黄岛区长江中路与庐山路信号交叉口优化设计

张朝阳，靳 露，曾俊伟

(兰州交通大学交通运输学院，甘肃 兰州 730000)

0 引言

道路平面交叉口作为道路交通的重要一环，是体现城市道路系统通行能力、行程时间、运营效率以及车流冲突点的关键因素所在。据数据统计：在发达国家，城市内的交通事故有50%～80%发生在道路交叉口及其周边地带；即使在使用附加的专用转向车道、相位信号控制的平面交叉口，其通行能力也只相当于其他路段上的40%～70%；机动车在市区范围内大约消耗1/3的行程时间在道路平面交叉口上，80%～90%的延误时间由平面交叉口造成[1]。这些数据充分地表明城市平面交叉口在城市道路交通方面的决定性作用以及进行城市平面交叉口交通优化设计的重要性和必要性。

随着信号交叉口的不断设置及发展，英国、美国等发达国家率先对此进行了研究。他们以连续的交通流为前提，提出了左、右转专用车道、渠化交通设施等方法，在交通管理方面采用信号控制与交通规则相结合的方法。在信号交叉口控制方面，主要集中在交叉口的信号配时、交叉口延误计算分析，交叉口的交通模拟等[2-5]。在国内，随着我国经济迅速发展，城市化进程的加快，城市交通尤其是交叉口交通拥堵问题突出，专家学者们在借鉴国外经验的同时，对道路交通规划、设计、管理等方面展开了广泛而深入的研究。1998年，顾怀中、王炜等人提出模拟退火全局优化算法应用于交叉口信号配时。[6]2000年，杨东援、杨锦东等人提出周期时长的信号交叉口优化模型[7]。李美玲等人开发出交通组织优化专家辅助系统[8]。2005年，郑长江等人研究了混合交通流条件下的信号交叉口配时优化。[9]在一定程度上缓解了我国城市交通拥堵的局面。在渠化设计方面，国内主要研究成果集中在交叉口的拓宽设计，车道的设置及功能划分，标志标线和交通岛的设置，行人和自行车的组织等[2]。

但我国在道路交叉口设计方案评价方面的研究较少，一些发达国家的道路交通设计虽然比较完善，但其交通结构比较单一，不适合我国道路交通结构比较复杂的实际情况[10][11]。因此，有必要在借鉴国外成功经验的基础上，进一步研究适合我国城市不同交通状况、道路条件和用地性质的道路交叉口设计理论和方法。本文采用多渠化多相位对比方法研究，以不同渠化和相位来运算延误，运用Vissim软件进行效果对比，评测最佳渠化及相位，以使目标交叉口达到更优，对同地区同干线交叉口优化起到借鉴作用。

1 黄岛区长江中路和庐山路交叉口现状交通流运行特性分析

1.1 交叉口现状及数据采集

1.1.1 交叉口现状

长江中路和庐山路交叉口地处黄岛长江路中段的商业区，交通量大，行人多，周围家佳源、佳世客等购物中心都具有多个吸引大量车流、人流的公共建筑物的进出口，并且周围坐落有中石油大学、黄岛汽车总站，更加剧了交叉口的行车压力。作为重要干线和咽喉地位的大型交叉口，在整个主干线起到重要作用。但其现行信号交叉口运行方案不足以承担高峰期交通状况，极易造成交通冲突点，进而发生拥堵现象，由点及线逐步扩大阻塞范围，所以对其进行优化研究设计很有现实意义。

1.1.2 数据采集

研究运用人工调查法进行数据采集，对青岛市黄岛区长江中路和庐山路交叉口进行交叉口延误调查、交通量调查、车辆种类分析。运用点样本法测量交叉口延误。交叉口延误分东南西北四个进口以15 s为时间间隔进行调查，得到每个进口道的停车延误。运用人工测量交叉口高峰小时交通量，得到高峰小时小汽车交通量以及公共汽车交通量。

人工观测现状渠化并计时测出信号配时，绘出相关渠化图(图1)和相位信号配时图(图2)。

图1 交叉口现状渠化图

图2 交叉口现状相位信号配时图

1.2 数据处理以及交通流运行特性分析

1.2.1 数据处理

对采集数据进行进一步的处理，确定长江中路和庐山路交叉口现状交通流运行特性。

对交叉口延误进行相关计算分析，得到每一停驶车辆的平均延误、入口车辆的平均延误，停车百分比等相关数据，如下页表1所示。

表1 现状交叉口延误分析表

此交叉路口公交车的数量相对较多，需要对公交车进行单独的数据处理，然后换算成当量的小汽车数量，根据当量车辆换算规范可知公交车换算小汽车系数为2.5。

根据各进口道机动车交通量调查表，得到最高15 min流率换算的小时交通量qdmn，如表2所示。

表2 交叉口各流向流量及设计交通量表

1.2.2 交通流运行特性分析

运用处理后的数据，经过每车平均信控延误计算，最终可得到交叉口现状交通运行特性，并可得到对应的交叉口服务等级，如表3所示。

表3 交叉路口现状服务等级表

从现状交叉口的平均信控延误可以看出，虽然已符合基本的道路平面交叉口的延误以及服务等级要求，但从实际调查中看出，仍存在冲突点过激导致车辆堵塞情况，有必要进行优化设计使其达到更加理想的交叉口行车畅通效果。

2 长江中路和庐山路交叉口信号控制优化设计

单个交叉口定时交通信号配时设计，要按照不同的流量时段来划分信号配时的时段，在同一时段内确定相应的配时方案。本文仅研究在高峰时段内的信号划分，便于在高峰小时内确定相应的渠化方案。

2.1 交叉口优化设计方案一

2.1.1 交叉口渠化图

根据处理后的基础数据，可以明显发现，交叉口东西方向的车流量较多，冲突点也多存在于东西方向，是优化设计的关键所在，于是取消西进口公交车专用道，改为直右车道，确定图3的交叉口渠化图。

图3 优化设计方案一渠化图

先初步确定了如图3所示渠化方案，初设信号周期120 s，相应的相位方案为三相位，第一相位东西左转，第二相位东西直行加右转，第三相位南北直左右。

2.1.2 流量比

黄灯时间取3 s，绿灯间隔时间取3 s。

经过一系列计算得到各车道流量比、各相位最大流量比。

流量比总和按式(1)计算：

(1)

j——一个周期内的相位数；

qd——设计交通量，pcu/h；

Sd——设计饱和流量，pcu/h。

计算Y值>0.9时，须改进进口道设计和信号相位方案，重新设置。

2.1.3 最短绿灯时间

经过计算后得到流量比总和Y，其值为0.709 9，<0.9，可以继续进行下一步校验。

由于设相位黄灯时间和起始损失时间均为3 s，则各相位显示绿灯时间和各相位有效绿灯时间近似相同。经计算，得到总损失时间L=9 s，从而周期时长C=31 s。根据相关计算得出各相位的实际显示绿灯时间。

最小绿灯时间验算：根据车道的划分，人行横道的长度超过30 m(根据渠化图和车道宽度进行大致估算)，所以东西方向采取路中央设置行人过街安全岛。

最短绿灯时间：

(2)

式中：Lp——行人过街道长度，m；

VP——行人过街步速，m/s，可取1.0 m/s。

经过计算发现最短绿灯时间均大于显示绿灯时间，因此，无法满足行人过街所需的最短时间，需要扩大周期时长重新进行计算。按最短绿灯时间的要求，试将周期时长扩大定为120 s，保持渠化设计方案，以120 s的周期时长重新计算有关信号配时参数。

2.1.4 平均信控延误

各车道饱和度是各车道实际到达交通量与该车道通行能力之比。由于交叉口现在属于设计交叉口，对于设计交叉口，因要满足设计服务水平的要求，不应出现在分析期初留有初始排队的情况，即不应出现有初始排队附加延误，则设计交叉口时各进口道平均信控延误仅为均匀延误和随机延误之和。

整个交叉口的平均信控延误，按该交叉口中各进口道延误的加权数估算：

(3)

式中：dI——交叉口每车的平均信控延误，s/pcu；

qA——进口道A的高峰15 min交通流率，pcu/15 min。

经计算最终得到交叉口信控延误为31.1 s，可知设计交叉口服务水平为C级。

2.1.5 交叉口优化信号配时图

图4 交叉口优化信号配时图(方案一)

交叉口优化设计方案一相位信号配时图如图4所示，信号灯控制相位为三相位，第一相位东西直行，绿灯时间为27 s，第二相位为东西左转，绿灯时间为52 s，第三相位为南北直行左转，绿灯时间为32 s，整个周期不存在全红时间。

2.2 交叉口优化设计方案二

从对交叉口优化设计方案一的结果看来，交叉口的信控延误仅由现状32.8 s缩减至31.1 s，效果甚微，所以接下来尝试另一种优化设计方案。

在方案一中只是把渠化设计相对于现状做出改变，而在方案二中对道路整体进行改造，相对于方案一在东西方向进口道分别增加一条直行车道，并把东西方向的直右车道改成专右车道。东西方向和南北方向的右转车辆均不必停车。信号周期时长由原来的120 s缩短为90 s，确定如图5所示交叉口渠化图。

图5 方案二渠化图

方案二的计算方法及过程同方案一相类似。此种渠化设计方案减轻了东西方向的交叉口道路行车压力，不必再考虑右转车道，相对应的道路交叉口的服务等级达到C级，交叉口信控延误缩减至25.7 s，比方案一降低了5.4 s。优化结果比方案一更理想。

图6 交叉口优化信号配时图(方案二)

交叉口优化设计方案二相位信号配时图如图6所示，信号灯控制相位为三相位，第一相位东西直行，绿灯时间为24 s，第二相位为东西左转，绿灯时间为33 s，第三相位为南北直行左转，绿灯时间为24 s，整个周期不存在全红时间。

2.3 交叉口优化设计方案三

在优化设计方案二中得到了比较理想的效果，但前两次优化设计中均未改变相位，于是考虑将三相位改变为四相位，得到如图7所示交叉口相位图。渠化和周期时长沿用优化设计方案二。

图7 交叉口优化相位图(方案三)

经过优化设计相关研究计算，最终得到优化设计方案三的平均信控延误为32.79 s，相对于方案二的平均信控延误反而扩大，表明此交叉口更加适合三相位的设计模式。

3 优化结果仿真及效果对比

3.1 Vissim仿真模拟

3.1.1 Vissim系统简介

Vissim系统是一个离散的、随机的、以0.1 s为时间步长的微观交通仿真软件。车辆的纵向运动采用了德国Karlsruhe大学Wiedemann教授的“心理-生理跟车模型”，横向运动(车道变换)采用了基于规则(Rule—based)的算法。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。Vissim能够较真实地反映和重现实际交通状况，所以，在平面道路交叉口优化设计的最后，使用Vissim来作为优化结果评测十分必要。

3.1.2 Vissim系统仿真

遵从Vissim软件的规范操作，将方案二数据应用于Vissim系统，进行微观模拟仿真，以达到评测目的。

具体仿真过程为：(1)背景地图采用卫星图；(2)各进口道交通量采用现状交通量；(3)信号周期时长输入90 s，相位信号配时输入方案二数据；(4)设置比例进行路网设置以及交通信号控制设置；(5)设置冲突区域，按照主路优先原则进行车辆通行设置；(6)节点设置用来进行评估。仿真运行结果如图8所示。

图8 Vissim仿真模拟运行实测图

微观运行交叉口通畅无阻，运行正常。运用设置节点法，对仿真模拟进行评测，评测结果如表4所示。

表4 Vissim数据节点评估表

根据节点评估数据，计算得出交叉口的平均信控延误为24.3 s，与常规计算结果基本吻合，优化成功。

3.2 优化效果对比分析

图9 优化效果对比柱状图

本文采用三种不同渠化及相位优化方案，对比数据(图9)可以发现，优化效果最理想的是优化设计方案二。对比方案一可以发现东西方向各添加一条车道，并将信号周期时长缩短为90 s是更加合适此路口的。对比方案三可以发现三相位的信号配时比四相位更加适合此路口。

(1)经过数据处理，可以发现长江中路庐山路平面信号交叉路口现阶段主要问题集中在东西方向交通量大，信控延误时间长，和南北左转直行造成冲突。所以，本文解决其冲突的方法就是要尽量将东西方向信号配时合理延伸，将延误合理降低。

(2)在优化设计阶段，经过多渠化和多信号相位对比的方法，逐渐降低信控延误，信号平面交叉口信控延误从32.8 s缩减至25.7 s，达到了预期的效果。

(3)从多渠化多相位试算中，可以发现信号控制交叉口的通行能力受信号周期时长影响，正常周期时长范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误也随之增长。当信号交叉口延长周期时长所提高的通行能力远大于交通需求时，对通车状况并无多大好处，还会无谓增加车辆延误，所以通行能力过大并无太大意义。在优化设计过程中，需要反复计算，找到最合适的周期时长。

(4)相位选择时，在分析主要冲突点后，首先需要提出多个可行的渠化及相位方案，经过校验后，才能最终确定比较合适的相位，在本文优化设计中可知三相位即为较为适合长江中路和庐山路相位信号平面交叉口的相位设计。

4 结语

城市信号交叉口优化设计是我国城市道路交通体系的重要一环，通过对平面信号交叉口的优化设计，能够有效疏导车流，减轻交叉口拥堵状况，增加通行速度，对于提高交叉口的通行能力有较为重要的意义。遵照平面信号交叉口的人工采集数据标准和优化设计标准，本文分析了黄岛区长江中路和庐山路交叉口现状交通流运行特性，采用多渠化多相位优化方法，逐个比选优化结果，最终确定最优方案，并运用Vissim软件对优化设计结果进行评测，增加了优化结果的可行性及科学性。本文所采用的多渠化多相位比选方法，易于研究，标准直观，结果具备科学性和实用性，为该交叉口的进一步优化提供了科学的参考依据。

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