王 錕 張衛(wèi)華 衛(wèi)立陽

（合肥工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院 合肥 230009）

城市的交通擁堵與否一大關(guān)鍵在于交叉口的信號配時和管理手段是否合理。交叉口通行不暢，城市也會變得混亂不堪，合理的信號配時在緩解交通壓力中扮演著重要的角色。目前國內(nèi)多數(shù)交叉口對綠燈間隔時間的設(shè)置不是很合理，多是按照經(jīng)驗公式進行計算［1］。但是很多時候交叉口的綠燈間隔時間不能滿足于車輛在交叉口內(nèi)完成清空所需時長，特別是大型交叉口。如果沒有足夠的綠燈間隔時間，不同相位的車輛會同時存在于交叉口內(nèi)，增加行駛車輛的沖突點數(shù)目，進而引起交通混亂，導(dǎo)致交通擁堵甚至發(fā)生交通事故。通常，信號控制交叉口在信號配時上主要存在以下問題：

（1）對于人流比較密集的交叉口，右轉(zhuǎn)車輛不設(shè)信號控制，會出現(xiàn)“紅燈右轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，與非機動車和行人過街都存在沖突點，威脅到道路使用者的人身財產(chǎn)安全。

（2）在同一個相位中，車流量差距較大的2個流向并沒有設(shè)置不同的信號配時，沒有充分利用交叉口時間和空間資源，降低了交叉口的通行能力。如圖1所示的流向2，8在同一相位，倘若2個流向的飽和度不同，但是賦予相同的綠燈時長，這樣會導(dǎo)致飽和度大的流向放行時，另一股流向已經(jīng)放行完畢，出現(xiàn)“綠燈空駛”現(xiàn)象，造成交叉口資源的浪費。

圖1 十字交叉口流向圖

（3）交叉口信號配時中的清空時間設(shè)置較短，特別是大型交叉口，沒有考慮到不同交通流行駛速度的差異性，導(dǎo)致不同相位的交通流會在交叉口內(nèi)產(chǎn)生交織，造成擁堵的局面。

（4）交叉口的相位和相序設(shè)置不合理，導(dǎo)致車輛在交叉口清空的時間增大，降低交叉口的通行能力。

（5）對某些較大的交叉口，未設(shè)置行人二次過街相位，行人以正常的步速不能完成一次過街，使得行人過街存在安全隱患。

由此可見，合理的交叉口信號控制系統(tǒng)，對緩解城市交通壓力、保障道路使用者的人身安全、最大化地利用交叉口時間和空間資源都起到了至關(guān)重要的作用。文章通過對交叉口綠間隔時間的計算方法和相位的劃分進行研究，使車輛可以更加合理、有效、高速地通過交叉口，減少車輛在交叉口內(nèi)的沖突點，在保證行人安全過街的前提下，盡可能地提高交叉口的通行能力。

1 基于交叉口沖突分析的流向綠間隔計算方法

1.1 交叉口沖突分析

交通沖突是指在可觀測的情況下，2個或2個以上的道路使用者在時間和空間上相互逼近，如果不采取相應(yīng)的措施，將會有碰撞危險的現(xiàn)象，它是一種“近似事故”的危險交通狀態(tài)，可以分為合流沖突、分流沖突和交叉沖突3種形式。交叉口是不同方向混合流交織的地方，如若不加以控制管理，將導(dǎo)致沖突點過多，引起交叉口堵塞，降低道路的通行能力。在不考慮非機動車和行人過街的前提下，無信號控制十字交叉口交叉沖突點為16個，合理的相位劃分和適當?shù)木G間隔時間設(shè)置，對減少交叉口內(nèi)車輛的沖突，保障行車安全，都起到重要的作用。

1.2 綠間隔時間算法

綠燈間隔時間是指信號相位之間相互沖突的一股交通流的綠燈結(jié)束時刻和下一股交通流的綠燈開始時刻之間的時間間隔。這部分時間是用來清空已在交叉口內(nèi)行駛的車輛，為下一股交通流創(chuàng)造通達順暢安全的行駛條件，減少交叉口內(nèi)不必要的沖突。綠間隔時間過短會導(dǎo)致前一股交通流不能完全清空，與下一股交通流還存在著沖突，即“綠燈頭”與“綠燈尾”車輛發(fā)生沖突；過長則會引起道路資源的浪費和道路使用者的抱怨。所以對綠間隔時間的確定顯得尤為重要。能夠保證交通安全的綠燈間隔時間最小值叫做最短綠燈間隔時間，傳統(tǒng)的綠燈間隔時間可由下式進行計算［2］：

式中：tij為第i股交通流結(jié)束，第j股交通流開始的綠燈間隔時間；tu為通過時間；tr為清空時間；te為進入時間。

如圖2所示，其中i流向相位結(jié)束，j流向相位開始，S0為清空距離，Se為進入距離，lFZ為車輛長度。清空時間tr是相對于前一股交通流i而言，而te進入時間則是對后一股交通流j而言。

圖2 直行車輛清空情形示意圖

當一個相位結(jié)束時，處于該相位的交通流需要一定的時間通過交叉口，這部分時間稱之為清空時間，考慮到車輛的長度，清空時間為從停車線按照行車軌跡到與另一股交通流沖突點的長度加上車輛長度與清空速度的比值。進入時間則是后一股交通流從啟動到到達沖突點的時間，它是下一開始相位開始時，停車線距離沖突點的距離與進入速度的比值。通過時間是指綠燈結(jié)束與清空開始之間的時間間隔，一般取值3s。

1.3 綠間隔矩陣的建立

將交叉口各股車流之間存在的最短綠燈間隔時間T進行匯總得到一個n×n介矩陣，稱為綠間隔矩陣，見表1。其中：

表1 綠間隔矩陣

在計算綠燈間隔矩陣的時候，對于不同流向占據(jù)同一車道的情況，都必須以獨立的交通流進行計算，取最大值建立綠間隔矩陣。

綠間隔矩陣的建立最終是為了得到不同相位之間的綠間隔，進而將其分配到信號周期中去。目前對于黃燈期間車輛能否通過停車線這個問題上，很多專家學(xué)者還存在爭議，根據(jù)《道路交通安全法》最新規(guī)定，黃燈亮?xí)r，已越過停止線的車輛可以繼續(xù)通行，黃燈的作用在于清空交叉口內(nèi)的車輛，所以將計算出來的綠燈間隔時間分配給黃燈時長和全紅時長。當前國外對黃燈模型的建立已基本成熟，如美國、日本、德國等在現(xiàn)行的控制規(guī)范中明確規(guī)定了黃燈時長計算方法，并給出建議值，例如，美國采用3s，日本采用4s，我國為3～5s，論文研究的信號配時中定義黃燈時長為3s［3－4］。在矩陣中，若計算的綠燈間隔時間小于3 s時，給予3s黃燈時長；若大于3s時，給予3s黃燈時長，其余的則給予全紅時長。

2 基于交叉口資源最大化的信號相位組合方法

2.1 相位劃分的基本方法

所謂相位，其本質(zhì)是為交叉口各流向的車流分配通行權(quán)［5］，交叉口信號相位設(shè)計是否合理決定了交叉口各股車流能否在安全通過交叉口的同時，使得交叉口的通行能力得到最大。在理想條件下，當各個流向的飽和度接近交叉口的平均飽和度時，信號配時方案最優(yōu)，進而交叉口通行能力最大。目前國內(nèi)城市十字交叉口常用的相位設(shè)計方案有傳統(tǒng)四相位設(shè)計方案、單口四相位設(shè)計方案（見圖3，4），均以對應(yīng)流向的交通流較大的交通量為參考，統(tǒng)一設(shè)置相位，只能實現(xiàn)各相位關(guān)鍵流向之間的等飽和度問題，沒有考慮到同一相位中不同方向交通量的差異［6－7］。這2種相位設(shè)計方法的基本思路就是只要每個相位中關(guān)鍵流向的車流可以滿足通行需要，其他車流就不會發(fā)生堵塞。實際上，在關(guān)鍵車道放行的同時，其他車道可能已經(jīng)放行完畢，而此時若賦予相同的信號配時，則會造成交叉口通行時間的浪費，使得交叉口時間和空間資源的利用率達不到最大。

圖3 傳統(tǒng)四相位設(shè)計方案

圖4 單口四相位設(shè)計方案

2.2 “大小相位”的劃分

由于受到外界環(huán)境、道路狀況以及交通需求等因素的影響，各流向之間的交通流量存在著很大的差異，因此文章以交叉口資源利用最大化為根本目標，提出“大小相位”的觀點。

所謂“大相位”是指交叉口幾股不同方向的交通流擁有相同的通行權(quán)，而“小相位”是指在同一個大相位內(nèi)，不同流向的信號燈起止時間不同，存在著信號燈遲起或者早斷的現(xiàn)象。如圖4中相位一為流向一，二，當流向一的飽和度大于流向二的飽和度時，可以讓流向二提前結(jié)束綠燈，這樣就可以在保證流向二車輛通行的前提下提前將與流向一不沖突的車流放行，提高交叉口的資源利用率。在保證道路使用者在交叉口安全清空的前提下，將“大小相位”進行組合，得到交叉口完整的信號相位設(shè)計方案。通常“大小相位”的確定是以減少沖突點為前提，根據(jù)關(guān)鍵流向劃分大相位，在每個大相位內(nèi)根據(jù)不同流向的飽和度進一步劃分成不同的小相位，這樣劃分的相位有助于實現(xiàn)各流向間的等飽和度。

2.3 相位綠間隔的研究

在對相位進行劃分之后，可以得到兩相鄰相位不同流向之間的綠燈間隔時間。不同相位之間的綠燈間隔時間就是一個相位結(jié)束到下一個相位開始之間的時間間隔。對于不同相位間綠燈間隔時間的選取，存在2種方法。一種是在所選的車道上取最小值作為相鄰相位之間的綠燈間隔時間，即下一個相位開始時最先啟動的信號燈與上一個相位結(jié)束的信號燈之間的間隔。這里選取最小值是因為同一個相位內(nèi)不同流向的信號燈起始時間不一定是同時的，可以存在先后之分，但是必須確保前一相位車輛清空與下一相位車輛進入之間不存在沖突點；另外一種就是在所選的車道上取最大值作為相鄰相位之間的綠燈間隔時間。這里選取最大值是為了保證清空時間最長的一股交通流可以順利地通過交叉口而不影響下一相位車輛的通行。采用第二種方法會造成交叉口資源的浪費，因此采用選取最小值的方法進行計算。

3 實例分析

以某交叉口為例，建立綠間隔矩陣，對交叉口進行信號配時。該交叉口位于市區(qū)內(nèi)，相交道路都為主干道，承擔(dān)著很大一部份交通量。在交通繁忙時期，車輛堵塞嚴重，亟須一個合理的信號配時方案來改善該交叉口的服務(wù)水平，交叉口平面見圖5。

圖5 交叉口平面圖

將各車道車流進行編號，并且在高峰時期對該交叉口的交通量進行了調(diào)查，根據(jù)綠燈間隔時間的定義和計算方法得到綠間隔矩陣，見表2。

表2 綠間隔矩陣示意圖

進行相位劃分的時候，在保證沖突點最少的前提下劃分“大小相位”，盡可能地使各流向的飽和度接近交叉口的平均飽和度，提高交叉口的通行能力，具體相位劃分見表3。

表3 交叉口相位劃分

由綠間隔矩陣可以得出各相位之間的間隔時間，見表4。

表4 各相位間隔時長 s

由此得到相位總損失時長，根據(jù)調(diào)查的數(shù)據(jù)和韋伯斯特法計算出信號周期時長，根據(jù)機動車與行人之間的清空時間，得到人行燈的綠燈起止時間，為了保障行人最短過街時長和行人過街清空安全性，通過延長相位有效綠燈時長和全紅時長，對計算出來的周期時長進行優(yōu)化，進而得到最終的信號周期時長106s。

通過vissim軟件對該交叉口進行仿真模擬，得到該交叉口平均延誤時間為17.9s。根據(jù)延誤與服務(wù)水平關(guān)系，得到該交叉口的服務(wù)水平等級為B，見表5。

表5 延誤－服務(wù)水平 s

4 結(jié)語

應(yīng)用綠間隔矩陣計算信號配時的目的在于充分利用交叉口的時空資源，在保證沖突點最少的前提下，使得交叉口的通行效率最大化。但是如何使得交叉口的信號配時與各流向的實時變化的交通流相適應(yīng)，還有待進一步研究。

［1］楊佩昆，吳 兵.交通管理與控制［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］德國道路與交通工程研究學(xué)會.交通信號控制指南：德國現(xiàn)行規(guī)范［M］.李克平，譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］李克平，楊佩昆，倪 穎.城市道路交叉口信號控制中的黃燈問題［J］.城市交通，2010（4）：67－72.

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［6］胡佩鋒，袁振洲.交叉口信號控制方案選擇方法的研究［J］.城市交通，2006（6）：70－74.

［7］丁 恒，鄭小燕，張衛(wèi)華.基于伴隨相位的非對稱交通流交通信號改善研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，31（3）：356－359.