張統(tǒng)洋,王 婷

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100089;2.北京大唐高鴻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司,北京 100191)

1 引 言

受地表河流的影響,在城市路網(wǎng)中存在一種特殊的短連線交叉口——跨河橋交叉口,即跨河道路與兩條沿河道路交叉所形成的兩個平面交叉口,交叉口間距短,交通關(guān)聯(lián)性強[1]。特別是在交通高峰時段,由于交叉口間容納交通量不能滿足下游車輛排隊需求,排隊溢出現(xiàn)象時有發(fā)生,不僅會導(dǎo)致交叉口死鎖,甚至造成局部路網(wǎng)癱瘓,而且大量車輛怠速排隊引起的碳排和能耗,也不符合城市綠色發(fā)展的理念。因此研究跨河橋交叉口的協(xié)調(diào)控制顯得尤為重要。近年來,國內(nèi)外對短連線交叉口排隊溢出問題的研究漸臻成熟。楊曉光、付晶燕[2]對短連線交叉口進行界定,利用波動理論和車流運行時空圖建立了短連線交叉口群的通行能力計算模型,同時注意到相位差會對通行能力產(chǎn)生影響,但未做深入研究;劉巖[3]假設(shè)關(guān)聯(lián)交叉口間的相位差為0,以短連線信號交叉口車輛排隊長度不大于路段長度為條件,提出了過飽和狀態(tài)下短連線的延誤模型;齊立群[4]將排隊長度和相位差的研究相結(jié)合,基于波動理論提出飽和條件下動態(tài)調(diào)節(jié)短連線交叉口相位差的方法;楊曉芳、芮麗麗[5]針對短連線交叉口死鎖問題,提出了基于車流無縫銜接的短連線交叉口協(xié)調(diào)控制模型,并以左轉(zhuǎn)車流排隊長度為約束,運用波動理論建立了排隊約束模型;Liu H X[6]利用波動理論,對擁堵條件下信號控制交叉口的實時的排隊長度做出了評價研究;吳先宇,李璐兵[7]基于美國NEMATS-2標(biāo)準(zhǔn)中提出的雙環(huán)相位結(jié)構(gòu),針對信號合并和信號協(xié)調(diào)兩類短連線交叉口分別建立兩種控制方式對應(yīng)的信號相位相序設(shè)置策略和信號配時方法。以往研究表明,調(diào)節(jié)相位差多被用作近距離交叉口的協(xié)調(diào)控制的主要手段,但是其首要目的是保證干線直行車流優(yōu)先通行,忽視了交叉口左轉(zhuǎn)車流對整個交叉口交通運行的影響。由于跨河橋交叉口間距過短,直行與左轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)間的車流沖突較普通交叉口更為嚴(yán)重,極易造成整個交叉口的擁堵甚至癱瘓,而鮮有研究對直行和左轉(zhuǎn)車流的通行權(quán)分配進行分析探究。由此,以濟南市為例,通過分析不同類型跨河橋交叉口的車流離散規(guī)律,兼顧直行和左轉(zhuǎn)車流通行權(quán)的協(xié)調(diào)分配,從交叉口信號配時和空間優(yōu)化設(shè)計角度提出相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略,并給出相位差的計算模型。

2 跨河橋交叉口擁堵成因分析

濟南市共有4條大型河流及120條中小河流[8],部分河流流經(jīng)城市內(nèi)部,形成眾多跨河橋交叉口。通過實地踏勘,依據(jù)交叉口車流離散規(guī)律將跨河橋交叉口歸為3類(如表1所示),并發(fā)現(xiàn):濟南市城市內(nèi)部跨河橋交叉口間距普遍小于規(guī)定值150 m[9],交通關(guān)聯(lián)性強;為弱化關(guān)聯(lián)交叉口間的相互干擾,在現(xiàn)行交通組織中多將次路(沿河道路)實施單向交通組織,同時壓縮交叉口左轉(zhuǎn)車流通行時間,以實現(xiàn)主路(跨河道路)直行車流快捷暢通的目的。但結(jié)果卻未達到預(yù)期目標(biāo),擁堵時有發(fā)生,其擁堵成因如下。

表1 濟南市跨河橋交叉口分類

(1)交通流沖突嚴(yán)重。雖然單向交通使整個交叉口組織簡單化,但是直行與左轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)之間的車流沖突問題依舊嚴(yán)重,大大增加行車延誤,車流沖突點如圖1所示。

圖1 跨河橋交叉口交通流沖突示意圖

(2)交叉口間距過短。高峰時段,交叉口左轉(zhuǎn)車流無法在有效綠燈時間內(nèi)通過交叉口,車輛在交叉口間路段積壓排隊致使下游交叉口排隊車輛經(jīng)常蔓延至上游,阻礙上游交叉口車輛通行,形成死鎖。

當(dāng)交叉口間距小于交叉口最小間距時需要進行一體化設(shè)計[10],因此將跨河橋交叉口看成一個系統(tǒng),基于車流離散規(guī)律,對相位和空間進行優(yōu)化設(shè)計,消除較為嚴(yán)重的沖突點,減少交叉口間排隊長度,協(xié)調(diào)控制各個方向交通流有序高效運行,提高系統(tǒng)通行能力。

3 跨河橋交叉口協(xié)調(diào)控制策略

3.1 非對稱相位設(shè)計

Ⅰ型跨河橋交叉口主路采用干線協(xié)調(diào)控制,不產(chǎn)生排隊。但次路左轉(zhuǎn)流量較大,南北進口同時放行左轉(zhuǎn)交通流存在沖突(如圖2所示),車輛只能利用可穿越間隙通過交叉口,大大增加行車延誤,倘若車輛在交叉口間路段滯留,極易造成交叉口死鎖。因此,采用非對稱相位設(shè)計,即次路各進口分別單獨放行,主路各進口同時放行,相位設(shè)計如圖3所示。

圖2 左轉(zhuǎn)車流沖突

圖3 非對稱相位設(shè)計

假設(shè)第一相位為交叉口B南進口放行。當(dāng)?shù)谝幌辔唤Y(jié)束時,南進口與下游交叉口A東進口信號之間存在協(xié)調(diào)相位差θ,使車隊最后一輛車順暢駛出下游交叉口A,減少車輛滯留。

(1)

式中:L為交叉口間距,m;v為交叉口間的平均行駛速度,m/s。

第二相位與第三相位零相位銜接。交叉口A北進口左轉(zhuǎn)車流可不停車駛出下游交叉口,而主路直行車流跟隨左轉(zhuǎn)車流通行實現(xiàn)無縫銜接,提高綠燈時間利用率。相位設(shè)計配時圖如圖4所示。

圖4 非對稱相位設(shè)計配時圖

3.2 基于波動理論相位設(shè)計

針對Ⅱ型跨河橋交叉口間距可滿足次路左轉(zhuǎn)車輛排隊需求的特點,犧牲左轉(zhuǎn)車流的通行權(quán),使其在交叉口間路段排隊以消除左轉(zhuǎn)車流間沖突點,如圖5所示,相位設(shè)計方案如圖6所示。

圖5 左轉(zhuǎn)車輛沖突消除

圖6 基于波動理論相位設(shè)計示意圖

同時,為確保排隊不溢出,還需運用波動理論對相位差進行優(yōu)化設(shè)計。以交叉口B為例,南進口放行時,直行、右轉(zhuǎn)車流可直接駛出交叉口,左轉(zhuǎn)車輛在交叉口間排隊。當(dāng)左轉(zhuǎn)車流消散波傳至交叉口B前,切換相位。因此整個過程的時間關(guān)系滿足下式

w1(ta+ts)=w2ts

(2)

w1(ta+ts)≤L

(3)

ta=TAE=gBS

(4)

θ=ts

(5)

由以上各式推導(dǎo)可得

(6)

式中:θ為交叉口A東進口與交叉口B東進口與第二相位的相位差,s;ta為停車波波速,km/h;ts為啟動波波速,km/h;w1為停車波傳播時間,s;w2為啟動波傳播時間,s;L為交叉口間距,m;TAB為交叉口A東進口紅燈時間,s;gBS為交叉口B南進口綠燈時間,s。

另外,為防止交叉口間路段有車輛滯留而產(chǎn)生額外延誤,增加下游交叉口綠燈時間η清空滯留車輛,計算方法同公式(1)。

通過公式(6)可以看出,跨河橋交叉口協(xié)調(diào)相位差與波速和進口綠燈時間有關(guān),并應(yīng)根據(jù)車流到達率和車速進行實時動態(tài)調(diào)整。相位設(shè)計配時如圖7所示。

圖7 相位設(shè)計配時圖

圖8 搭接相位設(shè)計配時圖

3.3 搭接相位設(shè)計

Ⅲ型跨河橋交叉口主路左轉(zhuǎn)流量大,現(xiàn)行交通組織主要有兩種:一種是主路東西進口直行通行時,左轉(zhuǎn)車輛在進口停車線處停車排隊;另一種是左轉(zhuǎn)車輛駛?cè)虢徊婵陂g路段并停車排隊。前者保障了行車安全但增加了行車延誤,后者雖在一定程度上縮短了行車時間,但是對向左轉(zhuǎn)車流相互干擾,易誘發(fā)事故。鑒于此,首先對交叉口進行渠化,將交叉口間路段最內(nèi)側(cè)車道分別改造為對向車流的左轉(zhuǎn)待行區(qū),主路左轉(zhuǎn)車輛利用該區(qū)域進行左轉(zhuǎn),消除了左轉(zhuǎn)車流間的相互干擾。采用搭接相位設(shè)計,主路左轉(zhuǎn)車流可充分利用直行綠燈時間駛?cè)胂鄳?yīng)待行區(qū)排隊,減少交叉口內(nèi)的行車時間。

為保證主路左轉(zhuǎn)車輛不發(fā)生排隊溢出,在第二相位結(jié)束時存在相位差θ清空左轉(zhuǎn)待行區(qū)內(nèi)的車輛,θ計算方法同公式(1)。

4 案例分析

選擇濟南市西工商河路與師范路交叉口作為算例。西工商河路與師范路交叉口屬于Ⅱ型交叉口,其中師范路雙向四車道,一塊板斷面形式;西工商河路為南北走向的沿河道路,由西工商河分隔成為西工商河西路和西工商河?xùn)|路,單車道。兩交叉口交通關(guān)聯(lián)性較強,高峰時期該交叉口經(jīng)常因排隊溢出而形成擁堵。交叉口現(xiàn)狀流量見表2。

表2 交叉口流量表 單位:veh/h

以此為例,通過優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比驗證模型的可行性。已知條件如下:兩交叉口間距L=42 m,主路綠燈時間為45 s,次路綠燈時間35 s,黃燈時間3 s。停車波波速1.84 km/h,啟動波波速14.6 km/h。路段平均車速20 km/h?，F(xiàn)狀配時方案如圖7所示,其中θ=0 s,η=42 s。

應(yīng)用Ⅱ型相位差計算模型對該交叉口進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化結(jié)果對比如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出,配時方案優(yōu)化后,增加了θ時長,使南北進口左轉(zhuǎn)車輛能夠完全駛出交叉口或在交叉口間路段排隊,以免堵塞主路通行。與此同時,清空滯留車輛的η時長得以優(yōu)化減少,整個周期時長大大降低。

表3 優(yōu)化前后配時對比

利用VISSIM仿真軟件設(shè)置檢測器,從行程時間、排隊長度和系統(tǒng)延誤三方面,對案例進行仿真對比分析與評價,結(jié)果如圖9、圖10和表4所示。

圖9 行程時間對比

圖10 排隊長度對比

表4 系統(tǒng)平均延誤和通行能力對比

由表4可知,實施協(xié)調(diào)控制策略之后,在不影響跨河橋交叉口主路直行車流行程時間的同時,南、北進口左轉(zhuǎn)車輛行程時間有較大幅度降低,下降比例分別為13.27%和18.04%,進而提高了該方向的通過能力,通過車輛數(shù)分別上漲13.84%和15.32%,主路直行方向通過車輛數(shù)也因此增加約7%。各個進口排隊長度均有不同比例的下降,尤其是跨河橋交叉口間路段,即交叉口A東進口和交叉口B西進口的排隊長度,分別下降51.56%和35.14%,有效的避免了交叉口排隊車輛溢流情況的發(fā)生。表4數(shù)據(jù)顯示,優(yōu)化后系統(tǒng)平均延誤下降17.50%,整個交叉口系統(tǒng)通行能力提高8.02%,通行效率大大提升。

5 結(jié) 論

針對跨河橋交叉口間距短、關(guān)聯(lián)性強,極易發(fā)生排隊溢流的問題,將整個交叉口作為系統(tǒng)進行一體化設(shè)計。在剖析車流特性的基礎(chǔ)上將跨河橋交叉口按車流運行規(guī)律歸為3類,以消除沖突點為原則,避免排隊溢出為約束,提高系統(tǒng)通行能力為目標(biāo),提出相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略,并推導(dǎo)了相位差的計算模型。運用VISSIM仿真軟件對濟南市西工商河路與師范路交叉口進行仿真評價,結(jié)果顯示跨河橋交叉口間的排隊長度明顯減少,整個交叉口系統(tǒng)通行效率有較高提升,證明模型有效。