城市信号交叉口混合交通秩序度模型

城市信号交叉口混合交通秩序度模型
第10卷第6期
2010年12月
交通运输系统工程与信息JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology
V oI.10No.6
December2010
文章编号:10094744(2010)06-0041-07
城市信号交叉口混合交通秩序度模型
刘金广,刘小明,孔庆峰,于泉,荣建
(1.北京工业大学交通工程北京市重点实验室,北京100124;
2.北京市交通委员会,北京100053;
3.交通运输部科学研究院,北京100029)
摘要:混合交通是我国城市信号交叉1:7最为显着的交通特点之一.为了便于研究混
合交通信号控制策略,并进行混合交通流仿真,从信号交叉12"时空资源"有效利用角
度,提出了信号交叉口混合交通秩序度的概念,并建立了混合交通秩序度模型.从信号
交叉口的"空间资源"利用角度,建立行人自行车聚集群与机动车冲突区域模型;从信
号交叉口的"时间资源"利用角度,建立行人自行车与机动车冲突时间模型,可以作为
优化混合交通信号控制策略的一个重要评价指标.最后,以混合交通秩序度和机动车
延误作为评价指标,通过仿真的方法,对实际交叉口进行了混合交通信号控制策略优
化,经过方案比选得到一个优化控制方案.研究结果表明,以混合交通秩序度和机
动车
延误为评价指标优化的控制方案,比以往单一考虑机动车为评价指标优化的控制方案,
效果得到明显改善,更能够表征我国信号交叉口混合交通流的运行状况.
关键词:城市交通;混合交通;信号交叉口;秩序度;行人自行车聚集群
中图分类号:U491文献标识码:A MixedTrafficOrderDegreeModelofUrbanSignalizedIntersection LIUJin—guang,LIUXiao—ruing一,KONGQing—feng,YUQuan,RONGJian
(1.BeijingKeyLabofTransportationofEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beij ing100124,China;
2.BeijingMunicipalCommissionofTransport,Beijing100053,China;
3.ChinaAcademyofTransportationSciences,Beijing100029,China)
Abstract:Mixedtrafficisoueofthemostremarkablecharacteristics-oftransportationinChin esecities.In ordertostudythephasestrategiesofurbansignalizedintersectionandcarryoutthemixedtraff icsimulation
oftheintersection,thispaperproposesanoveldefinitionofthemixedtrafficorderbasedonthe "time—space
resourceusing"oftheintersection,andestablishesthemixedtrafficordermode1.Itproposest heconflicting
areamodelbasedonthespaceresource,andtheconflictingtimemodelbasedonthetimeresour ceofthein—
terseetion.andtheorderdegreeofthemixedtrafficiStakenasanewindexofevaluationforthes ignalcon—
troloptimization.Finally.ittakestheorderdegreeandthevehicledelayastheindexesofevalua tionforthe
optimization,usesthesimulationmethod.Arealsignalizedintersectionisillustratedtogetthe optimalstrat—
egy,anditgetsanoptimalresultafteranoptimalprocess.Theresuhindicatesthattheoptimalstr
ategyeval—uatedbytheorderdegreeofmixedtrafficandthevehicledelayisbetterthantheformerstrategy evaluatedby
thevehicleonly,anditfitstodescribethemixedtrafficphenomenonofChina. Keywords:urbantraffic;mixedtraffic;signalizedintersection;orderdegree;pedestriansand bicyclescon—
g|omeration
CLCnumber:U491Documentcode:A
收稿日期:2009-06—10修回日期:2010-01.15录用日期:2010-02-02
基金项目:"十一五"国家科技支撑计划重点项目(2006BAJ18B03);北京市教委科技创新平台资助项目(102KB00776);
北京工业大学博士研究生创新计划项目(bcx一2009—027).
作者简介:刘金广(1982一),男,山东高唐人,博士生.
通讯作者:**************.on
42交通运输系统T程与信息2010年12月
1弓l言
混合交通是我国城市信号交叉口最为显着的
交通特点之一.目前我国城市信号交叉口的交通
运行效率不高,交通安全事故频繁,在很大的程度
上与交叉口内混合交通流的运行秩序有关系.良
好的交叉口交通运行秩序能够减少机动车的延误
时间,降低交叉口的交通事故率,提高交叉口的通
行能力.因此,有必要研究信号交叉口混合交通流
的运行秩序,进行城市信号交叉口混合交通秩序度
模型的研究,可以作为混合交通信号控制策略优化
的重要评价指标.
国外对信号交叉口信号控制策略的评价主要
选取机动车延误,通行能力延误等为评价指标.经
典的F.韦伯斯特一B.柯布信号配时公式选取交叉
口机动车延误为评价指标,澳大利亚学者R.阿克
寨利克对F.韦伯斯特一B.柯布信号控制配时公式进行了修正,增加了停车补偿系数作为评价指
标,2J.HCM2000中的信号控制策略与配时选取
交叉口饱和度以及机动车控制延误作为评价指标.
我国对于信号交叉口信号控制策略与配时评
价指标的选取,考虑了行人和自行车的影响,把它
们转化为对机动车的干扰,从而转化为选取以机动车为主的评价指标.2003年,中国科学院自动化研
究所的高海军,考虑混合交通流下行人与自行车对信号配时的影响,把行人与自行车转化为对机动车的干扰,选取交叉口机动车延误为评价指标进行了信号配时优化.2005年,东南大学的徐良杰,选
取机动车延误和交叉口冲突点为评价指标进行了混合交通信号控制策略与配时的优化.2005
年,东南大学的郑长江,考虑了我国混合交通流特性,从交叉口时空资源合理利用角度,选取交叉口
机动车评价延误,停车m-Jlq以及停车率为评价指标进行了混合交通信号控制策略与配时优化.
2006年,哈尔滨工业大学的裴玉龙,在分析我国城
市混合交通流特性的基础卜,考虑了行人和非机动车及其他因素对信号配时的影响,选取交叉口机动车平均延误为评价指标进行信号配时优化.
2008年,华南理工大学的孙超,选取机动车延误,
停车次数,排队长度组合成的综合评价指标对信号交叉口的相位相序进行了优化研究.
国外信号交叉口信号控制策略运行效率的评
价主要选取机动车评价为主,我国的信号交叉口信
号控制策略运行效率的评价虽然考虑了信号交叉口混合交通的影响,但还缺乏衡量信号交叉口混合交通运行秩序的评价指标.本文把行人自行车作
为一种独立的交通对象,没有把它们转化为对机动车的影响,提出了混合交通信号控制策略一个新的评价指标——混合交通秩序度,用来表征信号交叉口混合交通运行的有序程度.
2混合交通秩序度
城市道路交叉口是各个方向道路的交汇点,具
有交叉口"时间"和"空间"两类资源.交叉口时空
资源合理分配是交叉口有序运行的重要保障,也是交叉口信号控制策略优化的精髓.
2.1交叉口时间资源
信号交叉L『的时间资源,指的是整个交叉口的
运行总时间,为各个方向每股车流的通行时间和相位问的绿灯间隔时问之合.提高信号交叉口时间
资源利用效率的目标就是提高混合交通的有效绿灯利用时间,一般由信号控制配时方案所决定,分
配每股交通流的通行权.信号控制配时参数包括: 信号周期,相位,相序,绿信比,以及绿灯间隔时间等,因此提高信号交叉口时间资源利用可以通过优化信号配时方案,提高混合交通有效绿灯利用时问,减少混合交通的冲突时间和绿灯间隔时间.
2.2交叉口空间资源
信号交叉口的空间资源,指的是整个交叉口混
合交通的通行面积之和.相交道路在交叉口处交汇,势必会造成混合交通共同使用交叉口的有效通行面积,各股交通流在交叉口内产生多个冲突区域, 这些冲突区域包括机动车流之间的冲突,以及机动
车流与行人自行车产生的冲突.提高信号交叉口空
间资源利用效率的目标是合理分配各股交通流的通
行权,减少混合交通在交叉口内发生的交通冲突.
提高信号交叉口卒问资源利用可以通过优化信号控
制相位相序,减少混合交通流的冲突区域.
2.3混合交通秩序度的定义
通过以上对信号交叉口时间资源和空间资源
的分析,可以看出,提高信号交叉口的运行秩序,要
从时间和空问两方面共同考虑,在优化信号交叉口
第l0卷第6期城市信号交又口混合交通秩序度模型43 空间资源的同时,要兼顾时间资源的优化.减少混
合交通的冲突区域以及减少冲突区域内的冲突时
间,是信号交叉口混合交通运行秩序的重要保障.
因此可以归纳城市信号交叉口混合交通秩序
度的定义:从信号交叉口时空资源合理利用角度,
描述行人自行车以及机动车在"时间资源"和"空
间资源"利用上的有序程度.行人自行车与机动车
冲突区域越少,那么混合交通秩序度越高;冲突区
域内的冲突时间越少,那么混合交通秩序度越高.
本文所涉及影响混合秩序度的因素主要为行人自
行车与机动车的冲突区域数量和在冲突区域发生
的冲突时间.
为了便于研究,依据美国的NEMA标准编码
规则J,本文对信号交叉口各个方向的车流进行
了编号,如图1所示,左转车流的序号为奇数1,3,
5,7;直行车流的序号为偶数2,4,6,8;右转车流的
序号定义为9,10,11,12.交叉口人行横道的编号
为,北进口处人行横道为1,东进口为2,南进口为
3,西进口为4.
人行横道的冲突区域用机动车流编号与人行
横道编号共同表示(i,.),i为机动车流编号,.为人
行横道编号.如图1所示,北进口的人行横道存在
的冲突区域的序号为(11,1),(7,1),(12,1);东进
口的人行横道内存在的冲突区域的序号为(12,
2),(1,2),(9,2);南进口的人行横道内存在的冲
突区域的序号为(10,3),(3,3),(9,3);东进口的
人行横道内存在的冲突区域的序号为(11,4),(5,
4).(10,4).
图1交叉口行人自行车聚集群与机动车冲突区域编号
Fig.1Theserialnumberoftheconflictareabetweenthevehiclesandtheconglomeration 交通运输系统工程与信息2010年12月
3混合交通秩序度模型
我国城市信号交叉口绿灯释放过程中,行人自
行车具有两阶段的释放特性,"绿灯第一阶段释
放"过程——在绿灯释放开始,由于前一个周期红
灯时间内聚集下来的行人和自行车,将会同时开始
启动,呈现出行人和自行车聚集群的形式."绿灯
第二阶段释放"过程——聚集群开始启动之后的
绿灯时间内,由于行人和自行车随机到达路口,所
以接下来的绿灯时间内,行人和自行车以随机的形
式通过路口』.
本文主要针对信号交叉口绿灯释放第一阶段
的行人自行车聚集群进行研究.关于第二阶段行
人自行车随机单体的研究方法已经有很多可借鉴
成果,在此不开展深入研究.
从交叉口空间资源利用角度,考虑行人自行车
聚集群与机动车流的冲突区域;从交叉口时间资源
利用角度,考虑行人自行车聚集群与机动车流冲突
区域内存在的冲突时间,由此建立信号交叉口混合交通秩序度模型.该模型从交叉口时空资源利用角度定量地描述了混合交通运行的有序程度.混合交通秩序度模型的表述如公式(1)所示.
D:(1)
式中O——信号交叉口冲突区域数量比值; O——信号交叉口机动车与行人自行车聚集
群冲突时间比值.
(1)冲突区域数量比值(O)——不同信号
相位情况下的,"机动车与行人自行车聚集群冲突区域数量与不设置信号灯情况下的机动车与行人自行车聚集群冲突区域总数量之差"与冲突区域总数量的比值,如公式(2)所示.
o=(2)
在公式(2)中,Ⅳ为冲突区域总数量:N=4×
6=24;n为不同相位下的冲突区域数量:n=12—
2(P一2)=16一,P为相位数量P∈(2,3,4);因
此可以推导冲突区域数量比值(O)的公式,如公
式(3)所示.
O=(3)
(2)冲突时间比值(O)——一个周期内,
"冲突区存在机动车与行人自行车聚集群冲突的时间与整个周期绿灯时间之差"与整个周期绿灯时间的比值,如公式(4)所示.
O=(4)
l
在公式(4)中,为一个周期内总的绿灯时
间;t为不同相序下的冲突区域存在的冲突时间,因此冲突时间比值(O,)的公式如公式(5)所示.
O.=
一
∑(t㈨)
i=1.,=1(5)
公式(5)中,n为一个周期内,机动车与行人
自行车聚集群的冲突区域个数;(为一个周期
内,每一个机动车与行人自行车聚集群冲突区域发生的冲突时间.冲突区域编号如图2所示,为机动车流编号,为人行横道编号;为行人自行车聚
集群早启动或者晚启动时间差值.
在信号交叉口人行横道内,考虑到绿灯释放第
一
阶段的行人自行车聚集群特性,运用"虚拟网格
方法"对聚集群进行描述…,基于二相流体力学分析行人自行车聚集群的折算速度,因此可以得
到行人自行车聚集群与机动车冲突时间公式,如公式(6)所示.
t=L/V+X(q/Y)(6)
公式(6)中,,J为冲突区域长度;V为聚集群折
算速度;为聚集群问隔的平均时距;Q为聚集群
所占虚拟网格的长度;y为人行横道横向虚拟网格长度.
4应用分析
以往的研究方法没有定量考虑交叉口混合交
通的运行有序程度,应用混合交通秩序度可以为优化混合交通信号控制策略提供一个新的评价指标. 本文选择北京市怀柔区公路局路口为例,应用混合交通秩序度模型,选取混合交通秩序度与机动车延误为优化指标,进行了信号控制策略优化.公路局路口是一个典型的两相位交叉口,南北方向和东西
方向均为双向四车道,具体的交通组织渠化图如图
2所示.
采取视频调查的方法,调查时间为2007年4
月12日早高峰7:00—8:0o,具体的交通流量统计
如表l所示.
第10卷第6期城市信号交叉口混合交通秩序度模型45 图2公路局交叉口交通渠化图
Fig.2Thetrafficchannelizationoftheillustrational intersection
表1公路局交叉口早高峰流量统计表
Table1'nlerushhourtrafficflOWoftheillustrational intersection
基于仿真的方法,首先对原控制方案进行效果
分析,然后,根据绿灯释放第一阶段特性,进行信号
控制策略优化,具体优化过程如下:
阶段一原信号控制相位相序如图3所示,行
人与自行车相位与机动车同时启动,右转机动车采
取许可让行管理形式.原相位相序条件下,利用Synchro软件进行优化配时如表2所示,效果评价
如表3所示.
原相位相序下交叉口昆合交通秩序度根据公
式(1)计算得
o:尝::0.57二
表2原相位相序条件下优化配时
Table2Theoptimizationtimingoftheoriginal controlproject
相位一(s)相位二(S)周期长度(S)
高峰时段——
522890
●
相位序号12
机动车相位JLj厂
]f
lJ
行人与自行+一一—'?
车相位
'一…一—'
f,
注:右转车采取让行管理.
图3原控制方案相位相序图
Fig.3Thephasesequenceoftheoriginalcontrolproject
表3原相位相序条件下各进口道延误
Table3Thedelayoftheoriginalcontrolproject
进口道方向西进口东进口南进口北进口
各进口道延误(s)35.025.330.629.9
总延误(s)120.8
阶段二由于绿灯释放第一阶段行人自行车
聚集群的交通特性,进行控制方案相位相序优化调整.信号控制相位相序优化如图4所示,行人与自
行车相位提前于机动车释放,因此行人自行车聚集群可以提前进入交叉口,减少与机动车的冲突时间. 在人行横道内,绿灯释放第一阶段,行人自行
车聚集群与机动车冲突时问可以根据公式(6)得: 南北方向冲突时问
'
+0.5×:5(s)
东西方向冲突时间
,
十0.5×亍:3(s)
优化方案1南北方向行人自行车早启动5S,
东西方向早启动3S.利用Synchro软件进行优化
配时如表4所示,效果评价如表5所示.
高峰时段交叉口混合交通秩序度根据公式
(1)计算得
D===0.625
表4方案1相序条件下优化配时
Table4Theoptimizationtimingofthecontrolproject1
46交通运输系统工程与信息2010年12月
相位序号1234
机动车相位』L+_]f__jl
+
行人与自行l'…—++…-—
l
车相位J
}?I_————一—●'—一…—'-
,+
注:右转车采取让行管理
图4优化控制方案相位相序图
Fig.4Thephasesequenceoftheoptimizationcontrolproject
表5方案1相位相序条件下各进口道延误表8方案3相序条件下优化配时Table5ThedelayofthecontrolprojectlTable8Theoptimizationtimingofthecontrolproject3优化方案2南北方向行人自行车早启动4s,
东西方向早启动2s.利用Synchro软件进行优化
配时如表6所示,效果评价如表7所示.
高峰时段交叉El混合交通秩序度根据公式
(1)计算得
D:::o.605
表6方案2相序条件下优化配时
Table6Theoptimizationtimingofthecontrolproject2
表7方案2相位相序条件下各进口道延误
Table7Thedelayofthecontrolproject2
优化方案3南北方向行人自行车早启动3S,
东西方向早启动2s.利用Synchro软件进行优化
配时如表8所示,效果评价如表9所示.
高峰时段交叉口混合交通秩序度根据公式
(1)计算得
D:::0.605
表9方案3相位相序条件下各进口道延误
Table9Thedelayofthecontrolproject3
通过几种优化策略的比较分析,如表10所
示,我们可以看出,方案1的交叉口混合交通秩序
度为0.625,为几个方案中最大值,交叉口总延误
为104.1S,为几个方案中最低值,因此,方案1为
混合交通信号控制策略的一个局部最优解.
表l0各种方案效果对比分析表
Table10Thecompareoftheseveralprojects
5研究结论
针对我国城市信号交叉口混合交通冲突比较
显着的特点,建立厂描述信号交叉口混合交通有序
运行程度的理论模型,可以作为混合交通信号交叉
口控制策略一个新的评价指标,为优化混合交通信
号控制策略提供了理论依据.以北京市怀柔区公
路局路口为例,选用混合交通秩序度和机动车延误
两个评价指标,即能够评价信号交叉口机动车延误
第lO卷第6期城市信号交叉口混合交通秩序度模型47 又能衡量混合交通的运行秩序程度,对混合交通控
制策略进行了仿真优化,通过方案比选得到了优化
方案.
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