基于老城区特殊交叉口信号优化研究

孟 顺 陶 浪 尚 苒 程 航 高 涛 何 彤 林新宇

（兰州交通大学交通运输学院，兰州 730070）

基于老城区特殊交叉口信号优化研究

孟 顺 陶 浪 尚 苒 程 航 高 涛 何 彤 林新宇

（兰州交通大学交通运输学院，兰州 730070）

为了解决地级市及县城城区交通拥堵的现状，对老城区目前的交通特征及存在的突出问题进行了系统分析，并以L县老城区为例，对较拥堵的H十字交叉口进行了实地数据调查。通过详细分析H十字交叉口现状与存在的问题，对此交叉口进行渠化设计，提出优化交叉口的信号配时方案，从而能够在一定程度上缓解L县老城区交通拥堵的问题，同时对类似的地级市及县城城区拥堵交叉口的优化研究具有一定的借鉴意义。

老城区；交通拥堵；信号配时；H十字交叉口；交通延误

引言

随着社会经济的快速发展，城市机动车保有量的迅速增长，城市机动化水平的不断提高，越来越凸显的交通拥堵和交通安全等交通问题已经蔓延到地级市及县城城区。目前国内学者侧重于大城市交通改善方便的研究，如华芳等[1]通过杭州老城的例子，以保护优先为原则，构建层次分明，理性与弹性结合，编制体系与管理体系衔接的规划设计方案。杨槿等[2]基于苏州老城区1661家文化企业分布信息，综合运用核密度估计，分析文化企业空间演化过程。杨明等[3]通过分析老城区基本特征与问题，提出道路、公交、停车、慢行以及交通管理层面的改善措施。冯长春等[4]从城市土地集约利用的概念和内涵入手，建立了一套指标体系，并以北京市东城区为例，成功应用了多指标综合评价方法。但对中小城市甚至是地级市及县城城区的研究文献还较为缺乏。随着城市化进程的不断加快，加强对中小城市甚至是地级市及县城城区交通改善与建设的研究，将有效促进城市建设的发展。交叉口作为城市交通网络中的重要组成部分，是城市交通拥挤的主要发生地。单点交叉口交通信号控制占城市交叉口的90%以上，即使未来实现线控、面控，但在线控、面控不能覆盖的区域还会有大量独立控制的交叉口存在，因此，解决城市交通问题的关键在于如何合理、有效地组织好单点交叉口的交通[5]。单交叉口是构成城市交通网络的重要节点，单交叉口信号配时是交通控制的关键因素[6]。

本文提出了在多相位可变相序基础上的信号配时优化方法，同时对不同信号相位的控制方式进行了仿真模拟并对结果进行对比，选择最佳的交通信号配时方案，以减少交通冲突，对L县某十字交叉口的交通流畅做出贡献。依据信号配时方案对此交叉口进行系统有效的渠化设计，优化交叉口单点配时方案，从而在一定程度上缓解L县老城区交通拥堵的问题。对类似的地级市及县城城区拥堵交叉口的优化研究有一定的借鉴意义。

1 L县老城区H十字交叉口现状

L县城在老城区组团的基础上分别向南北两个方向扩张，形成了以老城区为中心，南北同时扩张的北部政府机关中心和南部居住区中心的三中心组团状。其中老城区的主要功能齐全，北部中心和南部中心城市功能较为单一。2011年以后，随

着L县经济的快速发展，城市建设加快。L县现有大货车、小汽车总计4万余辆，三轮车和摩托车的数量也已十万辆有余，连续四年里，机动车的年增长量超过4000辆，同时还有1000多到2000辆本地车辆在外地挂牌。全县机动车驾驶员数量已达到17万人，其中摩托车和三轮车驾驶员有将近5万人。平面交叉口的渠化有些不合理或者没有渠化，在此类交叉口处车辆和行人交通流属于无序状态，造成交通混乱；有些路口没有设置左转专用车道或右转专用车道，没有分离右转车道的三角导流岛，引起人行横道标线和停车线都靠后，进一步造成交叉口面积增大。

H十字交叉口位于新城区与老城区的交界处，是文峰北路与文峰东路、文峰西路交叉形成的四路交叉口，是L县城区内规模较大的交叉口之一，由于其地理位置关键，H十字交叉口起着连接旧城区与新城区的上下班工作通勤功能。

1.1 交叉道路几何现状

H十字交叉口是四路交叉，典型的十字交叉口，对与之相关道路的几何现状进行调查，调查结果见表1。

1.2 交叉口几何现状

对交叉口进口道的道路等级，断面形式，路幅宽度，车道数，车道宽，车道功能等情况进行调查，详细结果见表2。

1.3 交通流现状

2016年6月对H十字交叉口上班高峰期、平峰的高峰小时流量进行了调查，采用15min调查法获取（表3）。

1.4 交叉口信号配时现状

交通控制最直观明显地调控交通流，是解决城市交通安全、提高道路通行能力的主要措施之一，交通控制的目的，就是要将不同流向的车流，在时间上分离[7]。采用信号控制是交通控制的主要方法之一，信号控制的技术关键在于信号配时。信号控制的目的在于最大限度地提高交叉口的使用效率。具体说来，就是一方面对道路使用者(即道路用户)来讲，要使延误、停车、排队尽可能小;另一方面对道路管理效率来讲，要使交叉口的通行能力尽可能大[8]。

表1 道路几何条件调查表

表2 交叉口几何条件调查表

表3 H十字交叉口交通量

通过调查，可知该交叉口全天候采用同一信号控制方案，没有对高峰期设置相应的信号控制方案，该信号周期为68s，其中东西向绿灯时间为27s，南北向绿灯时间为35s，黄灯时间为3s，没有全红时间，信号周期如图1所示。

图1 H十字交叉口现状信号配时图

2 交叉口存在问题分析

2.1 道路几何现状存在的问题

从H十字交叉口四条道路的几何现状情况来看，存在问题如下：

（1）东西方向的道路虽路况良好，但是未设置非机动车道与机非分隔带；

（2）南北方向虽有非机动车道，但北关街机动车道数明显少，车道宽度变窄；

（3）东西向缺少对非机动车的考虑。

2.2 交通流现状问题分析

交叉口流量调查数据显示，H十字交叉口各个进口道的左转车流与对向行驶的直行车流冲突较为严重，加之与左转车流混行抢道的掉头车流，不仅妨碍左转车流在左转相位时间内通过交叉口，也易与对向直行车流抢用车道，使交叉口通行能力下降，造成延误；在交叉口内部，设置了交警服务台，占用了一部分交叉口内部空间，不利于直行与左转车流的安全行驶。

2.3 交叉口通行能力及延误分析

交叉口的通行能力由组成该交叉口的各进口道的通行能力组成，各进口道的通行能力由组成它的各条进口车道的通行能力组成[9]。延误是评价信号控制交叉口信号控制参数是否最佳的重要指标。在对交通信号控制参数进行优选时需要综合考虑交叉口各进口方向的车辆延误情况，因为一个相位延长绿灯时间的同时，必然延长了相冲突相位的红灯时间[10]。计算得H十字交叉口通行能力及延误（表4）。

分析表4，H十字交叉口的饱和度为0.41，对比而言，H十字北进口直行、左转、右转饱和度0.56、0.56、0.59与南进口直左、右转车道的饱和度0.56、0.59均大于交叉口饱和度0.41，故北进口与南进口在上班高峰期内存在拥堵问题。交叉口四个进口道，东进口与南进口的延误较大。H十字交叉口的饱和度接近0.5，因此，降低交叉口的饱和度是优化的目标之一。提供两种措施解决此问题，拓展车道和诱导车流。进口道的延误与信号周期有关，降低延误，需从信号配时方面考虑。

表4 H十字交叉口的通行能力、延误

2.4 H十字交叉口现状存在问题分析

通过实地踏勘和现场交通量调查分析，从交叉口的设计，转弯车流的诱导，信号配时的合理性及其他方面，分析H十字交叉口存在以下问题：

（1）从交叉口的设计上来讲，H十字交叉口属于错位交叉口，其各个方向的直行车流与对应的出口道之间并非正对关系，车辆在交叉口内行驶需进行方向调整。

（2）关于转弯车流，H十字交叉口不论对右转车流还是左转车流，均未采取规范行驶路径的措施。对于右转车流，由于交叉口的四个拐角处均采取内凹的设计方式，导致四个进口道的右转车流转弯时可利用空间变大，容易与过街行人及非机动车产生冲突；由于交叉口的空间范围较大，在左转车流转弯路径不明确的情况下，极易与对向的直行车流产生冲突。

（3）信号配时的合理性是交叉口是否畅通的关键。H十字交叉口现状采取两相位。第一相位南北向35s的绿灯，3s的黄灯，以及30s的红灯，第二相位东西向27s的绿灯，3s的黄灯，以及38s的红灯。据现场观测，在现状信号配时方案中，南进口、北进口的车流在高峰期内存在二次排队的现象。

（4）从以人为本的观点出发，H十字交叉口对于行人过街的安全问题欠缺考虑。由于交叉口范围较广，现状斑马线的位置与斑马线的长度设计不科学。现场进行测试，在现有的信号配时下，正常成年人不能在绿灯时间内利用斑马线通过交叉口，在交通出行个体中，仍包括老人，小孩等其他社会弱势群体。

（5）交叉口对于非机动车的考虑欠全面，未考虑非机动车的过街问题。

3 改善措施及设计方案

3.1 改善措施

解决交叉口现状问题的宗旨是减少交叉口的冲突点数量，从时间与空间两个方面提出相对应的措施[11]。

针对于交叉口现状存在的问题，提出以下几种解决措施：

（1）为了解决直行车流在交叉口内行驶需要调整方向的问题，对交叉口内的直行车流涂画导流线，引导直行车流按照合理的轨迹前进。

（2） 关于转弯车流，分别提出不同的解决方案。对于右转车流，改善交叉口拐角的设计方案，由内凹改设为外凸；对于进口道无右转专用车道的路口，利用非机动车道，增加右转专用车道。对于左转车流，由于H十字交叉口内部空间较大，车辆行驶在交叉口内存在边行驶边寻找行驶路径的问题，在渠化时，设置左转待转区，降低左转与直行车辆发生碰撞的概率。

（3）由于信号配时不科学不合理，进口道排队车辆存在二次等待的问题。信号配时由现状的两相位优化为三相位，设计南北向的左转专用相位。相位设计方案如下：

第一相位为南北方向的绿灯，第二相位为南北向的左转相位，第三相位为东西方向的绿灯，如图2所示。

图2 设计信号相位图

（4）后移停车线的位置，斑马线随停车线的位置调整。同时，考虑老人、儿童等交通出行弱势群体，在中央分隔带处设置安全岛（图3）。

图3 斑马线优化图

（5）H十字交叉口非机动车出行仍占有一定比例。在现阶段，考虑非机动车出行数量，不设置非机动车专用相位；非机动车利用人行横道过街。

（6）由于进口道的饱和度太大，故适当拓宽进口道。

3.2 设计方案

3.2.1 渠化方案

按照上述提出的渠化方案，对H十字交叉口进行改善，如图4和图5所示。

3.2.2 信号配时优化

根据上述公式，取L=5得：H十字交叉口信号周期T=85s。

（2）绿灯时间。信号周期内总的有效绿灯时间Ge=T-L，Ge=70s。

各相位绿灯时间：g1=25s，g2=20s，g3=25s。绿灯实际显示时间Gi=gi-A+L，其中A代表时间延误，取值5s，计算得出G1=25s，G2=20s，G3=25s，如图6、图7所示。

4 结语

（1）对交叉口的基本现状进行了现场调查，并对调查的具体数据进行了详细的分析。

（2）对交叉口存在的具体问题，如道路几何现状存在的问题，交通流现状存在的问题进行了一一分析，并提出具体的解决措施。

（3）针对交叉口存在的诸多问题，设计了一套系统的改善方案。包括涂画导流线解决直行车流在交叉口内行驶需调整方向；设置左转待转区，降低左转与直行车辆发生碰撞的概率；信号配时由现状的两相位优化为三相位，并计算出优化后的交叉口高峰小时信号配时方案和平峰小时信号配时方案。

本文只是针对L县老城区一具有代表性的单点信号控制交叉口进行了系统分析及提出了改善方案，而对于老城区多点信号控制交叉口的联动及整个路网的协调控制将是下一步的主要研究内容。

图4 交叉口渠化方案一示意

图5 交叉口渠化方案二示意

图6 渠化后高峰信号配时图

图7 渠化后平峰信号配时图

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[3] 杨明,过秀成,於昊,汤祥,何小洲. 老城区交通特征、问题解析与改善对策初探[J].现代城市研究,2012,04:82-86.

[4] 冯长春,程龙. 老城区存量土地集约利用潜力评价——以北京市东城区为例[J]. 城市发展研究,2010,07:86-92.

[5] 王秋平,谭学龙,张生瑞. 城市单点交叉口信号配时优化[J]. 交通运输工程学报,2006,02:60-64.

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[10] 刘广萍,裴玉龙. 信号控制下交叉口延误计算方法研究[J]. 中国公路学报,2005,01:108-112.

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Research on Signal Optimization of Special Intersection Based on Old Street

(School of Traff i c and Transportation, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu ,China)
Meng shun Tao lang Shang Ran Cheng Hang Gao Tao He Tong Lin Xinyu

In order to solve the traff i c jam in the prefecture-level city and the county city, the paper analyzes the current traff i c characteristics and the outstanding problems of the old city, and takes the old city of L county as an example, carries on the fi eld investigation of the congested H intersection Data investigation.By analyzing the current situation and existing problems of H intersection, this paper puts forward the signal timing scheme to optimize the intersection at the intersection, which can alleviate the problem of traffic congestion in the old city of L county to a certain extent. It can be used as a reference for similar city-level and city-level congested intersection optimization research.

old town;traff i c congestion;signal timing;H intersections;traff i c delays

U491

A