取干線上交通負荷最高的交叉口，即關鍵交叉口的最佳周期，作為干線上信號協調的共同信號周期［5］。

以東風路-東明路交叉口為例計算交叉口的最佳周期，結果見表1。

表1 各相位流量比匯總

該交叉口全紅時間為1 s，黃燈時間為3 s，啟動停車損失時間取3 s。

利用近似算法來計算該交叉口的最佳周期C0。

其中：

求得：

根據公式（1），東風路-東明路交叉口單點信號配時方案的最佳周期為116 s，東風路-經三路交叉口最佳信號周期為111 s，東風路-政七街交叉口最佳信號周期為91 s。因此，當對東風路干線三個交叉口進行信號協調時，其統一運行的共同周期應為116 s（東風路-東明路為關鍵交叉口）。

2.2 綠燈時間的確定

利用等飽和度法，根據各相位關鍵車道流率比的比例來分配各相位有效綠燈時間。以東風路-東明路交叉口為例，根據公式：

式中：C—信號周期，s；L—周期損失時間，s；U—周期綠信比；ui—相位i的綠信比；yi—相位i關鍵車道流率比；Y—周期流率比；ki—相位i的綠信比分配系數；Gei—相位i有效綠燈時間，s；Ge—周期有效綠燈時間，s；Gi—相位i的綠燈時間，s；l—啟動停車損失時間，s；A—黃燈時間，s。

得出各相位實際綠燈時間，該交叉口信號配時情況見表2。

表2 東風路-東明路交叉口優化后信號配時

依照公式（2）～公式（7），計算東風路-政七街及東風路-經三路交叉口優化后的信號配時，計算結果見表3、表4。

表3 東風路-經三路交叉口優化后信號配時

表4 東風路-政七街交叉口優化后信號配時

2.3 相位差的確定

2.3.1 雙向協調相位差確定原理

式中：τ12—上行相位差，s；τ21—下行相位差，s；C—共同信號周期，s。

若想獲得理想的雙向協調效果，需同時滿足公式（9）～公式（11）。

式中：t12—上行行駛時間，s；t21—下行行駛時間，s；K—整數；mod—模運算符。

設上行、下行行駛速度相等，V1=V2=V，則公式可改寫為：

式中：L—路段長度，m；V—行駛速度，m/s。

當車輛在干線上的行駛時間滿足公式（12）、公式（13）條件時，可獲理想的雙向協調效果。

2.3.2 確定相位差

只有在理想情況下才能滿足公式（12）、公式（13），所以只能近似適用。三個路口相距分別為447 m，727 m， 車輛在政七街-經三路路段上的行駛速度為27 km/h， 即v=7.7 m/s，t=58 s；車輛在經三路-東明路路段上行駛速度v=12.5 m/s，t=58 s。此時相位差為58 s，可以最大寬度實現綠波帶。通過Vistro軟件觀察形成的綠波效果見圖1。

圖1 優化配時方案綠波

3 仿真結果分析

根據實地調查、數據收集整理與分析，結合當地具體情況和實際需求，對東風路干線上的三個交叉口進行優化設計。從優化前后延誤時間、行程車速、行程時間等數據進行對比，利用Vissim進行仿真與評價，所得結果見表5、表6。

表5 現狀及優化后延誤時間對比

表6 優化前后行程車速對比

經過優化，東風路-政七街交叉口延誤下降40.1%，東風路-經三路交叉口延誤下降6.6%，東風路-東明路交叉口延誤下降60.8%；東風路干線東向西方向行程車速提高了21.0%，西向東方向行程車速提高了57.7%，由此可見，該方案優化效果明顯。

4 結語

針對東風路-政七街交叉口、東風路-經三路交叉口、東風路-東明路交叉口出現的問題，從交叉口和路段的組織渠化優化以及信號協調兩方面入手，對東風路干線交通狀況進行優化，并利用PTV Vistro評價設計軟件和PTV Vissim仿真軟件，對現狀和優化方案進行評價與仿真，結果表明：優化方案不僅減少了交叉口的延誤，而且提高了干線的運行效率和道路使用者的行車安全。