李子木 刘晓佳

(1.集美大学 航海学院，福建厦门 361021； 2.集美大学 海上交通安全研究所，福建厦门 361021)

城市道路交叉口交通流不对称现象是由车辆到达情况与信号交叉口的信号配时方案不符造成。城市道路中多数交叉口所使用的信号控制方案主要针对常见的十字形对称式交叉口，交叉口交通流与信号控制方案的不匹配导致交叉口在运行中存在某一路段出现空放的现象，从而降低车辆绿灯利用率，造成交叉口时空资源浪费。其次，由于城市交通的实际发展与规划存在偏差，现有的道路结构不能够很好地处理交通流，也导致了目前此类交叉口交通流不对称现象。目前，关于不对称交通流交叉口的优化问题引起了专家学者的广泛关注。姬利娜[1]根据绿波协调控制需求，进行独特的搭接相位设计，并在相位差的计算过程中考虑各路段行驶车速和红灯排队车辆的影响。Ma[2]等人提出一种自适应交叉口到达交通流的信号控制方式，通过设定好的系统，自动调整优化交叉口的绿灯时间及配时方案，有效地减少排队长度过长，车辆延误较大等问题。屈晓光[3]针对不对称交通流，运用模糊分析法，提出了一种可变相位的交通信号灯控制方法，并且设计出了配套的信号控制器，通过信号控制器来实现对交叉口的流量进行计算与信号的配时方案的实行，最后通过实例仿真得出该方法优于普通区域交叉口信号控制。李硕[4]对城市交通流不对称信号交叉口相位相序的模型进行研究，提出了相位矩阵的表示方法，并结合交通流不对称的约束条件，使用MATLAB软件构造干道交叉口的相位相序结构优化算法，采用遗传算法求得最小总延误。魏双秋，潘义勇[5]总结潮汐交通流的形成原因，提出新的车道方案设计与运行组织方式，基于vissim仿真验证潮汐车道方案的优越性。张泰文、张存保等[6]提出设置逆向动态可变车道来缓解交叉口传统信号控制方案难以满足不对称交通流的情况，且补充了逆向可变车道切换控制方法的判断条件。梅朵,郑黎黎等[7]构建城市区域交通信号控制与诱导协同的一体化模型，并改进遗传算法对模型进行求解与验证。蒋贤才、于晨[8]分析了不对称交通流交叉口确定参数的阈值变化和不对称信号周期对交叉口车辆运行状态的影响。综上所述，不对称交通流还有很大的研究空间。目前对于交叉口的优化方式分为实时调整与预测调整两种。本文采取预测调整优化方式，重点研究不对称交通流特性的交叉口信号控制与交通组织的预先优化，并基于VISSIM仿真软件得到评价指标，以此验证优化方案的有效性与可行性。为了更好地解决交通流不对称这一问题，本文通过调查所得的交叉口相关数据来研究不对称交通流的特性与优化交通组织设计，并利用NEMA结构相位来缓解不对称交通流冲突情况，减少由于车辆冲突导致的时间资源浪费，从而进一步地提升道路的通行能力，将交叉口的时间-空间资源利用率提升到最大。

1 非对称交通流交叉口问题分析与解决方案

1.1 不对称交通流的定义

不对称交通流是指在同一相位相对流向交通量差值较大，但满足既定条件的交通流。根据参考文献[8]定义交叉口相位交通流不对称判定标准为

(1)

式(1)中：aci为第i相位的交通流不对称系数；qi1为第i相位第一进口道单车道信号周期到达交通量,pcu/cycle;qi2为第i相位第二进口道单车道信号周期到达交通量,pcu/cycle；比较aci与aci-aci0的正负，判断交通流是否对称，aci0为第i相位交通流不对称的阈值，文献指出当aci0为0.2时，判定效果最好。

1.2 问题分析与解决方案

交叉口的发展是动态与复杂的，由于道路预先规划与实际情况不符，加上车辆的到达分布不均匀，导致交叉口交通流的不对称。当预先设置的信号配时方案与道路地面交通组织不能够很好地疏散交通流，就会出现一方进口道排队长度较长，路段发生堵塞；另一方向车道放空，绿灯利用效率极低，浪费道路-时间资源。

为了缓解上述问题，提升交叉口车辆的绿灯时间利用率，本文设计了不对称交通流交叉口的时空资源优化方案，该方案由两部分组成。第一部分：对道路交通组织进行优化。在可利用的道路环境上调整车道数量，有效地均衡道路网上的车流，合理规划其行驶路线，降低不同车道之间的干扰；第二部分：对信号控制方案进行优化，提出不对称交通流的信号相位选择模型与交叉口信号配时模型。对于不同情况的不对称交通流给出对应相位方案，并转换各进口道的交通量为直行当量，来减少车辆冲突的影响。再在NEMA相位结构的基础上优化webster法中相位总流率比、有效绿灯时长的计算方法，使得到的方案更加贴合道路实际情况。最终通过VISSIM软件进行仿真，分析优化前后交叉口车辆的行程时间、延误时间与进口道车辆排队长度变化情况。

2 优化模型

2.1 不对称交通流交叉口信号相位

通过了解上节提出的不对称交通流的定义可以得知，交通流不对称情况并不唯一。本文分类讨论交叉口不对称交通流的分布情况，并运用NEMA双环相位结构设计相位，来避免由于传统信号交叉口配时与不对称交通状态不符导致车道绿灯时间内空放的情况，缓解交叉口不对称交通流时间资源的浪费。

NEMA相位控制模式有效的避免了对向冲突车流同时放行带来的干扰，一方面有效的保障了交叉口的安全，另一方面通过灵活的调整控制环上的信号相位，达到降低行车冲突、减少绿灯时间的浪费的目的。

通过分析，对向交通流不对称状态主要有以下几种状态：

2.1.1直行交通流对称、左转交通流不对称或左转交通流对称而直行交通流不对称

上述两种状态类似，以直行交通流对称、左转交通流不对称为例。该情况进口道直行车辆可双向车道同时放行。对于左转车辆来说，若同时放行，会导致一侧进口道绿灯时间利用率比较低；若采取单向进口道直左同时放行，又无法解决车道利用不均的问题。该情况的相位方案设置首先需要判断左转车流是否达到设置左转保护相位的标准，若需要设置左转保护相位，则以左转车道关键流量比较小的为优，进行放行；若不需要，则以单向进口道依次直左放行。

2.1.2 左转交通流与直行交通流同侧不对称

该情况需要设置进口道左转专用相位。同时放行对向左转车辆，当流量低的一侧车辆通行完毕之后，该向左转停止放行，对向左转车辆继续放行，与此同时放行直行车辆。当左转车流通行完毕之后，相位中同时放行对向直行车辆，直至结束。

2.1.3 左转交通流与直行交通流对侧不对称

该情况无论采取对称放行还是单进口放行都会存在绿灯时间进口道空放的情况。为了增强对绿灯时间的利用，采取同时放行直行与左转进口道的方法，且各相位的绿灯时间仅满足两进口道交通量差值的一半，未通行的车辆滞留入下个信号周期，再做考虑。

2.2 交叉口信号配时模型

通过计算各个进口道的关键流率比，确定关键车流，计算信号交叉口损失时间，采用webster法求的交叉口信号周期[9]。传统webster法计算公式见式 (2)-式(7)。

传统的信号相位总流率比为

(2)

I=A+AR,

(3)

(4)

(5)

传统有效绿灯时长为

(6)

(7)

本文针对NEMA相位结构对传统的Vissim方案进行优化，使其更适用于不对称交通流交叉口车流实际情况。

在上式(2)基础上NEMA相位总流率比可以表示为

(8)

在上式(6)基础上NEMA有效绿灯时长表示为

(9)

(10)

式(2)中Y为组成信号周期全部相位的各个最大流量比之和；yj,yj′为第j相位的流量比；qd为关键交通量，pcu/h；Sd为设计饱和流量，pcu/h；式(3)中I为路灯间隔时间，s；AR为全红时间，s，根据道路实际情况,全红时间取1.0 s；式(4)中L为周期的信号损失时间；Ls是启动损失时间，s，常取3 s；k为一个周期内绿灯间隔数；A为黄灯时间，s，常取3 s；式(5)中C为信号周期总时长，s，为了便于控制，对计算周期取整为5的倍数；j为信号周期内相位数；式(6)中gej为第j相位的有效绿灯时长，s；式(7)中gmin为行人最短过街时间，Lp为行人过街长度，m；vp行人过街速度，m/s，取1 m/s。式(8)中yi,j为第i个环上第j位的流量比值；式(9)中gei,j为第i环上第j位的有效绿灯时长，s；式(10)中gei,j+1为第i环上第j位的有效绿灯时长，s。

3 算例分析

3.1 交叉口现状

通过实地调查与分析，确定蚌埠市工农路与涂山路交叉口为研究对象。该交叉口现状如表1所示。

表1 交叉口现状基本情况

3.2 交叉口优化设计

3.2.1 交通组织优化

现交叉口交通组织方面存在的问题：交叉口左转车道交通流量较大，对应车道车辆储存能力不足；交叉口车道划分不合理，存在机非混行的问题，干扰机动车辆的行驶；部分方向无非机动车道，非机动车与行人之间存在安全隐患。针对各情况，具体优化措施为：

1)东进口：在东进口增设左转待转区，提升车道的存车能力。为了解决东进口存在机动车与非机动车混行的状态，重新划分车道。东进口右转和直行交通量都比较大，难以满足车辆的快速通行，为此取消非机动车道上的停车位，增设一个3.2 m的车道，来平均进口车道上的流量。

2)西进口：西进口同样存在机动车与非机动车混行的状态，而且西进口车道少，车辆多，严重影响了交叉口的通行能力。首先在西进口增设左转待转区。将非机动车道上的停车位更改为右转车道。优化后交叉口总图如图1所示。

图1 交叉口优化后结构图

3)南北进口由于道路地形限制，无法新增机动车道，仅完善车道的标志标线与渠化设施。

3.2.2 信号控制优化

为了更好的还原交叉口运行状况，使仿真数据与交叉口运行现状一致，将交叉口进口道车辆转换为直行当量，降低交叉口对向车辆行驶冲突对测得交通量的影响，计算结果如表2所示。

表2 车道组行车当量计算情况 (单位：pcu/h)

根据2.1节设置交叉口的信号相位，首先通过分析各进口道的左转流量以及其对向直行的流量乘积的大小来判断是否需要设计左转保护相位[10]。左转保护相位设置标准见图2，交叉口左转保护相位判断情况见表2。

图2 HCM中确定左转保护相位、许可相位的标准

由上述左转相位设置标准与观察道路实际情况可知，东西进口在同时放行的过程中，左转与直行造成干扰，导致交通堵塞。车流在原有的绿灯时间内没法全部通行，增加了车辆的延误，则相应增设左转保护相位。综上所述，交叉口传统信号早启迟断相位相序设置情况如图3所示。

根据NEMA相位结构计算交叉口信号配时方案。该相位结构可以有效地解决交通流不对称的情况。根据设计相位方案以及实测的饱和流率，绘制关键车流分析示意图，计算流率比，确定后的关键车流示意图如图4所示，相应参数见表3。

图3 优化后交叉口传统信号相位相序

图4 NEMA相位结构示意图

表3 相位的关键流率比

根据实测饱和流率与式(8)得各相位的关键流率比见表4：Y=0.34+0.19+0.20=0.73<0.9，各相位的关键流率比之和满足要求。

一个周期的总信号损失时间为各相位信号损失时间之和，注意到每个控制链中都包含有5个相位，但是由于过渡相位的损失时间与完整相位不同，在计算配时中的损失时间时，过渡相位不计入其中，因此一个周期的总信号损失时间L为16 s，通过式(6)求得信号周期时长并取整为110 s。

通过式(9)、(10)得到各环各相位有效绿灯时长。考虑到在对绿灯时间取整中存在误差，对部分相位的绿灯时间进行调整。将每个控制链的绿灯显示时间、黄灯时和全红时间进行累加，检验是否与周期长度相等。交叉口存在行人过街需求，有必要对相位的最短绿灯时间gmin进行检验，根据式(7)计算各相位行人过街需求时间。计算结果得：ge1,1=30 s，ge2,1=35 s，ge1,2=15 s，ge2,2=10s,ge1,3=ge2,3=25 s，ge1,4=ge2,4=27 s。优化后的信号配时方案如图5所示。

图5 优化后交叉口信号配时方案

3.3 优化方案评价3.3.1 仿真模型构建

在VISSIM仿真软件中构建仿真模型。首先输入优化前后的路网底图，绘制车道与连接路段；再输入车辆、行驶车速、信号配时方案；最后添加信号灯、数据监测点与检测器。通过VISSIM运行优化设计前后的分析，得出交叉口车辆行程时间、延误、排队长度的评价文件[11]。

3.3.2 评价结果分析

整理仿真输出的评价文件，优化前后交叉口各进口道评价指标对比情况如图6所示。从图可知，优化后的交叉口车辆行程时间、排队长度与车辆延误均有不同程度的降低。与优化前交叉口相比，优化后车辆行程总时间下降了12.7%，减少了路网中各路段的运行时间，减少了整个交叉口车辆总行程时间。各进口道的排队长度均不同程度地低于优化前，与优化前相比交叉口进口道排队长度下降了27.7%，各进口道延误下降了23.8%，说明本文的优化模型可以改善不对称交通流交叉口车辆运行情况，进而提高车辆通过交叉口的效率。

图6 优化前后评价指标对比情况

4 结语

本文针对交通流不对称导致的道路车辆行车拥堵与信号配时不合理问题进行深入研究，并以蚌埠市工农路与涂山路交叉口为研究实例。本文提出的优化模型能够提高车辆在交叉口的通行效率与空间资源利用率，改善车流不对称造成交通车道部分资源浪费的现象。一方面，通过优化交通组织，使道路更好地适用于不对称交通流；另一方面，通过优化交叉口的信号控制方案，减少了由于交叉口不同车道车辆的冲突所导致相位的可用时间，使信号可以更好地适应车流的不对称性。此外，交通流不对称系数的阈值与相关冲突对于车辆通行效率的影响对于整个交叉口的优化同样具有重要意义，后续研究将综合考虑这些因素，使优化方案更加贴合交叉口实际情况。