考虑借助逆向车道设置可变车道的多时空优化设计

纪祥龙 许佳佳 凤鹏飞 张晓祥 黄梦晴 李奎 朱立宇

摘    要：为了改善城市道路交叉口的通行效率，设计了一种借助逆向车道设置可变车道的方法。通过在不同时段变换可变车道的通行状态，结合优化参数的韦伯斯特模型，使得路口每信号周期内延误和通行能力达到最优。以合肥市金寨路与繁华大道为例，借助软件VISSIM进行仿真，并设置道路仿真条件与优化信号配时。仿真结果表明：优化方案能提高道路的通行效率、减少延误与排队长度;逆向可变车道设置情况下，西进口道左转平均周期延误减少了14.95%、排队长度缩短了38.59%;在逆向可变车道不变情况下对其进行优化配时后，西进口道左转平均周期延误减少21.08%、排队长度缩短了63.15%。

关键词：逆向可变车道;交叉口延误;多时空优化;VISSIM仿真

中图分类号：U491             文献标识码：A                文章編号：2095-7394（2021）02-0034-07

为了提高城市道路的通行效率，保障城市的交通安全，城市道路被进行了不同的功能分区;尤其是在交叉路口，功能分区更为复杂。可是，随着城市车辆保有率的逐年增长，早晚高峰时段有规律的拥堵问题越来越严重，一成不变的道路功能分区反而在这个时候明显降低了道路的空间利用效率，加重了拥堵程度。

为此，国内外学者基于车流流量的特点，提出在交叉路口区域设置逆向可变车道，来提高特定时段该区域的通行效率，从而缓解城市的交通拥堵。Hausknecht等[1]构建了一个整数线性规划模型，做到了对可变车道的优化;Li等[2]对主干道潮汐车道的信号控制实现方法进行了优化研究;Wang等[3]以车辆通过能力最大为目标，建立了可变车道的优化模型;张野、袁振洲[4]提出针对左转车道静态和动态条件来设置可变车道，并通过软件仿真得出左转车流的延误得到有效降低;刘洋等[5]针对设置逆向可变车道的适用条件进行了研究，并对其进行规范化定义;刘怡等[6]在设置逆行可变车道的基础上，借助VISSIM软件进行仿真验证，表明设置该车道可有效缓解左转相位的交通拥堵;孙锋等[7]针对国内常见的平面交叉路口，提出通过构建逆向可变车道与信号优化协同算法来缓解道路拥堵。

上述研究对于缓解交通拥堵起到了一些作用。本文在此基础上，提出逆向可变车道与交通信号灯相结合的优化设置方法，力求解决左转相位过饱和状态下交叉路口的通行问题。

1  逆向可变车道的设计

1.1  逆向可变车道的设置

随着城市中商业中心的兴起和早晚通勤高峰的存在，使得道路上某一方向或某一时段的车流产生较大的压力。如在城市道路的交叉路口，经常会出现左转车流因避让对面直行车流而导致通行受阻，转弯等候车辆不能排空，只能在下一周期排放的情形（信号灯的相位按照主路直行、主路左转、次路直行、次路左转四相位为一周期）。鉴此，提出一种借助对向车道设置逆向可变车道左转待行区，以缓解左转方向的交通压力，设置方案如图1所示。

在逆向可变车道的开口处设置预信号装置，通过传感器监测车流的密度，结合信号周期状态，确定是否开启逆向可变车道。通过设置限定清空时间和提前转换时间，对左转车辆进行合理分流，从而减少左转车辆拥堵，提升交叉路口总体通行效率。

1.2  逆向可变车道的清空时间

进入逆向可变车道的车流必须在左转专用相位结束前清空，且当车辆驶入该车道时也需提示可用时间，故提出逆向可变车道车辆清空时间为：

式中：[ts]表示逆向可变车道车辆清空时间;[l]表示逆向可变车道的长度;[v]表示左转车道稳定行驶的平均速度;[a]表示车辆的加速度;[v2]表示车辆驶入逆向可变车道的初始速度。

根据研究[8]，交叉路口逆向可变车道的设置与其它车道渠化长度基本相同，为40～60 m。当渠化长度为40 m、50 m、60 m时，根据公式（1）可以算得，逆向可变车道车辆清空用间分别为6 s、7 s、8 s。当左转相位即将结束时，需开启提示灯对车辆进行分离引导。可在同向直行与左转车道分流处设置超声波传感器，当左转车辆排队达到极值时开启逆向可变车道。

1.3  逆向可变车道的通行能力

设置逆向可变车道并在该车道开启时，左转相位的通行能力会增大，其通行能力计算公式为：

式中：[p]表示逆向可变车道的通行能力;[ci]表示左转相位的有效绿灯时间;[c]表示信号灯总周期;[q]表示经过修正后的左转车道饱和流量;[s]表示清空车辆的安全时间。

1.4  优化设计与指标验证

由于设置逆向可变车道后，饱和流量等交通参数将发生变化，因此可通过VISSIM软件进行仿真，并对该方案作进一步优化，具体过程如下：

（1）收集交叉路口现有的交通参数，利用大车率、车道宽度、道路坡度等，对交通参数进行修正[9]。数据收集采用现场调研的方法，每个进口道安排3人，对时段内各相位车辆排队数、通过数及调研表其他参数进行统计。各进口道的总延误与平均延误表示为：

式中：[D]表示总延误;[15]表示计算延误的单位间隔;[q]表示各相位车辆排队数量。

式中：[D1]表示各进口道平均延误;[q1]表示时段内各进口道通过车辆数。

（2）利用收集的数据对直行与左转车辆的占比进行分析，在考虑变换车道属性及清空车辆的条件下，运用VISSIM软件进行仿真，并将其结果与交叉路口的真实情况进行比对，从而评价逆向可变车道设置的效果。

（3）在设置逆向可变车道的情形下，通过对信号灯重新配时优化通行方案。

基于所收集数据，结合道路宽度、坡度、大车率等因素，对道路基本饱和流量进行修正，求出各车道的实际饱和流量;确定各方向的最大流率比为：

式中：[y1]表示南北直行最大流率比;[y2]表示南北左转最大流率比;[y3]表示东西直行最大流率比;[y4]表示东西左转最大流率比;[Y]表示各方向最大流率比之和。

确定四相位最佳周期为：

式中：[c0]表示最佳周期;[l]表示各相位损失时间之和。

确定各方向绿灯时间为：

式中，[Gei]表示各方向直行或左转的绿灯时间。

根据以上公式，可得到各指标优化后的配时参数，在此基础上重新构建仿真交通模型;利用VISSIM软件进行仿真，并采用延误等指标对优化的效果进行评价。

2    实例验证

以合肥市金寨路与繁华大道交叉路口为研究对象，采集该区域一个月内每日17：00～19：00晚高峰时段的交通流数据;在该路口设置逆行可变车道，并采用韦伯斯特配时参数进行优化设计方案。

2.1  交通调查

该交叉路口的平面图如图2所示，原有信号配时及各相位相序如图3、4所示。基于大车率、车道宽度、车道坡度等参数，修正该路口各进口道的通行能力、直行及左转流量（见表1）。

为了突出繁华大道西北、东南方向左转车流的拥堵情况，其交通量采用高峰时段左转周期车流量来表示，其余各进口道按照实际交通量统计。在此基础上，进行逆向可变车道设计与信号灯配时的优化。繁华大道20 h左转高峰期车流量周期如图5所示。

从表1可明显看出，西进口道直行、左转交通量的差异最小，但通行能力与其他口道相差较大，且左转流向车辆长期存在排队拥堵现象，表明该口道的直行与左转相位设计存在问题。图5显示，繁华大道西进口高峰周期左转流量普遍高于600 pcu/h，已超过其通行能力。下面通过设置逆向可变车道与信号灯优化对西进口左转通行能力与延误进行改进。

2.2  逆向可变车道设置与信号灯优化方案

设置逆向可变车道需对现有交通信号灯进行相序转变，将左转与直行的相序调整，防止出现直行与逆向可变左转车道产生冲突点，具体设计如图6所示。图6显示，设计时将左转相位置于直行相位之前，可有效缓解设置逆向可变车道与对向直行方向车流的冲突，既有利于逆向可变车道的实施，又有利于行车的安全。通过VISSIM仿真软件搭建逆向可变车道仿真模型，对设置效果进行评价，仿真图形如图7所示。

在设置逆向可变车道的基础上，结合韦伯斯特模型对该路口的信号配时进行优化，优化配时参数如表2所示。根据表2中信号灯配时优化参数对信号灯进行重新分布，并运用VISSIM软件进行仿真（见图8）;进一步通过VISSIM软件中延误、排队长度等指标对仿真效果进行评价（见表3）。分析表3可知：在设置逆向可变车道的情况下，西进口道左转平均周期延误减少了14.95%、排队长度缩短了38.59%;设置逆向可变车道并对道口信号灯配时优化后，西进口道左转平均周期延误减少了21.08%、排队长度缩短了63.15%。可见，在该路口设置逆向可变车道并进行信号配时优化，可以有效缓解其车流拥堵情况。

3    结语

针对典型交叉路口左转车道设置逆向可变车道，以保证安全、提高效率为前提和目的，通过建立不同的模型来验证其有效性。研究表明，设置逆向可变车道，并结合道口信号灯配时优化，可以有效提高交叉路口左转车辆的通行效率。该研究可为智慧城市建设提供有益参考。

参考文献：

[1] HAUSKNECHT M， AU T C， STONE P，et al. Dynamic lane reversal in traffic management[C]// IEEE. Proceedings of the 14th IEEE ITS Conference （ITSC 2011），Washington，D. C.，USA，2011：1929-1934.

[2] WANG J， DENG W. Optimizing capacity of signalized road network with reversible lanes[J]. Transport，2018，33 （1）： 1-11.

[3] LI X， CHEN J， WANG H. Study on flow direction changing method of reversible lanes on urban arterial roadways in china[J] Procedia-Social and Behavioral Sciences，2013，96（6）：807-816.doi：10.1016/j.sbspro.2013.08.092.

[4] 張野，袁振洲.信号交叉口左转专用可变车道设置研究[J].交通信息与安全，2014，32（4）：26-30.

[5] 刘洋，顾金刚，卢健，等.借道左转交通组织适用条件及管理设施设计研究[J].中国公共安全（学术版），2018（4）：80-86.

[6] 刘怡，常玉林，毛少东.设置逆向可变车道的交叉口信号配时优化研究[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2018，32（10）：40-46.

[7] 孙锋，焦方通，马晓龙，等.交叉口逆向可变车道与信号配时协同优化方法[J].公路交通科技，2019，36（11）：83-89.

[8] 焦方通.基于多源数据的逆向可变车道动态控制方法[C].淄博：山东理工大学，2018.

[9] 纪祥龙，石爽，曹欢，等.一种信号灯优化配时算法[J].淮阴工学院学报，2020，29（1）：27-31.

责任编辑    祁秀春