冰雪条件下城市道路交叉口交通流特性研究

巴兴强，王 梅，陈长茂

(1.东北林业大学交通学院，哈尔滨150040;2.长安大学公路学院，西安710064)

交通流理论研究作为一门新兴的交叉性边缘科学，近年来受到了科学工作者和工程师们的广泛关注。交通流理论研究的长远目标是要建立能够描述实际道路交通一般特性的交通流模型，以揭示控制交通流的基本规律，从而更好地指导交通工程部门规划、设计、建造和完善城市交通网络与交通控制系统服务［1］。多年来，对交通流各个特性参数的研究无论是正常天气还是冰雪天气都局限于理论层次居多，所形成的交通管理与控制措施很难适应随气候动态变化的交通系统。

为了解决交通拥堵问题，交通工程界学者开始结合人类工程、汽车应用工程、应用数学工程、道路工程、环境工程、交通规划工程、自动控制工程等知识，通过交通流知识和计算机技术的融合来对交通设施设置、日常车辆出行、道路交通状况进行交通仿真，其中所占比例最大的是道路交通系统仿真。道路交通仿真基于交通流时间和空间随机变化，利用计算机对整个交通系统的结构、状态、功能以及交通参与者的思维与行为进行模拟，是一种准确、直观、灵活的再现复杂交通现象的有效手段［2］。

图1 和平路和民生路道路交叉口Fig.1 Road intersection between Heping Road and Minsheng Road

1 数据调查

1.1 调查时间、地点

本文主要研究冬季冰雪条件下北方城市道路交叉口的交通运行情况，综合考虑城市道路实际情况，选择研究时段为城市居民上、下班高峰期。以哈尔滨市典型的十字交叉路口——和平路与民生路交叉口作为研究对象。该交叉口是两条主干路交汇的典型十字型交叉口，具有完整的信号配时控制体系，其中和平路六车道，民生路五车道，除民生路东南向进口外，其他三个进口道的车辆都可左转。该交叉口有着良好的道路设计和交通渠化方案，每个进口设置有专用的直行车道，左转车道，右转车道，并且进行了车道拓宽，信号配时有四个相位，有专用左转相位，如图1所示。

1.2 调查方案确定

(1)交通量调查。交通量调查的目的在于了解交通量在时间、空间上分布和变化规律，为交通规则、道路建设、工程经济分析等提供必要的数据［3］。交通量数据采集方法主要有人工观测法、仪器自动计测法、流动车观测法以及录像观测法［4］。本文在交通量调查过程中，考虑到冰雪条件随机因素，人员调配程度，现有设备条件等，综合最低成本和方便快捷性，选择人工观测法。

本观测调查组共6名成员，3人为一组，共2组，分别记录和平路与民生路的车辆通过道路交叉口的流量。

(2)速度。速度调查资料通常用于掌握某地点车速分布规律及变化趋势，它是交通安全分析、交通工程设施设计的依据，也是制定交通管理与控制措施的依据以及作为交通流理论研究中的重要参数［4］。速度测量采用仪器测量法，即雷达枪测速法。当雷达测速仪瞄准被测车辆时，发射出雷达测速电波，遇车辆后再从车辆反射回来，发射波与反射波的频率差与车辆行驶的速度成正比，从而得到车辆的瞬时速度。

(3)密度调查。由于本文主要研究对象为交叉口交通流特性，考察其信号配时对通行能力的影响，因此密度不是主要参数，不需要进行特别调查，可通过交通流三参数之间的关系计算得出。

1.3 调查数据

首先通过人工调查法得到哈尔滨市和平路与民生路交叉口在非冰雪条件下和冰雪条件下的交通量数据见表1和表2。

表1 冰雪条件下的交通量调查数据 (辆/h)Tab.1 Capacity investigation under ice and snow condition

表2 非冰雪条件下的交通量调查数据 (辆/h)Tab.2 Capacity investigation under non-ice and-snow condition

然后，通过雷达测速仪测得该交叉口在非冰雪条件下和冰雪条件下的速度见表3和表4。

表3 冰雪条件速度调查数据 (km/h)Tab.3 Traffic speed investigation under ice and snow condition

表4 非冰雪条件下速度调查数据 (km/h)Tab.4 Traffic speed investigation under non-ice and-snow condition

1.4 问题与措施

通过分析调查数据，可以看出在冰雪条件下哈尔滨市和平路与民生路交叉口存在以下问题。

(1)哈尔滨市和平路与民生路交叉口在非冰雪条件下的交通流量为8946辆/h，而冰雪条件下的交通流量为5488辆/h(仅占非冰雪条件下的61%)。

(2)该交叉口在非冰雪条件时测得平均行车速度为44 km/h，而在冰雪条件下测得平均行车速度为30 km/h，在相同的行程距离内，冰雪条件下的行程时间增加，延误增加。

(3)该交叉口信号配时是不变，饱和流率降低。

(4)该交叉口在冰雪条件下，车辆行驶速度较非冰雪条件时有所降低。该交叉口信号配时方案周期时间过长，造成各个进口道排队车辆较多，而单独设置的左转相位通过车辆较少，因此导致有效绿灯时间浪费，增加了行程时间和延误，降低了交叉口的通行效率。

可见，与非冰雪条件下相比，冰雪条件下的哈尔滨市和平路和民生路交叉口交通流特性参数中交通量、速度、交叉口饱和流率有所下降，而行程时间和延误有所增加，给交通参与者造成不便，违背了高效、快捷的交通设施设计原则［5－6］。因此，在冬季北方城市冰雪条件下，有必要采取和非冰雪条件不同的信号周期时长。

2 道路交叉口信号控制

2.1 和平路与民生路交叉口现行信号配时方案

哈尔滨市和平路与民生路交叉口，现有信号配时方案有四个相位，信号周期时间140 s，其中全红时间2 s，黄灯时间2 s，信号相位方案如图2和图3所示。

图2 交叉口信号配时Fig.2 Signal timing for road intersection

图3 交叉口配时方案Fig.3 Signal timing plan for road intersection

2.2 仿真后优化配时方案

以延误和行车时间为评价指标，以延误为优化指标，以一定间隔对现行信号配时方案信号周期进行调整，分为增加信号周期时长和降低信号周期时长两种调整方式，应用VISSIM软件进行逐步仿真，得到延误最小信号配时方案。

(1)建立仿真路网，通过仿真过程中离线数据分析，得到交叉口各进口道直行、左转、右转的延误值，先对各进口道延误值进行加权平均后得到进口道平均延误值，再对整个交叉口进行加权平均，得到初始延误值D0。

(2)调整信号周期，首先将信号周期由140 s降低到130 s，计算此时仿真输出结果的平均延误值D1。

(3)比较此时的延误值D1与延误初值D0的大小，如果此时D1较D0大，说明降低信号周期时长调整方式不正确，停止调整，转而采用增加信号周期时长的调整方式;若D1比D0小，说明信号周期时长调整方式正确，继续以10 s为间隔降低信号周期时长。

(4)当调整信号周期后的延误值不再增加时，即得到最佳信号配时。

每次调整后的信号周期时长和平均延误D见表5。

表5 仿真优化后的周期与平均延误Tab.5 Period and average delay after simulation and optimization

可见，在配时方案不变的前提下，通过仿真得到哈尔滨市和平路与民生路的信号周期时长由140 s降到了110 s，信号配时如图4所示。

3 仿真分析

3.1 虚拟仿真路网

根据和平路与民生路交叉口的道路宽度、车道数、车道渐变段、出入口车道连接、车辆转向等实际情况，在VISSIM仿真软件的工作环境中建立虚拟仿真路网，如图5所示。

图4 交叉口优化配时图Fig.4 Diagram of signal timing for road intersection

图5 虚拟仿真路网Fig.5 Simulated road networks

3.2 仿真数据分析

对于一个道路交叉口信号配时评价指标有很多，在此选用行程时间和延误为评价指标，通过VISSIM软件仿真后得到离线分析数据［7］，整理出以下城市道路交叉口交通流特性评价指标对比表。

(1)非冰雪条件和冰雪条件城市道路交叉口交通流特性评价指标对比见表6。

表6 非冰雪条件和冰雪条件交通流特性评价指标对比Tab.6 Comparison of evaluation indicators of traffic characteristics under snow and ice condition and non-snow and-ice condition

根据表6的数据对比可知，在冰雪条件下，行车速度降低，车辆通过交叉口的行程时间和延误增加，降低了交叉口的通行能力，也降低了交叉口的交通效率。

(2)优化信号配时前后交叉口交通流特性评价指标对比见表7。

表7 优化信号配时前、后交通流特性评价指标对比Tab.7 Comparison of evaluation indicators of traffic characteristics before and after signal timing optimization under snow and ice condition and non-snow and-ice condition

可见，以平均延误为优化指标，经过VISSIM的仿真分析与优化后，得到周期时长为110s信号配时方案，相比于优化前交叉口140s配时方案来说，总体上每个进口道行程时间和延误都降低了，说明减少周期时长后方案在一定程度上提高了交叉口的通行效率。

4 结论

对于城市道路交通路网而言，其交通流特性会受到诸多客观因素影响。交通流依据不同天气条件会发生明显变化，相应调整其信号配时，可以提高道路通行能力，减少延误，降低交通拥堵，提高道路交通路网 (系统)的整体效率，对冬季北方城市道路交叉口交通通行效率具有一定的参考价值。

以冰雪条件下哈尔滨市和平路与民生路交叉口交通流特性参数为研究对象，以行程时间和延误为评价指标，通过仿真分析与优化，获得了冰雪条件下城市道路交叉口较为理想的信号配时方案，得到如下结论。

(1)与非冰雪条件情况相比，冰雪条件下道路交叉口的行车速度、交通量、通行能力、饱和度都有所下降，延误有所增加，道路交叉口的通行效率有较大的降低。

(2)在非冰雪条件下适用的北方城市道路交通管理措施，难以满足冰雪条件的道路交通状况需求。由于我国北方城市冬季降雪时间较长，应采取切实可行的应对措施，以保证冰雪条件下道路交叉口的通行效率。

(3)以延误为优化指标，利用VISSIM软件仿真分析后，可得到的哈尔滨市和平路与民生路交叉口信号优化配时方案，周期时长由原来的140 s降低为110 s，降低了车辆通过该交叉口时行程时间和延误，提高了交叉口的通行效率。

［1］ Transportation Research Board.Highway Capacity Manual［M］.Transportation Research Board，Washington，D.C.，2000.

［2］张 奇.城市交通仿真中的路网自动化生成技术研究［D］.武汉:武汉理工大学，2011.

［3］王向红.浅谈公路交通情况调查信息在公路建设中的应用［J］.北方交通，2010(6):85－88.

［4］王 玮.交通工程学［M］.南京:东南大学出版社，2000.

［5］王 林.高等级公路运行速度调查与分析［J］.黑龙江交通科技，2009(7):38 －41.

［6］宋洪洋，胡永举，张添纲.基于交通噪声的交通量测量方法研究与实例分析［J］.森林工程，2009，25(2):70 －76.

［7］李 江.交通工程学［M］.北京:人民交通出版社，2000.