浅析城市道路交叉口交通改善设计

张佳良

摘 要：当前，人们出行需求日益旺盛，城市道路的压力与日俱增，对交通系统的建模和控制是避免交通拥堵和减少交通事故的关键。在车路协同环境下，智能交通系统，特别交叉口的车辆通行控制方法已经成为各国的研究重点。经过多年的发展，产生了诸如美国的智能驾驶，欧盟的智能交通系统。智能交通系统基于先进的传感器和信息通信等技术，实现车辆与车辆、车辆与道路之间的信息交互，保证车辆在复杂的交通环境下的行驶安全，对道路交通实施主动控制。

关键词：城市道路;交叉口;交通改善设计

0 引言

近年来，随着城市经济、社会持续快速发展，市民机动车拥有量的增加及机动化出行比例居高不下，交通拥堵问题已成为城市发展进程中不可回避的基础性问题，尤其是高峰时段中心城区的交叉口多处于饱和状态，车辆运行速度较低，交通拥堵造成车辆出行延误增大、速度降低，而车辆在低速行驶环境下较常态行驶燃油消耗量增大，污染物排放量增多。交通拥堵容易诱发交通事故，而事故的发生又加剧拥堵，形成恶性循环，交通拥堵加剧，导致巨额经济损失，制约城市经济的进一步发展。交叉口是整个路网中通行能力与交通安全的瓶颈，城市道路的交通运行状况与交叉口的运行状态密切相关，提高城市道路交叉口通行能力是解决城市交通问题的关键。

1 控制模式

目前智能无信号交通控制方式主要分为中央控制站控制模式和车车协同控制模式，本文采用中央控制站控制模式，中央控制站控制模式中车辆主要和路侧智能设备进行通信，避免了不同车辆之间的大量信息交互，从而在一定程度上降低了系统对无线通信网络的要求。无信号交叉口控制系统主要由3部分组成：1）自治车辆：当具有智能车载系统的车辆进入路口感应区域时，车辆能够将自身状态信息实时发送给智能路侧系统，并且能够实时接收智能路侧系统的指令信息。2）智能路侧单元：作为交叉口的“大脑”，与交叉口区域内的自治车辆进行信息交互，获取车辆的实时状态信息;路侧单元基于所构建模型，利用优化算法，得到最优车辆通行序列，实时向车辆分配交叉口各个区域的使用权，引导车辆通过交叉口。3）协同信息交互系统：自治车辆和智能路侧系统的信息传输载体。

2 基于仿真技术的信号交叉口综合待行区设置分析

综合待行区的作用发挥具有一定设定条件，并非所有的交叉口都能设置综合待行区，满足设置条件的综合待行区才能挖潜交叉口潜在的道路空间，提升进口道通行能力，改善交叉口的交通运作效率。根据仿真研究得出，综合待行区设置条件主要包括4个方面：一是交叉口类型为大型十字信号交叉口，且进口道必须有各自的专用车道及信号相位供该方向车流使用;二是交叉口高峰期交通流量较大，通行能力有限，饱和度达到0.85以上，服务水平高达为E级甚至F级，车辆出现二次甚至多次排队现象，若流量较小，提升通行能力的空间有限;三是进口道长度能够施划综合待行区，且预停车线的车辆排队长度不能倒灌至上一个交叉口;四是综合待行区车道数应不大于出口道数，避免出口产生交通瓶颈，影响交叉口内的车流正常运行。由于综合待行区的设置要求条件较高，且实施效果与设置长度、交通流量、信号控制等因素紧密相关。

3 考虑转向延误的最短路径的节点标号算法

最短路径算法是交通运输工程领域应用最广泛的算法之一，是智能交通分配、交通规划和交通控制的基础算法。最短路径算法评估一条路径是否为最短路径的度量衡是该路径的代价，一般为该路径花费的时间，或者该路径的其他成本。一般的最短路径算法在计算路径代价时仅考虑路段的阻抗，这种情况对公路是适用的，因为公路路段长度大而节点较少，路径的路段行程时间一般远远大于节点消耗的时间，因而车辆的交叉口延误可以忽略。但是城市道路路段长度一般较短，交叉口数量多，交叉口作为城市道路网络中通行能力的瓶颈严重影响交通流的运行，拥堵情况下车辆在交叉口处花费的时间甚至可能超过在相邻路段的行驶时间。因此，应用于城市路网的最短路径算法应该考虑交叉口延误。首先间接法。间接法对原始网络按照一定规则进行变换，将转向延误和限制直接体现在变换网络中，然后在变换网络中计算最短路径，最后基于变化规则逆向转换在变化网络中得到的最短路径，输出原始网络的最短路径，包括扩展网络法、对偶网络法等。其次是直接法。直接法从算法本身入手，将转向延误通过节点或者弧的邻接关系直接表达和求解，主要包括弧标号算法、节点标号算法等。节点标号算法与弧标号算法基本相同，通过两个节点集分别储存已确定最短路径的节点和剩余其他的节点，并对每个节点设置距离标号和紧前节点标号，通过起点层层向外扩展直至到达终点。唯一的不同之处是节点标号算法在每一步的循环中扫描的是节点而不是弧。

4 考虑交叉口延误的交通微循环路网优化

国内外针对城市交通微循环的研究主要分为2方面：①对交通微循环基本原理的研究：C.P.MICHAEL分析了小区域内的交通微循环系统，指出提高路网支路密度，能有效提高路网可达性，交通微循环系统所能发挥的效益大小也与支

路网密度成正比;W.CHRISTOPHER等研究得出，进行交通微循环交通组织优化设计能有效减缓交通拥堵，并以交通微循环系统特征为依据，提出特殊的交通微循环空间组织模式;②基于交通微循环理论进行路网优化，通过组織交通微循环改善街区交通情况。然而，车辆在路网上行驶所产生的总延误中，交叉口延误所占比例高达80%，但大多数已构建的交通微循环理论模型缺少对交叉口的分析。构建交通微循环系统，必须要解决微循环道路选择和已选择道路改造深度2个问题。针对这2个问题，笔者建立了考虑交叉口延误的交通微循环路网优化双层模型，该模型由一个上层模型和一个下层模型组合而成。上层模型以路网平均行程速度最大为目标，以路段饱和度、通行能力和投资额度为约束条件，建立非线性约束模型，从备择道路中选择构成交通微循环系统的道路，并确定选取道路的改建程度;下层模型将交叉口延误与路段行驶时间结合，构造阻抗函数，并以路网总阻抗为目标函数，在满足上层模型约束条件的前提下，进行路网交通平衡分配。上层模型的决策变量为备择道路集中各道路改造后通行能力，下层模型的决策变量为各出行者路径选择。上层模型管理者在选择决策变量的过程中，需要考虑上层模型目标函数和约束条件的影响，还需兼顾下层模型出行需求最优解的制约，所选择的决策变量还会影响下层模型出行者的行为选择;同时，下层问题出行者路径选择的决策也受上层模型约束条件的约束。通过多次管理者决策与出行者行为选择，使上下层目标函数均得到最优解，此时路网运行效率最佳。交通微循改造的目标，是通过布设交通微循环系统，使部分交通需求通过交通微循环路网穿越，躲避拥堵干路，提高路网运营效益。

5 结语

智能交通是未来交通系统的发展趋势，车路协同技术是发展智能交通系统的重要一环，其目标是实现自治车辆和智能路侧设备之间的协同关系，确保交通系统的安全高效。

参考文献：

[1]冯毅恒.基于元胞自动机的交通流建模与仿真研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[2]李兵强，钟诚文，牟勇飚.基于安全效应的双车道元胞自动机交通流模型研究[J].交通与计算机，2007，25（3）：27-30.