混合交通环境下有信号平面交叉口通行能力研究46

发布时间：2016-12-08 15:29

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第1卷第2期交通运输系统工程与信息；Vol.1No.2混合交通环境下有信号平面交叉口；通行能力研究；李建新,毛保华；(北方交通大学交通运输学院,北京100044)；摘要:关于交叉口通行能力的研究是交通工程研究的一；关键词:混合交通;信号配时;平面交叉口;通行能力；CapacityAnalysistoSignal；MixedTrafficEnvironment

第1卷第2期交通运输系统工程与信息

Vol.1No.2混合交通环境下有信号平面交叉口

通行能力研究

李建新,　毛保华

(北方交通大学交通运输学院,北京　100044)

摘要:　关于交叉口通行能力的研究是交通工程研究的一个重要领域,混合交通环境下非机动车对道路通行能力有重要影响.本文回顾了国内外关于自行车对道路交叉口能力影响的研究,分析了在我国自行车流量较大条件下各种方法的特点及问题,研究了我国非机动车比例较大的混合交通环境的基本特点,提出了有信号平面交叉口非机动车对通行能力的影响及相应的计算模型,并进行了简要分析.研究结果对于进一步开展混合交通流条件下的仿真研究有重要现实意义.

关键词:　混合交通;信号配时;平面交叉口;通行能力;城市交通中图分类号:　U49

CapacityAnalysistoSignalizedIntersectionsunder

MixedTrafficEnvironment

LIJian-xin,　MAOBao-hua

(SchoolofTrafficandTransportation,NorthernJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:　Capacityanalysistointersectionsisveryimportantintrafficengineeringasnon-motorizedflowisofsignificanteffectsonroadcapacity.Thispaperreviewstheworld-widesituationonintersectionswithnon-motorizedflowandanalyzesthecharacteristicsandproblemsofcurrentachievements.Basedontheattributesofmixedtrafficwithgreatproportionofnon-motorizedvehiclesinChina,thepaperestablishesthecapacitymodelsonintersectionswithsignalinurbanareas.Theconclusionsmadehereareofgreatsignificanceforfurtherresearchtodevelopasimulationsystem.

Keywords:　mixedtraffic;signaltiming;signalizedintersections;capacity;urbantransportCLCnumber:　U49

　　交通工程分析中,混合交通环境下的车辆行为对道路通行能力有很大影响.从微观层次上研究车辆运行行为的方法主要是通过车辆跟弛(Car-following)模型和换道(Lane-changing)模型来开展的.尽管最早的跟车模型研究始于50年代末期[1,2],但目前较具影响的跟车与换道模型是Gipps提出的.这些模型已被许多微观模拟模型所采用,在实践中产生了广泛的影响.

过去研究交通流微观行为的一个不足是关

收稿日期:2001-04-02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(79500001).李建新:高级工程师,工程硕士:[3]

于车辆类型的设定,例如,大多数模型假定不同种类的交通流(类)有相同的跟车行为,即跟车的规则没有与车辆类别联系起来.这种假定使得这类模型在刻画实际问题时难以令人满意.因此,研究特定类的跟车模型对研究微观交通流的模拟具有重要现实意义.目前,国外关于这一领域的研究重点体现在三个方面:一是道路上不同类型机动车形成的“混合”交通的行为分析.例如,Zhang等人研究了不同种类车流之间的行

[4]

120

交通运输系统工程与信息2001年5月

为差异,这种“混合”与我国机动车与非机动车的“混合”有所不同;二是车辆在不同道路路况下(如拥挤与非拥挤状态)的行为分析[5,6],而此前的研究主要集中在自由流条件下的行为研究;三是有道路实时信息可用时车辆行驶与路径选择行为分析[7],这与近年来智能交通系统(ITS)技术的研究和发展有很大关系.这些研究中几乎没有考虑非机动车.

在发达国家,随着近年来人们对交通环境问题的重视,自行车作为一种健康的运输方式利用率有所上升,关于非机动车的研究也受到越来越多的重视.例如,“自行车交通”第二版[8]定性分析了流量不大情况下自行车对道路机动车流的影响和道路几何设计理念.不过,总的来看,对自行车出行行为的分析还不充分.例如,对有信号交叉口的研究虽然有许多成果,但关于交叉口自行车对机动车和通行能力影响的研究却很少;这与大多数发达国家自行车流量较少、自行车引发的问题不多有关.Allen等人通过对美国一些城市自行车的调查,分析了自行车对有信号平面交叉口通行能力的影响,论文提出用自行车通行利用率对能力进行计算.研究结论表明:考虑自行车流量后,机动车交叉口饱和流率(Saturationflowrate)明显低于通行美国公路通行能力手册(HCM)建议的水平;加拿大有信号交叉口能力指导手册中也提出了计算饱和流率时的调整系数.按照HCM的建议,当交叉口没有专门的自行车设施、自行车与机动车共享车道宽度在4.3m以内时,自行车对右转车辆的影响效果可以通过HCM建议的系数将自行车转换为当量客车来考虑.另外一些研究认为:当行人流量比较大时,自行车对交叉口能力的影响很小,这也是说,行人与自行车对交叉口能力的影响是相互关联的.

作为一个非机动车大国,机动车与非机动车之间的混合交通是我国大城市道路交通拥挤的最重要的原因之一,我国在这方面的研究也已经开始,例如Lin等人[11]用数学分析方法研究了混合交通环境下自行车对巴士通行能力的影响;段(1994)研究了自行车的管理与发展政策问题;

[12]

景[13]研究了中国城区Shimazaki与Yang等、

自行车在交叉口与机动车的分隔问题;Mao等

人[14]研究了我国道路混合交通环境的三个特点,[10]

[9]

何从微观角度刻画混合交通流的运行行为还缺乏充分分析,它使得目前关于城市道路和交叉口通行能力计算及拥挤疏解难以得到较好地解决.

与发达国家相比,我国自行车交通有以下特点:一是我国大多数交通拥挤城市的道路自行车流量规模远大于西方多数国家,以自行车为主体的非机动车流对道路机动车的行驶产生了极大的影响,尤其是在城市地区;二是我国大多数街道上有专门的自行车行驶车道,而西方多数国家道路上自行车车道较窄,甚至没有专门的行驶车道.国内外专家均已认识到:在自行车流量较大条件下,现行(如HCM)方法[15]严重地高估了道路平面交叉口的通行能力.

针对这一状况,本文分析了非机动车在有信号平面交叉口内的行驶行为.论文建立了有信号交叉口通行能力的计算模型,分析了在非机动车流量较大条件下交叉口通行能力的变化特点;论文最后简要分析了自行车专用相位的运行效果,提出了基本结论.本文提出的非机动车模型对于进一步建立交叉口的混合交通流仿真模型提供了理论基础.

2　混合交通环境下交叉口运营行为分析

微观层次上的跟车模型在20世纪50年代以来就已经成为一个课题.早期的研究假定跟车行为是与交通流状态相关联的.例如,Gipps提出的模型区分了有前车约束和无约束(自由流)两种状态.高速公路上交通流可以按速度、密度和流率来分类.跟车研究中,最重要的是如何确定跟车驾驶员的行为特性.在拥挤状态下,所有的驾驶员都是跟随驾驶;而在非拥挤情况下,既有跟随驾驶,也有非跟随驾驶.区别跟随驾驶的一种实际做法是定义一个临界时间间隔作为分界指标.当跟车间隔小于该间隔时称为跟随驾驶,大于该距离时称为非跟随驾驶.

对机动车的研究表明:道路流量与车流密度的大小直接决定着车辆的行驶行为.因此,许多关于微观跟车模型的研究区分了拥挤与非拥挤两种不同情况.对于非机动车来说,情况也比较复杂.非机动车流量较少时,它们对机动车行驶的干扰也较少;而随着非机动车流量的增加,它们对机动车行驶的干扰急剧增加.图1是方向1为绿灯时平面交叉口内机动车与非机动车及行.

第2期混合交通环境下有信号平面交叉口通行能力研究

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图1　平面交叉口机动车与非机动车及行人之间的冲突

　　不难看出:非机动车与机动车在交叉口范围内形成了众多的交叉点.在同一相位内,非机动车流量较大时,所有交通流要在给定时间内全部通过交叉口的过程具有更大的复杂性.

机动车与非机动车辆分享的,其具体通行数量要看交叉口的情况.在通常条件下,非机动车可以在黄灯下起动,抢先占领交叉口内的冲突区域,这使得机动车无法行进,只能等该批非机动车辆完全通过后才可前行,形成了绿灯损失时间,机动车通行能力无形中大打折扣.

下面研究入口车道数分左转、直行和右转时,有信号交叉口(图1)理论通行能力计算方法.

某一周期内,当非机动车在黄灯下起动时,直行机动车将被非机动车暂时阻塞,这时方向1的机动车通过能力可按下列方法计算:

3　混合交通环境下平面交叉口能力计算

关于道路非机动车流的行为特性研究目前还很不充分.Allen曾研究过交叉口自行车对通行能力的影响,其结论与目前加拿大等国家在考虑行人、自行车对交叉口能力的影响时相同,即通过能力折扣系数来反映.这些研究的前提条件是自行车流量的总体水平较低,非机动车与行人对机动车整体能力构成的影响较少,适合于人口密度较低、自行车流量较少的市郊或乡村地区.我国的市中心区混合交通环境下,非机动车流量较大,它们对机动车能力的影响需要仔细研究.图2是我国城市地区常见的二相位信号及车辆禁、行情况.图中,绿灯时间为各方向的理论可通行时间.不难看出,在这种不分相位的混合信号中,机动车与非机动车的理论可通行时间是相同的.当机动车与非机动车流量均不大时,全部车辆均可在一个周期绿灯时间内通过,能力问题不太突出.当车流量较大时,机动车与非机动车不能完图2

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交通运输系统工程与信息2001年5月

某一周期内,方向1的机动车通过能力N1机:

N1机直=Max{T1绿-[max(K左直L1机

?M1左对/v机,L1非B1左/nv非)],0}?v机/L1机

N1机左=Max{T1绿-[max((1-K左直)L1机

?M1直对/v机,L1非B1直/nv非)],0}

?v机/L1机

N1机右=Max{T1绿-[min(T1绿,L1非(B1左

+B1直)/nv非)],0}?v机/L1机　　其中,T1绿为方向1绿灯时间(s);T黄为黄灯时间(s);B1左为一个信号周期内到达的左转非机动车累计数量(辆);Bl直为一个信号周期内到达的直行非机动车累计数量(辆);M1直为一个信号周期内到达的直行机动车数量(辆);M1直对为一个信号周期内对向到达的直行机动车数量(辆);M1左为一个信号周期内到达的左转机动车数量(辆);M1右为一个信号周期内到达的

右转机动车数量(辆);v非为非机动车在交叉口的平均流速(m/s);v机为机动车在交叉口的平均流速(m/s);n为可平行前行的非机动车数量(辆);L1机为机动车车头空距(m);L1非为非机动车车头空距(m).K左直为直行车与左转车在冲突区的占先系数,左转车先行时取1,否则取0.

与不同车流类别N1**相应的小时通行能力HN1**为:

HN1**=N1**

其中,T为信号周期(s).N1**为1个周期内可通过的该类车流的流量.

表1给出了周期120秒,方向1绿灯72秒,红灯32秒,黄灯3秒,非机动车速度平均为1.0m/s,机动车平均速度为3.0m/s,非机动车间隔取0.5m、机动车间距取3.0m、非机动车可平行前移数量为2辆时,不同非机动车流量下的交叉口通行能力.

表1　不同非机动车流量下小时交叉口通行能力比较表

非机动车流量0

左转10/直行20左转10/直行40左转20/直行20左转20/直行40左转30/直行20左转30/直行40左转50/直行50左转50/直行100

非机动车通行能力(左转,辆/h)

030030060060090090015001500

机动车通行能*力(左转,辆/h)

30030030060060090090015001500

机动车通行能力(直行,辆/h)

1860186018601560156012601260660660

机动车通行能力(右转,辆/h)

216019351785186017101785163514101035

　　*取左转机动车辆数与左转非机动车相同.

　　表1是按机动车通过交叉口平均车速10.6km/h计算的,这一服务水平是较低的,信号周期也较长.不难看出:自行车流量较少时,它们对直行车的影响与左转机动车的影响重合,其单独占用的绿灯时间不多,对能力影响不大;随着自行车数量的增多,其占用的绿灯时间增加,机动车的通行能力急剧减少.此外,上表假定左转机动车可优先通过路口,实际上左转与直行的能力分

配过程比较复杂.当设立专门的左转车道时,这种影响可以减少.

作为一种改进,我国城市道路十字交叉口信号配时最近出现一种以“双红灯”作为过渡的方法.它作为非机动车流量较大环境下的一个特例,以“双红灯”时间作为清空前一相位中交叉口内残余交通流量的时间,这种构思是较好的,它可以从相位理论上确保机动车与非机动车的通行.如图3所示

图3)

第2期混合交通环境下有信号平面交叉口通行能力研究

computer

[4]　ZhangY,

simulationetal.

[J].

123

Transportation

　　进一步地,对不同种类设计不同信号相位,这样需要增加相位的数量,它可以大大减少不同流量之间的相互影响和制约作用.这种方法的优点是保证了不同流的行驶路权,不过整个路口的信号周期增大.对一日内流量变化较显著的城市交通来说,在非高峰期内或某些流暂时减少时,容易导致少数流的平均通行时间增加.在实际工作中,可以采用变相位方案,即自行车流量下降时,恢复一般的二相位信号控制方式.

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4　小　　结

实际路口的情况一般比较复杂,能力的计算还需要考虑路口的具体条件.例如,自行车起动时刻,自行车抢先占领冲突区应通过一定的概率来刻画,左转机动车与对向直行车抢占冲突区也是一个概率事件等.从这一点来看,采用模拟的方法来研究交叉口的复杂过程是一种比较有效的办法.我国的运营实践表明:自行车往往较机动车拥有更多的路权.这种背景下,当自行车流量比较大时,有信号路口的信号周期越短,越有利于非机动车;周期越长,越有利于机动车.这也是目前我国许多路口开始增设自行车专用信号相位、延长信号周期时间,以增大机动车通行能力的重要理由.不过,随着信号相位的增多,信号全周期延长,在非高峰条件下的延误也有所增长,易引起非议.关于交叉口非机动车与机动车运行的模拟研究将在另文中讨论.

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