秦皇岛市河北大街中、西段各交叉口交通信号相位的改进设计

王鹏飞，李 政，房 媛，金 莉

(1河北科技师范学院城市建设学院，河北秦皇岛，066004;2大连工业大学信息科学与工程学院)

当两股或多股交通流的时空坐标都相同的时候，就发生了交通事故。为了解决交通流在时空相遇的问题，一般考虑将两股或多股交通流在空间或是在时间上予以分离［2］。立交桥、环岛等设施的建设可以有效的将可能相冲突的交通流在空间上分离开;而使用信号控制则可以将可能相冲突的交通流在时间上分离开。上述两种方法都可以有效的将多股交通流分离，但是建设环岛将消耗大量的资金，而立交桥建设将对城市景观产生一定的负面影响。因此，如何进行信号相位设计，避免交通事故的出现，在机动车保有数量激增的今天就显得尤为重要。在我国，特别是在中小城市的交叉路口处不仅有机动车，而且存在着大量的“弱势群体(行人和非机动车)”，它们共同构成了“混合交通”。因此，如何减少交叉口处机动车交通流之间，机动车交通流与非机动车交通流之间的冲突成为我国中小城市的道路与交通系统中迫切解决的问题［1］。

在一个平面交叉口处，如果将所有时间上可能冲突的交通流都分离的话，其交叉口的安全系数将可以达到最高。但是，由于设置了过多的信号相位，使得信号周期太长，对于想通过交叉口的车辆来说，时间延误将达到最大。从这点来说，提高交通安全系数与减少时间延误损失就是一对矛盾［3］。因此，如何在考虑实际交通需求的前提下，把握矛盾的平衡点就显得尤为重要。并且对于一条具有复数个交叉口的道路来说，如果把握好各交叉口信号灯相位，并进一步对配时进行优化，将有望在河北大街上实现“绿波交通”。秦皇岛市的河北大街是南北主干道，作为本研究重点的中、西段的主要交叉口如图1所示(M1～M5为河北大街中段的主要交叉口，J1为中、西段结合点，J2～W3为河北大街西段的主要交叉口)。如果其交通环境与通行状况改善的话，将对整个海港区的道路交通系统都具有非常重要的指导意义。

1 现状调查与问题点

1．1 河北大街各交叉口现状调查

河北大街中、西段的各交叉口的实际交通需求(机动车、非机动车与过街行人)由于区域政策导向、城市功能定位、周边的土地开发强度不同而表现出不同的特征(图1，图2)。

河北大街中段各交叉口(M1～M5)表现出以下特征:(1)东西干道与南北干道平面相交，没有主次道路之分，东西向与南北向交通需求没有明显的差别;(2)各方向的行人与非机动车辆交通量大;(3)右转相位(许可型右转相位)，绿灯相位利用率不高;(4)特别是M3～M5处因为相位设置过少而导致冲突点过多。

河北大街中、西段的衔接点(J1)与西段第一个交叉口(J2)表现出以下特征:(1)丁字路口，主次道路之分开始逐渐明显，在机动车交通量方面，东西向在一定程度上大于南北向;(2)相较于河北大街中段各交叉口，行人与非机动车辆交通量有所减少;(3)现行相位设置之下的冲突点过多。

河北大街西段各交叉口(W1～W3)表现出以下特征:(1)东西干道与南北干道平面相交，有很明显的主次干道差别，在交通需求方面东西向远大于南北向;(2)各方向的行人与非机动车辆明显减少;(3)南北向绿灯信号利用率不高。

图1 秦皇岛市河北大街中、西段各主要交叉口表示(来源:Google Map)

图2 行人、非机动车交通量的空间推移

图3 右转绿灯相位利用率的空间推移

1．2 河北大街各交叉口问题点分析

1．2．1 部分交叉口的交通安全系数低 交通安全系数较低的问题点在交通混合程度较高的河北大街中段各交叉口处表现得较为明显。交叉口处各种危险点(最简单的两信号相位下的3种危险点的位置以及数量由图4，图5给出［4］)的危险系数排序为:冲突点＞合流点＞分流点。因此，在进行信号相位改进设计时，要遵循尽全力消除冲突点，尽量减少合流点与分流点的原则。特别是在秦皇岛这样的中小城市的各交叉口，行人、非机动车与机动车的冲突点多是交通事故频发的主要原因之一。

1．2．2 部分交叉口的时间延误较大 交叉口时间延误较大的问题点在河北大街西段的各交叉口处表现得较为明显。由于交通流在时空上分布的不均衡性，导致某些方向(南北向或东西向)上的绿灯信号利用率不高，进而导致其他方向(东西向或南北向)上的红灯时间过长，车辆因排队等待而造成的延误较大。

1．2．3 遭遇“连续红灯”现象 就河北大街整体来看，出行者遭遇“连续红灯”的现象比较严重。这种现象出现的直接原因就是各交叉口绿灯信号开始的时间差(offset)没有统一整合好所造成的(本次研究不讨论“绿波交通”的实现方法)，但最根本原因是因为各交叉口缺乏统一的信号周期［5～7］。而现状是相邻、实际交通需求状况相似的各交叉口交通信号缺乏统一的相位配置，从而增加了的相同信号周期实现的难度。

图4 两相位信号控制下的交叉口3种危险点的位置与数量(东西方向)

图5 两相位信号控制下的交叉口3种危险点的位置与数量(南北方向)

2 改进设计的目的

基于以上的现状调查与分析结果，本次研究的目的是根据河北大街中、西段各交叉口交通需要的实际情况，对各交叉口的信号相位进行改进设计，以期能够:(1)在保持原有信号周期长度的基础上，尽可能的提高交叉口交通安全系数;(2)尽可能提高绿灯相位利用率以减少其他方向上的时间延误;(3)在相邻交叉口设置相同的相位与统一的信号周期有助于河北大街中、西段“绿波交通”的实现。

3 改进设计方法

3．1 河北大街中段各交叉口的相位配置改进设计

交叉口M1～M2处改进设计理由以及内容:存在的主要问题是行人、非机动车数量多，并且它们与机动车之间的冲突点多，特别是随时可以右转弯的机动车辆(许可型右转)与行人、非机动车辆之间的冲突，导致交通安全系数过低［8］。所以，主要原则是在保持原信号周期长度、信号相位数的基础上进行信号相位的改进设计，尽可能多的减少冲突点。将许可型的右转相位更改为保护型的右转相位，并且不与直行相位放在同一相位内(改进设计前后的信号相位参考图6，图7)，这样改进设计的结果既不增加右转车辆的延误，而且还大幅度提高了交通安全系数(参考表1)。

图6 M1～M2处改进前信号相位

图7 M1～M2处改进后信号相位

交叉口M3～M5处改进设计理由以及内容:相较交叉口M1～M2，虽然行人、非机动车辆有所减少，但其交通安全系数过低(有信号控制的交叉口的冲突点数、合流点数量最大)，导致交通事故频繁。所以，可以考虑在保持原有信号周期的基础上，增加信号相位以提高安全系数(改进设计前后的信号相位参考图8，图9)。采取同M1～M2处相同的改进设计方案。其结果既提高了交通安全系数，也增加了各方向绿灯信号的利用率(参考表2)。

交叉口J1～J2处改进设计理由及其内容:由于除了许可型的右转相位(随时右转)之外不存在绿灯相位利用率不高的问题，所以尽量保持原信号周期长度、相位数的基础上提高交通安全系数(改进设计前后的信号相位参考图10～图13)。其结果主要是提高了交通安全系数(参考表3)。

经过改进设计，河北大街中段各交叉口与衔接点(J1)、河北大街西段第一个交叉路口(J2)的冲突点被完全消除，合流点与分流点明显减少，不仅提高了交通安全的系数，也提高了部分交叉口的各方向的绿灯信号利用率，减少了时空资源的浪费。具体的成果(改进设计前后的比较)总结见表1～表3。冲突点、合流点、分流点的概念以及数量参考图4，图5;在此不讨论信号周期长的设计方法。

表1 信号相位改进前后M1～M2处危险点数量比较

表3 信号相位改进前后J1～J2处危险点数量比较

表2 信号相位改进前后M3～M5处危险点数量比较

3．2 河北大街西段各交叉口的相位配置改进设计

由调查结果可知，河北大街西段存在的主要问题是南北向绿灯信号利用率不高，造成东西向的时空资源浪费，就此笔者提出两种可行的改进设计的方案:

(1)在各交叉口的南北向设置感应式信号灯:由于在河北大街西段，主次干道的区别已经非常明显，因此有必要保持东西向长时间畅通以减少时间延误。由于河北大街西段的非机动车辆明显减少且机动车辆车头时距长，设置两相位就足以保证交通安全。在南北向次干道的(机动车道和非机动车道)地下埋置感应线圈，感应等待机动车台数(也包括行人数、非机动车辆数)以及计算等待时间。根据最大等待时间延误和等待队列是否消除来确定信号相位更替的时刻。

(2)在各交叉口设置周期式信号灯:和(1)同样的理由与相位设计方案，只是不在南北方向地下埋置感应线圈。采用东西向配时多，南北向配时少的周期式信号灯即可(在此不讨论信号配时问题)。

4 总结与展望

本研究在考虑河北大街中、西段各交叉口的实际交通需求基础上，对其信号相位配置进行了改进设计:在不增加信号相位，不延长信号周期的前提下，消除了河北大街中、西段部分交叉口的冲突点、减少了合流点和分流点。使得在不增加停车延误的前提下，提高了各交叉口的交通安全系数。

本研究成果统一了河北大街中、西段各相邻交叉口的信号相位与信号周期长度。如果再进一步结合相邻交叉口之间的路段长度、行驶车速等参数，对各信号相位的配时与绿灯相位开始时刻之差进行改进设计，将可以最大限度的减少利用河北大街的出行者遭遇红灯的次数，实现河北大街中、西段“绿波交通”。

［1］陈艳艳，郭继孚，袁和．城市道路交叉口弱势群体安全设计指南［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［2］徐吉谦．交通工程学总论［M］．北京:人民交通出版社，2002．

［3］于泉．城市交通信号控制基础［M］．北京:冶金工业出版社，2011．

［4］Japan Society of Traffic Engineers．Manual on Traffic Signal Control［M］．Revised Edition．Japan:Maruzen Company，2002．

［5］王廷平，蒋珉．一种实现双向绿波信号控制的方法及其应用实现［J］．电子工程师，2003，29(1):31-33．

［6］CHANG Jian，WU Da-wei．Multi-object traffic signals controlling model［J］．Journal of Dalian University of Technology，2000，40(6):653-656．

［7］马楠，邵福春，赵熠．基于双向绿波带宽最大化的交叉口信号协调控制优化［J］．吉林大学学报:工学版，2009，39(增刊2):19-24．

［8］倪颖，李克平．信号交叉口行人与右转机动车冲突的处理［J］．交通与计算机，2007，25(1):2-26．