基于人车冲突的右转机动车信号配时优化方法

梁春岩,梁 颢,宋 菲,于林庆

(吉林建筑大学,吉林 长春 130118)

0 引 言

随着科技的发展,私家车的比例也越来越高,仅在2020年全国新注册登记的机动车就达到3 328万辆,新领证的驾驶人2 231万人,达到历史最高水平,由于机动车过多而引起的人车冲突现象也越来越严重。步行是我国中短距离出行的主要方式,行人成为道路使用者重要组成部分之一。在行人使用其通行权时,在信号交叉口中主要与右转机动车冲突较明显,由于右转机动车往往不受信号灯的控制,虽然我国《道路交通管理条例》中明确规定右转机动车必须礼让行人,但是在实际与行人的冲突发生时,右转车的抢行时常发生,降低了行人过街的安全性,运行效率也大大降低[1-2]。Qureshi的研究说明[3]:只有信号灯的控制才能让右转机动车礼让行人。但是,对右转机动车进行红灯设置会对右转机动车的延误[4]产生影响,因此有必要对右转机动车的信号配时方案进行优化设计。

1 右转机动车与行人冲突

在大多数信号交叉口中,行人的相位一般与同方向行驶的直行机动车相位相同;信号交叉口的右转机动车往往不受红灯限制,在司机判定安全后可以自由驶出、驶入交叉口。当直行相位绿灯起亮,行人开始过街,行人和右转机动车在同时到达人行横道上的冲突区域时,便会发生冲突,道路使用者中行人较弱势,所以机动车抢行的现象时常发生,对过街行人的安全造成威胁。在人行横道上,每个路口的人车冲突区都有两个。

当右转机动车流量较大时,右转机动车抢行,行人被迫在道路两侧空白处等待过街;当行人流量较大时,右转机动车找不到可穿越间隙,右转机动车驶出停车线,在靠近人行横道处排队等待或向过街行人处缓慢渗透式通过[5]。无论哪种情况的出现,机动车都会有抢行的行为出现。冲突主要发生在行人绿灯起亮时,在红灯期间排队等待的行人以“行人群”的方式结伴过街,此时道路通行权竞争最严重。因此,有必要对右转机动车进行信号控制,用以缓解人车冲突,提高交叉口过街行人安全性。

2 右转机动车信号配时设计方案优化

以右转即到策划与行人的冲突为基础,确定右转机动车信号配时方案:在行人群以饱和状态过街的时段内,对右转机动车设置禁行时长。以十字型交叉口南北相位的南进口为例,相位绿灯起亮以后,由南向北方向过街的行人通过冲突区。

为了研究的需求,在对右转机动车进行禁行时间分析之前,假设行人群过街时的人群宽度为人行横道的宽度,且较整齐的通过冲突区。建立右转机动车禁行时间[6]算法模型,计算过程如下所示

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Tp1为同向等待过街行人全部通过冲突区的时间,s;lc为人行横道上冲突区域的长度,m;lp1为同向过街行人群长度,m;Vp为过街行人群平均速度,ms;M1为同向过街行人群面积,m2;W为过街行人群宽度,即人行横道宽度,m;qp为红灯期间交叉口行人的到达率,人/s;tr为行人红灯时长,s;Kp为行人群阻塞密度,人m2;t1为行人群完全消散时间,s;Sp为行人饱和流率,人/s。

由于南北方向绿灯相位开始时,对向(北向南)行人群同样开始通行,但是比南向北方向行人群后通过冲突区域,可建立北向南方向行人群通过冲突区域的时间。

计算过程如下所示。

由北向南方向等待过街行人群通过人行横道冲突区域的时间为

(5)

式中:Tp2为由北向南方向等待过街行人群通过人行横道冲突区域的时间,s;lp2为对向过街行人群长度,m。

式中其他符号意义与上述所述相同。

当南北方向绿灯结束,东西方向绿灯起亮时,因为右转机动车不受信号灯控制,所以南进口的右转车流将会与东西方向相位的行人流同样发生冲突,其冲突区域也会相应的改变。

计算过程如上述所述相同,可得东西相位下,右转机动车的禁行时间。

同理可得其他3个路口右转车流的红灯时间。

在对实际的信号交叉口的观测中发现,在两相位信号交叉口和多相位信号交叉口中,对右转机动车的红灯时间的设定会有明显差别,最主要的一个原因就是由于信号交叉口的几何尺寸各不相同,人行横道两侧的行人群到达冲突区域将会有一个时间差(后文中将此时间差用t0代替),而t0的取值情况会很大程度上影响右转机动车的延误产生影响,进而会影响右转机动车的红灯时间的设置。下面分别对两相位信号交叉口和四相位信号交叉口的t0进行分析。

(1)两相位信号交叉口

在大多数两相位信号交叉口中,实际的交叉口几何尺寸相对来说都较小,当行人流量较大时,经常发生的一种现象就是与直行车行驶方向一致的道路一侧行人并未通过冲突区,而道路另一侧的行人群已经到达冲突区,即t0≤0。本文的研究对行人交错而产生的延误暂且忽略不计,此时右转机动车的红灯时间为道路对向过街行人通过整个人行横道的时间,即右转机动车的红灯时间为

式中:Tp为右转机动车红灯时间,s;L为整个人行横道距离,m。式中其他参数意义与计算方法同上。

(2)四相位信号交叉口

在大多数四相位信号交叉口中,实际交叉口的面积较大,如果没有右转专用车道,信号设计原理与两相位相同,这里只探讨具有右转专用车道的情况。道路一侧的过街行人群完全通过冲突区到道路另一侧的行人群到达冲突区域将会有很明显的时间间隔,即在此时的t0>0,由于行人群过街时各个年龄段的行人过街特性不同,在人行横道较短时,这种单个行人过街特性并不会对整个行人群的过街特性有很大的影响;当人行横道较长的时候,这种过街特性的差异性就会比较明显,最明显的差别就是各个年龄段的行人过街的速度不同。此时的行人群就会逐渐消散,分前后相继到达冲突区域,对交叉口处的右转机动车的正常行驶不会有较大的影响,因此也不设置红灯对右转机动车禁行。此时右转机动车红灯时间为

Tp=Tp1

(7)

式中各参数意义上同。

3 实例分析

用Webster延误模型验证该右转机动车信号配时方案,Webster延误模型计算公式如下所示

(8)

(9)

(10)

式中:C为信号周期时长,s;λ为绿信比;x为信号交叉口饱和度;g为有效绿灯时间,s;q为机动车流量,pcus;S为机动车饱和流率,pcus。

选取长春市自由大路和同志街信号控制交叉口为例,该信号交叉口行人相位与同方向直行机动车相位相同,交叉口现有的信号配时方案为三相位,如图1所示。

首先计算右转机动车信号配时方案设置前的右转机动车和行人的平均延误,选用Webster延误计算模型,需要用到的参数如表1所示。

表1 信号配时方案设置前计算延误所用参数

计算可得

接下来采用优化方案对右转机动车进行信号控制:该交叉口自由大路西进口道和同志街南出口道交汇处有学校,在学生放学即17∶00～17∶30期间行人流量将大大增加,因此首先对交叉口进行渠化设计,将西进口直右混合车道改成右转专用车道,其他车道属性不变。然后对右转机动车的红灯时间进行计算,右转机动车的禁行时段分为两个时段:第一时段为东西直行相位行人通过同志街人行横道,第二时段为南北直左相位过街行人通过自由大路人行横道(忽略左转机动车对行人延误的影响)。

通过对交叉口的观测可以看出,该时间段同志街人行横道由西向东一侧行人较多,由东向西方向行人较少,影响可以忽略不计,仅考虑由西向东一侧过街行人的影响。

该路口人行横道较长,即t0>0,按照四相位信号控制的原理进行优化,因此仅考虑由南向北方向一侧行人群的影响。计算所用的参数如表2所示。

将参数数值代入公式(1)～公式(4)可得,第一时段右转机动车的红灯时间为8 s;第二时段右转机动车的红灯时间为6 s,黄灯时间为3 s。交叉口右转机动车优化后的信号配时方案如图2所示。

图2 交叉口优化后的信号配时图

最后计算优化信号配时方案后的行人和右转机动车的延误。通过Webster延误计算模型可以看出,改变右转机动车的信号配时方案前后,行人的延误不变;当右转机动车信号配时方案改变后,相应改变的右转机动车参数如表3所示。

表3 右转机动车配时方案后的参数

计算信号配时后的右转机动车延误为

将右转机动车配时方案优化前后的延误进行对比分析,如表4所示

表4 右转机动车配时方案优化前后的延误对比表

通过表4的对比可以看出,在渠化设计之前,右转机动车由于没有右转专用车道,只能在东西方向直行相位的绿灯时间通行,设计前后的绿信比大大增加,因此右转机动车进行渠化和信号配时方案的设计前后右转机动车减少98%的延误;对行人和右转机动车的总延误也减少了20%。所以,对右转机动车进行信号配时优化,大大降低右转机动车的延误,同时,很大程度上缓解交叉口右转机动车行人的冲突问题。

4 结 论

为缓解右转机动车和过街行人冲突现象,并贯彻“以人为本”的信念,对右转机动车进行信号控制用以缓解冲突。在绿灯初期过街行人会以“群”的形式通过冲突区域,行人群中没有可供右转机动车穿越的间隙,冲突率达到最大,因此采用行人群通过冲突区域的时间来决定右转机动车的禁行时间。分别针对两相位和四相位信号控制交叉口,建立右转机动车禁行时间计算模型,最后,以长春市实际交叉口为例,用Webster延误模型对优化方案进行验证,结果表明,交叉口总延误降低20%,同时在很大程度上缓解了右转机动车与行人之间的延误。