基于信号联动控制的大型医院交通组织应用

冯 羽

(同济大学 建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092)



基于信号联动控制的大型医院交通组织应用

冯 羽

(同济大学 建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092)

针对国内大型医院机动车出入口往往由于车流量大，出入随意给相邻城市干道带来交通混乱等问题，利用信号联动控制为解决医院出入口交通组织问题提供新的手段，通过构建医院出入口与城市道路节点的联动框架，设计相邻节点的最佳周期来提高整体交通效率. 以福建省晋江市中心医院为例，通过VISSIM微观仿真模拟医院出入口与节点信号灯联动控制，仿真结果显示医院出入口及路段车辆的平均延误时间减少13.28%. 证明信号联动控制可以有效地解决大型医院出入口交通组织难题.

大型综合医院； 交通信号； 联动控制； 微观仿真

0 引言

大型医院往往意味着功能综合化，用地规模化. 因此新建的大型医院在对外交通方面往往面临车辆规模大、人流复杂、停车需求旺盛、入口交通组织困难等问题[1]. 另外，由于城市规划导致的医院选址不当，如被设置于城市主干路节点附近等，对城市主要干道以及附近节点的通行效率、安全等方面都带有较大的负面影响. 随着交通控制技术的不断推广，尤其是信号联动控制技术应用的广泛性，信号控制成为解决大型医院出入口交通组织难题的新方法.

1 文献综述

目前国内针对大型医院的交通组织策略已经有较多研究成果. 吴志滢[2]、陈吉发等[3]以深圳市现有医院为研究对象，认为深圳市医院的交通问题主要体现在路网布局不合理、停车设施匮乏、出入口设置不合理、公交配套缺失以及交通管理设施不完善5个方面，因此在对策上也分别从周边道路改建、扩容停车设施、调整出入口布局、增加公交配套等方面对医院的交通组织进行了完善. 邵勇等[4]也是结合医院实际面临的停车设施匮乏、出入口以及公交配套等问题提出了类似的方法来解决医院交通组织困难的问题. 杨博[1]、刘宁[5]、章开文等[6]则是通过从医院建筑本体由内向外蔓延式的交通组织流线设计，通过交通组织以及交通管理的手段来解决医院的交通问题，从而提高医院内部以及医院周边的交通管理服务水平. 国外在医院的交通组织管理中也提出了类似的“医疗街”的概念[1]，实质是以优化流线为基础的医疗建筑布局改良. 因此在以往的研究中，医院交通组织管理手段可以视为2个方面：①新建或改造医院周边硬件设施，如增加周边道路交通设施供给，升级或扩容周边的道路交通系统硬件设施等，来缓解医院周边的交通压力；②充分挖掘内部交通组织的潜力，通过合理的医疗建筑布局以及内、外部的交通组织，来缓解周边的交通压力. 这2种技术手段在医院的交通组织中往往同时采用，但是仍然存在3个问题及挑战：①直接对周边的市政道路交通系统进行改造升级需要巨大的资金投入；②施工周期较长对周边车辆及居民生活出行带来不便；③充分挖掘内部交通组织的潜力，但受限于客观的交通环境以及日益增长的医疗保健需求，对于区域交通改善的实际效果较为有限.

郭海峰[7]、陈昱光[8]通过对城市局部拥挤的地段以及城市道路交通瓶颈地段采用自适应的交通信号控制进行了相应的研究，合理的自适应信号控制可以有效地缓解城市瓶颈或局部拥挤地段的交通拥堵问题. 因此，针对以上现有大型医院交通组织管理中存在的不足与问题，本文提出了构建医院出入口与城市道路节点信号联动控制的方法来提升区域的交通效率. 最后通过微观仿真模拟，分析信号联动控制对于医院周边路段以及医院出入口交通改善的实际效果.

2 经典信号联动控制机理

普通的单点信号控制，只是对单点进行信号优化，而通过“点”与“点”之间的信号联动控制，可以实现“线”或“网”的全局最优信号控制. 信号联动控制在国内外已经有了较多的研究与应用. 早期的研究中是指将城市干道上连续交叉口的信号灯通过相互协调的配时方案进行连接，从而减少车辆的停车次数及延误. 这种方法称为“绿波控制”[9]. “绿波控制”的关键是绿波带. 绿波带通常以时间- 距离图来表示. 其中绿波带所标定的时间范围称为通过带，其宽度就是绿波带宽(图1). 它用以反映道路上车辆所能利用的通车时间，以秒(s)或周期时长的百分比为单位. 绿波带的斜率是车辆沿干道连续通行的建议车速，被称为通过带速度，简称带速.

图1 道路绿波带设计时间- 距离示意图

经典的联动配时控制方案设计通常需要收集5个道路交通数据.

1) 交叉口间距：两相邻交叉口停车线到停车线的距离.

2) 道路交叉口车道布置：干道及相交道路的宽度，各进口道宽度和进口道车道数.

3) 交通量：交叉口以及道路路段流量流向.

4) 交通管理规则：如限速，限制转弯，限停等.

5) 车速和延误：道路车辆的实际运行车速以及控制方式下的车辆延误.

根据交通调查数据，确定联动控制的交叉口范围，来确定联动控制的配时方案. 经典的联动配时控制方案的核心参数是确定最佳周期时长. 最佳周期时长是指控制交叉口获得最佳交通效益的信号周期时长. 其计算方法为：

C0=(1.5L+5)/(1-Y)

(1)

式中，C0为最佳周期时长；L为每个周期的总损失时间，L=∑(l+I-A)；l为为启动损失时间，一般为3 s；I为为绿灯间隔时间，一般为4 s；A为黄灯时间；Y为组成周期的全部信号相位的各个最大Y值之和，Y=∑max [y1,y2,…,yi].

3 联动方案设计

包括医院在内的建筑物，通过建筑出入口与城市道路相衔接，构成了类似城市交叉口的道路终端系统. 因此可以将医院出入口与市政道路构成的节点抽象为简易的T型交叉口. 结合医院出入口车流量大，高峰期间出行方向较固定等特点，与其他城市道路节点进行联动控制. 提升医院交通出行与道路设施之间的互动关系.

结合经典联动控制方法的思路，联动控制方案如图3所示，主要分为以下3个步骤.

步骤1：城市道路节点南北向绿灯(GNS)期间，医院出入口红灯(Rc)启动，保持城市道路主流向交通顺畅；

步骤2：城市道路节点南北向红灯(RNS)开始，医院出入口绿灯(Gc)等待RNS-Gc-(T+l)后启动，城市道路路段信号灯启动红灯. 放行医院出入口等待车辆进入城市道路交叉口排队等候. 其中城市道路路段等候车辆到达交叉口的时间(T)根据实际平均车速(V)计算；

步骤3：在城市道路节点南北向红灯结束前T+l秒，放行道路路段待行车辆继续直行.

图2 信号联动控制方案框架

3.1 案例分析

福建晋江市中心医院的功能定位是能满足晋江市和周边区域的基本医疗服务和高端医疗服务的需求，具有医、教、研和远程医疗功能的现代化、数字化、综合性三级甲等医院，建筑面积为255 703 m2. 如图3所示，晋江中心医院坐落于晋江市城市主干路世纪大道及晋光路交叉口北侧.

图3 晋江市中心医院平面图

晋江中心医院共有5个出入口，其功能定位如表1所示. 世纪大道及晋光路为外来小汽车出行的主要出入接驳通道.

其中世纪大道为双向10车道的城市主干路，晋光路近期为双向8车道的城市主干路，远期为城市快速路. 现状交通流量以及与医院出入口关系详见表2.

表1 晋江市中心医院出入口

表2 相交道路交通基本概况

图4 晋光路—世纪大道交叉口设计图

该交叉口为信号控制交叉口，右转不受控. 其中世纪大道有4条直行车道，2条左转车道，1条右转车道；晋光路有3条直行车道，1条左转车道，1条右转车道.

世纪大道是市医院交通出行的主要通道，医院1号出入口是通往世纪大道的唯一出入口，通道宽度6 m，2车道采用右进右出的交通组织. 目前医院1号出入口交通组织存在2个问题：①世纪大道交通量大，车辆连续通行速度快，医院出行车辆要短距离穿越5个车道实现车辆掉头有极大的安全隐患；②通过2，3号出入口右出绕行转入世纪大道—晋光路交叉口距离远，约1.2 km，且现状晋光路同样交通量巨大，有安全隐患且交通效率得不到保证. 同时4,5号专用出入口使用条件受限，采用后背支路绕行的交通组织无法实现. 因此传统的交通组织方法难以解决医院1号口交通组织的要求.

结合现状条件，通过1号出入口设置路段信号灯，与世纪大道—晋光路交叉口信号联动控制来解决医院出入口交通出行难的问题.

根据前期《晋江市中心医院迁建项目》的调查分析，医院1号出入口高峰期间进入无左转T型交叉交通量为425 pcu/h. 进入医院1号出入口的交通量为363 pcu/h，根据3.1节联动控制方案，设计市医院与世纪大道—晋光路节点联动方案：

步骤1：世纪大道—晋光路南北向绿灯(GNS)期间，医院1号出入口红灯(Rc)启动，保持世纪大道主流向交通顺畅；

步骤2：世纪大道—晋光路南北向红灯(RNS)开始，医院1号出入口绿灯(Gc)等待RNS-Gc-(T+l)后启动，世纪大道路段信号灯启动红灯. 放行医院出入口等待车辆进入世纪大道—晋光路交叉口. 其中世纪大道路段等候车辆到达世纪大道—晋光路交叉口的到达时间(T)根据世纪大道实际平均车速(V)计算；

步骤3：在世纪大道—晋光路南北向红灯结束前T+ls，放行世纪大道路段待行车辆继续直行.

根据联动控制方案，通过信号配时软件PASSER计算世纪大道—晋光路交叉口的最佳周期为90 s，其中南北向红灯持续时间RNS为62 s，医院1号出入口绿灯Gc时间为26 s，世纪大道路段停止线至世纪大道—晋光路交叉口时间为19 s，车辆启动时间按3 s计.

图5 PASSEVR信号配时界面

图6 世纪大道—晋光路信号配时

3.2 交通仿真结果分析

结合理论计算，以实际观测的交通数据为基础，建立了晋江市中心医院交通出行微观仿真模型(图7)，并以现状世纪大道—晋光路交叉口的交通观测延误及行程时间为标定数据，对微观仿真模型输出的行程时间以及延误进行标定，相对误差为14.89%，可以满足实际使用的要求[10]. 微观仿真系统预热600 s，输出1 h仿真数据.

图7 晋江市中心医院微观仿真模型

通过对微观仿真数据的采集分析(图8)，医院1号出入口高峰小时的通行车辆排队等待延误时间与未设置路段信号灯时相比降低了27.22%，世纪大道路段车辆路段延误约增加了5.22%，医院出入口车辆及世纪大道路段车辆总延误时间降低了13.28%.

图8 医院出入口及路段车辆总延误比较

4 结论及展望

针对当前国内大型医院机动车出入口交通组织困难，而传统的交通组织手段又无法彻底解决医院安全、高效出行的问题. 本文提出了利用信号联动控制的办法，提高医院对外交通的通行效率.

通过仿真测试，设置医院出入口信号灯与城市节点信号灯联动控制可以有效提高道路交通效率，保障车辆出行的安全性. 医院出入口及路段车辆总体延误降低13.28%，可以满足医院出入口交通管理组织的要求.

本文的联动控制方案仍然是点- 点的信号联动控制. 进一步的研究可以结合区域路网的信号控制管理与大型医院所有机动车出入口的网络式联动控制，以解决大型医院机动车出入口交通组织混乱的问题，加强城市大型医疗建筑与城市道路的互动性，提高城市智慧医疗、智慧交通的水平.

[1] 杨博. 大型综合医院交通系统研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2009.

[2] 吴志滢. 城市大型医院周边道路交通问题剖析及改善对策——以深圳市为例[J]. 交通标准化, 2012(12): 50-52.

[3] 陈吉发, 宋雨田. 城市大型综合医院交通问题剖析及解决对策研究[J]. 交通科技, 2014(3): 186-189.

[4] 邵勇, 高跃文. 大型综合医院交通配套规划研究[J]. 山西建筑, 2010(29): 12-13.

[5] 刘宁. 大型综合医院的交通系统研究[J]. 城市建设理论研究(电子版), 2013(30).

[6] 章开文, 高伟民. 综合医院的交通组织设计[C]. 杭州: 中国医院建筑设计年会, 2007: 13-14.

[7] 郭海峰. 局部拥挤条件下城市道路交通信号控制方法研究[D]. 长春: 吉林大学, 2008.

[8] 陈昱光. 城市道路交通瓶颈信号控制方法研究[D]. 长春: 吉林大学, 2008.

[9] 吴兵, 李烨. 交通管理与控制(第4版)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[10] 孙剑, 杨晓光, 刘好德. 微观交通仿真系统参数校正研究[J]. 系统仿真学报, 2007, 19(1): 48.

The Traffic Management Application of Large Hospitals Based on a Coordinated Signal Control

FENG Yu

(Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd, Shanghai 20092, China)

Large hospitals often experience the heavy traffic flows, which cause significant impacts on adjacent city roads.With the application of a coordinated signal control in urban road way network, a new approach is proposed for solving the traffic organization problem in hospital entrance. Through constructing the coordinated control framework of between the hospital entrance and the adjacent roads, the optimal cycle of adjacent nodes is designed to improve the whole traffic effectively. Based on the example of Jinjiang central hospital in Fujian, the coordinated control between the hospital entrance and the traffic signal is simulated by the microscopic simulation software VISSIM.Simulation results show that the vehicle average delay in the hospital entrance and adjacent roads is reduced 13.28%. It proved that the problem of traffic organization in large hospitals can be solved effectively by coordinated signal control.

large hospital; traffic signal; coordinated control; microscopic simulation

10.13986/j.cnki.jote.2015.06.008

2015- 06- 19.

冯羽(1987—)， 男， 助理工程师， 硕士， 研究方向为交通设计与交通控制. E-mail：fy5221714@163.com.

U 491.4

A

1008-2522(2015)06-39-04