德国现代有轨电车平交口交通信号相位分布

2015-11-30虞笑晨

城市道桥与防洪 2015年11期

关键词：左转车流交叉口

虞笑晨

(德国达姆施塔特工业大学)

德国现代有轨电车平交口交通信号相位分布

虞笑晨

(德国达姆施塔特工业大学)

有轨电车在通过交叉口时，由于其铺设在道路中间的特殊轨道位置导致无论是直行还是转弯有轨电车都和普通道路交通存在较多冲突点。合理地运用相位分布可以减少有轨电车和其他道路交通之间的交通冲突。但是由于有轨电车出现频率的有限性，“过度设计”会导致交叉口通行能力大幅度地下降。

有轨电车;平面交叉口;交通信号;相位分布;优先权;相位开放

1 德国有轨电车平面交叉口相位分布控制要点

相位分布也是有轨电车交叉口信号灯控制中的一个重点，其本质也是交叉口通行能力和交通安全上的一个协调。但是在德国有一条设计原则:交叉口的信号相位分布，应尽可能地以利于社会车辆运行的方式进行设计。因为有轨电车由于其每小时固定的班次和运营间隔在每个小时内出现的量是很有限的，所以在设计中应当作为“特殊交通参与者”来考虑，否则，会造成其他交通参与者服务水平的大幅度下降。

1.1 相位分布——转弯的有轨电车

由于有轨电车轨道是成对地铺设在道路中央，所以转弯有轨电车，尤其是右转的有轨电车在相位分布时需要特殊考虑，因为它的这种转弯方式太不符合平时道路交通的行驶方式。在德国交通信号控制规范[1].[2]里提到两种方案，即转弯有轨电车是否采用专用相位，两种方案的实质是安全性和通行能力的一个竞争。当其采用专用相位时(图1(a))，必然会有大量的相位转换损失时间，并且在专用相位内，其他社会车流对于相位的利用率也较低。但此时有轨电车行驶时可以用“通行”信号灯(F2/F3信号灯)，即有轨电车可以畅行无阻。相反，如果使用允许信号(F5)时(图1 (b))，有轨电车驾驶员和普通道路交通司机一样，要在交叉口等候并让行直行车辆，因为此时有轨电车是道路交通的一部分，必须遵守道路交通法规，只有当出现足够的车头时距后，其才会选择通过，这种相位分布将配以“优先通行”信号，以提示有轨电车驾驶员让行直行车辆。这种方法的好处是，可以充分利用普通车辆相位中的绿灯时间完成有轨电车的运行，省去了不必要的相位转换时间。

但很可惜，对此在规范中和实际工程经验中都没有比较明确的数据去衡量:多少直行车或多少频率的有轨电车下就必须将其相位分开。所以在德国工程师利用交通仿真软件和实际工程的不断跟踪调查确定能否将转弯有轨电车和直行车在一个相位放行。但交通工程设计师表示，如果转弯有轨电车和直行车一起放行的话，还有一个冲突点就是有轨电车和行人的冲突，而且这个因素不可忽略。

图1 转弯有轨电车使用独立相位(a)和不使用独立相位(b)信号配时范例示意图

1.2 相位分布——直行有轨电车和左转车辆

有轨电车的轨道经常铺设在道路当中，因此直行有轨电车与其右侧的左转车辆之间存在很大安全隐患。但对于这个问题的处理，并未在德国信号控制规范中涉及，在实际工程中根据实地交通情况的不同有很大的灵活性。笔者通过访问德国有轨电车运营公司、道路交通工程设计单位，以及高校教授，对常见的几种处理方法做了个整理和总结。

1.2.1 方法-:使用交叉口优先权①

方法一是不使用信号控制将直行有轨电车和左转车流分开，即把两者放在同一个相位内，即采用最常用的两相位方式进行相位分布，而其安全通过德国StVO中的道路交通规定来实现。在德国的StVO中明确规定:左转车辆必须让对方直行车辆以及行驶于其左边的公共交通(有轨电车)顺畅地通过。也就是说车辆一般到交叉口先减速停车，等确保安全后再通，见图2所示。

图2 直行有轨电车和左转车流相位分配方案-示意图

这种方法使得有轨电车和左转车辆之间不受信号控制，主要依靠驾驶行为来约束。比如假设驾驶行为完全符合规范的情况下，其目的是通过适当地、小幅度地降低安全性，从而减少相位切换所带来的时间损耗，对左转车流的服务水平有较大幅度的提高。尤其在德国，有轨电车清空所要的绿灯间隔时间相当长。但是在实际中这种提高通行能力的想法，往往未能得到很好的实现(详见下文)。

1.2.2 方法二:对有轨电车开放特殊相位

这种方法是感应信号控制的灵活应用，也是在城市投入有轨电车以后的一种特殊信控方案。在没有有轨电车到达的情况下，交叉口按照两相位控制，而有轨电车的信号处于红灯状态。当感应到有轨电车来时，开放有轨电车绿灯，并关闭左转车辆的绿灯，而和有轨电车同向的直行车则继续畅行。其好处是仅在有轨电车来时左转车流才会受影响，困难的是要准确及时地感应有轨电车的到达，并及时开启其特殊相位，见图3所示。

图 3 直行有轨电车和左转车流相位分配方案二示意图

和方法一相比，其区别在于有轨电车到达的那一刻左转车流会被限制通行，换而言之，方法一也就在“有轨电车到达时左转车能继续通行”这一点上对通行能力有所帮助。但通过交通仿真分析，会发现一个现象，当在使用方法一分配相位时，每辆左转车到达交叉口其等候时间(大约2 s)加之其加减速所需要的时间差不多达5 s，如果当左转车辆数达到一定数量后，其等候的时间会随之累加，甚至远远超过相位转换需要的时间。笔者就这个现象进一步利用交通仿真软件Vissim做过定量分析，当每小时两个方向的左转车不足10 veh/h，方法一的小时平均延误只比方法二少了3 s左右，随着左转车的增加方法一的优势会越来越小。Prof. Follmann明确指出，只有当有轨电车及左转车辆都足够少时，方法一才是有可能的，否则方法一无论从安全性和通行能力上来看都是不利的。

(注①方法一和方法二的使用前提是，在不考虑有轨电车时，左转车流和直行车流确实可以在同一相位旅行。)

1.2.3 方法三:直行车(车辆+有轨电车)和左转车辆分置相位

这种方法是最简单的方法，在中国目前也很常用。当不考虑有轨电车时，左转车和直行车因为出于安全考虑必须给予两个独立的相位，很自然，直行的有轨电车和直行车辆放在同一相位方行。而且这种方法在定时控制下也可以实现。当然这种情况下势必有大量时间花在相位转换之间，见图4所示。

图4 直行有轨电车和左转车流相位分配方案三示意图

1.2.4 方法四:左转车在特殊相位开放

这种方法来源于德国较为典型和成熟的感应控制方法，即有交通需求才开放其相位。当左转车辆确实车流量不大时，该种方法既能从安全性角度出发达到方法三的高度，也能在整个交叉通行能力上也介于方法一/二和三之间。对此笔者用仿真软件做过进一步研究，发现这种方法的缺陷主要是在于左转车流的通行能力。从仿真模型中发现，在该方法下左转车延误最严重，甚至差于方法三，原因也比较好理解，方法三情况下，在相位转换时到达的左转车可以马上在下一相位通行，而在方法四，此时到达的左转车在该周期内其相位已被错过，必须要等下一个周期才能被开放，也就是说可能通过相位置换实现“左转车的优先”后，方法四才能满足左转车的需求，见图5所示。

图5 直行有轨电车和左转车流相位分配方案四示意图

可见，处理直行有轨电车和左转车辆时其相位分布极其灵活，根据安全性和不同交通参与者的通行能力各有利弊，所以关键是要对交叉口的交通情况做出一个基本了解和预判，以便选取最合适的方法。

2 德国控制方法对中国适用性的探讨

首先对德国信号控制规范中提及的转弯有轨电车的相位分布进行探讨。从德国实际工程角度来看，现在很少采用允许信号灯F5的相位分布方式，因为随着交叉口的交通量增大，这种方法存在一定的交通隐患。而且，从中国的运营情况来看，还没明确有轨电车究竟是道路交通还是轨道交通。从官方来说，有轨电车属于轨道交通，在交叉口有优先权;但从道路交通规定来说，直行车让转弯车辆是有违道路交通法的内容的。所以从客观交叉口交通情况和法律背景层面来说这种方法在中国不适应。

那么对于转弯的有轨电车使用独立的专用相位时，是采用常规相位，还是采用特殊相位呢?尤其是对于右转的有轨电车，因为在道路交通中一般情况下是没有这个方向的独立的信号灯组及相位的。在上海对于转弯的有轨电车采用的是常规相位，其优点是容易实现，即使在定时控制也能完成;但缺点是这个相位的利用率一般较低，尤其在中国当下有轨电车班次比较稀疏的情况下，往往这个相位没有有轨电车出现的频率远远大于出现有轨电车的概率，更不用说同时出现两个方向有轨电车的几率了，并且对于有轨电车的信号优先是有限制的，因为它作为常规相位总是按照固定的相位顺序出现在周期内，对于有轨电车信号优先有利的“相位置换”往往不被考虑。反之，特殊相位，如沈阳浑南地区的信号控制方法，其好处是只有当有轨电车出现时才会开启该相位，理论上对社会交通影响较小，省去不被使用的相位时间和相位转换时间，同时该方法容易和相位置换结合在一起，使得有轨电车的信号优先进一步改善;缺点是必须是感应控制而且有轨电车信号请求必须成功，否则无法开启特殊相位。同时对信号控制的设计者和管理者要求较高，怎样在周期中插入特殊相位是个必须思考的问题。

但从沈阳的情况来看，特殊相位的使用并不是很成功，尤其是在主-主相交的“大”交叉口，以富民街-浑南大道这个交叉口来说，本来就趋于饱和的交叉口在有轨电车特殊相位的影响下雪上加霜。因此德国达姆施塔特Rheinstraβe- Neckarstraβe-Kasinostraβe这个交叉口提供了很好的范例，其插入特殊相位一般有两个原则:一者，原则上保持社会交通各个车流的相位在周期内只出现一次，否则的话，势必造成交叉口车流的不平衡，即一个方向车流延误特别大，而被二次开放的交叉口车流早就被放行完;二者，为了提高有轨电车信号优先的灵活性，保证每个非有轨电车相位结束时都可以直接开启有轨电车相位。要同时满足这两个要求的一个表征则是:两个方向转弯的有轨电车尽可能灵活地和不同方向的车流进行组合。从这个意义上讲，上述的第二个要求其实质也是一种“相位置换”，但和普通相位置换不同的是，在有轨电车的特殊相位中，与其组合的社会车辆是不同的。

如果这个条件不能满足的话，还是建议使用如同上海张江类似的常规相位模式，尽管常规相位会有一定的相位损失并造成社会车辆的延误，但只要在信控设计过程中确实是从交通工程学和实际交通情况出发的话，对社会车辆影响会减到最小，因为其相位在周期内只开放一次。

对于直行有轨电车和左转车流的相位分布的问题，当直行和左转车流可以同时放行时，方案二比较优越;如果同时放行有安全隐患的话，方案四对左转车辆比较少时相当实用。尤其是方案二的使用，是感应信号控制方法对有轨电车的一个针对性使用，可以说对中国当代很有借鉴意义，比如对沈阳浑南有轨电车2号线在沈本大道到机场附近的很多交叉口来说。但不难发现，无论方案二还是方案四都必须依靠感应控制，所以这就要求人们即使没有考虑有轨电车信号优先，也要先做好灵活应用感应控制。

由此可以得出另一个推论，在当今德国有轨电车信号控制的相位设计时，无论对左转还是直行有轨电车一般都采用独立相位，并且多数以特殊相位形式开启，其根由就是感应信号控制下的有轨电车开启能最大限度地减小有轨电车运营对交叉口社会车辆通行能力的影响。所以如何运用好感应信号是有轨电车投入以后相位设计的关键所在。