考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计_容颖.pdf

广东技术师范大学学报2022 年第 6 期 Journal of Guangdong Polytechnic Normal University No.6,2022考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计容 颖1，陈海蝶1，张晓帆2，薛 刚1*（1.广东技术师范大学 汽车与交通工程学院，广东 广州 510665；2.广东技术师范大学 机电学院，广东 广州 510665）摘 要：目前较多交通管控措施过分偏向机动车，使得非机动车的路权被严重挤压，进一步加剧路段及 交 叉口 运 行秩序 混 乱等 问 题.因 此，本 文主要考虑机动 车与非机动车的 交互行为，对交叉口信号配时优化设计进行了研究.通过对具有典型机非混合特点的广州市环镇西路-江石东路交叉口开展实地调查，并基于 Webster 方法对该交叉口进行信号配时优化设计，给出了优化后的设计方案；最后，运用 Vissim 交通仿真软件对优化前后的方案进行仿真对比分析.结果表明，优化方案可以使该交叉口的平均排队长度、车辆延误、排放物等指标均有不同程度的下降，证明了该方案能有效缓解该交叉口的拥堵程度.关键词：信号配时优化；Webster 方法；机非混合；Vissim 仿真中图分类号：0 引言汽车保有量的不断增加，使得道路交通正面临着重重挑战.如广州市的城市交通体量日益 增 大，导 致 与 日 俱 增 的 交 通 管理 压力 等.交叉口是连接道路的节点，交叉口的运行效率会影响多条道路的运行.但许多郊区道路或不发达的城市，大多都是没有设置专用的非机动车道.而非机动车在人们出行中有着独特的地位，且其对交叉口运行的影响在不断加深，成为了不可忽视的部分.在未设置非机动车专用车道的交叉口，易与机动车产生冲突，必会有一方做出避让行为，导致车辆延误增加，影响交叉口的运行效率.现阶段，分离机动车与非机动车的方法主要有从时空上进行分离，如设置非机动车专用车道与非机动车相位.然而部分道路由于空间限制，不足以设置非机动车专用车道；而在时间上，设置非机动车相位也会使信号周期增大，进而增加交叉口的延误.综合考虑，从配时设计过程中进行优化出发，通过考虑非机动车与机动车的互动关系，调整流率比模型优化配时过程，会是一个有效的折中方法.目前，机非混合交叉口占城乡道路的较大比例，仍是交通管控的重点关注对象.李建新1学者研究非机动车比例较大时对通行能力的影响，且分析其交通运营行为.而景春光2等学者对机动车流与非机动车流的冲突进行分析并提出相应的模型.另外，边晓丽3学者研究各类车辆和行人的运行特性，对交叉口服务水平进行评价.同时，曹士强4学者对不同干扰条件下非机动车骑行的特征进行研究，分析了非机动车对道路的影响.信号配时优化设计对改善交叉口运行状况和安全性至关重要.胡怡玮5等学者通过计算不同方案下的延误与服务水平，确定最佳周期，改善交叉口交通运行状况.魏婧6学者提出以优化车道功能划分优化设计为主要目的，在时空上实现对交叉口的管理与控制，改善所选交叉 口 的 各 项 道 路 指 标.另 外，还 有 部 分 学 者 从理论模型的角度出发，优化相应的信号配时方收稿日期：2022-09-30基金项目：广州市科技计划项目（202102020314）.作者简介：容 颖，博士，广东技术师范大学讲师.*通讯作者：薛 刚，博士，广东技术师范大学讲师，E-mail:DOI:10.13408/ki.gjsxb.2022.06.002容 颖，等：考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计第 6 期10法.Rouphail7学 者 利 用 一 种 接 口 与 仿 真 模 型相结合，从而对周期长度、绿灯长度、相位差进行同步优化.石茂银8等学者建立与优化考虑人车交互的交叉口信号配时模型的方法，并应用于实例，证明模型的可行性.VISSIM 软 件 对 交 通 领 域 的 发 展 影 响 深远.王 玉 鹏9学 者 首 先 将 VISSIM 分 析 结 果 与算法结果进行比较，验证利用 VISSIM 仿真的可行 性 及 有 效 性.李 明 霞10学 者 说 明 VISSIM 软件使道路运行状况呈现出三维动画状态，更具直 观 化，并 能 生 成 排 队 长 度、车 辆 平 均 延 误 等数据.赵秀 云11等学 者 从 道 路 结 构 模 型、交 通信号模型等多个交通仿真模型的建立与分析出发，研究仿真的优点及其参数的标定.曹洪斌12等学者简要介绍VISSIM 软件后，进一步研究软件在交通影响分析方面的意义，同时也阐述了软件可模拟试验设计方案.从所查阅的资料中可知，目前定时信号配时优化设计大多从渠化设计和配时设计方面入手.大部分学者都选择实际交叉口进行调查后再进行信号配时优化，达到提高通行能力的目的.与此同时，有一部分学者利用仿真软件进行仿真分析，从而评价优化方案的可行性.而较少学者通过考虑交叉口机非混合的影响，优化交叉口信号配时模型，并分析其对交叉口运行状况 的 改 善 效 果.综 上所 述，发 现 现 有 研 究 中 考虑非机动车因素的信号配时设计较为少见，然而实际交通中机非混合交叉口仍占着较大的比例.因此，考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计显得格外重要，其意义重大.1 交叉口现状调查及分析1.1 交叉口概况环镇西路-江石东路交叉口连通商业区、教学区、工业区，车流来往频繁，车辆种类繁多，是广州市江高镇重要的道路路口之一.经过调查，该交叉口存在道路交通设施不完善、交通冲突点多、运行状况不良等问题.从而，交叉口配时优化设计时要兼顾行驶安全和交叉口运行效率.由实地调研可知，目前东进口为双向六车道，道路总宽度为 21m，车道宽度均为 3.5m；西进口为双向四车道，道路总宽度为 16m，车道宽度均为 4m；南进口为双向四车道，道路总宽度为 15m，车道宽度均为 3.75m；北进口的进口道为双向单车道，道路总宽度为 13m，车道宽度均为 3.25m.如图 1 所示.图 1 交叉口渠化现状图该 交 叉 口 现 采 用 二 相 位 放 行 方 式，即 第一相位为南北进口车流放行时间，绿灯时间为50s；第二相位东西进口车流放行时间，绿灯时间为 60s；黄灯时间均为 3s，且无全红时间.相位图如图 2 所示.图 2 现状相位图1.2 交通调查数据统计2022 年 3 月 4 日 17:00 至 19:00，在 广 州 市环镇西路-江石东路交叉口进行晚高峰交通量调查，并将数据整理得表 1（单位：辆/h）.从 表 1 上 看，不 难 发 现 东 进 口 的 车 流 量 最大，远远超过其他进口道的车流量，甚至达到了其他进口各自车流量的二至三倍，而南进口的车流量次之，西进口与东进口的车流量相差较小.另外，东进口的直行车流量最大，与其转向车流量之和大致持平，而南进口的右转车流量次之，同时西进口右转方向及南进口左转方向的车流量极小.在忽略特殊情况时（如违反交通规则），二相位的信号控制交叉口易产生冲突，产生机非容 颖，等：考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计第 6 期11交互行为，即对向车流同时放行时，直行车流易与 转 弯 车 流 发 生 冲突，从 而 出 现 避 让 行为.从表 2 可知，该交叉口发生机非交互情况的频率为232 次/h.从总体上看，非机动车避让机动车的行为出现的次数较多，但与机动车避让非机动车的次数相当.其中，可看出在东西向车流放行时（一相位），非机动车避让行为出现次数较多；南北向车流放行时（二相位），机非交互发生较为频繁.表 2 机动车与非机动车交互数据汇总统计量机动车避让非机动车次数非机动车避让机动车次数机非交互频率一相位159140150 次/h二相位6410082 次/h总计223240232 次/h2 考虑机非混行的信号配时优化模型2.1 交叉口渠化方案与相位方案设计2.1.1 渠化方案的设计综合考虑交通量及车道宽度，将渠化方案更新如下图 3.即将东进口车道分别设为直行与左转车道、直行车道及直行与右转合用车道；西进口维持原渠化方案不变；将南进口道分别设为直行与左转合用车道、右转车道；将北进口道分别设为左转车道、直行与左转合用车道、直行和右转合用车道，且将展宽距离延长为原距离的两倍.2.1.2 相位方案设计根据车流量调查情况，该交叉口相位方案设计如下：相位一：东进口所有方向车流放行；相位二：西进口所有方向车流放行，东进口直行车流放行；相位三：南进口所有方向车流放行，北进口所有方向车流放行.图 4 优化后相位图2.2 相关配时参数设计2.2.1 饱和流率的校正由于该交叉口车流难达到连续车队，因此本文采用模型计算法13（即估算法）.通过引用关于车道宽度校正系数、车道坡度及大车校正系数对饱和流率的校正.饱和流率的估算模型如下：（1）式 中，Sb表 示 基 本 饱 和 流 率，本 文 取 值 为1650 veh/h；fw表 示 车 道 宽度 校 正 系 数；fg表示道路坡度校正系数，此交叉口道路坡度为 0；fHV表示大车校正系数.通过数据分析与计算，各进口直行车道饱和流率如表 3.表 3 饱和流率表进口道方向东西南北饱和流率 Si（veh/h）14881553149415642.2.2 考虑机非交互情况的流率比模型构建当忽略机非交互情况时（即运行状况不受非机动车影响时），流率比计算模型为：（2）式中，qi为平均单车道直行当量.当机动车与非机动车产生冲突时，总会有其中一方会先避让，避免交通事故的发生.在本文调查研究中，将机动车与非机动车交互时，机动车避让非机动车的行为定义为机动车避让率；而非机动车避让机动车的行为定义为非机动车表 1 交通量调查进口左转直行右转总计机动车非机动车机动车非机动车机动车非机动车东377966151853631841448西11337418109811570南156188233557156839北22115211610611741513图 3 交叉口优化渠化图容 颖，等：考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计第 6 期12避让率.其中，机动车避让率指机动车避让次数与机非交互总次数的比值；同理，非机动车避让率指非机动车避让次数与机非交互总次数的比值.计算公式如下：（3）（4）式中：Kv表示机 动车避 让率，Bvn表示机 动车避让非机动车的 次数，B 表示 机非交 互总次数，Kn表示非机动车避让率，Bnv表示非机动车避让机动车的次数.接下来，通过建立线性回归模型，对避让率与车流量（同时考虑机动车与非机动车的交通量）之间关系的研究.假设 Sv为机动车流量，Sn为非机动车流量，模型如下：（5）式中：a，b，c 为模型参数.利用 Excel 的线性回归功能可得出该线性回归模型拟合度为 0.79，具有良好的可行性，且模 型 参 数 a，b，c 分 别 为 3.6110-5、-9.5010-4、0.77，即：（6）通过现场观测可得，当机动车与非机动车产 生 交 互 行 为 时，车 辆 作 出 避 让 行 为，会 增 加12 秒的延误（取平均值 1.5s）.因延误会减少相应的车流通行时间，所以在相同时间内，通行车辆减少.因此要对车道饱和流率进行调整，流率比也随之变化.而根据调查结果，东西方向产生机非交互行为的频率为 82 次/h，南北方向产生机非交互行为的频率为 150 次/h.综上，流率比优化模型为（7）式中，M 表示机非交互行为发生的频率，即为 82 次/h 或 150 次/h.通 过 计 算 各 相 位 的 关 键 流 率 比 分 别 为0.27、0.32、0.21.各相位的关键流率比之和为（8）即满足要求，可进行下一步设计.2.2.3 计算周期长度本文启动损失取一般值 3s；而交叉口信号相位切换时，冲突交通流能安全通过冲突点，故可不设置全红时间.因此，总损失时间为：（9）利用 Webster 法14确定最佳信号周期时长如下：（10）取整得周期 C 为 93s.计算绿灯时间首先确定总有效绿灯时间：（11）以及各相位有效绿灯时间（需取整）：（12）同理可得，第二相位、第三相位的有效绿灯时间分别为 34s、22s.进而可计算实际显示绿灯时间（13）式中，Ai为黄灯