基于交叉口群协调控制的环岛优化——以商丘市“商字环岛”为例

祖永昶， 薛 新， 付 强， 卢 健， 顾家悦

(1.公安部交通管理科学研究所， 江苏无锡 214151； 2.苏州市公安局交通警察支队， 江苏苏州 215000)

0 引言

环岛是一种特殊交叉口形式，其交通组织方式是让进入环岛的交通流通过围绕中心岛单向通行，利用合流、分流的方式来化解交叉口中常见的交叉口冲突，能够较好保证通行安全性、有序性和连续性。但是环岛通行能力却受到入口瓶颈段和交织段影响。当车流密度较小时，环岛通行能力与驶入的车流量成正比，当环岛内的交通流达到峰值时，各进口道可驶入的车辆数出现下降状态，环岛的总通行能力逐渐下降，要保证环岛有效运行，驶入和驶出环岛的车辆数是有限的[1-2]。所以，环岛自身的通行能力也是有限。

近年来，随着我国城市交通快速发展，很多地方的环岛交通拥堵问题逐渐显现，甚至出现了“锁死”现象。为提升环岛通行效率，徐洪峰针对四路环形交叉口,建立了具有4个进口道机动车相位、4个环道机动车相位和4个行人相位的相位结构设计方法,建立了有条件地满足所有道路使用者的通行时间资源需求的信号配时设计方法[3]；马新露针对环形交叉口环内车辆间相互干扰，建立以减少交叉口延误为优化目标、配时参数为目标变量的信号优化模型[4]；杨晓光提出了一种以交叉口车均延误最小为目标,适合于在非饱和状态下采用多进口道放行协同环道控制环形交叉口的最佳周期值计算方法[5]。以上环岛优化方法的研究，均是从提升环岛本身通行能力角度出发。

在环岛交通组织实践中发现，当交通集聚速度大于环岛疏散能力时，也是引发交通拥堵的主要原因。因此，通过关联路口协调控制，实现进出环岛的流量平衡，才能从根本上解决拥堵问题。杨晶茹提出了城市交通子区的交叉口群特性的划分及协调控制方法，并在干线信号控制中进行了应用，有效缓解交通拥堵[6]；唐博研究了交叉口群理论在公交协调控制中的应用[7]；赵盼明针对小区域交叉口群过饱和状态，采用群信号协调控制，达到减少区域最大排队长度和平均行车延误的目的[8]。交叉口群理论对关联路口的信号协调，为环岛的信号协调控制，提供了新思路。

基于此，本文提出：环岛在提升自身通行能力同时，基于交叉口群划分方法，通过群类交叉口的协调，匹配环岛交通集聚度与疏散能力，从而改善环岛交通拥堵优化的方法。该方法在商丘市“商字环岛”交通优化项目中得到了应用。

1 项目简介

“商字环岛”位于商丘市城市中心区，是神火大道和南京路两条主干道相交点。神火大道为南北主干道，双向6车道，北接火车站，南连经济开发区，沿线分布有各类企事业单位；南京路为东西方向主干道，双向6车道。两条道路交通流量均较大，见图1。

图1 拥堵情况

该环形交叉口直径约100 m，岛内设置有5个车道，由于流量大、车辆在岛内换道交织严重，早晚高峰期，容易发生交通拥堵，急需对该路口进行交通优化改造。对环岛高峰期的交通流量进行统计分析见表1。由于该环形交叉口是城市地标性建筑，所以改造优化仍然要保留环岛形式。

表1 高峰交通流量

2 优化思路

解决环岛交通拥堵问题，需从两方面进行优化：一是从环岛内部出发，提升环岛自身通行能力。通过优化交通渠化组织、实施并优化信号控制等交通管控措施，减少交织冲突，提升环岛的承载能力和自我疏散调节能力。二是从环岛外部出发，协同入岛交通集聚速度与环岛疏散能力。寻找与环岛关联路口，实施协调控制，通过对源头流量调控，降低进入环岛交通集聚度，缓解环岛外部交通压力，同时通过协同管控，提升出岛交通疏散能力，实现集聚与疏散的平衡，其关键是寻找到与环岛关联性较强的交叉口，将其划分到一个控制子区内进行协调管控，本文结合案例对此进行详细分析。优化思路如图2所示。

图2 环岛交通优化思路

3 环岛内部交通组织优化

早晚高峰进入“商字环岛”交通流量大，进出交通交织严重，高峰期交通拥堵频发。因此，一方面对环岛内部进行交通渠化改善，另一方面对环岛内部交通采用信号控制，通过信号相位组合，协同各进口进入时序。通过时空优化，减少内部交通组织冲突，保障环岛内部交通有序通行，提高其自身的通行能力。

3.1 渠化方案

由于该环岛空间较大，考虑其内部具备足够的停车等候条件，因此采用“双停车线+信号控制”[9]交通组织方式。

(1)依据表1中，环岛方向交通流量数据，同时结合采用“双停车线+信号控制”的渠化思路，进口道渠化为3直行1右转，在进口方向设置信号灯，直行车辆和左转出岛车辆按信号灯指示通行，右转车出岛车辆不受信号控制。

(2)岛内设置第二组停止线，左转出岛车辆在此处等候通行，在出口方向处设置信号灯进行控制。

(3)非机动车和行人采用共板设计，在环岛外侧通行。

图3 环岛渠化

3.2 信号方案

对左转出岛车辆采用二次放行的方式，其相位设置如图4所示。根据杨晓光[5]提出的环岛信号控制最佳周期计算方法确定信号周期，见式(1)。损失时间包括黄灯以及清空时间，清空时间应使驶离车辆通过冲突点而不至于和进入车辆产生交织，冲突距离如图5所示。所以损失时间L的计算方法见式(2)[10]。

图4 信号相位图[10]

图5 驶离和驶入车辆冲突距离示意图

(1)

其中：Co为最佳周期，L为损失时间，Y为各相位关键流量比之和。

(2)

其中：L为损失时间，A为绿间隔时间，在未设全红时，即为黄灯时间，l1为驶离车辆从停止线至冲突点的距离，l2为进入车辆从停止线至冲突点的距离，lv为车辆的平均长度，vr为驶离车辆的速度，ve为进入车辆的速度，tr为车辆启动反应时间。

同时考虑保证左转车辆进入等待区不应溢出，以及满足行人绿灯过街需求，初步确定环岛信号配时方案，如表2所示。

表2 环岛初步配时方案

4 环岛外部关联交叉口群协同管控

交叉口群协同管控是考虑交叉口之间关联程度强弱，将关联程度高的交叉口划分在同一个群内，对群内交叉口进行信号协调控制。通过对单个群通行最优，实现路网交通运行最优。因此，同一群内交叉口可能在一条道路上，也可能分布在相连接的不同道路上。群划分的关键是寻找到关联程度较为紧密的交叉口，本文中，通过两步骤法寻找与环岛存在强关联性的交叉口，进行群组划分并进行协调管控。

4.1 交叉口群划分

4.1.1 初步判断

初步判断时，一般依据交叉口距离、流量、周期等交通特征参数，寻找存在潜在关联的交叉口。

(1)路网结构

相邻交叉口间距过长时，车流容易发生离散现象，此时不宜进行协调控制。依据数据显示，当间距在400 m时，能够获得更宽的绿波带，协调效果最佳[11]。此外根据规定，实施信号协调控制的交叉口间距不宜超过500 m[12]。因此，在初步判断中，可将500 m作为是否可以划分在同一群内的评判依据。

(2)交通流[13]

流量均较小或极不稳定时，一般将其划分在不同交叉口群；交通流较大且运行特征相似的时候，应将其划分在同一交叉口群内。

(3)信号控制周期

在初步划分时，可考虑将周边周期时长相差不大的，划分在一个交叉口群内。在实际中，存在大小周期的现象，当两个交叉口周期比值小于等于2时，可考虑划分在一个交叉口群内。

据此，依据交叉口间距、高峰期流量以及信号周期，初步判断交叉口群的划分如图6所示。

图6 交叉口群初步划分

4.1.2 关联度分析

初步划分后，依据路口之间的关联程度进一步寻找存在紧密关系的交叉口。目前针对交叉口关联度模型研究相对较多，如Whiston模型[14]、耦合指数模型[15]、锲合度指数[16]等。考虑模型的可靠性，以及工程项目的实际应用性和便利性，选择Synchro软件中的协调控制系数CF和不均衡系数IB作为关联度评判指标。协调控制系数CF充分考虑了交叉口间距、交通流、车速、行车道数、离散系数、排队等影响因素，见式(3)，当CF值越大，协调控制需求就越高。不均衡系数IB见式(4)，IB值越小，表示较多车辆通过各自交叉口驶入其他路段，两个交叉口联系强度越弱，反之则联系越强[17]。各个参数确定方法见参考文献[18]。

CF=max (CF1+CF2)+Ap+Av+Ac

(3)

式中：CF1：行程时间系数；CF2：密度流量系数;Ap：离散系数;Av：流量系数;Ac：周期系数

IB=v2/QOUT×100

(4)

式中：v2：相邻交叉口之间路段的双向交通小时流量值；QOUT：将相邻两个交叉口及其相连路段视为一个整体时，外部对整体输入的小时交通流量。

环岛周期为公共周期，通过Synchro软件对关联度进行计算，结果见表 3。以3号路口为例，2～3的CF值、IB值均小于3～4的路口值，所以可以判断，3号路口与2号路口的关联性小于3号路口与4号路口之间关系。依次，根据表3可以判断出，其他路口与环岛之间的关联性的强弱。据此，可以判断出，3号路口与环岛的关联度，较其与4号的关联度较弱；6号交叉口与环岛关联性较强；6、7号之间的关联度较7、8号的关联度强；8、9号之间的关联度较7、8号的关联度强。因此根据系数强弱，同时依据Tina Z[19]等研究显示，交叉口群的控制范围划分在3至5个交叉口内能够达到最优的协调控制效果[19]。所以，将2号环岛与6、7号交叉口划分在一个群内，进行协调控制。见图7所示。

表3 交叉口关联度

图7 交叉口群最终划分

4.2 协调管控方案

将商字环岛为基准交叉口，南北交通作为主协调方向，对3个路口实施协调控制，配时方案如表4所示。方案实施前，利用Vissim进行仿真，高峰15分钟流量(pcu)提升了82%，车均延误降低了68%，平均排队长度缩短了27%。

表4 关联交叉口群协调方案

表5 仿真数据

方案实施后，车辆能连续不停车通过2(环岛)、6、7号路口。根据互联网地图对早晚高峰期交通实施状况对比可见，方案实施后，道路整体运行情况有了很大转变，如图8所示。

图8 实施前后的路况对比

5 结语

在早期城市建设中，环岛由于其美观性成为城市地标。但随着城市交通快速发展，环岛不能适应大交通流的弊端逐渐显现，往往成为交通拥堵点。受到环岛自身交通组织方式的局限性，通过提升自身通行能力来缓解交通拥堵，其效果是有限的。基于上述认识，本文提出了应在挖掘环岛自身通行能力建设的同时，通过路网交通调控，平衡进出环岛交通的环岛交通优化思路，在“商字环岛”交通组织优化项目中得到了应用，并取得了较好效果。一是在交通渠化中，采用“双停车线+信号控制”，充分利用空间资源和时间差，减少进出环岛的交通交织，提升环岛通行效率；二是将环岛作为关键的路口，利用Synchro软件寻找到与环岛关联度强的交叉口，通过交叉口群组划分，实现群内运行最优，实现入岛交通集聚速度与环岛疏散能力的匹配，更好发挥信号协调管控效果。

在后期的实施应用中也发现，由于大型环岛半径较大，岛内绕行距离长，左转绕行出岛的车辆，在行驶过程中容易出现频繁变道、强行加塞的情况，在一定程度上影响了环岛的通行效率。如何有效地解决此类问题，有待开展相关研究。