交叉口优化设计研究及发展

张镇洋

摘 要：对于城市道路来说，交叉口是各类交通流的集散地，是道路交通的关键，尤其是平面交叉口，占城市交叉口比例相对较大，对城市道路至关重要。随着小汽车保有量的增加，城市道路交通量也呈现出大幅的增长，平面交叉口的设计已不能满足交通需求。仅有少数平面交叉口根据实际交通状况进行了相应的优化设计，一定程度上提高了交叉口的运行效率。但是，大部分平面交叉口的设计过于简单，交通设施不完善，且与现状交通实际情况不尽匹配，严重影响了交叉口的通行能力。本文从交叉口的交通控制与交通控制出发，通过大量文献的阅读，对交叉口渠化设计、信号协调控制、交通组织优化等的研究现状进行综述，并提出新型交叉口的设计方式，为研究方向提供一定思路。

关键词：交叉口;渠化设计;信号协调控制;新型交叉口

0 引言

对于城市道路而言，交叉口是城市交通的关键，相对与道路路段而言，交叉口内由于不同流向车流的转向而引起的各种车流之间的交织、分流以及合流等行为，形成若干冲突点，也正是由于其复杂的交通特性，使得交叉口成为交通持续混乱和事故的多发点，降低了道路网通行能力，成为整个城市道路的瓶颈地带。而城市道路平面交叉口作为路网交通的主要节点形式，其交通问题更为突出，其设置的合理与否直接关系到相关线路乃至整个路网交通功能的发挥，它对于城市道路的机动性、通行能力、路网容量以及交通安全都有较大的影响。

本文对城市道路平面交叉口交通管理和交通控制的理论与方法进行较为全面的文献阅读，同时从交叉口群的几何及交通信号控制设计出发，在交叉口渠化设计、交通组织优化设计、信号配时设计等方面进行分析，为研究平面交叉口问题的相关学者提供相应的研究基础及背景，并介绍近几年提出的新型交叉口，最后进行对比评价并提出未来研究的发展趋势。

1 交叉口渠化设计

1.1 国外研究现状

国外对交叉口进口道、出口道及其宽度和车道数、交叉口转弯半径、交角大小、交叉口冲突点等有相关的研究[1]。在国外一般都有较为完善的渠化设计规范或手册，美国的《交通管理设施手册》对交叉口的渠化方法、交通设施的设置（标志、标线、防护栏等）、交叉口车道数及车道功能等有详细的说明[2]。日本对平面交叉口的渠化设计研究也较早，在《平面交叉口规划与设计》里详细介绍了多种平面交叉口渠化措施，认为通过渠化，能使平面交叉口的各项性能指标得到改善[3]。

1.2 国内研究现状

2005年，佟炳勋针对不同交通状态下的城市道路网，为充分利用交叉口的通行空间，保证信号周期设置的合理，对交叉口路口道路渠化长度和车道拓宽的渐变段长度以及渠化路口规划红线的调整提出了新的确定方法[4]。2006年，赵伟等人对左转专用车道进行了研究，把左转专用车道分为渐变段、减速段和等候段，并考虑左转的交通量、车头时距等因素，得到了左转车道的适当偏移可有助于提高驾驶员视距的观点[5]。

2 交叉口信号控制

2.1 国外研究现状

Gazis1964年对交叉口交通流进行分析，提出了优先考虑延误的信号配时方法[6]，Khatib构思了一种绿信比优化模型，该模型目的使路网通行能力最大化，以此缓解路网中车辆拥挤状况[7]。2015年，David K.Hale等人提出了对于孤立的信号交叉路口的最优性和运行时间[8]。

随着智能交通系统的发展，一些智能优化算法也应用于交通信号协调控制中，其中，还需要突破的难点在如何在不确定的动态环境中实现基于学习的性能优化，其中很有价值的研究方法是利用开发自适应动态规划（ADP）和增强学习（RL）方法[9]来优化复杂动态系统的性能。近十年来，该研究得到了越来越多的关注。Salkham等开发了一种用于城市环境中最优交通控制的协同强化学习方法[10]。

2.2 国内研究现状

1998年，顾怀中与王炜提出了交叉口信号配时的模拟退火全局优化算法，该算法以延误时间、停车次数和通行能力为优化目标函数，以适应我国交叉口的混合交通特性[11]。2003年，葛亮等人针对我国城市交通的特点，在现有的信号相位设计的基础上，对直行和各转向车流的延误进行计算，并以计算出的延误为优化目标，研究了混合交通的情况下相位设计方案，提出了多相位控制的信号配时优化方法[12]。

3 现状评价与未来发展

上述存在的不足即可成为未来研究的方向，在此提出其它新的交叉口研究趋势：（1）交叉口中车辆与行人之间的关系，尤其是行人安全过街（一次过街、两次过街、对角过街等）和行人过街延误问题;（2）公交车在城市的公共交通系统中必不可少，因为其行驶速度较低且车型较为庞大，在交叉口中的运行将成为一大难点，尤其当在交叉口附近有公交站点时，如何规划公交车的行驶路径和乘客过街等问题将越发重要;（3）新型的非常规交叉路口设计会因特殊布局而使驾驶员感到困惑，但是与人工驾驶不同，自动驾驶汽车将克服这一缺点，因此，当自动驾驶成为现实时，如何在交叉口规划信号控制及处理自动驾驶车辆的行驶轨迹将成为新的研究热点。

参考文献：

[1]Kenneth，W.Acheret.Criteria for the geometric design of triple Left.turn lanes[J].ITEJournal. 1994，23（11）：27+33.

[2]Federal Highway Administration. Manual on Uniform Traffic Control Devices （MUTCD）[S].Washington，DC.U. S.2003.

[3][日]交通工程研究會编.刘春华，刘璨译.平面交叉口的规划与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1988.5.

[4]傅涛.T平面交叉口渠化设计的原理[J].黑龙江交通科技，2012（8）：39.

[5]董红彦，李慈，冯俊颖.城市道路平面交叉口渠化设计研究[J].中国科技信息，2012（5）：91-92.

[6]Gazis DC.Optimum control of a system of over saturated intersections[J].Oprerations Research，1964，12（6）：815-831.

[7]Khatib ZK.Judd G A.Control strategy for oversaturated signalized intersections[C].80th Annu.Meeting Transportation Research Board，Washington，DC.2001.

[8]David K.Hale，Byungkyu Brian Park，Aleksandar Stevanovic，Peng Su，Jiaqi Ma.Optimality versus run time for isolated signalized intersections[J].Transportation Research Part C，2015，55.

[9]F.Wang，H.Zhang，and D.Liu.Adaptive dynamic programming：An introduction[J].IEEE Comput.Intell. Mag.，vol.4，no.2，pp.39-47，May 2009.

[10]A.Salkham，R.Cunningham，A.Garg，and V.Cahill.A collaborative reinforcement learning approach to urban traffic control optimization[J].in Proc.IEEE/WIC/ACM Int.Conf.IAT，2009，vol.2，pp.56-566.

[11]佟炳勋.饱和状态下路口的渠化设计[J].市政技术，2005（2）：73-74.

[12]趙伟，肖贵平，苑红伟.对城市道路交叉口左转专用车道设计的探讨[J].工业安全与环保，2006（11）：25-27.