“一路一线”模式的十字路口布局及交通控制和换乘方案

程耀林，罗伟华

(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)

“一路一线”是一种新的常规公交模式，即一条道路只运行一路公交线，停靠站设在交叉路口便于换乘[1-4]，该模式有很多优点，是解决现有公交问题(如等车时间长，换乘站拥挤，公交资源浪费大，客流不均衡等)的一种有效模式，但存在较多实际问题需要解决，其中，换乘多是首先要解决的问题，原则上要求换乘方便、快捷，即要尽量减少换乘所用的时间[5]，但是现有的停靠站布局根据交通规则都设置在交叉口50米之外，在交叉口换乘很不方便.目前还没有出现一种理想的换乘方案，换乘问题不解决会制约“一路一线”模式的进一步研究.本文研究了十字路口的布局、交通控制和换乘问题，提出了一种简单而且易于实现的参考方案，通过在交叉口设置公交进口道、出口道以及对右转车流和非机动车流进行控制，并设计了一种新的4相位控制方案，可以实现换乘方便，避免交叉口客流拥挤，同时实现所有的交通流没有相互冲突，从而提高了通行能力和安全性，并提供了相应的理论分析.

1 十字路口的布局

“一路一线”模式在交叉口换乘，为了换乘方便，把停靠站设置在交叉口50米之内是一种值得研究的方案.该方案对现有交通规则作出了调整，这是为了实现公交优先而采取的一种措施，但必须解决由此带来的问题，例如交叉口客流拥挤等，同时要对控制信号的相位重新设计，从理论上分析由此对交叉口通行能力、安全性以及换乘时间带来的影响.

1.1 公交站布局

为了方便换乘，分散客流，在十字路口设置8个站[6]，如图1所示.

图1 十字路口的停靠站布局Fig.1 The bus stations layout of a intersection

图中虚线表示公交车的行驶方向，带箭头的实线表示乘客下车后去换乘时步行的方向.公交车经过路口时停靠2个站，分别称之为右站和左站.表示乘客到达交叉口时，如果左行则在左站下车换乘，如果右行则在右站下车换乘.

这种布局的优点是换乘时不需要步行过斑马线，直接步行到换乘站，减少换乘时间，同时，停靠左、右2个站还具有分散客流的功能，避免了停靠一个站时过分拥挤的状态，也方便以交叉口为目的地的乘客选择哪个站下车，同时会减少过斑马线的行人数量.非换乘时，最多过一次马路即可乘车.对客流小的路口，可以只设右站，不设左站.

1.2 进口道布局及其他布局

进口道布局包含公交进口道、右转进口道、左转进口道和直行进口道布局.基于图1的布局，如果把公交停靠站设置在交叉口边缘而不是离交叉口50米之外，则换乘时间会大大减少，但同时会出现交叉口客流拥挤问题，如右转车流拥堵、行人拥挤、非机动车拥挤等.解决这些问题的关键是要对右转车流进行控制，并设置公交进口道、非机动车专用道和行人专用道，然后对交叉口的控制相位重新设计，实现公交车、社会车、行人和非机动车井然有序的通过交叉口.

图2是一种布局案例，以武汉市的民族大道和南湖大道的交叉口为原型，表示东西向和南北向的双向道路两边都是3个车道(可简称3*3十字路口)，对于车道数不对称和车道数少于3和大于3的情况，在后面讨论.图2是一个总的布局，包含了换乘站布局、进口道、出口道、非机动车道、人行道等所有的布局，包括公交进口道、出口道布局，社会车辆直行、左转和右转进口道及其出口道布局.其中， 右转进口道、出口道布局代替了现有的右转专用道.非机动车道布局和人行道布局避免了行人和非机动车、右转车流的冲突.其中，公交进口道紧靠人行道路边，然后依次是右转进口道、直行进口道、左转进口道、双向道路的中间隔离带.公交出口道紧靠人行道路边，而右转出口道和直行出口道重合，紧靠公交出口道，与之相邻的是左转出口道，然后是双向道路的中间隔离带.非机动车道相邻人行道，在路的最外边.

来自于东、南、西、北4个方向的交通流都可细分为公交车、左转、右转、直行4股车流，还有行人交通流.为了区别不同的左站和右站，对8个站分别进行了命名，例如北左站、北右站，分别表示位于北方的2个站.

为了描述方便，将所有的车流和行人交通流都进行命名.例如，来自北方的交通流有：NB(north bus)、NR(north right)、NS(north straight)、NL(north left)、NP(north pedestrian)分别表示北方的公交车流、右转车流、直行车流、左转车流和行人交通流，其他方向的车流和行人交通流命名方法相同.

来自南方的交通流有：SB(south bus)、SR(south right)、SS(south straight)、SL(south left)、SP(south pedestrian).

来自东方的交通流有：EB(east bus)、ER(east right)、ES(east straight)、EL(east left)、EP(east pedestrian).

来自西方的交通流有：WB(west bus)、WR(west right)、WS(west straight)、WL(west left)、WP(west pedestrian).

图2 十字路口的进口道和公交站布局Fig.2 The bus stations layout and approaches layout of a intersection

图2还显示了非机动车道和人行道的布局.这种布局可以避免行人和非机动车的冲突，因为公交站设置在路口，行人密度大，同时也方便行人乘车和换乘.在路口附近的一定范围之内(例如50米或者100米之内)应该保持非机动车道靠路边的这种布局.

图2是一种非对称布局，可以节省交叉口的空间从而减少延误.也可以采用对称布局，即8个站对称的分布，但行人斑马线的长度会对应增加，增加延误.

2 十字路口的相位设计

在十字交叉口，共有16股车流和4股行人交通流.参考当前交叉口的一些相位设计[7-8]，提出了图3所示的相位方案，也可以使用其他方案，在此不作讨论.第1相位放行来自北方的车流NB、NS、NL和西方的行人WP，同时，放行ER和SR这两股右转车流，其中右转车流NR在第2相位被放行.同理，第2相位放行来自南方的车流和东方的行人，第3相位放行来自东方的车流和北方的行人，第4相位放行来自西方的车流和南方的行人.其中，右转车流NR、SR、ER滞后一个相位被放行，而WR滞后2个相位后连续放行2个相位时间，每个相位都有2股右转车流被放行.

所述相位方案对来自东南西北4个方向的车流分别单独处理，适合于动态配时，即每个相位的时间随检测到的车流量变化而变化，不是一个固定的值，可以实现相位时间自适应调整.例如,当某一个方向的车流量少时,分配给它的通行时间就短,避免了时间浪费.当某一个方向的车流量大时，分配给它的通行时间就长，可以减轻该方向的拥堵.

在一个相位周期中，每股右转车流被放行2次，可以实现右转车流比其他方向的车流畅通. 所述相位方案在相位上不要求对公交进行优先控制，不影响社会车辆的通行.

图3 十字路口的相位设计Fig.3 The traffic signal phase design of a intersection

3 特性分析

(1)换乘方便、快捷，解决了“一路一线”的换乘问题.公交站设置在交叉口50米之内，换乘不过斑马线，步行到换乘站距离短，非换乘时，乘车最多过一次斑马线.

(2)红灯效应和拥堵效应.公交车到达交叉口时，如果绿灯亮，因上下乘客，停车是必须的，不是浪费时间.如果红灯亮，则在红灯期间等待时，乘客可以继续不断上车，这段时间被利用，是一种“车等人”的现象，而不是“人等车”，这种特性本文称之为红灯效应.

如果几辆公交车同时到站，则拥堵期间乘客也可以继续不断上车，时间被利用，本文称之为拥堵效应.

红灯效应或者拥堵效应期间，除去乘客上车所用的时间，剩下的时间属于空等时间.这种效应减少了时间浪费，同时方便了乘客.

(3)交通流无冲突.图2的布局和图3的相位控制实现了交通流完全无冲突的目标，即行人和非机动车、行人和右转车流，以及在交叉口中心各股交通流之间都没有冲突，从而提高了安全性，也意味着提高了交叉口的通行能力并减小延误.而在当前普遍使用的4相位控制中，仍然存在行人、右转车流、非机动车三者之间的互相冲突，在2相位控制的交叉口，冲突更多.

(4)交叉口路面的使用效率高.每个相位有6股交通流，使得交叉口的车道得到充分利用，减少了路面空闲未用的面积，从而提高了交叉口的通行能力.例如，在当前的交叉口，右转专用道经常出现空闲而不能使用，原因是在排队等待期间，排队稍长，则直右共用车道上的右转专用道入口被堵.此外，每一个相位的车流多，空挡就少，可以阻止不守规则的行人走进交叉口中心.

4 换乘时间分析

乘客不换乘时，因为到站停车也会在车上等待，而换乘时要下车，步行到换乘站，再等车，上车，然后等待公交车启动.

下面估算一下换乘比不换乘而多花的时间Δt.

由图1可知，公交车到达交叉口时，先到右站，后到左站.如果绿灯亮时到右站，在右站正常停车的时间为tstr，则到达右站为红灯时，不换乘时等待的时间为trw

trw=tstr+trwe,

(1)

其中，trwe为红灯期间在右站额外要等待的时间，trwe≥0.tstr定义为：到达右站时，如果前方为绿灯，从停车到启动这段时间，它不是一个常数，跟上车的乘客多少有关，乘客越多，其值越大.

下面分右站下车换乘和左站下车换乘2种情况进行讨论，以来自南方的公交车流SB为例.

1)右站下车换乘

不换乘时要停靠南右站、北左站2个站，红灯期间还要额外等待，北左站停靠时不等待信号灯，所以，不换乘时在交叉口等待的总时间为Tr

tr=tstr+trwe+tstl,

(2)

其中，tstr为南右站停车的时间，tstl为北左站停车的时间.

换乘站是东左站，换乘时所花的时间是Trc

Trc=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw,

(3)

其中，

tgf：下车的时间.

tfoot：步行到换乘站的时间.

tcw： 到达换乘站后等车的时间，tcw≥0.

tgn： 上车的时间.

tgnw：上车后等待公交车启动的时间.

换乘比不换乘多花的时间为Δtr

Δtr=Trc-Tr=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw-tstr-trwe-tstl,

(4)

有些情况下，tcw=0，此时

Δtt=tgf+tfoot+tgn+tgnw-tstr-trwe-tstl,

(5)

tgf和tgn一般较小，如果步行时间tfoot较小，tgnw也较小，而tstr和tstl较大(例如，上车乘客较多)，trwe也较大时，则可能会出现Δtr≤0.

上述公式推导没有考虑到几辆公交车同时停靠一个站的情况，这种情况下出现Δtr≤0的几率更多.

这个计算结果表明，右站下车换乘时额外多花的时间并不一定大，有些情况甚至为负值，表明这种情况下，换乘更省时间，即换乘时先离开交叉口.

2)左站下车换乘

计算时间差时，在北左站停车时开始计时.

不换乘时等待的时间为T1=tstl,

换乘站是东右站，换乘时花费的时间为

Tlc=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw,

(6)

换乘比不换乘多花费的时间为Δt1,

Δt1=T1c-T1=tgf+tfoot+tcw+tgn+tgnw-tstl,

(7)

有些情况下，tcw=0，此时

Δt1=T1c-T1=tgf+tfoot+tgn+tgnw-tstl,

(8)

一般情况下，Δt1>0，表明左站下车换乘一般比不换乘要多花时间，但如果在左站有几辆公交车同时停靠，因为拥堵，则T1=tstl+Tcong(Tcong为拥堵时间)，可能会导致Δt1<0.

3)如何减少上车时间tgn

减少上车时间时，停车时间tstr、tstl也就随之减少.有2种方法可以参考，一个方法是售票机使用多个刷卡面，方便几个乘客同时刷卡.另外一个方法是对停靠站进行设计，在停靠站刷卡，然后排队等候，车来时直接上车，可以大大减少上车的时间，特别适合于客流较大的交叉口.

5 通行能力分析

先讨论一般情况，不针对上述的“一路一线”布局.

对某一个相位j，共有Pj股交通流(不包括行人交通流)，其中某一股交通流i的通行能力Nji的计算公式是

Nji=sjiλji,

(9)

其中，sji为饱和流率，λji为有效绿信比.

一个相位的通信能力等于该相位各股交通流的通行能力之和，一个交叉口的通行能力N等于所有相位的通行能力之和，可以表示为(其中M表示相位数)

(10)

现在分析单独一股交通流的通行能力Nji.它由饱和流率sji和有效绿信比λji决定.饱和流率可以通过实测或者使用某种模型计算出来，它受多种因素的影响，不是一个常数[9].有效绿信比受损失时间的影响.

λji=gji/C,

(11)

C为相位周期，gji为j相位的第i股交通流的有效绿灯时间，跟损失的绿灯时间有关，公式如下[10].

gji=Gj+A+r-Lji损,

(12)

其中，

Gj：j相位的绿灯时间.

A：为黄灯时间，r为全红时间，A和r可以视为常数.

Lji损：第i股交通流损失的时间，一般指绿初损失与黄后损失之和，其实还可能有其他额外损失.用公式表示如下，其中leji表示额外产生的时间损失.

Lji损=l绿前+l黄后+leji,

(13)

下面分析能产生额外绿灯时间损失的几种情况：

1)冲突.如果一个相位内的交通流有冲突，则会产生额外的绿灯时间损失.例如，左转车流和对面直行车流同时放行时，左转车流在寻找可插入空挡时会减速甚至停车等待.车流和行人有冲突时也会减速，产生时间损失.

2)直左车道.在绿灯放行期间，左转车流和直行车流自动分开，但这2股车流都不能密集通过路口，相当于产生额外绿灯损失.

3)直右车道.当排队稍长时，右转专用道的入口易被堵，右转专用道被空闲，造成右转车流时间损失，直行车流放行时也不能密集通过路口，产生时间损失.

本文对Nji的分析到此为止，针对前面提出的“一路一线”模式布局，Nji的计算公式推导比较复杂，可以参考现有的公式及其推导方法[10-15]，但要考虑其特殊性，因为它不同于当前的交叉口布局，例如，它把右转车流纳入统一控制.

在饱和状态或者过饱和状态都能充分体现交叉口的通行能力，而在这2种状态下，具有直右车道的交叉口，由于排队较长，右转专用道入口一般会被堵，此时右转专用道被空闲，对通行能力的贡献为零.根据上述分析，对本文提出的“一路一线”十字交叉口布局而言，相位内交通流没有冲突，包括与行人的冲突，进口道不存在直左车道和直右车道，所以不会产生额外绿灯时间损失(即leji=0)，同时每个相位内交叉口路面的车道得到了充分利用，减少了空闲车道，这些因素表明：上述“一路一线”的布局可以提高通行能力.

6 其他十字交叉口的布局及相位设计

下面讨论的是车道数少于3和大于3的双向道路十字交叉口的情况.

对1个车道的交叉口，进口道要设置3个，即把直行进口道和左转进口道合并为一个进口道，称之为直左进口道，右转进口道和公交进口道不变.出口道设置2个，即公交出口道和共享出口道，共享出口道就是把左转出口道、直行出口道、右转出口道合并而成的一个出口道， 此时保持相位方案不变，即可实现换乘方案.

对于2车道交叉口，进口道要设置3个，即把直行进口道和左转进口道合并为一个进口道，称之为直左进口道，右转进口道和公交进口道不变.出口道设置3个，和图1中的出口道相同. 此时保持相位方案不变，即可实现换乘方案.

对大于3个车道的交叉口，进口道仍然设置4个，出口道设置3个，和图1所示相同.不同的是，其中有的进口道含2个或者多个车道，有的出口道含2个或者多个车道.相位方案不变，即可实现换乘.

对于车道不对称的情况，即4个方向的车道数不相同，此时，4个方向单独处理，每一个方向的处理方法不一定相同,方法如下：

如果是1个车道 或者2个车道，则进口道要设置3个，即把直行进口道和左转进口道合并为一个进口道，称之为直左进口道，右转进口道和公交进口道不变，出口道设置相应的处理，或者合并，或者分开.相位方案不变，即可实现换乘.

如果是3个车道或者大于3个车道，则设置4个进口道，即左转进口道、直行进口道，右转进口道，公交进口道.出口道设置相应的处理，或者合并，或者分开.相位方案不变，即可实现换乘.

7 结语

本文针对“一路一线”模式提出的十字交叉口布局及相位设计方案可以实现换乘方便，节省换乘时间，可避免交叉口客流拥挤，无交通流冲突，交叉口的通行能力和安全性都得到提高，付出的代价是对交通规则作了调整，即对右转车流进行控制，且公交站设置在交叉口，同时扩大了交叉口的空间，包括增加了一条公交进口道，以及由于人流密度增加需要增加斑马线的宽度，这些对车流通过交叉口的延误会产生一定影响.此外，跟当前的布局相比，在欠饱和状态时右转车流的延误会增加.

该方案简单而且易于实现，因为十字路口的道路改造规模不大，交通信号控制机在现有的基础上进行硬件和软件上的小修改即可实现交通灯及相位的要求，而且在相位上不要求对公交进行优先控制，简化了控制算法，是一种较为理想的换乘方案.

基于图2 的布局不局限于只使用图3的相位设计，也可以使用其他相位方案.该方案对交通系统的影响，通行能力的定量计算公式，其他类型交叉口的布局等问题有待于进一步研究.

“一路一线”模式目前处在理论探索阶段，没有实际案例，所以无法提供实际数据进行计算和仿真，只能从理论上进行定性分析.