基于感应控制的过饱和交叉口流量转移方法研究

成 卫，唐逸超，郑佐雄

(1. 昆明理工大学 交通工程学院,云南 昆明 650500; 2. 云南省设计院集团,云南 昆明 650000)

0 引 言

随着城市建设进程的加快，城市小汽车的数量在逐年增加，城市交叉口在高峰期间容易出现过饱和状态。主要表现为在绿灯时间内，各进口道的排队车辆难以顺利通过交叉口，经常会由于车辆流向溢流导致存在滞留超过一个周期的车辆。随着时间的不断延长，上游交叉口发生“死锁”现象，最终将导致大面积的交通拥堵。相关学者对过饱和交叉口的交通控制已做了大量研究，其结果表明，排队管理策略对过饱和交通流具有较好的优化效果[1-2]。现有针对过饱和交叉口的信号控制方法大多是从固定的相位结合及相序的角度出发，对周期、绿信比等信号控制参数进行优化，但是仅仅通过信号控制参数的优化并不能适应交通流的动态变化，绿灯时间无法被充分利用。

相比较固定式的过饱和交通信号控制，感应式信号控制更能适应道路交通的动态性，配时方案更灵活，更利于降低交叉口的排队长度，提高车辆的通行效率[3]。为了减少过饱和交叉口的排队长度，消除滞留车辆防止排队溢出，从过饱和交叉口排队溢出诱因入手，引入“转移流量”概念，通过识别排队溢出车辆确定需要优先转移的交通流量，以防止发生排队溢流和通过交叉口最大车辆数为优化目标，运用感应控制方法实现流量从过饱和交叉口的转移，最后利用VISSIM微观交通仿真软件对基于感应控制的过饱和交叉口流量转移方法进行验证。

1 交叉口过饱和状态分析

1.1 过饱和交叉口排队溢出影响分析

由于过饱和交通状态所表现出来的现象往往是交通拥堵，而发生交通拥堵的地方有很多，比如说信号相位、进口道、交叉口等等，所以在进行过饱和交通研究时首先要确定研究对象。笔者主要针对由于流向溢流而导致的过饱和现象提出流量转移方法，解决单点交叉口的过饱和状态。当交叉口还未进入过饱和状态时，由于交叉口进口道的道路空间资源可以满足进口道排队车辆的需求，直行的排队车辆与转弯的排队车辆之间不会互相干扰正常的运行秩序，两股车流可以顺利地进入对应车道，排队车辆能够在现有的绿灯时间内驶离交叉口；但是当交叉口处于过饱和状态时，由于进口道排队车辆的交通需求大于其空间供给能力，所以直行车辆与左右转弯车辆会互相干扰正常的运行秩序，车辆行驶缓慢，在现有配时方案的绿灯时间内，车辆发生二次排队，造成车辆排队长度不断增加，逐渐影响上游交叉口[4-5]，如图1。

图1 车辆排队溢出现象Fig. 1 The phenomenon of vehicle queue overflow

定义某一流向车辆发生溢流而阻碍另一流向车流通行，从而导致进口道发生过饱和现象，该车流为“转移流量”，在进行信号控制时应优先考虑给予通行权。图2中，由于进口道直行车辆排队长度过大，所以导致了进口道左转车辆无法正常进入左转车道，从而使得左转车辆产生二次排队的现象，进而使得进口道处于过饱和状态，那么直行车流就是需要转移的流量，在进行信号控制时需要赋予优先通行权，使其能够从过饱和交叉口转移出去；图3中，左转车流发生溢流而导致直行车流无法通行，使得进口道处于过饱和状态，那么左转车流为转移流量。

图2 直行排队车辆干扰左转车辆的正常运行Fig. 2 Left turning lane blocked by straight vehicles

图3 左转车辆干扰直行车辆的正常运行Fig. 3 Straight lane blocked by left turning vehicles

1.2 进口道过饱和状态判别

如图4，在每个车道上设置两种检测器，排队溢出检测器和停车线检测器。排队溢出检测器设置在停车线上游50～70 m的位置[6]，用来检测哪股流向车流发生排队溢出。停车线检测器设置在停车线处，用来检测两辆车通过检测器的时间间隔。

图4 进口道检测器的设置Fig. 4 Approach detector setting

当某一流向绿灯启亮时，如果排队溢出检测器检测到车辆排队已经超出检测点，由于排队车辆消散至检测器需要一定时间，在那段时间内排队溢出检测器为完全占有状态，假设这段时间为T1。经过T1时间后，如果后续还有车辆驶过排队溢出检测器，那么检测器在剩余绿灯时间内的占有率为Os。绿灯时间结束后，后续到达的车辆从停车线开始逐渐排队，在一段时间后，车辆排队达到检测点。这段时间内，车流对应于饱和流率的情形，排队溢出检测器的占有率最大为Os，假设这段时间为T2。直到下个绿灯启亮，排队溢出检测器的占有率为1。因此，排队溢出检测器的饱和占有率为

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式中：G为绿灯时间，s；R为红灯时间，s；C为周期时长，s；Os，T1和T2根据实际交叉口调查确定，如果没有调查值，Os可取0.2，令T1=T2。

如果排队溢出检测器检测到某一流向的占有率O达到或者接近饱和占有率O0，那么确定该流向车流为转移流量，需要让其从交叉口快速转移出去，才能缓解交叉口的过饱和现象。

2 基于感应控制的流量转移方法

基于感应控制的流量转移方法是通过感应控制方案设计、感应控制参数设计来实现的。当检测到交叉口内的车辆数大于设定的阈值并且驶出交叉口车辆的运行速度小于设定的阈值时，开始启用感应信号控制方案来对过饱和交叉口的流量进行转移。当检测到交叉口进口道内的车辆数不大于设定的阈值并且驶出交叉口车辆的运行速度不小于设定的阈值时，即可能发生排队上溯的危险解除之后，取消感应信号控制方案，继续使用原有的信号控制方案。

2.1 全感应控制方案设计

在运用感应控制方法对过饱和交叉口进行流量转移的过程中，为达到过饱和交叉口排队控制和绿灯时间充分利用的目的，设置具有相位优先功能及跳相功能的全感应控制[7]，其基本工作原理如下：

1)先对当前相位的车辆进行放行，当检测器检测到下一相位的排队车辆达到阈值时，判断当前相位的绿灯时间是否满足最小绿灯时长的要求，如果满足并且后续到达的车辆不连续，那么就将当前相位切换成下一相位。

2)如果当前相位已经满足最小绿灯时间的要求时，该相位的车辆到达仍然保持着连续性，这个时候检测器检测到下一相位的排队车辆还未达到阈值时，则继续放行当前相位的车辆，直到达到最大绿灯时间或者下一相位有车辆排队等待时变换相位。

3)如果当前相位的绿灯时间满足最大绿灯时间时，这时检测器检测到下一相位的排队车辆还没达到阈值并且其它相位的排队车辆达到阈值时，不对下一相位的车辆进行放行，而是将当前相位切换到排队车辆达到阈值的那个相位，对该相位的排队车辆进行放行。

以标准十字信控交叉口为例，进行感应控制方案设计说明。不考虑右转车流以及非机动车对于控制方案的影响，假定从交叉口转移出去的流量均不会引起相邻交叉口的拥堵，交叉口检测器设置示意图如图5[8-11]。图中Dij(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3…n)表示第i个方向进口道的第j个检测器组，西进口中D11、D12为停车线检测器，D13、D14为排队溢出检测器，东进口、南进口和北进口的检测器布设参照西进口进行布设。

交叉口相位方案如图6，结合图6可知以下感应控制流程：当前为相位1绿灯时间，若本相位已达到最小绿灯时间且停车线检测器检测到车头时距大于3 s，同时排队溢出检测器D13或D34检测到上方有车辆，即东西左转排队车辆有排队溢出，切换到相位2；若本相位已达到最小绿灯时间且车头时距大于3 s，同时排队溢出检测器D13或D34没有检测到上方有车，即相位2无车辆排队溢出，则跳过相位2进入相位3。

图5 交叉口检测器的布置示意Fig. 5 The intersection detector setting

Fig.6 Intersection phase

2.2 感应式信号控制的参数确定

2.2.1 最小绿灯时间Gmin

感应信号控制对于一个信号周期内的每一个相位均设有一个最小绿灯时间，考虑进口道实际到达的交通量与通行能力，最小绿灯时间必须确保在感应控制阶段从停车线到排队溢出检测器之间的排队车辆能够全部通过停车线，所以最小绿灯时间为

图7 全感应控制相位切换流程Fig. 7 The phase transition in full-actuated control

(2)

2.2.2 最大绿灯时间Gmax

研究表明[12]当交叉口进入过饱和状态时，无法利用F-B法周期公式进行配时。为了保证过饱和交叉口某一进口道在放行期间其他进口道不发生排队上溯现象，最大绿灯时间为

(3)

(4)

2.2.3 周期时长约束

对于过饱和交叉口来说，如果其信号控制周期较长，那么就会造成延误超过行人与驾驶员的心理接受范围，部分行人与驾驶员将会无视信号控制，造成交叉口交通秩序的混乱，降低道路交通的安全性。因此，感应控制的周期时长需要控制在一定范围，保证交叉口通行的安全性。理论研究和实际交通调查表明，当周期时长达到160 s后，交叉口的通行能力增长幅度将会变小，如果继续增加周期时长就会导致延误迅速增加。所以感应控制方案的最大周期时长为160 s。

2.3 基于VISVAP的仿真实现

VAP是交叉口感应控制专用的逻辑编写语言，为了验证笔者提出的流量转移方法的有效性，在VISVAP操作平台里面对流量转移方法的工作原理进行编写，编写完毕后嵌入到VISSIM中。最终完成的VISVAP程序流程图如图8，其中所涉及的控制函数及其含义如表1：

图8 VISVAP逻辑流程Fig. 8 The logical flow chart of VISVAP

表1 VISVAP控制函数及其含义Table 1 VISVAP control function and its implication

1)相位组

Stage(i)(i=1,2,3,4)：对应图6的第i相位组。

2)时间条件

NotTgMin_stgi(i=1,2,3,4)：未到第i相位组最小绿灯时间；T1：相位1的绿灯时间已经满足最小绿灯时间的要求；T2：相位1的绿灯时间已经满足最大绿灯时间的要求；T3：相位2的绿灯时间已经满足最小绿灯时间的要求；T4：相位2的绿灯时间已经满足最大绿灯时间的要求；T5：相位3的绿灯时间已经满足最小绿灯时间的要求；T6：相位3的绿灯时间已经满足最大绿灯时间的要求；T7：相位4的绿灯时间已经满足最小绿灯时间的要求；T8：相位4的绿灯时间已经满足最大绿灯时间的要求。

3)逻辑条件

Li(i=1,2,…12)为逻辑条件判断语句：

L1：Presence(D14) or Presence(D33)，表示检测器组D14、D33至少有一组上方有车辆等待，即东、西直行方向至少有一个方向的车辆排队溢出检测点，此时检测器组D14、D33要求东西直行绿灯启亮；

L2：(Occupancy(D14)>8.0)or(Occupancy(D33)>8.0)，表示检测器D14或者检测器D33的上方在8 s内连续有车辆通过，说明东、西方向直行道路交通需求量比较大，即进口道为拥挤状态，要求延长东、西方向直行绿灯；

L3：(Headway(D12) >3.5)&(Headway(D31)>3.5)，表示检测器组D12、D31检测到两辆车之间的车头时距均大于3.5 s，表示东、西直行方向进口道已处于空闲状态，要求东西直行方向红灯启亮；

L4：Presence(D13)or Presence(D34)，表示检测器D13或检测器D34上方有车辆在排队等待，即东、西左转方向至少有一个方向的车辆排队溢出检测点，要求东西方向左转绿灯启亮；

L5：(Occupancy(D13)>8.0)or(Occupancy(D34)>8.0)，表示检测器组D13、D34上方连续8 s均有车辆通过，表示东、西方向左转进口道为拥挤状态，要求延长东、西方向左转绿灯；

L6：(Headway(D11)>3.5)&(Headway(D32)>3.5)，表示检测器D11和检测器D32检测到的车辆车头时距均大于3.5 s，东西左转方向红灯启亮；

L7：Presence(D23)or Presence(D44)，可参见L1；

L8：(Occupancy(D23)>8.0)or(Occupancy(D44)>8.0)，可参见L2；

L9：(Headway(D21)>3.5)&(Headway(D41)>3.5)，可参见L3；

L10：Presence(D24) or Presence(D43)，可参见L4；

L11：(Occupancy(D24)>8.0)or(Occupancy(D43)>8.0)，可参见L5；

L12：(Headway(D22)>3.5)&(Headway(D41)>3.5)，可参见L6。

3 仿真验证

选取昆明市青年路与人民路交叉口作为验证对象，利用微观交通仿真软件VISSIM对笔者提出的基于感应控制的流量转移方法进行验证。

图9 青年路-人民路交叉口现状交通组织示意Fig. 9 Qing Nian Road-Ren Min Road Intersection current trafficsituation

图9为云南省昆明市青年路与人民路交叉口的现状交通组织示意图，该交叉口为十字交叉口，人民路为东西向通行、青年路为南北向通行。对交叉口进行车辆检测器的布设，分车道实时获取道路信息，南北进口道长度为50 m，东西进口道长度为40 m。在VISSIM中构建该路网，路段和进出口道的限制车速均为40 km/h。通过实地检测数据获得该交叉口高峰小时流量与路段长度如表2：

表2 青年路-人民路交叉口信息Table 2 Qing Nian Road - Ren Min Road intersection information

交叉口现状的信号相位如图10，为了保证仿真结果对比的有效性，在进行感应控制时的相位相序将保持一致。

Fig.10 Intersection phase

参照文中的感应式信号控制参数计算方法以及现状信号配时方案如表3，表4。

表3 感应控制配时Table 3 Actuated signal

表4 现状信号配时Table 4 Current traffic signal

在VISSIM软件中对昆明市青年路与人民路交叉口分别进行现状信号控制仿真与全感应式信号控制仿真，并分别输入现状信号配时方案及感应式信号配时方案，将现状信号配时方案记为方案1，感应式信号配时方案记为方案2，每种方案的仿真次数均为10次，每次仿真运行时间为5 000仿真秒，记录400～4 000仿真秒的评价参数，然后对两个方案的仿真结果进行对比，如表5。

表5 仿真结果对比Table 5 Comparison of simulation results

从表5数据可以看出，由于方案一是现状信号配时方案，交叉口的排队长度超过了路段长度，车道阻塞严重且车辆延误较大。在采用感应控制方法来对过饱和交叉口进行流量转移后，交叉口进口道的排队车辆不会蔓延到上游交叉口，有效维持了交叉口交通的正常运行；高峰时段的车辆通过数为3 823 pcu/h，比现状信号配时方案(3 564 pcu/h)增加了259 pcu/h；由于设置了动态相位组合，车辆延误也比现状信号配时方案降低了10.3%。通过上述分析可知，提出的基于感应控制的流量转移方法通过转移交叉口的拥挤车流，能够缓解交叉口的过饱和状态，防止交通拥堵的进一步蔓延。

4 结 语

考虑到引起过饱和交叉口进口道发生溢流现象的诱因，引入了转移流量的定义；为了能够提高感应式信号控制对于流量转移的准确性，对过饱和交叉口进行检测器设置；通过构建现状信号配时方案与感应式信号配时方案的仿真模型，验证了基于感应控制的流量转移方法能够有效的提高过饱和状态下平面交叉口的通行效率，并且能够降低其排队长度缓解交车口的过饱和状态；说明基于感应控制的流量转移方法对于解决高峰时期由于进口道某一流向的排队车辆而导致的交通拥堵问题具有积极作用。

由于笔者提出的过饱和交叉口流量转移方法只考虑如何合理调节交叉口的供给能力，并没有考虑对上游流入下游交叉口的车辆进行交通控制。所以为了更好地解决交叉口在过饱和状态下的信号控制问题，下一步工作可基于以上分析结果对过饱和交叉口的协调控制进行更深入探讨，进而考虑通过协调控制解决过饱和交叉口的流量转移问题，提高路网的通行效率。