信号交叉口可变车道主预信号配时协调关系研究

陈东静，李林波，朱 锐，吴 兵

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

信号交叉口可变车道主预信号配时协调关系研究

陈东静，李林波，朱 锐，吴 兵

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

为缓解各流向交通流量分布不均导致的交叉口特定流向交通拥挤，减少道路交叉口的资源浪费，基于主信号和预信号联合控制的信号交叉口控制方法，采用预信号换道线的概念，对预信号的设置方法进行分析，提出了车道属性过渡中预信号的配时方案及其计算方法;通过交通仿真软件VISSIM分别对设置可变车道前、后以及不同的主预信号协调方案进行了对比。研究表明:该方法能够使关键状态参量（如延误）显著降低。

交通控制;动态车道;主信号;预信号;信号交叉口

0 引言

近年来，城市交通出现日趋紧张的局面，其中交叉口延误所占比例远大于路段延误。因此，提高城市道路交叉口的运行效率对于缓解城市交通拥挤具有至关重要的作用。

OD需求的变化常会导致某些时段内城市道路交叉口不同方向的车道利用与实际交叉口到达流量不匹配，为了避免这种不匹配带来的道路设施利用不充分，国内外有许多学者提出通过交叉口的动态车道划分来提高交叉口通行能力，减小交叉口延误。Arthur Harvey，等［1］通过建立车道分配模型，实现了可变车道的分配问题;王京元，等［2］通过建立车道功能划分矩阵得出信号交叉口车道功能的划分方法;钟章建，等［3］从非饱和条件下信号控制交叉口单个车道出发，以所有车辆车均延误最小作为优化目标函数，提出基于时空资源组合的车道功能动态划分模型;曾滢，等［4］从信号控制交叉口时空关系分析，建立了动态车道功能与信号相位组合模型;傅立骏［5］以实时交通流量指标作为控制参数，提出了一种基于动态交通的可变车道神经网络自适应控制方法。

然而，上述研究并没有考虑在实际交叉口动态车道划分中，由于车道属性的突然变化，驾驶员需要一定时间反应并做出决策，需要一定的距离改变行驶车道。因此，单纯依靠交叉口动态车道功能的划分可能会造成驾驶员缺少足够时间来反应决策而造成车辆驶入错误车道，导致交叉口的运行混乱。基于此，一些学者提出交叉口主预信号的联合控制方法。英国运输局于1991年在一份关于促进公交发展报告中首先提出预信号控制的概念［6］，之后相继有研究人员根据各自的具体研究对象对主预信号联合控制进行了深入的细化研究。Wu Jianping，等［6］和 Oakes，J.Thellmann，等［7］在研究公交优先时提出通过设置双停车线让公交车辆优先进入交叉口，而社会车辆则在预信号换道线后排队等待，以此实现公交车辆在信号交叉口的优先控制;张卫华，等［8］在进行公交优先的研究中确立了主信号和预信号换道线之间距离的计算方法，并针对主信号与预信号之间配时的相互协调关系提出了相关改进方法;梁潇［9］根据不同交通状态下可变车道所能体现的功能不同，研究了在高流量和低流量下主、预信号的控制思路及流程;李丽丽，等［10］对双停车线布局方法进行了研究，并确立了主、预信号之间的配时协调关系;周立平，等［11］在详细分析主副功能信号灯配时关系的基础上，建立了转向可变车道长度最大值和最小值的计算模型;杜丹丹，等［12］在详细分析锯齿形公交优先车道工作原理和工作流程的基础上，对公交候驶区的长度和主、预信号的信号配时协调关系加以了研究。但是研究发现，虽然目前关于交叉口主预信号联合控制的研究较多，但大都基于公交优先来进行，只有少量研究是针对社会车辆研究的，而且已有研究在主预信号灯色和时间协调的选择上还有待进一步优化。针对以上问题，笔者提出基于预信号换道线的主预信号配时协调方法。

1 主预信号的设置布局

1.1 可变车道的设置条件

信号交叉口可变车道的设置需要考虑交叉口不同流向的车道利用情况。如果对于各流向车道利用情况长期较为固定的交叉口，只需将不同流向的流量及各方向饱和流量进行对比即可确定一个固定的车道功能分配方案。因此，并不是所有的信号交叉口都适宜可变车道的设置。总体来说，可变车道的设置条件可分为以下3点:

1）信号交叉口可变车道方向的左转车流和直行车流在不同的相位放行。

2）信号交叉口可变车道方向要求至少有4条渠化车道，保证左转、直行、右转车辆至少各1条车道，并且留有余地供设置可变车道。

3）预设置可变车道的交叉口进口道多次出现时段性、方向性不均衡交通流。不均衡交通流出现的频率和不均衡程度在此暂不做研究。

1.2 主预信号的设置条件

对于一般的城市交叉口来说，右转车流对交叉口的影响较小，因此在本研究中不对右转车流进行单独考虑。在交叉口设有可变车道的条件下，当某车道交通流状态发生变化，即左转车流或者直行车流流量逐渐增大，直至过饱和状态，而可变车道为非饱和状态时，改变可变车道车流的通行方向，可以在一定程度上缓解过饱和车道的通行压力。这种利用可变车道合理分配交叉口直行和左转时空资源的方法即为可变车道控制，而实施可变车道控制之前需要判别是否执行可变车道控制，即确定可变车道控制的触发条件，其触发逻辑图如图1。当交叉口设置有可变车道时，需要通过主预信号灯的设置来保证可变车道的安全性、提高可变车道的运作效率。

图1 可变车道控制触发逻辑Fig.1 Control triggers logic of variable lanes

为便于分析问题，假设:①交叉口主信号的信号配时不会随到达流量的变化而发生变化，即主信号的信号控制采取定时控制;②交叉口车道的相位设置为该方向先直行后左转;③车道通行能力不小于交通需求，即通过可变车道的设置可以有效疏解每个信号周期内的到达流量;④除去可变车道，交叉口车道还有其它车道供各方向车辆通过交叉口。

1.3 预信号的设置布局

在交叉口渠化区上游设置1条平行于主信号停车线的直线，用虚线表示，命名为预信号换道线，并给出如下条件:①不管可变车道是否可为该方向利用，车辆都可以由其它车道进入渠化段，在该线后没有停车现象，通过在预信号换道线上设置预信号来控制待进入渠化区的车辆，使这些车辆选择可利用的车道;②在可变车道主信号和预信号设有直行和左转两个箭头的指示灯;③当预信号的直行标志为绿色、左转标志为红色时，表示可变车道为直行车道;反之，可变车道为左转车道。布局如图2。

图2 预信号设置布局Fig.2 Distribution of intersections entrance with pre-signals

1.4 主信号停车线与预信号换道线之间的距离

主信号停车线与预信号换道线之间的距离主要考虑以下3方面的因素:

1）渠化段（L1段）的长度需要保证1个周期内该方向的车辆能够全部存入渠化段。考虑到1天之中各车道各方向的车流到达较不均衡，结合本研究中具体交叉口的车辆到达和主信号的信号配时情况，取L1段的长度为45 m。

2）车辆由预信号换道线进入渠化段之前（L2段）必须有充分的距离使车辆完成换道，L2取28 m为宜［8］。

3）车辆在预信号绿灯末期进入过渡段之后有足够时间离开主信号停车线，即这部分车辆在到达主信号停车线时，主信号显示该方向的灯色应为绿色，车辆可以通行。

2 主预信号配时协调关系分析

当交叉口进行主预信号联合控制时，除了要确定主信号的相位配时方案外，还要确定主信号与预信号配时之间的协调关系。目前，关于主预信号配时的协调在交叉口公交优先控制中研究的比较多，在这些研究中，预信号的设置主要是基于以下两点进行的:①设置预信号红灯，确保主信号红灯期间到达交叉口的公交车辆停靠在社会车辆的前面，减小公交车的停车延误;②预信号绿灯时间启亮要早于主信号绿灯启亮时间，尽量减小由于公交车辆优先引起的主信号绿灯损失。

基于公交优先信号交叉口预信号设置的前提，所以在计算预信号绿灯提前时间时社会车辆的速度是由0开始加速的，而在本研究中不分公交车辆与一般社会车辆，不管可变车道是否可为该方向利用，车辆都可以由其它车道通过交叉口。因此，在计算预信号绿灯提前时间时车辆速度不能由0开始，需要寻求新的计算方法。为了说明方便，以下在进行主预信号协调关系的分析时，只将主信号分为绿灯和红灯两种灯色来考虑。

2.1 可变车道属性由直行变为左转

可变车道的属性由直行变为左转时，主预信号之间的信号协调配时如图3。

图3 直行-左转主预信号协调配时Fig.3 Coordinate relationship between main signals and pre-signals on through-left turn movements

图 3 中，gt，gl，t1，t2分别代表直行绿灯、左转绿灯、预信号黄灯时间、预信号提前绿灯时间。为了保证周期的稳定性，预信号与主信号具有相同的周期时间。

1）t1为预信号黄灯时间，在该时间内越过预信号换道线的直行车辆可以进入可变车道，但是需要左转的车辆则要等预信号左转方向的灯色显示为绿色时才能进入该车道，因此为了避免灯色变化引起车辆运行混乱，应保证在t1时间内直行车辆能够通过过渡段进入渠化段。计算方法如下:

式中:vs为车辆平均行驶速度，m/s;l2为过渡段长度，一般取28 m。

2）因为实际交通流的到达存在一定不均匀性，一天之中交通流会呈现高峰和平峰的状态，因此可变车道的直行车辆可能很少。也就是说，大多数情况下可变车道上游的左转车辆与可变车道的直行车辆之间存在较大未被利用的空间，所以需要将预信号左转方向的绿灯启亮时间比主信号绿灯启亮时间早t2。由前面的分析可知，t1时间的设置只能保证直行车辆在预信号黄灯时间内顺利通过过渡段。为了保证直行车辆通过主信号停车线，不影响之后的左转车辆利用可变车道，还需保证进入可变车道的直行车辆能够离开该停车线，因此有:

3）由图3 可知，gt预=gt主-t1-t2，为了提高交叉口车道绿灯的利用效率，减少交叉口的车辆延误，在保证t1，t2的情况下，需要使预信号直行方向的绿灯时间尽可能长，所以t1，t2的取值理应尽可能的小，因此有:

2.2 可变车道属性由左转变为直行

可变车道的属性由左转变为直行时，主预信号之间的信号协调配时如图4。

图4 左转-直行主预信号协调配时Fig.4 Coordinate relationship between main signals and pre-signals on left turn-through movements

图4中，t3，t4分别代表预信号黄灯时间、预信号提前红灯时间。预信号提前红灯的设置是为了保证该周期内可变车道的左转车辆能够全部通过主信号停车线，以免影响下一周期的直行车辆通行。之所以设置预信号提前红灯而非预信号提前绿灯，是因为该相位的主信号相位为左转相位，下一相位为交叉口其它车道方向车辆的通行时间，所以在这部分时间内，待直行的车辆有充分的时间进入可变车道，因此设置预信号提前红灯，最大程度的避免进入可变车道的直行车辆出现跟随前面左转车辆的行为。t3，t4长度的考虑同t1，t2相同，即:

3 仿真验证

为了验证方法的可行性，利用仿真软件VISSIM进行模拟分析。

3.1 仿真基础资料

以上海市虹许路—延安西路交叉口为例，图5是其交叉口的渠化情况和现状信号配时方案，其中南北直、南北左、东西直、东西左的显示绿灯时间分别为 22，25，70，60 s，黄灯时间都为 3 s。

图5 虹许路—延安西路交叉口渠化及其信号配时方案Fig.5 Channelization and signal timing formula of Hongxu Road-Yananxi Road

虹许路—延安西路毗邻上海虹桥枢纽，相交道路都为城市主干路，2011年的观测交叉口高峰小时流量达8 036 pcu（各方向早高峰小时交通流量如表1），交叉口服务水平处于D级，交通拥挤现象严重。经过研究，在该交叉口南进口采取可变车道控制，即将与直行车道相邻的左转车道设为可变车道。在仿真中，将该车道的属性由现状的左转变为直行。

表1 交叉口早高峰小时交通量Table 1 Traffic volume of intersection at morning rush hour/（pcu·h-1）

3.2 仿真结果分析

由于VISSIM仿真不能模拟车道属性的变换，因此在南向车道处通过将一条可变车道设置为两条空白车道的方法来模拟车道属性的变换，即当可变车道属性为直行时，用右边的空白车道作为可变车道;当可变车道属性为左转时，用左边的空白车道作为可变车道，空白车道之间的转换通过信号灯的设置来控制，空白车道具体设置如图6中的黑色虚框线所示。

图6 空白车道设置位置Fig.6 The setting position of vacancy lanes

式中:d1，d2分为左转和直行的延误;q1，q2分为左转和直行的流量。

分别通过将设置可变车道前后的车均延误，以及以初始速度为0的预信号优化方法与本文的预信号优化方法得到的车均延误作对比，得出延误对比如图7～图9和表2。在本研究中令综合延误指标:

图7 设置可变车道前后直行车车均延误对比Fig.7 Average delay change comparison of the straight vehicle before and after setting variable lanes

图8 设置可变车道前后综合延误对比Fig.8 Comprehensive delay change comparison before and after setting variable lanes

图9 不同算法下的综合延误对比Fig.9 Comprehensive delay change comparison with different algorithms

表2 仿真时间为1 h的综合车均延误对比Table 2 The average delay comparison in an hour /（s·veh-1）

由图7可知，通过设置可变车道可显著减少该交叉口直行车的车均延误。

由图8和表2可以看出，可变车道的设置对综合延误的减少虽然并不是很明显，但左转车辆与直行车辆的车均延误更加均衡，这对于城市交通控制是非常有意义的。因为对于很多城市来说，交叉口的间距很小，如果单纯追求综合延误最小，而忽略某些方向的车辆延误，往往会使该方向车流发生拥堵，因此有必要均衡不同方向的车均延误，平衡各向车流。

由图9可以看出，在本仿真中，改进算法相对于原来的以初速度为0的算法来说，综合延误有一定程度的减小，但改善效果并不是很明显。经分析，出现这种情况的原因主要有:①改进算法只是对待进入可变车道车辆的启动速度来进行的算法改进以及相应主预信号协调的改变，改善效果在理论上也不是很大;②虽然研究交叉口的车流量较大，服务水平为D级，但东西向的车流较大，南北向饱和度并不大，因此南车道的交通压力较小，改善的效果也相应较小;③图9是基于每个周期来绘制的，在一个周期的较短时间内改善效果也不可能很明显，因此，笔者进一步配以更长的重复仿真时间，结果见表2，由该表可以看出无论是左转车辆还是直行车辆，车均延误均有一定程度的降低。

4 结语

在信号交叉口信号周期已知的情况下，笔者提出了预信号换道线的概念，通过对预信号和预信号换道线的布置方法进行分析，确定了主预信号之间的周期关系;并对主信号停车线与预信号换道线之间的距离对预信号配时的影响进行研究，得出了可变车道属性变换中主预信号的信号配时协调关系。最后，通过实际案例的仿真分析表明本文中的信号协调方法虽然会略微增加个别方向的车均延误，但就整体车均延误而言，其减小的幅度较为明显。虽然笔者针对的交叉口信号控制为定时控制，但其主预信号配时协调的思想依然可为感应控制或自适应控制交叉口所借鉴，不过主预信号配时协调如何随具体交通量的变化而变化还有待进一步的研究。另外，需要指出的是本文方法在实际应用时还应考虑车道功能变换频率等因素所造成的不利影响，将分析范围扩展至整个交叉口乃至网络上进行综合考虑，将是很有价值的后续研究课题。

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Coordinate Relationship between Main Signals and Pre-Signals of the Variable Lane at Signalized Intersection

Chen Dongjing，Li Linbo，Zhu Rui，Wu Bing
（Key Laboratory of Road＆ Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to alleviate the traffic jam that caused by the traffic flow maldistribution，and reduce the waste of capacity of intersections，a new kind of signal intersection control method was proposed.The proposed control method is based on the combined control of the main signal and the pre-signal in which the concept of the changing line behind the pre-signal was put forward.Meanwhile，the setting method of pre-signal was analyzed，and the timing formula and the calculation method of pre-signal in the process of lane transition were proposed.Then schemes before and after setting the variable lane as well as different coordinate schemes between main signals and pre-signals were simulated and compared with VISSIM.The simulation results show that the method can significantly reduce the key state parameters such as delay.

traffic control;dynamic lane;main signal;pre-signal;signalized intersection

U491.2

A

1674-0696（2013）02-0252-06

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.18

2012-05-14;

2012-10-12

国家高技术研究发展（863计划）项目（SQ2010AA1100330012）

陈东静（1986—），男，四川眉山人，硕士研究生，主要从事交通运输规划与管理方面的研究。E-mail:tianfudejiyi@126.com。