罗慧敏 郑 亮
(中南大学交通运输工程学院 长沙 410075)
近距离错位交叉口是指两交叉口相距较近且存在错位现象,使得不同方向的车流在交织路段相互干扰严重。常见的近距离错位交叉口形式如图1所示,通常由1条主干道连接2条次干道或支路形成[1]。
图1 常见的近距离错位交叉口形式Fig.1 Common forms of close stagger intersections
在近距离错位交叉口中,有些车辆需要在上游交叉口右转进入主干道,然后在下游交叉口左转,通过进行车道变换完成交织运行。转向车流在汇入干道或离开干道的过程中,都对干道的直行交通造成了一定的干扰。而且,由于受到交织长度的限制,必须在有限的时间和空间范围内完成连续换道操作。当交织区段太短时,驾驶员很有可能因为来不及换道而强行插入目标车道,这样不仅阻碍车流顺畅通行,而且存在一定的安全隐患。
目前城市道路交叉口信号控制方法主要包括单点定时控制和干道协调控制。早在20世纪50年代,国外学者Webster便建立了以车辆平均延误最小为目标的普通平面交叉口固定周期时长信号配时模型及计算方法,这仍是今天定时信号控制的基础。全永燊[2]论证了在我国交通状况有所差异的情况下应用Webster通行能力计算模型的可行性。杨晓光[3]编著了《城市道路交通设计指南》,在国内首次从交通设计层面对于平面交叉口的渠化设计、信号配时等方面总结了改善方法和技术。道路与交通工程研究学会出版的《交通信号控制指南——德国现行规范》[4]反映了德国对信号的绿波联动控制研究和分析成果。Gu等[5]通过建立相邻交叉口相位交互偏移优化模型,减少车辆在交叉口的延误,提高通行效率。Li等[6-7]通过遗传算法的改进,以系统的总延误或停车次数最小为目标,实现了干道协调绿波控制方案的优化。
然而,城市道路交叉口的信号控制一般只考虑交通效率(如通行能力、停车次数、延误时间、排队长度等)作为服务水平,缺乏对交叉口安全水平的考虑。随着交通安全问题逐渐引起重视,为了提高信号交叉口的安全水平,有学者提出对信号控制方案进行调整或修改,主要措施包括:设计合理的信号控制参数(如相位类型、相数、信号周期、绿信比等);应用自适应信号控制方案;协调各种交叉口的信号控制方案等。Wang和Abdelaty[8]通过分析佛罗里达200 个交叉路口的左转事故数据发现,带单独左转相位的信控方案可以减少伤害程度。Mitra和Chin等[9-10]通过研究新加坡52个十字路口发现,多信控相位更容易发生交通事故,而自适应信控策略比固定配时策略更有助于提高交叉路口的安全水平。Moore 和Lowrie[11]通过研究信号灯的协调控制方案对交叉路口事故数的影响发现,采用协调控制方案可以减少23%的交通事故。Guo 和Wang 等[12]通过分析佛罗里达州170个交叉路口的事故数据发现,协调的信号灯比孤立的信号灯更有利于减少交通事故。
为了综合全面地评价交叉路口的服务水平,一些研究者在通行效率的基础上考虑了交叉口的安全水平。例如,Ha[13]提出了评价信号交叉口的基于安全的服务水平的计算过程,并定量评估了延误减少和安全改进之间的竞争性。Spring[14]从概念层面提出采用模糊集理论将信号交叉口的安全指标整合到服务水平的计算公式中,此方法可推广到评价其它交通设施的服务水平。Zhang[15]考虑了信号交叉路口左转车与反向直行车及左侧行人之间的潜在冲突,提出了综合考虑延误时间和行车安全的服务水平指标DS,并验证了交叉路口行车安全和通行效率之间的竞争关系。Shebeeb[16]提出可以权衡交叉路口车流左转过程中安全水平和通行效率的模型并研究发现,带单独左转相位的信控方案具有最高的安全水平和最低的通行效率;带左转混行相位的信控方案具有最高的通行效率和最低的安全水平。Lianga[17]在协调邻近交叉路口的信控方案时同时考虑了交叉路口的安全水平和通行效率。Almonte[18]深入研究了服务水平与交通安全之间的关系,以及交通拥堵如何导致交叉口安全事故的发生,并将服务水平作为信号交叉口几种交通安全模型的主要指标。刘燕等[19]针对影响城市道路平面交叉口整体水平的各个因素,从交叉口基础设施与管理、交叉口运行效率和安全性3方面,运用层次分析法建立了基于通行效率与安全的城市平面交叉口的综合评价体系,并对重庆市的5个交叉口进行了综合评价。钱红波[20]通过问卷调查与现场观测的方法对机动车红灯倒计时信号对我国驾驶员的交通心理与驾驶行为进行调查,从交通安全与通行效率的角度解析机动车红灯倒计时信号对驾驶员的影响机理。
综上所述,国内外学者已经对交叉口信号控制进行了大量研究,且随着交通安全问题逐渐引起重视,一些学者也将交通安全纳入交叉口服务水平评价指标体系中。但是这些研究对象为普通交叉口,针对于近距离错位交叉口的近距离强迫换道问题,还需要有专门的考虑。
笔者通过对城市近距离错位交叉口进行交通特性分析,根据量交叉口之间的距离、各方向的车流量、道路几何状况及周围环境等,提出了一种新型信号协调控制方案。即在上游交叉口的次路处设置右转信号灯,将交织路段内主、次路的车流冲突点进行时间和空间上的分离,并对近距离错位交叉口进行信号协调控制,进而达到降低车辆通行延误与提高行车安全水平的目的。之后,通过Vissim仿真软件和SSAM替代安全评价模型,从效率-安全两方面综合比较安全协调信控方案与现有方案、单点信控优化方案的优劣。最后通过Vissim调整2交叉口之间的距离,探讨安全协调信控方案在不同间距下的优化程度差异。
1) 确认车道几何参数、渠化情况与交通量等基础数据。给出各进口道不同流向的车道基本数据、不同机动车类型的构成比例及流量、行人等交通数据。校正交通量,根据高峰小时系数求得高峰小时流率。
2) Webster根据车流随机到达情况,推导出周期长度,经修正得到的最佳周期长度公式为
式中:L为单个周期内总的损失时间;Y为路口各相位的最大流量比y值的总和,计算Y值大于0.9时,须改进(重新设计)进口道设计或/和信号相位方案。
由于y值是按平均流量算出的,而每个周期到达路口的流量是变化的,因此,当周期时间稍大于最佳周期时,延误增长较小;当周期小于最佳周期时,延误增长较大。故实际应用时的周期,应稍大于最佳周期时间。周期时长宜取40~180 s。
3) 信号总损失时间
式中:Ls为起动损失时间,应实测,无实测时可取3 s;A为黄灯时长,可定为3 s;I为绿灯间隔时间,s。
其中:z为停车线到冲突点的距离,m;ua为车辆在进口道上的行驶车速,m/s;ts为车辆制动时间,s。
4) 总有效绿灯时间
Ge=Co-L
5) 各相位有效绿灯时间
6) 各相位的绿信比
7) 检验行人安全过街时间
式中:Lp为行人过街道长度,m;vp为行人过街长度,取1.0 m/s。
8) 如果满足行人过街安全时间,则配时结束;否则,增加周期时长继续从第3步开始计算,直到满足条件为止。
目前国内的信号交叉口基本都采取单点定时控制, 但是对于一些近距离错位交叉口,可以将其视为一个整体进行系统优化,提高其交通效率与安全水平。
笔者针对于近距离错位交叉口所特有的近距离强迫换道问题研究了一种安全协调信控方案,它是建立在单点定时信号控制理论的基础上,并借鉴了干道协调控制[21]思想:在协调控制过程中,除了考虑周期时长和绿信比,还需确定2个交叉口主路方向绿灯开启的时差。
为了防止上游交叉口从次路右转进入主路的车流与其它方向的车流相互干扰,同时为避免需在交织路段进行连续换道的车辆与主路直行车辆产生严重冲突,笔者提出在上游交叉口次路处设置右转信号灯,从而对次路右转车流与主路直行车流的交通冲突进行时空分离,提高近距离错位交叉口的安全水平。
Hagring[22]指出,随着延误时间的增加,司机们逐渐倾向于在绿灯启亮后进行激进的操作。这实际上证明了信号控制方案与安全水平之间的相关性,也可能意味着安全水平与通行效率之间存在潜在的竞争关系。如果一味追求通行效率的提高,而把非关键交叉口因扩大信号周期而产生的额外绿灯时间全部分配给主路车流,次路车辆驾驶员可能因为感受到不公平待遇而增大强迫换道的危险。因此,在本文中,与干道协调控制不同的是,为保证公平与安全,将额外的绿灯时间按绿信比进行分配。
该信控方案的配时计算步骤如下。
1) 在上游交叉口的支路设置右转信号灯,将交织路段内主、次路的车流冲突点进行时间和空间上的分离。
2) 基于单点信号配时模型,计算第i个交叉口所需的周期时长Ci、各相位的绿信比λij及显示绿灯时间gij。
3) 取所需信号周期较长的交叉口为关键交叉口,即Co=max{C1,C2},并将Co设置为该近距离错位交叉口的系统周期时长,保证两交叉口时刻处于协调控制状态。
4) 周期较小的交叉口为非关键交叉口,将非关键交叉口的周期(设为C2)改用系统周期时长Co。
5) 将非关键交叉口的额外绿灯时间(即C0-C2)按绿信比λij分配给各个相位。
福州市浦上大道-金洲南路-金港路的平面示意图见图2。2交叉口之间仅仅相距240 m,由金港路驶入浦上大道的车辆较多,且需连续左转,不可避免地产生近距离强迫换道,不仅降低了交叉口的通行效率,也存在一定的安全隐患。故本文以浦上大道-金洲南路-金港路为例对城市近距离错位交叉口展开研究。
图2 浦上大道-金洲南路-金港路平面示意图Fig.2 Schematic diagram of the close stagger intersections
2.1.1信号配时调查
设浦上大道-金洲南路交叉口为交叉口1,金洲南路-金港路交叉口为交叉口2,于2016年5月18日对现阶段两者的信控方案调查分别见图3~4。
图3 交叉口1信控方案Fig.3 Current signal control scheme of intersection 1
图4 交叉口2信控方案Fig.4 Current signal control scheme of intersection 2
2.1.2高峰小时流量流向调查
对2个交叉口在2016年5月18日在晚高峰时段17:30—18:30内分流向、分车型进行交通流量调查,并将交通量折合当量小汽车,具体调查结果见表1~2。
表1 交叉口1高峰小时流量流向统计Tab.1 Traffic flow of intersection 1 at peak hours
表2 交叉口2高峰小时流量流向统计Tab.2 Traffic flow of intersection 2 at peak hours
2.1.3交叉口问题总结
1) 交叉口1面积过大,道路很宽,各进口车道数较多,交叉口内部车辆行车轨迹混乱,交叉口整体通行能力较差。
2) 信号周期过长。2个交叉口的信号周期分别为205 s和150 s,而交叉口的信号周期适宜范围为40~180 s。
3) 相位设置不合理。目前2个交叉口分别是5相位和4相位,造成了很大的绿灯时间浪费。
4) 在金港路右转进入金洲南路随后左转进入浦上大道的交通需求量较大,而2个交叉口相距较近(只有240 m左右),较多车辆需要近距离强迫换道,与其他车辆相互干扰严重。
采用单点定时信号控制理论对2个交叉口分别进行优化,相位设计见图5,配时计算结果见表3。
2.3.1安全协调信控方案相位设计
根据相位相序的设置原则,对浦上大道-金洲南路-金港路交叉口的相位方案作了如下优化设计。为防止交叉口2从支路右转车流与主路直行车流在交织路段相互干扰,同时避免需右转再左转的车辆因为近距离强迫换道与其他车辆发生的冲突,本研究提出在交叉口1南进口处将左转车流与直行车流分离,并将交叉口2从支路右转车流与主路直行车流进行分离,然后通过信号灯配时加以协调。优化后的浦上大道金洲南路-金港路交叉口相位设置见图6。
图5 单点信号控制相位优化图Fig.5 Phrase optimization for isolated intersection
表3 单点信号控制配时优化结果Tab.3 Timing optimization for isolated intersection s
图6 浦上大道-金洲南路-金港路交叉口优化相位图 Fig.6 Phrase optimization for the close stagger intersections
2.3.2安全协调信控方案配时设计
如果只对近距离错位交叉口进行单点信号控制,缺乏信号关联性的2个路口易造成交织路段存在较高的停车率和排队长度。根据1.2的模型,采用信号协调控制从整体上改善效率与安全状况,优化后2个交叉口的配时设计见图7。
图7 近距离错位交叉口优化配时图Fig.7 Timing optimization for the close stagger intersections
系统周期时长Co=160 s,时差Δt=15 s。
安全协调信控方案通过协调2个交叉口的信号控制,在交叉口2的支路处设置右转信号灯,实现对交织路段的交通冲突点进行时空分离,缓解因近距离强迫换道导致的车辆延误和安全问题。
采用Vissim微观交通仿真软件,对浦上大道-金洲南路-金港路交叉口进行仿真,并将车辆轨迹导入Vissim进行交通冲突分析。选取合适的评价指标,从效率与安全的综合角度比较安全协调信控方案、当前信控方案与单点信控优化方案的优劣,验证安全协调信控方案的优越性。效率-安全评价流程见图8。
图8 效率-安全评价流程图Fig.8 Efficiency-safety evaluation methodology
通过Vissim搭建研究路网并进行模拟仿真,首先从效率层面评价3种信控方案的优劣。近距离错位交叉口路网仿真见图9。
图9 近距离错位交叉口路网仿真Fig.9 Simulation of the close stagger intersections
仿真过程中,选取车均延误(Delay)、平均排队长度(aveQueue)、最大排队长度(maxQueue)、车均停车次数(Stops)、车均停车延误(tStopd)作为效率评价指标,对于交叉口1、交叉口2、近距离错位交叉口整体而言3种信控方案的效率评价结果分别见表4~6。
表4 交叉口1效率评价Tab.4 Efficiency evaluation of intersection1
表5 交叉口2效率评价Tab.5 Efficiency evaluation of intersection1
表6 近距离错位交叉口效率评价Tab.6 Efficiency evaluation of the close stagger intersections
由表4~6可知,对于交叉口1,单点信控优化方案在车均延误、平均排队长度和车均停车时间上均有所改善,而最大排队长度不变,车均停车次数略有增加;对于交叉口2,单点信控优化方案在最大排队长度、车均停车次数上有一定改善,车均延误基本不变,平均排队长度和车均停车时间略有增加。在对近距离错位交叉口采用安全协调信控方案后,车均停车延误、车均延误、平均排队长度、最大排队长度和车均停车次数都有了明显的改善。即使因为在交叉口2的支路处增设了右转信号灯,使得在支路右转车辆延误增大,停车线处排队长度增大,但是总体优化效果明显,在提高交通效率方面安全协调信控方案的优越性得以验证。
SSAM是美国联邦公路局(FHWA)基于交通安全替代评价模型开发的交通安全评价软件,可用于分析微观交通仿真输出的车辆轨迹文件中的交通冲突[23]。它依据距离碰撞时间(Time-To-Collision,TTC)和后侵占时间(Post-Encroachment Time, PET)来判定车辆间相互作用是否作为一次交通冲突,并能够根据冲突角度将交通冲突分为正向冲突(crossing)、变道冲突(lane change)、追尾冲突(rear end)3类。交通冲突角度示意图见图10。
图10 交通冲突角度示意图Fig.10 Traffic conflict angle diagram
基于Vissim仿真导出的车辆轨迹文件,运用交通安全评价软件Vissim对车辆轨迹文件进行处理,可以得到交通冲突次数及交通冲突严重程度。选取TTC、PET、正向冲突数、变道冲突数、追尾冲突数作为评价指标,从安全层面对近距离错位交叉口不同信控方案进行评价,结果见表7。
表7 交通安全评价结果Tab.7 Result of traffic safety evaluation
由表7可知,相对于信控现状,对2个交叉口进行单点信控优化后,TTC和PET的值有了一定的增大,正向冲突数急剧减少,变道冲突数和追尾冲突书也有了明显的降低。在实施安全协调信控方案后,由于其有效地消除了近距离错位交叉口交织路段内次路右转与主路直行车辆之间的冲突,TTC的值由0.21 s提高到0.50 s,PET的值由0.43 s提高到1.05 s,变道冲突数由536减少到109,安全水平得以显著提升。
综合考虑交叉口的通行效率与安全水平,对交叉口信控方案的优劣进行综合评价。在效率评价方面,通过Vissim仿真选取有代表性的评价指标进行定量评价;在安全评价层面,通过Vissim软件进行交通冲突分析,采用安全替代评价因子计算安全协调信控方案带来的安全收益。对交叉口信控方案进行优化后,交通效率的改善程度见表8。
由表8可知,相比于信控现状,单点信控优化方案的效率-安全优化程度为36.17%,安全协调信控方案的效率-安全优化程度为57.17%,安全协调信控方案明显优于单点优化方案。这是因为安全协调信控方案在单点信号配时理论的基础上,吸收了协调控制对于提高整体效率的优势,同时针对近距离交叉口交织路段强迫换道问题提出了改善措施,提高了通行效率和安全水平。
表8 信控方案优化后交通效率优化程度对比Tab.8 Improvement comparison of traffic efficiency after optimization of signal control scheme
注:↑表示改善,↓表示恶化。
综上,基于效率-安全的综合评价,采用安全协调信控方案的优越性得以充分体现。
进一步探讨当近距离错位交叉口的交织路段长度发生改变时,安全协调信控方案的优化效果差异。通过Vissim仿真软件,估算当两交叉口之间的距离每增加40 m时各项评价指标的值。表9为当两交叉口间距在280~360 m时,单点控制和安全协调控制相对于信控现状的优化程度,其中将各指标优化程度的平均值作为效率-安全综合优化程度。
将两交叉口距离为240~360 m时的单点控制和安全协调控制相对于信控现状的优化程度制成折线图,见图11。
图11 不同间距时的效率-安全综合优化程度对比Fig.11 Improvement comparison of efficiency-safety at different distance
由表9和图11可知,随着2交叉口之间距离的增大,单点控制相对于信控现状的优化效果逐渐提高,而安全协调控制相对于信控现状的优化效果有所下降。安全协调控制相对于单点控制的优势逐步减弱,当两交叉口之间的距离达到360 m时,安全协调控制与单点控制相对于信控现状的优化程度基本一致。这是因为当2交叉口的间距增大时,交叉口的独立性增强,安全协调控制相对于单点信号控制在效率层面的优势减弱。总体来说,近距离错位交叉口的间距越小,安全协调信控方案的优越性越明显。
表9 不同间距时的优化方案比较Tab.9 Comparison of optimization schemes at different distance
笔者以福州市浦上大道-金洲南路-金港路为研究实例,针对城市近距离错位交叉口因交织路段过短而产生的车辆近距离强迫换道问题,提出了一种基于效率-安全综合评价的安全协调信控方案,即以单点定时信号控制理论为基础,借鉴了干道协调控制思想,确定系统信号周期和2个交叉口主路方向绿灯启亮的时差,且在支路设置右转信号灯,将近距离错位交叉口作为一个整体进行相位与配时设计,实现交织路段内主、次路车流的交通冲突点在空间和时间上的分离。通过Vissim仿真软件和SSAM替代安全评价,将安全协调信控方案与现有方案、单点信控优化方案在通行效率与安全水平两方面进行综合比较。结果表明,相对于信号控制现状和单点信控优化方案,采用安全协调信控方案后,车均停车延误、车均延误、平均排队长度、最大排队长度、车均停车次数都有了明显的改善,且消除了上游交叉口次路右转车流与主路直行车流之间的冲突,安全水平有很大的提升。从而验证了安全协调信控方案的优越性,说明此信控方案对于提高交通效率和安全水平的重要作用。此外,通过Vissim仿真软件调整两交叉口之间的距离,比较安全协调信控方案和单点优化方案相对于信控现状的优化程度,研究表明,近距离错位交叉口的间距越小,安全协调信控方案的优越性越明显。
文中只是针对某固定交叉口的固定时间段进行交通数据的采集和仿真研究,安全协调信控方案的适用性有待于进一步验证。在今后的研究中,可以采集工作日与周末早晚高峰、午间平峰、一般平峰等不同时间段的数据,对更多的近距离错位交叉口进行研究,并对Vissim仿真模型进行参数校准,以提高实验结果的可靠性。
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