基于可变导向车道的交叉口时空资源协同优化方法

王连震 王宇萍 姚 丽

(东北林业大学交通学院1) 哈尔滨 150040) (哈尔滨市城乡规划设计研究院2) 哈尔滨 150000)(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院3) 哈尔滨 150001)

0 引 言

目前对于城市道路平面交叉口的交通组织主要包括进口道渠化和信号控制两方面.为了适应复杂多变的交通流在交叉口的通行需求，国内外学者在信号配时与车道功能分配上都提出了有效的优化方法.

可变导向车道可进行车道功能的动态分配，提升交叉口通行效率.国内外学者对此开展了大量富有成效的研究.以交叉口平均延误最小为目标，Assi等[1]提出了基于实时交通流数据快速确定车道组动态功能最优组合的方法.Alhajyaseen等[2]则基于交叉口的几何数据及交通量数据建立了确定车道组功能的动态模型.William 等[3]建立了时空资源协同优化模型，具有一定的可行性.Wong等[4]建立了单个交叉口的时空资源优化模型，对降低车辆延误具有显著效果.钟章建等[5]以最小化交叉口进口道车均延误时间为目标，构建了进口道车道动态分配模型.赵靖等[6]以关键流量比之和最小为优化目标，建立了动态车道功能优化模型.

具体实践方面，Harvey等[7]研究了对车道功能进行动态划分的指示标志，但并未给出可变导向车道的具体控制策略.Hoose[8]根据交通管理规则制定了导向车道的控制策略，能有效保证道路使用者的正常通行和安全性.Wolshon等[9]分析了可变导向车道技术的使用条件，并探讨了与之配套的交通设施.周立平等[10]研究了可变导向车道的具体设计方法，包括确定车道长度的最小值及最大值.周洋等[11]通过对设置了可变导向车道系统的交叉口进行实地勘察，优化了车辆检测器的埋设位置.

在可变导向车道功能切换条件方面，傅立骏等[12]提出了基于神经网络算法的可变车道自适应优化方案，能有效降低车均延误和排队长度.张东明等[13]根据实时采集的交通量数据，提出可变车道功能转变的条件.陈东静等[14]提出了通过设置预换道线和预信号进行车道功能切换的控制策略.徐红岭[15]提出了改变车道功能属性的阈值条件.常玉林等[16]建立了可变导向车道自适应控制模型，通过在交叉口铺设检测器获取实时交通流数据，并以此作为计算依据，根据直行、左转车流的时空需求度变化，实时判别可变导向车道方向属性.李灿等[17]通过对进口道交通流量、交通流向等因素进行分析，以交叉口进口道车均延误为判别指标,以进口道左转、直行流量为主要判别条件，建立了交叉口可变导向车道控制阈值综合模型，并绘制阈值曲线.丁靖[18]通过交叉口可变导向车道的车道功能与信号配时的协同优化，构建优化模型，对交叉口时空资源进行优化配置，以达到交叉口车辆平均延误最小的目标.李丽丽等[19]提出了主预信号和双停车线法以解决可变导向车道功能切换时刻不同转向车辆的诱导问题.

已有研究中，针对信号交叉口单独进行空间优化或时间优化的研究相对较多，而将信号配时与车道功能进行协同优化的研究较少.基于此，文中提出基于可变导向车道的交叉口时空资源协同优化方法，将车道功能的动态分配与交叉口信号配时相结合，用以适应交叉口复杂多变的交通流通行需求，降低交叉口车均延误.

1 交叉口时空资源协同优化方法

1.1 优化模型

车均延误是评价信号控制交叉口服务水平的重要指标，本文以车均延误作为衡量交叉口进口道时空资源协同优化方案评价的指标，同时将其作为判断车道功能是否切换的依据.

以车均延误最小为优化目标，建立的优化目标函数为

(1)

约束条件：

(2)

为保证模型的实用性，提出如下基本假设.

1) 因为右转车流无信号控制，其延误可忽略，在此只计算左转车道组和直行车道组的车均延误.

2) 切换可变导向车道的方向属性后，直行、左转车流的到达率不会改变.

3) 直行、左转车辆在车道组内的各车道上均匀分布.

文中建立的车均延误最小模型通过对比车道功能切换前后车辆的车均延误作为车道功能切换与否的判断依据.若可变导向车道功能切换后交叉口的车辆平均延误小于未切换的状态时，则P=1，将车道功能进行切换，同时对交叉口进行信号配时优化；反之，则P=0，不切换车道功能，仅对交叉口进行信号配时优化.可变导向车道功能切换判断流程见图1.

图1 可变导向车道功能切换流程

1.2 电子指示牌与预信号设置

为了诱导驾驶人能够按照可变导向车道的变换选择车道行驶，文中拟设置一组车道功能电子指示牌、一组预信号指示灯及预停车线，见图2.

图2 车道功能电子指示牌、停车线设置位置示意图

车道功能电子指示牌可以实时为驾驶人员传达车道功能信息，并使驶入该车道不可变道段的车辆确定行驶方向；预停车线的设置是为了使直行车辆在此处排队，为左转车辆预留出行驶空间.预信号由绿灯变为红灯后，直行车辆在此停车，与该车道相邻的左转车道上的车辆在经过该停车线后可变道进入该停止线前方的车道空间内，待主信号左转绿灯亮起时，从该可变车道驶离交叉口，其作用相当于增加了一条放行的左转车道.

可变导向车道功能指示牌设置在交叉口不可变道段进口道处；预停车线位置距离进口道停车线的长度为lt，其设置的具体位置应满足：

(3)

当主信号直行绿灯结束前，预信号应切换为红灯，主要作用是清空两停车线之间的直行车辆，确保左转车进入该可变车道后前方无直行车阻挡；当主信号左转绿灯结束前，预信号应切换为绿灯，主要作用是为了清空可变导向车道内的左转车辆，使直行车辆可进入该车道内排队，并在下一周期该进口直行绿灯开启时，驶离交叉口.根据上述方法，实现可变导向车道在单周期内的切换.预信号与主信号的切换时间差按式(4)～(5)计算.

因为车道功能电子指示牌距离停车线有一定距离，因此车道功能电子指示牌变换车道功能的显示应提前于该方向左转绿灯信号灯显示，二者显示的时间差按式(6)计算.

(4)

lt=L1+L2

(5)

(6)

式中：Δt1为预信号与主信号切换时间差，s；Δt2为电子指示牌与主信号切换时间差，s；L1为不可变道段长度，m；L2为电子指示灯与停车线之间的距离，m.

1.3 数据采集与处理

在各进口道车道组铺设感应线圈检测器，检测器距离进口道停车线的距离应满足：

(7)

检测器数据提取周期根据信号周期确定，即每周期提取一次测量数据.通过检测器获得上一周期交叉口各进口道的驶入车辆，可以计算得到在第n个周期进口道各车道组的平均车辆到达率：

(8)

式中：qi为车道组i平均每条车道到达率，pcu/s；Ni为通过车道组i的检测器的车辆数，pcu；T为信号周期时长，s；ni为车道组i包含的车道数目.

2 案例分析

2.1 案例说明

以哈尔滨市黄河路某交叉口作为案例，该交叉口为典型的四相位信号控制交叉口，该交叉口现状信号配时方案见图3，各进口道车道功能划分见图4.各进口道高峰小时交通量见表1.

图3 现状信号配时方案(单位：s)

图4 交叉口各进口道车道功能示意图

表1 交叉口晚高峰时段小时交通量

2.2 优化方案

根据该交叉口现状，文中分别从信号配时优化、可变导向车道设置等方面提出3种优化方案，其中方案1为只进行信号优化控制方案，方案2为只切换可变导向车道方案，方案3为时空资源协同优化方案，即同时进行信号配时优化及车道功能切换.其中方案4为交叉口现状控制方案.采用Vissim仿真的方法对各个方案进行评价，仿真参数设置见表2.

表2 交通仿真基本参数

2.3 仿真结果分析

为了保证仿真数据的正确性，去除前三个周期仿真数据后得到最终仿真分析结果见表3.

表3 交叉口不同控制方案下车辆平均延误仿真结果

由表3可知，采用信号配时优化方案(方案1)后，交叉口车均延误降低了4.6%；采用只切换可变导向车道的方案(方案2)后，交叉口车均延误降低了2.4%；采用时空资源协同优化方案(方案3)后，交叉口车均延误降低了21.3%，说明文中提出的交叉口时空资源协同优化方案可以有效降低交叉口的车均延误，提高交叉口通行效率.

3 结 论

1) 以直行和左转方向车均延误最小为判别标准，提出了可变导向车道功能是否切换的判断依据.

2) 提出了通过设置预停车线、预信号与车道功能电子指示牌相结合对交叉口进口道车辆进行诱导的方法，并分别给出了预信号、电子指示牌信号与主信号间的切换时间差计算方法，引导直行和左转车辆按信号使用可变导向车道.

3) 通过Vissim仿真软件以哈尔滨市黄河路某交叉口为例进行仿真，将车均延误作为评价指标，对四种方案进行评价.结果表明，本文提出的切换可变导向车道并进行信号配时优化的方案对降低交叉口车均延误有较好的效果，可用于改善信号交叉口的通行效率.

4) 可变导向车道可能会增加车道原行驶方向车辆的延误，今后将进一步结合交叉口的几何及交通条件，开展左转车辆排队空间、直左车流的相互影响、车辆诱导及清空等对可变导向车道设置的研究.