平面交叉口优化设计研究及发展综述

程可

摘 要：随着小汽车保有量的增加，城市道路交通量大幅增长，平面交叉口作为城市道路中各类交通流的集散地。我国城市道路网中存在一部分间距过小的交叉口群，这些交叉口群周边环境复杂、道路功能结构紊乱，存在较多冲突点，极大地影响了道路整体通行能力。本文从平面交叉口渠化设计与信号控制出发，总结和评述以往对平面交叉口优化设计的研究，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：平面交叉口;渠化设计;信号控制;新型交叉口

0 引言

针对平面交叉口上述问题，最早提出交叉口渠化设计方法，渠化设计可以有效解决城市道路交通拥堵，提高行车速度和通行能力。但是，在城市交通网络中，某个交叉口的交通状态很大程度上受到相邻交叉口的影响，因此许多学者致力于研究由多个交叉口组成的交叉口群信号控制问题，这是对整个交通网络实施控制的基础。

1 平面交叉口信号控制

1.1 国外研究现状

交通信号控制技术主要经历了4次重要的发展阶段，从最初的机械式到固定配时式，再到线控和区域交通控制技术，国外的研究都较为领先。1964年Gazis对平面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，Khatib构思了一种绿信比优化模型，可使路网通行能力最大化，以此緩解路网中车辆拥挤状况。2015年David K.Hale等人提出了孤立信号交叉口的最优信号配时。

1917年，美国盐城应用了世界上第一个手动控制的干线控制系统，可以同时控制6个交叉口。1994年，美国ITS研究室的Rekhas.Pillai和Ajay K.Rathi提出了在支路有限的交通系统中得到最大线控带宽的方法，并介绍了一种获得最大带宽的启发式的方法MILP（Mixed Integer Linear Progamming）的形成和发展过程，以及基于MILP的MAXBAND线控软件的优缺点，并提出了改进方法。1999年日本研究者Inoue和Takeshi仿真了交通状况，并用事件扫描法评价信号设计方案，研究了在高峰时段拥挤状态下信号协调控制系统相位差的设计方法。2001年美国学者Abbas和Moniasis提出了一种交通信号相位差的转换运算方法，在优化过程中考虑交通量和占有率影响，该方法与传统信号协调控制系统有较好的兼容性。2015年Mike Smith提出了一种动态分配和控制模型，该模型可以计算阶段性绿灯时间。2017年S.M.A. Bin Al Islam等学者以串联街道网络为研究对象，提出了分布式协调的信号优化方法。随着智能交通系统的发展，智能优化算法也应用于交通信号协调控制中，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）方法来优化复杂动态系统的性能。该研究得到了越来越多的关注，Ling等人研究了通过多个强化学习（RL）对一系列连续信号交叉口进行操作，从而实现自动的有轨电车群控。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。

1.2 国内研究现状

国内学者在平面交叉口信号控制研究上也取得较好成果。1998年顾怀中与王炜针对我国城市道路平面交叉口的交通流特性，提出了以延误时间、停车次数和通行能力为优化目标函数的模拟退火全局优化算法，能根据交通需求调整目标函数，以适应平面交叉口的混合交通特性[1]。2003年葛亮等人基于我国城市交通特点，在现有的信号相位设计基础上，计算各方向车流的延误，并以计算出的延误为优化目标，研究了混合交通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[2]。高海军、陈德望、陈龙考虑到我国道路上非机动车辆较多，改进了Webster信号配时公式，提出适合我国的平面交叉口信号配时计算公式[3]。2005年杨兆升与王爽阐述了平面交叉口单点信号配时设计的方法流程，以及各种交通信号配时参数的确定方法、标准及依据，并将其应用于实际的交叉口，在已有的配时方案基础上，设计了多个适用于不同时段的新方案，并利用Vissim进行仿真模拟，从仿真的结果中选择适当的参数进行综合比较，最终选出最佳方案[4]。2007年北京交通大学邵春福、陈晓明阐述了行人定时信号控制研究的方法，给出行人信号配时设计步骤，促进了行人信号控制研究的发展[5]。

我国在交叉口群的信号协调控制研究上也有新的进步。雷磊等人在2010年提出基于系统工程的方法，构建了过饱和交叉口群系统优化数学模型，并提出了求解方法以实现优化目标，从而建立群系统的全局最优化[6]。2011年牟海波、俞建宁以交叉口群为研究对象，提出了模糊控制器和特殊情况控制器组成的分布式控制系统，通过系统仿真，说明了该系统在不同情况下能够适应交通流的变化[7]。

2 新型平面交叉口

近几年，学者意识到左转车辆会显着降低交叉口通行能力，由此提出一些非常规平面交叉口设计来试图转移或消除左转弯的冲突。2011年Xuan等学者提出了串联交叉路口（TI），在入口道处将左转车辆和直行车辆分别排成一排，因此在绿灯时间内每种交通流都可以使用所有车道。

这些非常规平面交叉口设计可以增加交叉口通行能力，但是需要额外的土地来设置子交叉口和预信号，此外，子交叉口和预信号将增加车辆的停车时间和延误时间。为了改善这些问题，2018年Sun等学者提出了自动驾驶车辆在交叉口的通行方案，称为MCross，这是基于信号控制的最大通行能力交叉口方案。由于自动驾驶的推广仍需时间，于是2019年Li提出了对称相交（SI）的概念，车辆遵循左转交通规则并在左侧行驶，SI仅需要三个信号相位来分离所有冲突，因此，当信号周期长度相同时，对称交叉口可为左转车辆和直行车辆提供更长的绿灯时间。Jiang在2017年提出直行等待区域（TWA），将SI的特殊布局变得更加容易，TWA位于停车线之外，可作为专用直行车道的延伸，可以增加单位时间内交叉口的直行车辆量。

3 现状评价与未来发展

3.1 研究现状评价

对比國内外研究现状，国外在各个方面的研究相对领先国内，我国在国外研究的基础上进行深入研究，创建出适合我国国情的方法、指标、模型、原则等，在未来将不断的进行改善和创新。

对于平面交叉口渠化设计，国内考虑交通流特征后采用几何设计、渠化设计以及交通组织设计等优化方法，对影响交叉口通行能力的因素进行汇集，构建多目标动态决策优化模型。但是，由于影响因素较多，很多模型并不能全面包含。而且渠化设计在土地资源紧张的情况下，可能需要占用额外的土地资源，导致效果并不明显，不能满足不断增长的交通需求，由此需要在交叉口规划时预留一定的改建扩建空间。并且国内外基本是针对单个交叉口或距离较近的两个错位交叉口的渠化设计，基本上没有针对区域内的平面交叉口做整体渠化设计。

针对交叉口群的研究，国内外现有的交叉口群信号协调控制的理论和方法比较全面，对于城市交通的管控起到了正向作用，在很大程度上提高了道路通行能力，减少了车辆的延误并降低拥堵的几率，学者提出的各种信号优化算法都在不断的改进和优化中。但目前仅针对距离较近的已有的交叉口整体进行优化研究，没有在道路规划设计阶段进行整体研究。所以在今后的城市道路发展建设中，应当在规划阶段将信号协调控制的思想融入其中，对一条线路或一个片区的平面交叉口进行协调控制，提高道路网的通行能力和服务水平，增强交叉口之间协调联动性，减少交通拥堵带来的不便利。

对于现提出的新型非常规平面交叉口，能够有效减少交叉口功能区内的冲突点和交织区，提高交叉口安全性能的同时缓解交通拥堵，但是新型交叉口的设计存在以下问题：（1）大多新型交叉口可能需要更多的土地来设置子交叉口、分隔带等;（2）在新型交叉口中存在复杂的车道变道问题，会带来一定的混乱;（3）子交叉口和预信号的设置将增加车辆的停车时间和交通延误。

3.2 未来发展趋势

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）平面交叉口中车辆与行人之间的关系，尤其是行人安全过街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，在平面交叉口中运行将带来一定阻碍影响，尤其当平面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）新型非常规交叉口设计会因特殊布局而使驾驶员驶入交叉口时感到困惑，但是自动驾驶汽车将克服这一缺点，因此，当自动驾驶逐渐普遍时，在平面交叉口设计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]顾怀中，王炜.交叉口交通信号配时模拟退火全局优化算法[J].东南大学学报，1998（3）：70-74.

[2]葛亮，王炜，陈学武，等.信号控制交叉口配时优化研究[J].交通与计算机，2003（5）：7-10.

[3]高海军，陈德望，陈龙.混合交通流环境下信号配时研究[J].公路交通科技，2003（4）：80-83+91.

[4]杨兆升，王爽.基于Vissim仿真软件的交通信号配时研究[J].交通与计算机，2005（1）：7-11.

[5]邵春福，陈晓明.信号交叉口行人定时控制方法研究综述与展望[J].交通运输系统工程与信息，2007（5）：18-23.

[6]雷磊，吴洋，刘昱岗.过饱和交叉口群系统建模及优化模型[J].计算机工程与应用，2010（4）：26-28.

[7]牟海波，俞建宁.城市交叉口群交通信号控制研究[J].兰州交通大学学报，2011（6）：106-110.