大连交通大学校门口交通组织优化仿真研究

何南，李铮，何海涛，徐金辰，金承泽

(大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028)*

高校多位于城市繁华地段，来往车流量较大，校内学生人数众多，出行时间又较为集中，特别是在早晚高峰时间段，极易造成交通拥堵，不仅影响通行，威胁生命安全，还会造成经济和环境损失.

对于城市交通网络优化的研究，国内外已经有了一定的成果，李建斌等[1]采用遗传算法，辅以C++语言编制程序进行模型求解的方法对交叉路口进行优化.山东大学刘治平[2]等从城市道路网的优化改造、城市道路的优化改造的合理定向和城市交通信号灯控制三个层面，提出了优先发展城市公共交通系统的解决交通问题的方法.蔡蕾[3]研究了交通信号的优化配时问题，利用模糊控制、遗传算法等方法，提出了一种城市平面交叉路口交通信号优化控制的设计方案.徐建闽等[4]基于动态子区划分构建了交通信号区域协调控制的双层规划模型，以及协调优化变量的约束方程.梁迪等[5]以沈阳大学为例，建立校内路网使交通安全状况也得到了显著提高.东北大学李巧燕等[6]从交通状况的表征公式入手，建立了交通配时周期的可行域与交叉路口流量以及路口总损失时间之间的联系，最终建立以平均延误时间最小为目标，配时周期处于可行域内为约束条件的优化模型.但之前国内外学者的研究大都集中在一般城市道路或校内交通上[7-15]，在优化方面取得了一定的成效，但是并没有涉及到校门口处交叉路口的交通问题，已有的优化方法和模型并不适用于这一复杂的交通环境.考虑到校门口处道路特定时段的人群密集以及交通拥堵已经构成了对行人安全的威胁，本文以大连交通大学为研究对象，对校门口道路展开研究，寻找问题产生的原因和解决方法.大连交通大学校门前路段情况如图1所示.

1 数据收集

交通拥堵主要发生在车流量和人流量的高峰时期，为寻找问题所在，对高校门口路段进行调研.收集一周早-中-晚高峰时段的15个以上的信号周期内交大路口和黄河桥路口行车数量以及放学后出校过街学生人数，用于定量研究.其中周二和周四的数量规律相近.相比于周二，周三下午出校行人数减少；周一早上和周五晚上车辆数增多；周六、周日出校行人数较少，车辆数增加.通过分析和调查，拥堵在工作日发生最频繁.因此选择周二作为基础进行研究.交大路口和黄河桥路口内各方向行车数量如表1、表2所示，出校过街学生人数如表3所示.

表1 交大路口各方向行车数据表

表2 黄河桥路口各方向行车数据表

表3 出校学生过街数量统计

结合实际调查数据以及资料显示，三个高峰期内的车流量和人流量都有很大提升.特别是在晚高峰时段放学后，外出校门的学生人数众多，过街行人数量激增.路段内行驶的车辆数也是一天中的峰值，包括出校门左转车辆在内，各个方向的车流都有明显的增加.同时，西南路与黄河路的交汇路口处左转车的数量众多，拥堵时排队等待信号灯的车辆甚至延续至交大校门口处.

根据以上数据分析的结果，在研究过程中将校门口处路段的交通问题归纳分类，并针对性地寻找解决方案，进行仿真模拟.

2 主要问题

通过上文的调查和分析可以发现，在校门口处存在诸多交通问题，错综复杂，影响因素环环相扣.为寻找解决方案，本文选择影响最严重的问题进行研究分析，总结为三大类，分别为信号灯配时问题、人车冲突问题、车车冲突问题.

2.1 信号灯配时问题

信号灯配时问题即由于相邻路口信号灯配时不合理，造成了车辆、行人的拥堵.前文提到，西南路与黄河路的交汇路口是整条黄河路上唯一一处允许车辆左转的路口，信号的配时不当，导致滞留在交汇路口至校门口处路段上的左转车辆不能及时离开路口，排队积压.若不能有效疏解，拥堵很有可能会传递到交大校门口处.同时，在校门口处人行横道红灯时间过长，闯红灯现象严重，使得影响进一步扩大.原有的具体配时如图2所示.

2.2 人车冲突问题

人车冲突问题即行人流线和车辆流线发生了严重的交叉冲突，难以避免，甚至威胁到生命安全.从收集到的数据可以看出，人车冲突主要是发生在早中晚三个高峰时期，尤其是在晚高峰时期，校内大量左转车辆出校，与通过人行横道的行人(多为放学的学生)之间发生了较为严重的人车交叉冲突，容易造成拥堵，导致行人和车辆通过路口的效率大大降低.并且由2.1可知，黄河路较大的车流量和不合理的信号配时，严重时会导致车辆拥堵至大连交通大学校门口处，加重了人车冲突的程度.较长的信号周期也造成闯红灯人数众多，交通更加混乱，安全隐患较大，具体冲突如图3所示.

2.3 车车冲突问题

车车冲突即车辆行驶流线之间的交叉干扰，由于车辆自身较快的速度和较大的体积，使得交叉冲突对通行效率的影响比较严重.在该路段行驶的车辆数量众多，路口内左转、调头车与直行车之间的交叉冲突严重，使得通行效率较低，车流疏散受到阻碍.考虑到出现左转、调头车遇到对向直行车不得不停车的情况，后续的直行车为避免受阻需要变更车道，加重交通堵塞，如图4所示.校门口左侧禁止车辆左转、调头，但是由于监管不到位，车辆在此处违章调头的行为时有发生，埋下安全隐患.

3 解决方案

分类总结出主要问题之后，针对问题提出解决方案，根据实际情况考虑方案的合理性，减轻交叉冲突，缓解交通压力，保障行人和车辆通行的安全，实现对高校门口处交通的优化.

3.1 信号配时优化

配时优化主要改正不合理的信号配时，利用信号联动提高相邻路口之间的协调性，实现车辆通行能力的优化.通过数据分析，可知黄河桥处原有的信号配时较为合理，周期为120 s，可以继续使用，因此根据黄河桥信号对校门口处进行联动信号配时的调整.

信号配时的基本原理为，计算行人过街的绿灯有效时长，根据信号周期和各相位流量比确定各方向行车的绿灯有效时长，最后合理安排各个相位的顺序.基本公式和数据如下：

(1)行人绿灯时长

(1)

式中:t为行人绿灯时长；t行为行人反应时间；s为道路宽度；v为行人速度.

(2)行车绿灯时长

g=c-t

(2)

式中:g为行车总时长；c为周期时长.

(3)

式中:gj为每个相位绿灯时间；y为每个相位最大车流量；n为各个相位车流量之和.

(3)经数据收集统计，得出常量取值如下：人行走速度(最慢)为0.8 m/s;人反应时间(最长)为3 s；车行走速度(平均)为3 s/m；车延误时间(平均)为3 s；平均车头距为8 m；黄河路宽为24.5 m；路口距离为34 m.

其中，车辆在左转无干扰时与直行过路车辆的换算系数取1.0，行人的总延误时间取5 s，每两辆车之间的延误时间取1.5 s.

根据公式和常量进行配时的计算.校门口处与黄河桥信号周期保持一致，为120 s，由式(1)可以求出，行人绿灯时长为35 s.黄河桥至大连交通大学校门口的路段长度为250 m，车道内通行速度为30 km/h，可以求得联动配时的延迟时间为9 s.

利用早中晚高峰时期收集的数据，由式(2)可以求出调头车绿灯时长均为2 s，但是为保证车辆的安全顺利通行，取最小限值10 s，周期内剩余时间则为直行车辆绿灯时长：72 s；黄灯时长：3 s.最终得到的信号相位如图5所示，信号联动配时如图6所示.

3.2 转移人车冲突点

针对人车冲突问题，解决方法是将人车流线分离，转移人车冲突点.由于车道已经固定，考虑移动人行横道的位置，先分析影响，确定更为合理的位置，降低人车交叉冲突的程度，缓解人车矛盾.

由数据可知，出校左转车辆较多，与过街行人冲突严重，若将人行横道移至校门口右侧，可以避免行人与出校左转车辆的直接接触，减少人车冲突，从根本上缓解此处的拥堵.移动人行横道会产生新的冲突，即出校右转车辆和过街行人之间的冲突，但是由于右转车非常少，对拥堵产生的影响也很小，因此可以采用该种方式缓解人车冲突.

转移人行横道位置的方案结果及新的冲突点如图7所示.

3.3 左转、调头车与直行车分行

消除左转、调头车影响的基本思路是将左转交通和直行交通分离，单独设置左转车专用车道.左转车道必须作为与其他车道独立的附加车道来设置，原则是使直行车不需要车道变更即能通过交叉口，而左转车应该通过车道变更进入左转车道才能通过交叉口.

在改良交叉路口、设置左转专用车道时，首先要尽量有效的利用道路的宽度，确保左转专用车道基本的宽度.具体方法有:①移动车道中央线及减少车道宽度;②去掉中央分离带;③削除停车带.

通常情况下，左转专用车道的宽度可以降到2.75 m，在大型车很少的情况下，最小可以缩到2.5m.交叉口出口道的车道宽度，希望与交叉口附近以外的道路保持一致，即标准宽度为3.0～3.25 m.

干路上左转、调头车数据如表4所示.

表4 干路上左转、调头车数量

经计算，两侧左转、调头车的数量，大约稳定在每个信号周期4辆.

资料显示，小型车辆停靠时，车辆间距取1.2m，加上车长，每台车占据的马路空间为6 m左右.现场实地测量数据得知，马路宽3.5 m，绿化带宽3.4 m，满足将绿化带更改成左转车道的条件.

综上所述，可以将绿化带削去一部分改成左转调头专用车道.根据每车占用6 m，每次5台车计算得，削去30 m绿化带，即可满足要求，如图8所示.

4 仿真

前文根据现存问题，提出了采用信号配时优化、转移人车冲突点、左转及调头车与直行车分行的解决方案，但是由于实际场地的限制，无法实施实际工程，因而选择仿真软件进行模拟，从而得到优化方案的优化效果.作为一款离散多智能体的仿真工具，Anylogic软件可对多种系统进行仿真，其中包括城市道路交通系统，并在模型可视化方面表现出色.对高校门前路段进行仿真建模，通过输入交通调查得到的表1～表3中的数据以及针对交通问题提出的优化方案，进行仿真模拟，最终得出优化前后的对比.对比结果如表5所示.

表5 仿真输出对比

通过统计相关输出指标可以看出，在采取优化方案后，车辆通过路段的速率明显加快，每个信号周期滞留的车辆与过街行人明显减少.而且车流量越大，优化后效果越明显.

可以发现，优化后的路段，不仅在交通上得到改善，在环境保护以及社会经济上取得良好效果.

5 结论

本文针对大连交通大学校门口处交叉路口和相邻路口的拥堵，开展实地调查收集数据，分析原因并提出优化方案，最后建立模型仿真模拟方案的效果.本文旨在解决较为复杂的高校门口道路交通问题，实现流畅的路口通行，节约时间，降低出行的成本，缓解交通矛盾，保障人车安全.随着社会的迅速发展，人们的生活节奏明显加快，越来越追求效率，特别是高校学生，较差的耐心和强烈的焦躁引发了诸多交通事故，也给生活带来了很多不便.本文为解决大连交通大学校门处交叉路口的交通问题所提出的优化方案，也可以给其他相关问题研究设计提供好的灵感和模型，在此基础之上得以处理更复杂的道路优化问题.