考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计

容 颖，陈海蝶，张晓帆，薛 刚⋆

（1.广东技术师范大学 汽车与交通工程学院，广东 广州 510665；2.广东技术师范大学 机电学院，广东 广州 510665）

0 引言

汽车保有量的不断增加，使得道路交通正面临着重重挑战.如广州市的城市交通体量日益增大，导致与日俱增的交通管理压力等.交叉口是连接道路的节点，交叉口的运行效率会影响多条道路的运行.但许多郊区道路或不发达的城市，大多都是没有设置专用的非机动车道.而非机动车在人们出行中有着独特的地位，且其对交叉口运行的影响在不断加深，成为了不可忽视的部分.在未设置非机动车专用车道的交叉口，易与机动车产生冲突，必会有一方做出避让行为，导致车辆延误增加，影响交叉口的运行效率.现阶段，分离机动车与非机动车的方法主要有从时空上进行分离，如设置非机动车专用车道与非机动车相位.然而部分道路由于空间限制，不足以设置非机动车专用车道；而在时间上，设置非机动车相位也会使信号周期增大，进而增加交叉口的延误.综合考虑，从配时设计过程中进行优化出发，通过考虑非机动车与机动车的互动关系，调整流率比模型优化配时过程，会是一个有效的折中方法.

目前，机非混合交叉口占城乡道路的较大比例，仍是交通管控的重点关注对象.李建新[1]学者研究非机动车比例较大时对通行能力的影响，且分析其交通运营行为.而景春光[2]等学者对机动车流与非机动车流的冲突进行分析并提出相应的模型.另外，边晓丽[3]学者研究各类车辆和行人的运行特性，对交叉口服务水平进行评价.同时，曹士强[4]学者对不同干扰条件下非机动车骑行的特征进行研究，分析了非机动车对道路的影响.

信号配时优化设计对改善交叉口运行状况和安全性至关重要.胡怡玮[5]等学者通过计算不同方案下的延误与服务水平，确定最佳周期，改善交叉口交通运行状况.魏婧[6]学者提出以优化车道功能划分优化设计为主要目的，在时空上实现对交叉口的管理与控制，改善所选交叉口的各项道路指标.另外，还有部分学者从理论模型的角度出发，优化相应的信号配时方法.Rouphail[7]学者利用一种接口与仿真模型相结合，从而对周期长度、绿灯长度、相位差进行同步优化.石茂银[8]等学者建立与优化考虑人车交互的交叉口信号配时模型的方法，并应用于实例，证明模型的可行性.

VISSIM 软件对交通领域的发展影响深远.王玉鹏[9]学者首先将VISSIM 分析结果与算法结果进行比较，验证利用VISSIM 仿真的可行性及有效性.李明霞[10]学者说明VISSIM 软件使道路运行状况呈现出三维动画状态，更具直观化，并能生成排队长度、车辆平均延误等数据.赵秀云[11]等学者从道路结构模型、交通信号模型等多个交通仿真模型的建立与分析出发，研究仿真的优点及其参数的标定.曹洪斌[12]等学者简要介绍VISSIM 软件后，进一步研究软件在交通影响分析方面的意义，同时也阐述了软件可模拟试验设计方案.

从所查阅的资料中可知，目前定时信号配时优化设计大多从渠化设计和配时设计方面入手.大部分学者都选择实际交叉口进行调查后再进行信号配时优化，达到提高通行能力的目的.与此同时，有一部分学者利用仿真软件进行仿真分析，从而评价优化方案的可行性.而较少学者通过考虑交叉口机非混合的影响，优化交叉口信号配时模型，并分析其对交叉口运行状况的改善效果.综上所述，发现现有研究中考虑非机动车因素的信号配时设计较为少见，然而实际交通中机非混合交叉口仍占着较大的比例.因此，考虑机非混合的交叉口信号配时优化设计显得格外重要，其意义重大.

1 交叉口现状调查及分析

1.1 交叉口概况

环镇西路-江石东路交叉口连通商业区、教学区、工业区，车流来往频繁，车辆种类繁多，是广州市江高镇重要的道路路口之一.经过调查，该交叉口存在道路交通设施不完善、交通冲突点多、运行状况不良等问题.从而，交叉口配时优化设计时要兼顾行驶安全和交叉口运行效率.

由实地调研可知，目前东进口为双向六车道，道路总宽度为21m，车道宽度均为3.5m ；西进口为双向四车道，道路总宽度为16m，车道宽度均为4m ；南进口为双向四车道，道路总宽度为15m，车道宽度均为3.75m ；北进口的进口道为双向单车道，道路总宽度为13m，车道宽度均为3.25m.如图1 所示.

图1 交叉口渠化现状图

该交叉口现采用二相位放行方式，即第一相位为南北进口车流放行时间，绿灯时间为50s ；第二相位东西进口车流放行时间，绿灯时间为60s ；黄灯时间均为3s，且无全红时间.相位图如图2 所示.

图2 现状相位图

1.2 交通调查数据统计

2022 年3 月4 日17:00 至19:00，在广州市环镇西路-江石东路交叉口进行晚高峰交通量调查，并将数据整理得表1（单位：辆/h）.

从表1 上看，不难发现东进口的车流量最大，远远超过其他进口道的车流量，甚至达到了其他进口各自车流量的二至三倍，而南进口的车流量次之，西进口与东进口的车流量相差较小.另外，东进口的直行车流量最大，与其转向车流量之和大致持平，而南进口的右转车流量次之，同时西进口右转方向及南进口左转方向的车流量极小.

表1 交通量调查

在忽略特殊情况时（如违反交通规则），二相位的信号控制交叉口易产生冲突，产生机非交互行为，即对向车流同时放行时，直行车流易与转弯车流发生冲突，从而出现避让行为.从表2 可知，该交叉口发生机非交互情况的频率为232 次/h.从总体上看，非机动车避让机动车的行为出现的次数较多，但与机动车避让非机动车的次数相当.其中，可看出在东西向车流放行时（一相位），非机动车避让行为出现次数较多；南北向车流放行时（二相位），机非交互发生较为频繁.

表2 机动车与非机动车交互数据汇总

2 考虑机非混行的信号配时优化模型

2.1 交叉口渠化方案与相位方案设计

2.1.1 渠化方案的设计

综合考虑交通量及车道宽度，将渠化方案更新如下图3.即将东进口车道分别设为直行与左转车道、直行车道及直行与右转合用车道；西进口维持原渠化方案不变；将南进口道分别设为直行与左转合用车道、右转车道；将北进口道分别设为左转车道、直行与左转合用车道、直行和右转合用车道，且将展宽距离延长为原距离的两倍.

图3 交叉口优化渠化图

2.1.2 相位方案设计

根据车流量调查情况，该交叉口相位方案设计如下：

相位一：东进口所有方向车流放行；

相位二：西进口所有方向车流放行，东进口直行车流放行；

相位三：南进口所有方向车流放行，北进口所有方向车流放行.

图4 优化后相位图

2.2 相关配时参数设计

2.2.1 饱和流率的校正

由于该交叉口车流难达到连续车队，因此本文采用模型计算法[13]（即估算法）.通过引用关于车道宽度校正系数、车道坡度及大车校正系数对饱和流率的校正.饱和流率的估算模型如下：

式中，Sb表示基本饱和流率，本文取值为1650 veh/h ；fw表示车道宽度校正系数；fg表示道路坡度校正系数，此交叉口道路坡度为0；fHV表示大车校正系数.

通过数据分析与计算，各进口直行车道饱和流率如表3.

表3 饱和流率表

2.2.2 考虑机非交互情况的流率比模型构建

当忽略机非交互情况时（即运行状况不受非机动车影响时），流率比计算模型为：

式中，qi为平均单车道直行当量.

当机动车与非机动车产生冲突时，总会有其中一方会先避让，避免交通事故的发生.在本文调查研究中，将机动车与非机动车交互时，机动车避让非机动车的行为定义为机动车避让率；而非机动车避让机动车的行为定义为非机动车避让率.其中，机动车避让率指机动车避让次数与机非交互总次数的比值；同理，非机动车避让率指非机动车避让次数与机非交互总次数的比值.计算公式如下：

式中：Kv表示机动车避让率，Bvn表示机动车避让非机动车的次数，B表示机非交互总次数，Kn表示非机动车避让率，Bnv表示非机动车避让机动车的次数.

接下来，通过建立线性回归模型，对避让率与车流量（同时考虑机动车与非机动车的交通量）之间关系的研究.假设Sv为机动车流量，Sn为非机动车流量，模型如下：

式中：a，b，c为模型参数.

利用Excel 的线性回归功能可得出该线性回归模型拟合度为0.79，具有良好的可行性，且模型参数a，b，c分别为3.61×10-5、-9.50× 10-4、0.77，即：

通过现场观测可得，当机动车与非机动车产生交互行为时，车辆作出避让行为，会增加1～2 秒的延误（取平均值1.5s）.因延误会减少相应的车流通行时间，所以在相同时间内，通行车辆减少.因此要对车道饱和流率进行调整，流率比也随之变化.而根据调查结果，东西方向产生机非交互行为的频率为82 次/h，南北方向产生机非交互行为的频率为150 次/h.

综上，流率比优化模型为

式中，M 表示机非交互行为发生的频率，即为82 次/h 或150 次/h.

通过计算各相位的关键流率比分别为0.27、0.32、0.21.

各相位的关键流率比之和为

即满足要求，可进行下一步设计.

2.2.3 计算周期长度

本文启动损失取一般值3s ；而交叉口信号相位切换时，冲突交通流能安全通过冲突点，故可不设置全红时间.因此，总损失时间为：

利用Webster 法[14]确定最佳信号周期时长如下：

取整得周期C 为93s.

计算绿灯时间

首先确定总有效绿灯时间：

以及各相位有效绿灯时间（需取整）：

同理可得，第二相位、第三相位的有效绿灯时间分别为34s、22s.

进而可计算实际显示绿灯时间

式中，Ai为黄灯时间，取一般值为3s

同理可得，二相位、三相位的实际显示绿灯时间分别为34s、22s.

经检验，绿灯时间大于行人过街最短绿灯时间，符合要求，完成设计.

3 基于VISSIM 软件的仿真及分析

本文利用VISSIM 仿真软件对上述优化设计方案进行仿真分析.将仿真时间设为600 仿真秒，运行速度设为20 仿真秒/s，仿真精度为5时间步长/仿真秒，随机种子为42.通过对交叉口设置节点评估，收集仿真数据，并对仿真结果进行分析如下.

3.1 交叉口优化前后方案运行效率对比分析

3.1.1 评价指标的确立

参照林翰[15]、吴瑶[16]等学者的研究，本文选取排队长度、车辆延误（其中包括静态停车延误）及停车次数作为运行效率的主要评价指标.由于车辆的油耗及CO、NOx 等排放物的情况与车流运行通畅与否息息相关，为此，本文进一步对比分析该交叉口在优化前后的CO、NOx等排放物、油耗的情况，以更全面地了解优化方案的效果.

3.1.2 交叉口现状及优化方案运行效率评价

通过对节点评估数据整理及分析，交叉口运行效率相关评价指标值如表4、表5 所示，交叉口优化前后的运行效率直观对比如图5 所示.

图5 交叉口运行效率主要评价指标对比图

表4 运行效率主要评价指标表

表5 运行效率其他相关评价指标表

从表4 和表5 可知，仿真结果表明，除了停车次数有小幅度上升之外，优化方案的平均排队长度、车辆延误、静态停车延误都下降了，相比现状方案分别下降了10.51%、5.80%、12.90% ；各类排放物及油耗也在一定程度上减少了，分别减少了8.81%、8.79%、8.82%、9.59% ；这说明了该交叉口优化后的运行效率得以提升.此外，根据式（6）对优化前后的数据进行计算分析，发现机动车避让率也小幅度降低了，由70.43%下降到68.27%，即在相同车流量的情况下，优化方案的机动车避让行为减少，能降低车辆的延误，提高了运行效率.

而其中东进口的车流量最大，对该交叉口运行效率影响最大，也是本次优化的重点.根据仿真结果可知，东进口优化程度最大，平均排队长度、车辆延误、静态停车延误、停车次数、排放物CO、NOX、VOC 及油耗分别下降了30.37%、34.07%、40.18%、25.97%、45.00%、45.00%、45.00%、44.52%.

由此可见，优化方案能有效缓解该交叉口的拥堵现象，提升各进口道的运行效率，确保交叉口的正常运行秩序，且减少车辆排放物，贯彻我国可持续发展理念.综上，该优化方案可行.

3.2 交叉口优化前后方案服务水平对比分析

3.2.1 确立评价体系

本文对道路交叉口服务水平进行评价的标准参考《城市道路工程设计规范》(CJJ37－ 2016)[17].为了能更好地体现评价效果，充分考虑道路的运行状况及交通参与者心理接受度，本文还结合参考王爽、周彤梅[18]学者研究中信号控制交叉口的评价指标.综上，本文对优化前后方案服务水平主要选取道路使用者的满意程度、饱和度及延误时间作为评价指标，以道路使用者满意程度为评价基础.即若道路使用者对交叉口服务较满意，分值为1，权重系数为0.1，以此类推，对交叉口服务水平进行评价，其中饱和度与延误时间权重之比为5 ∶6，评价体系如表6 所示.

表6 交叉口服务水平评价指标权重系数表

根据各指标的权重系数可得

式中，G为总分值，A为道路使用者满意程度原始分值，B为饱和度原始分值，C为延误时间原始分值.

3.2.2 交叉口现状及优化方案服务水平评价

通过调查数据分析，各评价指标参数如表7所示.

表7 交叉口服务水平评价指标参数表

（1）现状方案服务水平评价

由调查结果可知，道路使用者满意度对该交叉口为勉强接受，即A=3，a=0.3，

即现状方案的总分值G=3.26.

（2）优化方案服务水平评价

由调查结果可知，道路使用者满意度对该交叉口为基本满意，即A=1，a=0.1，

即优化方案的总分值G=1.49.

综上，基于现状方案时，交叉口服务水平为三级；基于优化方案时，交叉口服务水平为二级.即优化方案使该交叉口的服务水平得到有效提升，也改善了驾驶员的体验感.虽然交叉口服务比一级时弱，但此时道路使用者可以根据驾驶意愿在一定范围内选择车辆的行驶速度，有较高的舒适感，对交叉口服务表示基本满意；且能够在较大程度上避免小型交通事故产生，较小的行车堵塞能在短时间消除，使道路保持基本通畅，验证了优化方案可行.

4 结语

目前，城市交通仍在快速发展，在疫情的大背景下，外卖服务的蓬勃生长，也导致非机动车数量的大幅度上升，而在许多偏离繁荣地区的道路，都具备机非混合的特点，此类道路交通安全仍然需要重点关注.本文以环镇西路-江石东路十字交叉口为研究对象，基于交叉口调查数据，建立相关配时优化模型，同时考虑渠化设计与相位方案设计，对交叉口配时优化进行研究.研究结果表明，交叉口的服务水平及运行效率有所提升，进一步证明了优化方案的可行性，能够有效缓解拥堵，提高道路使用者的交通安全.