公交車鉤形轉彎交叉口自適應信號控制方法

陳 松,李顯生,任園園

(1.吉林大學 交通學院,長春130022;2.中國刑事警察學院 痕跡檢驗技術系,沈陽110854)

0 引 言

交叉口車道渠化與相位相序設計是信號控制的基礎。一般當左轉交通流量較大時,需要在交叉口設置左轉專用進口車道以及左轉專用相位,這可以避免左轉車與對向直行車的沖突,維持交通流有序運行[1-3]。然而隨著交叉口相位數的增加,每周期的綠燈損失時間也將增加;另外設置左轉專用相位將導致交叉口通行能力的下降,因為在左轉相位顯示綠燈期間,只有左轉相位控制的1-2條進口車道釋放排隊車輛,相同進口方向的多條直行車道的機動車需要停車等待。因此,在擁堵交叉口如何有效控制左轉車、提高交叉口通行能力一直是交通工程領域的研究熱點[4,5]。而交叉口禁止左轉是一種常見的控制方法,它可以減少相位數,顯著提高通行能力,進而減少排隊長度、緩解交通擁堵。但是在這種情況下,左轉機動車需要繞行才能到達目的地[6,7]。小汽車在較窄的道路上就能完成調頭、繞行,而公交車由于車身較長,一般很難在附近區域找到調頭、繞行地點;另外,公交車輛需要按照固定線路運行,如果繞行過遠,將增大公交車行程時間,降低乘客滿意度。因此,在禁止左轉交叉口需要特殊考慮公交車的運行情況[8-10]。

沈陽市交管部門在禁止左轉交叉口專門針對公交車輛提出了一種鉤形轉彎方法。即公交車駛入最外側進口車道,在直行相位綠燈啟亮后,越過停車線,駛入交叉口內部等待;當相交方向的綠燈啟亮后再駛離交叉口。這種方法可以在不設置左轉專用相位的情況下保證公交車的左轉過程,使得小汽車與公交車的運行效益最大化。然而目前在這種類型交叉口,信號配時方案依靠工程經驗確定,缺乏理論依據,難以適用交通流的隨機波動。別一鳴等[11,12]雖然研究了Hook turn這種鉤形轉彎方法,但是均適用于普通社會車輛,未考慮公交車的運行。因此,本文考慮到禁止左轉交叉口公交車鉤形轉彎情況,提出了一種自適應交通信號控制方法,以提高交叉口交通流運行效率。

1 自適應信號控制方法的建立

1.1 交通流放行規則

如圖1所示,交叉口每個進口方向均禁止機動車左轉,只允許直行和右轉。所以交叉口只有兩個信號相位(如圖2所示),其中相位一控制南北方向的機動車,而相位二控制東西方向的機動車。假設南北進口的左轉公交車采用鉤形轉彎方式,以南進口為例,左轉公交車駛入最外側車道排隊等待;當相位一的綠燈啟亮后,公交車越過停車線駛入待行區內等待;在相位一的綠燈結束后,交叉口顯示一段全紅時間,此時待行區內的公交車完成左轉。在全紅時間結束后相位二的綠燈才能啟亮。需要注意的是:當公交車在待行區內等待時,為了不妨礙南北直行機動車的通行,待行區需要進行一定距離的偏移,這也將導致相交方向的車道停車線后移。

圖1 公交車鉤形轉彎交叉口渠化方案Fig.1 Channelization design scheme of intersection with bus hook turn

圖2 公交車鉤形轉彎交叉口相位方案Fig.2 Phasing scheme of intersection with bus hook turn

由以上描述可以看出,這種交叉口的設計方法與傳統交叉口存在顯著差異。首先,左轉公交車駛入最外側車道,而不是最里側車道;其次,左轉公交車需要在交叉口內部的待行區停車,一般每個周期需要停車兩次;再次,左轉公交車利用信號清空時間駛離交叉口,沒有專用的信號相位?？傮w上,這種設計方法在保證公交車可以左轉的情況下,壓縮了交叉口相位數,提高了交叉口通行能力。

1.1節對公交車鉤形轉彎交叉口的設計方法進行了簡要介紹。一方面,待行區的長度受相交道路寬度制約,而公交車身比較長,所以待行區內只能容納有限的公交車(一般情況下最多2輛)。當一個周期到達的公交車輛數較多時,待行區內的公交車排隊將上溯至最外側進口車道,導致該車道的機動車在綠燈期間無法釋放,極大地降低通行能力。另一方面,當相位一的黃燈時間結束后,交叉口將顯示一段全紅時間。如果全紅時間過短,那么待行區內的公交車難以完全釋放,導致相位二的直行車與公交車在交叉口內部沖突。如果全紅時間過長,那么將使得其他相位機動車的延誤增加。針對上述兩類問題,目前并未有學者進行研究、進而提出一種高效的信號控制方法。

1.2 檢測器布設方案

為了解決2.1節所提出的兩方面問題,本文對公交車鉤形轉彎交叉口實施自適應信號控制方法。而檢測器布設是自適應信號控制的前提,是保證交通流信息實時采集的關鍵。如圖3所示,交叉口一共布設三種類型的檢測器。

圖3 交叉口檢測器布設方案Fig.3 Detector layout at intersection

第一種檢測器用來檢測各條進口車道的交通流到達情況,布設在停車線后x1m的位置,它是實現整個交叉口自適應控制的基礎。為了準確檢測到每條車道的機動車到達情況,第一種檢測器必須布設在渠化區內。檢測器采用2 m×2 m的規格,布設在車道中間,以避免漏檢。L1建議取值40 m,如果L1太大,則信號機預測機動車從檢測器至停車線的行程時間誤差可能增大。

第二種檢測器用來檢測待行區內是否發生公交車排隊上溯。如果公交車排隊上溯,那么在相位一綠燈期間該檢測器將一直被占據。檢測器采用2 m×2 m的規格,布設在車道中間。

第三種檢測器用來檢測待行區內是否有公交車排隊,以決定何時結束全紅時間。如果公交車數量較多,那么所需要的全紅時間較長;否則需要的全紅時間較短。第三種檢測器并未布設在待行區停車線處,是因為有時待行區內的第二輛公交車直接從停車位置處轉彎,并未通過停車線。檢測器為長方形,建議尺寸8 m×2 m,布設在待行區中間位置。

1.3 信號控制算法

1.3.1 待行區排隊溢出自動檢測算法

以圖3為例,南進口車道3布設了第二種類型檢測器,它被用來檢測待行區1內是否發生了公交車排隊溢出。當相位一的綠燈啟亮后,車道3的車輛依次越過停車線,其中左轉公交車駛入待行區1內排隊等待。當待行區1被左轉公交車占滿時,后續的左轉公交車將無法駛入待行區1,只能在車道3繼續排隊,此時車道3將被阻塞,車輛無法駛離。在這種情況下,車道3的第二種檢測器將一直被占據,直至相位一的綠燈在下一個周期啟亮。

基于此,待行區1內發生排隊溢出的判斷標準是:在相位一顯示綠燈期間,車道3的第二種檢測器連續x秒出現高電平,即處于被車輛占據狀態。其中:

式中:x1為正常行駛狀態下一輛公交車占據第二種檢測器的時間,s;Δt為容錯時間,s。

Δt的取值對于待行區內排隊溢出事件的判別精度具有重要影響。如果Δt取值較小,那么當公交車通過停車線運行速度較低時,可能被誤判為發生了排隊溢出;如果Δt取值較大,將造成判別的遲滯,信號機無法及時提供決策方案。

作者在沈陽市文藝路與青年大街交叉口進行了實地調研,以獲取準確的x1和Δt取值。該交叉口的四個方向均禁止左轉,公交車需要實施鉤形轉彎。選擇南進口最右側車道停車線后2 m左右的位置,采用黃色膠帶黏貼成一個2 m×2 m的方框,用來表示感應線圈檢測器。在車道旁邊放置攝像機,拍攝公交車經過方框的視頻。連續攝制15個周期,一共獲得33輛公交車經過方框時的有效數據。每輛公交車占據方框的時間等于車尾駛離方框時刻與車頭壓上方框時刻之差。這33輛公交車占據方框的時間如圖4所示。

在調查時之所以不選擇小汽車是因為公交車的車身長度明顯大于小汽車。如果調查較多輛小汽車的數據,將會拉低整體占據時間的平均值。那么每當公交車經過感應線圈時,信號機都可能誤判為待行區發生了排隊上溯。所以僅選擇公交車進行調查統計。

圖4 調查交叉口每輛公交車占據檢測器時間Fig.4 Bus occupy time of each bus at the investigated intersection

圖4中33輛公交車占據時間的平均值為2.51 s,標準差為0.37 s。根據概率論中的“3σ原則”,如果將公式(1)中的x1設置為2.51 s,Δt設置為1.11 s,那么99.7%的公交車?？吭跈z測器上,均可以被準確地識別出來。因此,在本文中x等于3.62 s,即如果在相位一顯示綠燈期間一輛機動車占據第二種檢測器的時間超過3.62 s,可以認為待行區內發生了排隊上溯。

1.3.2 全紅時間的自動確定方法

以圖2為例,相位一的黃燈結束時刻與相位二的綠燈啟亮時刻之間存在一段全紅時間,該時間主要用來清空待行區內的公交車。如果待行區內的公交車數量比較少,那么全紅時間需要設置的短一些;反之則全紅時間需要設置的長一些。在未布設檢測器的交叉口,全紅時間只能設置為固定值。然而在待行區內布設第三種檢測器的情況下,可以通過檢測器數據自動確定全紅的結束時刻,以提高交叉口控制效率。

根據在沈陽市文藝路與青年大街交叉口的實際觀察,當待行區內排兩輛公交車時,第一輛公交車越過待行區的停車線駛離交叉口;而第二輛公交車直接在排隊位置進行左轉,并未通過待行區的停車線。所以如果把第三種檢測器布設在待行區停車線附近處,將無法檢測到第二、第三輛公交車。

因此,本文提出如下全紅時間的自動確定方法:當待行區內第三種檢測器由被占據狀態變為空閑狀態時,信號機立即結束全紅時間,并啟亮相位二的綠燈。由于相位二的機動車駕駛員需要反應時間、啟動時間以及行駛至待行區的時間,在該時間內交叉口內部的公交車已經駛離,這樣可以避免了二者的沖突。

1.3.3 自適應信號控制流程

以圖2、圖3所示的交叉口相位方案、檢測器布設方案為例介紹自適應信號控制流程。

步驟1:交叉口是否有相位在顯示綠燈?如果是進入步驟2;否則進入步驟3。

步驟2:判斷是否相位一在顯示綠燈?如果是進入步驟6;否則進入步驟12。

步驟3:此時交叉口顯示全紅,正處于清空待行區內公交車的階段。判斷第三種檢測器是否均處于空閑狀態?如果是則進入步驟4;否則進入步驟5。

步驟4:立即結束全紅時間,啟亮相位二的綠燈;轉入步驟16。

步驟5:交叉口全紅時間加1 s;轉入步驟16。

步驟6:判斷本周期相位一已經顯示的綠燈時間是否達到最小綠燈時間g1min;如果是,則進入步驟7;否則相位一綠燈時間加1 s,轉入步驟16。

步驟7:判斷待行區內是否存在公交車排隊溢出情況?如果存在,進入步驟8;否則進入步驟9。

步驟8:立即結束相位一的綠燈顯示;轉入步驟16。

步驟9:判斷本周期相位一已經顯示的綠燈時間是否達到最大綠燈時間g1max;如果達到,則轉入步驟8;否則轉入步驟10。

步驟10:判斷相位一控制的各條車道的第一種檢測器是否均連續Δδ秒無車輛到達,如果是,則轉入步驟8;否則進入步驟11。

步驟11:相位一綠燈時間加1秒,轉入步驟16。

步驟12:此時相位二在顯示綠燈。判斷相位二本周期已經顯示的綠燈時間是否達到最小綠燈時間g1min;如果是,則進入步驟13;否則相位二綠燈時間加1 s,轉入步驟16。

步驟13:判斷本周期相位二已經顯示的綠燈時間是否達到最大綠燈時間g2max;如果達到,則轉入步驟14;否則轉入步驟15。

步驟14:相位二立即結束綠燈顯示,轉入步驟16。

步驟15:判斷相位二控制的各條車道的第一種檢測器是否均連續Δδ秒無車輛到達,如果是,則轉入步驟14;否則相位二綠燈時間加1 s,轉入步驟16。

步驟16:本次判斷結束,轉入步驟1。

信號機每1 s執行1次上述邏輯判斷,可以保證信號控制方案隨著交叉口狀態的變化而實時調整。在控制算法中,各個相位的顯示綠燈時間不能小于最小綠燈時間,該時間根據行人過街時間確定,即需要滿足行人過街。最大綠燈時間需要考慮駕駛員的心理感受,當一個相位的綠燈時間較長時,其他相位的駕駛員紅燈等待時間也將增加,本文建議主干道方向取值80 s,其他方向取值50 s。

自適應信號控制流程如圖5所示。

圖5 自適應信號控制方法流程Fig.5 Flow chart of adaptive signal control method

2 仿真與評價

2.1 數據采集

采集沈陽市文藝路與青年大街交叉口的實際數據,作為仿真環境的輸入。青年大街是沈陽市的重要主干道之一,交通流量較大。該交叉口四個方向均禁止左轉,所以四個方向的公交車均需要采用鉤形轉彎。受篇幅的限制,本文不再給出該交叉口的渠化圖。南進口和北進口均是四條車道,包括3條直行車道,1條直右車道。東進口和西進口均是3條直行車道,1條右轉車道。其中東西進口只有在夜間允許左轉。該交叉口執行兩相位信號控制方案,南北方向交通流受相位一控制,東西方向交通流受相位二控制,每個相位的黃燈結束后交叉口均要執行全紅。為了驗證本文所建立方法的有效性,于2017年2月21日早高峰(7:30～8:00)、上午平峰(10:00～11:00)進行數據調查。調查內容包括:每個進口車道的分車型流量、交叉口信號配時方案。調查流量如表1所示。

在VISSIM中進行仿真之前,需要校正各條車道的飽和流率,實際調查得到飽和流率為1800輛/h;而VISSM中無法直接校正該參數,不過可以通過調整駕駛員的行為參數進行校正。在高峰時段,該交叉口的周期時長為162 s,其中相位1的綠燈時間為105 s,相位2的綠燈時間為47 s。兩個相位的黃燈時間均為3 s,全紅時間均為2 s。在平峰時段,交叉口的周期時長為126 s,其中相位1的綠燈時間為83 s,相位2的綠燈時間為33 s。兩個相位的黃燈時間、全紅時間與高峰時段相同。

表1 文藝路與青年大街交叉口調查流量(單位:輛/h)Table 1 Survey volume data of Wenyi Road and Qingnian Street intersection(unit:veh/h)

2.2 仿真結果分析

在交通仿真軟件VISSIM中模擬兩種方案:方案一是本文所建立的自適應信號控制方法,通過VAP模塊編程實現;方案二是在該交叉口調研得到的信號配時方案。每種方案模擬高峰、平峰兩種場景,每種場景模擬4000 s,其中前400 s為暖機時間,采集從400 s至4000 s的仿真數據。采用交叉口車均延誤、交叉口最大排隊長度、最外側車道發生排隊上溯的次數作為評價指標。具體如表2、表3所示。

表2 兩種方案對應的車均延誤與最大排隊長度Table 2 Average vehicle delays and maximum queue lengths under two plans

表3 交叉口各個進口發生排隊上溯的次數Table 3 Number of vehicle spill over on different intersection approaches

從表2可以看出,不管是在高峰期還是平峰期,方案一均優于方案二。在高峰時段,交叉口處于過飽和狀態,車均延誤與排隊長度的值均比較高。與方案二相比,方案一的車均延誤降低了10.8%,最大排隊長度降低了9.8%。在平峰時段,交通流量整體減少,交叉口不再出現過飽和現象;與方案二相比,方案一的車均延誤降低了13.1%,最大排隊長度降低了17.2%。從表3可以看出,與方案二相比,方案一下待行區發生排隊上溯的次數有一定程度的下降。比如在高峰期方案一下發生19次排隊上溯,方案二下發生21次排隊上溯;在平峰期方案一下發生7次排隊上溯,方案二下發生9次排隊上溯。

之所以會出現方案一優于方案二的情況,是因為方案一的自適應信號控制算法中引入了排隊上溯自動檢測方法以及全紅時間自動確定方法。一旦檢測到交叉口發生待行區排隊上溯現象,那么立即終止當前相位的綠燈顯示,并切換至下一個相位。而當待行區內公交車數量較少時,全紅時間顯示比較短,可以減少其他相位的機動車延誤。此外,本文所建立的算法可以通過檢測器獲取的交通流量信息動態調整信號配時參數,適應交通流的隨機波動。

3 結 論

(1)所建立的自適應信號控制方法可以比較準確地檢測待行區排隊上溯情況,維持交叉口交通流正常秩序。

(2)全紅時間自動確定方法可以根據公交車流量調整全紅時間的長短,這對于提高交叉口運行效率具有重要意義。

公交車鉤形轉彎這種方法雖然可以提高交叉口運行效率,但是受相交道路寬度的限制,待行區內只能停放少數公交車,所以當左轉公交車流量較大時本文所研究的方法將不適用。在工程中應考慮本方法的適用條件。例如待行區內可以停放2輛公交車,交叉口周期時長為100 s,每小時運行36個周期,那么本方法適用于左轉公交車流量不大于72輛/h的情況。

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