混合交通环境下信号交叉口的优化设计

申鑫泽 方筱睿 李昆

摘 要：交叉口是城市路网的重要节点，限制着交通系统的通行效率，混合交通环境下交叉口的运行更为复杂。为提升混合交通环境下交叉口的服务水平，本文从时空方面讨论了交叉口的信号配时与车道划分，并根据西安市尚苑路与草滩一路交叉口的实际调查，对该路口进行分析与优化，利用VISSIM进行优化前后的交通仿真。仿真结果表明，优化后交叉口的信号周期缩短了20 s，车均延误降低了1.2 s，而且最长排队的长度得到显著减小。

关键词：交叉口;配时优化;车道划分;交通仿真

中图分类号：U491文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）20-0122-03

Abstract： Intersection is an important node of urban road network， which limits the traffic efficiency of the traffic system， the operation of intersection is more complex in the mixed traffic environment. In order to optimize the service level of the intersection with the mixed traffic environment， the paper discussed the signal timing and lane division of the intersection from the aspect of time and space， and analyzed and optimized the intersection based on the actual investigation into Shangyuan Road and Caotan No.1 Road in Xi'an， and carried out the traffic simulation before and after the optimization by using VISSIM. The simulation results show that the signal period of the optimized intersection is shortened by 20 s， and the average vehicle delay is reduced 1.2 s， and the length of the longest queue is significantly reduced.

Keywords： intersection;timing optimization;lane divided;traffic simulation

在我國城市交通系统中，未设置机非物理隔离的道路非常普遍，混合交通流广泛存在于城市路网中，并在信号交叉口处汇聚，混行特征显著。城市交叉口通行能力有限，当非机动车较多时，其趋于涌向机动车道，占用机动车的行驶空间，干扰车流速度，降低道路的通行能力，影响了交通系统的运行效率;而在非机动车较少时，机动车为寻求更多的行驶空间将伺机逼近甚至驶入非机动车道，扰乱了道路的交通秩序，威胁着出行者的安全。为优化交叉口的性能，王晓安等[1]通过对典型四相位信号控制交叉口的分析，提出了时间优化与空间优化相结合的交叉口优化模型。同时，借助交通仿真来对交叉口进行优化的研究也进一步发展[2]。石俊刚等[3]通过分析信号交叉口的车道划分对安全的影响，基于交叉口的时空约束，建立了以信号交叉口最小危险度为目标的优化模型。而以车辆延误、停车次数等为目标建立的交叉口的多目标优化模型也被广泛讨论[4-5]。

在混合交通环境下，本文通过对交叉口信号配时与车道渠化的分析，从时间与空间方面讨论了平面信号交叉口的优化方案，并以西安市尚苑路与草滩一路交叉口为例进行了研究。

1 空间优化

1.1 车道功能划分及变更

划分不同的车道功能是为了在不同的车道合理有序地组织不同方向与不同大小的交通流。车道的功能划分需要根据道路宽度和不同方向进口道的交通流大小来确定。例如，左转交通量比较大时，可通过设置专用左转车道，并根据需要配合专用的左转相位来减少左转与对向直行交通流的冲突，同时直行车的通行效率将会降低。

在优化信号交叉口时，为提高通行效率，减少交通冲突，往往需要进行车道功能的变更。例如，当交叉口某进口道的直行交通量远大于其右转交通量时，可考虑将专右车道变更为直右车道，以满足该方向的直行需求，提高交叉口的通行效率。同样，当右转交通流较大时，可将直右车道变更为专右车道，并取消红灯相位下车辆右转的限制，保证右转交通流连续地通过交叉口。

1.2 设置左转待转区

为减少左转车辆对直行车辆的干扰，可设置左转待转区，配合专用左转相位完成左转。左转车辆准备转弯时，在直行车流的信号为绿灯时，可以提前进入交叉口的左转待转区停车等待，待左转信号灯变为绿灯时，才可以继续行驶完成转弯。左转车辆提前驶入左转待转区不仅可以使驾驶员获得更好的视线，还减少了左转车辆通过交叉口的时间，提高了通行效率。

2 时间优化

2.1 混行交通下流量比的确定

在交叉口机非混行现象较为严重时，为满足非机动车的行车需求，可以在传统的交叉口配时方法上考虑非机动车流量对信号灯相位的影响，即结合机动车与非机动车共同的通行需求，配置优化的信号周期。

同时考虑机动车与非机动车的交叉口信号配时，须对非机动车流量对相位时间产生的影响进行考虑。因此，机动车与非机动车的共用考虑的信号配时中，最大流量比[Y]可由式（1）确定：

3 案例分析

3.1 交叉口数据采集

尚苑路与草滩一路交叉口位于西安市北郊，为一典型的两相位信号控制交叉口。其机动车道与非机动车道之间无物理隔离设施，具有明显的混合交通特性，其车道分布如图1所示。据调查，该交叉口为两相位信号控制，信号周期为78 s;其中，南北向绿灯时长约为20 s，东西向约为50 s。

选取某工作日对交叉口进行交通调查，可得其晚高峰的小时流量。其中，以西进口交通量较大，为车流的主要来源，机动车流量达1 462 pcu/h，占交叉口总机动车流量的54.2%。而西进口的机动车中又以直行最多，占其总流量的86.9%。东进口直行与左转交通量相近，分别为383 pcu/h与322 pcu/h。南、北向进口的各向车流量均较小，以南进口左转车最多，为138 pcu/h。非机动车较少，共928 veh/h，各向流量分布与机动车类似。

3.2 交叉口的延误计算

利用VISSIM对交叉口进行仿真与节点评价，可知该交叉口的平均延误为16.4 s，服务等级为B。根据仿真可知，在交叉口的直左让行规则下，西进口的直行交通流将严重影响东进口大量左转车的通行效率，造成其排队较长，延误较大。

3.3 交叉口的优化与评价

通常，直左与直右车道上的直行车会因转向车流的干扰存在产生较大的延误。根据调查可知，西进口的左转车数量并非很多，而其直行车所占比例却达到86.9%，交通需求远大于其他两个方向。因此，在保證交叉口各向进出口道数量不变的前提下，可考虑将原交叉口西进口的专左车道改为直左车道，以提高直行方向的通行能力。

对东进口道而言，因其左转交通流较大，可将原有的直左车道改变为专左车道，避免其与该向直行车的互相干扰。另外，因其右转交通流较小，为提高直行车流的通行效率，可以保留原有的直右车道;为便于组织，也可考虑将直右车道变更为专右车道，使右转车辆能够连续通过，以减少其延误。利用Synchro对交叉口的信号配时进行优化，得到配时方案，如表1所示。

同样，利用VISSIM对优化后的交叉口进行仿真与节点评价，可得其延误，如表2所示。

经计算，优化后交叉口的平均延误为15.2 s，相比原先提高1.2 s。通过仿真发现，优化配时和车道划分后，西进口的直左车道同时分担了部分的直行车流，提高了其通行效率。此外，信号周期由78 s缩短为50 s后，东进口左转的排队车辆可更充分地利用黄灯时间进入交叉口，以减小排队长度，降低延误。

4 结论

交叉口作为城市道路网络的关键节点，对交通流的集散起着至关重要的作用，是城市交通系统的瓶颈。为解决混合交通环境下交叉口的通行效率问题，本文分别从时间和空间方面对平面信号交叉口的优化进行了讨论，并通过实地调查，对西安市尚苑路与草滩一路交叉口进行了分析与优化。通过对该交叉口的仿真结果可知，该优化方案降低了交叉口的车均延误，提高了其通行效率。

参考文献：

[1]王晓安，熊坚，郭凤香，等.典型四相位信号交叉口交通组织优化应用研究[J].科学技术与工程，2010（23）：5818-5822.

[2]雍安娜，朱海笑，马欣.基于VISSIM仿真的交叉口信号控制优化方法研究[J].交通科技与经济，2015（1）：73-77.

[3]石俊刚，杨静，王凤丽.基于交通安全的信号交叉口车道功能优化模型[J].公路工程，2017（2）：71-75.

[4]Kesur K B.Multi-objective Optimization of Delay and Stops in Traffic Signal Networks[C]//Metaheuristics in Water，Geotechnical and Transport Engineering.2013.

[5]赵靖，周溪召.基于车道控制的交叉口流向及信号组合优化模型[J].计算机应用研究，2016（11）：3284-3288.

[6]徐吉谦，陈学武.交通工程总论[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016.