平面交叉口行人信号配时方法研究

梁春岩,吴立新,冯天军,2

(1.吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春130118;2.吉林大学交通学院,长春130022)

平面交叉口行人信号配时方法研究

梁春岩*1,吴立新1,冯天军1,2

(1.吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春130118;2.吉林大学交通学院,长春130022)

为了提高平面交叉口的运行效率和安全性,本文在分析机动车与行人冲突情况的前提下,研究行人信号配时方法.从搭接相位的角度,在两相位信号控制交叉口,建立行人绿灯提前截止时间计算模型,在四相位信号控制交叉口,建立不同相序下的行人交通流绿灯提前启亮时间计算模型;从以行人交通流为关键交通流的角度,确定信号配时关键车流的流量临界值,进而计算信号配时参数,并以长春市某交叉口为例进行验证.研究结果表明,该配时方法可以大大提高行人的过街效率,减少甚至避免行人和机动车之间的冲突,提高交叉口的安全性和运行效率.

交通工程;信号配时;搭接相位;行人交通流;关键车流

1 引 言

目前,多数信号控制交叉口的行人信号配时几乎均以机动车交通流为关键车流,行人的信号配时与同方向行驶的机动车相同,行人专用相位和迟起早断信号阶段的研究只针对两相位信号控制交叉口,以延误、通行能力为主要研究目标,对于四相位信号控制交叉口,研究较少而且不够细致[1-4].随着逐渐对行人交通信号配时的重视,对行人绿灯最小时间进行了研究,并且根据不同的实际情况,建立了行人绿灯时间调整模型[5].在机动车流量较小而行人流量较大的交叉口,这样的信号配时方案往往是照顾了流量不大的机动车流,导致行人集群式抢行,不利于交叉口的安全性和整体运行效率.

在以机动车为依据所建立的信号配时方案下,由于行人的交叉口清空时间比较长,在相位转换过程中,机动车与行人的冲突严重.另外,信号控制交叉口采用的倒计时装置,使部分机动车驾驶员和行人抢行通过交叉口,或提前进入交叉口,加重了冲突的严重性,甚至导致交通事故的发生.延长绿灯间隔时间可以消除这类冲突,但是这会使周期时长变大,增加延误.因此,为了提高道路时空资源的利用效率,减少甚至消除机动车与行人之间的冲突,研究行人的信号配时方法是行之有效的手段之一[6].本文基于不同的信号配时方案和相位相序,研究行人交通流搭接相位的设置,计算行人交通流绿灯提前截止时间,并提出以行人交通流为依据的信号配时和参数计算方法.

2 搭接相位

搭接相位是跨信号阶段通行的相位[7].设置行人的搭接相位则是在原有确定的相位方案下,通过对行人交通流运行特性分析,采用提前截止或提前启亮绿灯的方法,以减少由于行人和机动车运行特性差异而导致的机非冲突.

2.1 行人绿灯提前截止

在两相位信号控制交叉口,由于行人交通流速度较慢,本相位绿灯结束后,绿灯间隔时间不足以使行人顺利通过交叉口,必然与下一相位的机动车产生冲突.为避免冲突,设置行人绿灯提前截止,使提前截止的时间与绿灯间隔时间刚好用于行人通过交叉口.

以十字形交叉口东西进口为例,在东西相位绿灯结束之后,东西方向的行人还没有通过交叉口,南北进口的机动车就已经驶入交叉口,与行人发生冲突,冲突示意图如图1所示.

图1 行人与机动车冲突示意图Fig.1 Conflict of pedestrian and vehicle

东西进口行人安全通过交叉口的时间为

式中 L1为交叉口人行横道起点至冲突点的距离,m,可以近似取为交叉口距离;vp为行人交通流速度,m/s.

假设行人绿灯提前截止时间为Tp1,为了避免冲突,应满足Tp1+I≥tp,则有

式中 I为绿灯间隔时间,s.

将式(1)代入式(2)有行人绿灯提前截止时间需要满足的条件为

2.2 行人绿灯提前启亮

在四相位信号控制交叉口,行人交通流相位只与同方向直行机动车相位相同,也就是当左转相位绿灯时,行人相位仍为红灯,大大降低了行人的通行效率,而行人往往因为红灯时间过长而违章闯红灯,不利于交叉口安全,对于不同相序的信号控制交叉口,设置搭接相位,即提前启亮行人相位绿灯.

(1)先直行后左转.

对于先直行后左转的四相位信号控制交叉口,仍以东西方向为例,东西方向左转机动车相位绿灯结束后是南北方向直行相位,南北方向行人与南北方向直行机动车相位相同.在东西相位左转运行过程中,交叉口有半幅路是可以利用(如图2(b)阴影部分所示),可以考虑在东西方向左转相位绿灯结束前,提前启亮南北方向的行人信号灯,使行人比南北方向机动车先进入交叉口,提前启亮时间为行人行驶至行人与左转机动车冲突点的时间,即

式中 L2为南北方向人行横道距离.

图2 先直行后左转信号控制交叉口行人绿灯提前启亮示意图Fig.2 The early start time forpedestrian on intersection with former straight and later left turn

(2)先左转后直行.

对于先左转后直行的四相位信号控制交叉口,仍以东西方向为例,东西方向左转机动车相位绿灯结束后是东西方向直行相位,东西方向行人与东西方向直行机动车相位相同.在东西相位左转运行过程中,交叉口有半幅路是可以利用(如图3(a)阴影部分所示),可以考虑在东西方向左转相位绿灯结束前,提前启亮东西方向的行人信号灯,使行人比东西方向机动车先进入交叉口,提前启亮时间为行人行驶至行人与左转机动车冲突点的时间,即

式中 L3为东西方向人行横道距离.

图3 先左转后直行信号控制交叉口行人绿灯提前启亮示意图Fig.3 The early start time forpedestrian on intersection with former left turn and later straight

3 信号配时方法

当行人交通流处于高峰时,行人流量是非高峰小时的数倍,或当行人流量明显大于机动车流量时,以机动车交通流为依据设计的信号配时方案,由于行人交通流不同于机动车的运行特性,会导致交叉口通行能力降低、机动车与行人之间的冲突严重及延误加大等问题.在这种情况下,以行人交通流为基础进行信号配时方案设计,而让机动车随同方向的行人通行,给行人绝对优先权,可以减少冲突,提高交叉口的运行效率和安全性.而其中最关键的两个问题,一是以行人交通流为依据进行信号配时的判断依据,二是信号配时方法及信号配时参数的计算.

3.1 确定配时依据

在以机动车流为关键车流的信号配时方案下,当行人流量较大时,使得在一个绿灯相位内,排队等待的行人不能全部通过交叉口,会导致某些行人为通过交叉口而与机动车抢行,极易造成交通冲突,甚至交通事故.那么就以排队的机动车或行人完全通过停车线作为信号配时的依据.

机动车排队完全消散的时间为

式中 tm为机动车排队完全消散的时间,s;r为红灯时长,s;qm为机动车流量,veh/h;Sm为机动车饱和流率,veh/h.

而行人排队完全消散的时间与机动车原理基本相同,即

式中 tp为行人排队完全消散的时间,s;r为红灯时长,s;qp为行人流量,p/(s·m);Sp为机动车饱和流率,p/(s·m).

当tm=tp,即为选择信号配时关键车流的临界值.经过整理有

这里定义行人交通流流量比为行人交通流流量(qp)与其饱和流率(Sp)的比值,即yp=qp/Sp,则式(8)可以写成:

式中 ym为机动车流的流量比.

也就是说,当yp＞ym,以行人交通流为依据进行信号配时方案设计,否则以机动车流为关键车流.

3.2 信号配时参数计算

以机动车流为关键车流进行信号配时方案设计的理论与方法成熟,这里不再论证.作者主要以行人交通流为依据,研究配时参数的计算方法.

到目前为止,并没有比较成熟的专门针对行人交通流的信号配时方法,所以在确定以行人交通流为依据进行信号配时后,仍按照机动车原理设计配时方案.以排队能够完全消散的时间来确定周期时长和绿灯时长.由以往的研究成果我们知道,周期时长过大,会造成交叉口空间资源的浪费,降低交叉口的通行能力,所以在计算周期时长时,只要满足各方向行人排队能够完全消散即可.

对于以行人交通流为依据进行信号配时的交叉口,机动车数量较少,交叉口多采用两相位信号控制,本文就以两相位为例.

设东西向为相位1,绿灯时长取东西方向行人排队完全消散所需时间的最大者,即

式中 t1为东西向绿灯时长,s;tpE为东进口行人排队完全消散的时间,s;tpW为西进口行人排队完全消散的时间,s.

设南北向为相位2,同样该相位的绿灯时长取南进口和北进口行人排队完全消散所需要时间的最大者,即

式中 t2为南北向绿灯时长,s;tpS为南进口行人排队完全消散的时间,s;tpN为北进口行人排队完全消散的时间,s.

由于机动车行驶速度比行人大,所以设置绿灯间隔时间时,同样以行人流为依据,也就是说,只要保证行人能够安全通过冲突区即可.以西进口为例,相位1绿灯结束之后,东西方向的行人会与相位2(南北方向)的机动车发生冲突,如图1所示.

则有相位1转换到相位2的绿灯间隔时间为

式中 I1为绿灯间隔时间,s;vp为行人通过交叉口的速度,m/s.

按照同样的原理可以计算由相位2转换到相位1的绿灯间隔时间,设其为I2,则有周期时长为

在道路等级相当的情况下,绿灯间隔时间相等,即令I1=I2=I,则周期时长可以写成C0=t1+ t2+2I.行人的启动速度较快,几乎没有起动损失时间,可以近似将绿灯显示时长看成是有效绿灯时长,则有东西向绿灯显示时间即为行人排队完全消散的时间,g1=t1,绿信比为:λ1=t1/C0;南北向绿信比为:λ1=t2/C0,绿灯显示时间即为行人排队完全消散的时间,g2=t2.

4 案例分析

本文以长春市景阳大路和春城大街交叉口为例,该交叉口为三相位信号控制交叉口,附近有150路、54路、234路和280路等多条公交线路,行人流向比较复杂,相关调查数据如表1所示.根据以往研究成果,行人过街步速取1.2 m/s[8].

表1 交叉口实际调查数据表Table 1 The survey data of the intersection

以春城大街方向的行人为例,目前该方向行人与春城大街机动车信号相同,绿灯时间为36 s,可以考虑在第二相位绿灯结束之前,提前启亮春城大街方向的行人绿灯,根据式(4)得提前启亮时间为18 s.

景阳大路为四幅路,可在交叉口的隔离带延长地区设置行人驻足区,供行人二次过街,绿灯间隔时间可以供行人行走至安全驻足区.由此可见,春城大街方向行人绿灯增加了50%,大大提高了行人通过交叉口的效率.

5 研究结语

本文研究了行人信号配时方法为设置搭接相位和以行人交通流为依据的信号配时方法.其中搭接相位包括行人绿灯的提前截止时间和提前启动时间的确定方法,而以行人交通流为依据的信号配时方案,则主要研究了选择信号配时关键车流临界值的计算及配时参数的计算方法,经过实例验证表明,提前启亮行人绿灯时间可以大大提高行人过街效率.研究成果可以丰富行人信号配时理论,具有一定实用价值.以行人交通流为依据进行信号配时方案设计仅停留在理论研究阶段,需要应用实例进一步验证.

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Signal Timing Method for Pedestrian at Intersection

LIANG Chun-yan1,WU Li-xin1,FENG Tian-jun1,2
(1.Traffic Science and Engineering Department,Jianzhu University, Changchun 130118,China;2.College of Traffic,Jilin University,Changchun 130022,China)

To improve the operational efficiency and safety of the intersections,the signal timing method for pedestrian is studied based on the vehicle-pedestrian conflict analysis.From the view of overlap phase, the early end of green time for pedestrian traffic flow is measured at two-phase signal intersection.The early start of green time for pedestrian traffic flow is calculated at four-phase signal intersection according to the diverse phase sequence.From the point of taking pedestrian volume as the basement,the critical value is determined and then the signal timing parameters are computed.The intersections in Changchun city of China is taken as an example for verification.The results show that the efficiency of the pedestrian traffic increases greatly and the vehicle-pedestrian conflicts can be lessened and avoided.The overall safety and operational efficiency of the intersection is improved through the signal timing method.

traffic engineering;signal timing;overlap phase;pedestrian traffic flow;critical traffic flow

U491.4Document code: A

U491.4

A

1009-6744(2013)04-0054-05

2013-03-01

2013-03-24录用日期:2013-04-15

吉林省自然科学基金项目(201215176).

梁春岩(1978-),女,工学博士,副教授.

*通讯作者:lcy9716@sohu.com