主辅路合流点设置预信号研究

林 翰，蔡 明，刘超莹

(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳 518029)

1 背景

目前许多城市道路上都有设置辅道，辅道一般为双车道或机非混行车道. 在交叉口进口道处，主路与辅道的车辆均有各个方向的转向要求，形成了多个冲突点，辅道汇入主路的左转、掉头车辆与主路直行、右转车辆的冲突问题尤其严重，现状许多带辅道的城市主干道在交叉口未通过合理的设计解决上述问题，造成了交叉口的拥堵，极大降低了路口的通行能力.

这类路口的问题,受影响的主要要素不是支路辅道而是干道的交通持续增加，或者外围大交通把主要交通流引入到这类节点引起的. 这种冲突不是规划有问题，而是周边变化要求这类节点顺势而动采取相应措施来解决. 通常采取的措施是空间改善，即路口的渠化展宽，但受到有限的红线资源影响，效果并非很理想，而且路口展宽路导致交织车道更多，而实际有效车道服务水平并不能有效解决拥堵问题. 其次，采取的措施是时间改善，时间改善指的是增加左转或者左转右置的交通组织模式，但司机驾乘人员适应这种交通组织模式的周期长，同时交织也同样存在，其有效绿信比并不突出，实际效果延误或者排队仍然存在.

同时，以上研究中没有考虑到驾驶人员会因为车道作用的变化而延长反应时间，而且改变原始车道也要有一定的距离. 当然，如果只是按照交叉口动态车道功能的划分，会使车辆驶入不正确的车道，降低交叉口的通行能力，引起交通混乱. 因此，交叉口主预信号的联合控制方法被提出来了. 1991年，British Transport Bureau首先提出了关于主预信号控制的概念. 此后，相关课题的研究者对主预信号联合控制方向不断地探索. Wu Jianping等[1]和Oakes，J.Thellmann等[2]认为设置双停车线可以使公交车辆优先进入交叉口，但社会车辆要在预信号换道线后面排队等待，这样就能实现公交车辆在信号交叉口中的优先控制. 李丽丽等[3]探索了双停线的布局方法，而且明确了主预信号间配时的相互协调关系. 周立平等[4]在完整研究主副功能信号配时关系的基础上，确立了转向可变车道长度最大值和最小值的计算模型. 但是研究发现，虽然目前关于交叉口主预信号联合控制的研究较多，但大都基于公交优先来进行，只有少量研究是针对社会车辆研究的，而且已有研究在主预信号灯色和时间协调的选择上有待进一步优化.

本文提出一种兼顾时间和空间的新型交通组织模式，即在主辅路汇入点设置预信号，实现辅道进入交通主干道节点联动组织，并在车流仿真平台上进行测试分析，从而得出结论. 本文研究的目的在于探寻城市干道节点与辅道交通组织模式，变革干道节点信号组织方式，为城市干道建设面临的空间储备不足局面，整理出可行的弹性设计指引.

1.1 国内外研究现状综述

国外发达国家对交叉口车道功能划分与信号配时设计的研究都较为成熟. 对于交叉口的渠化设计一般都形成相关规范或手册，如美国的《交通管理设施手册》[5]、日本的《平面交叉路口的规划与设计》[6]等，而交叉口的信号配时一般以韦伯斯特(Wsbster)研究的理论与方法为基础展开，并形成了各具特色的单点信号交叉口控制配时理论、方法和应用软件，其中最有影响的当为英国的ARRB法，澳大利亚的TRRL法和美国的HCM法[7]. 我国对交叉口的车道功能划分和信号配时的研究均晚于发达国家. 结合国外的研究，针对中国城市道路交叉口的交通特色，有一些相关研究成果.

王京元等[8]在王茜等研究的基础上利用车道功能矩阵和相位矩阵，给出相对完整的信号交叉口车道功能划分的计算步骤. 但是只进行简单的理论计算，缺乏实证研究. 刘培华等[9]提出通过3阶段：信号配时方案对比—确定渠化形式—信号配时优化，结合Synchro等仿真软件针对信号交叉口信号配时现状方案进行研究，给出优化方案，文章针对北京某交叉口给出优化过程，但是缺乏普适性.

另外有一些学者通过数学方法、针对不同交通流状况、以不同评价指标和优化目标，给出车道功能划分与信号配时协同控制的计算模型. Lan等[10]、曾滢等[11]以总流率比最小为目标，分别给出综合车道功能与信号设置的混合线性整数规划模型和动态车道功能与信号相位组合模型，并通过TRANSYT-7F进行验证. Wong等[12]建立2种基于车道的单点交叉口的信号优化模型，一种以通行能力最大化以及周期时间最短为优化目标，建立1个二元混合整数线性规划模型，并利用分支界限法求解；另一种为二元混合非整数线性规划模型，通过割平面算法和启发式线性搜索算法，达到最小化交叉口延误的目标[13]. Sungpyo HONG等[14]是以减小延误和停车次数为目标建立模型. 钟章建等[15]针对不平衡交通流转向问题，提出了基于时空资源组合的优化模型，分析了进口道非饱和条件下，信号控制交叉口通行绿灯时间分配与车道功能动态划分的相互制约和转化关系，但模型算例仅限于理论分析与模拟，缺乏实例证明.

现状研究成果一般通过VISSIM、 TRANSYT-7F、Synchro等仿真软件进行评价. 应用方面，林晓辉等[16]则利用Visnal Basics 软件工具开发了城市交叉口时空资源综合利用优化配置的决策应用软件，将协同优化技术通过软件得到应用.

综合以上研究发现，现状有关车道划分和信号的研究很多，对本文的研究有较多借鉴意义. 但是有关两者的协调控制的研究还存在一些问题：①不同的交通流状况，交叉口的优化目标会有所不同，而现有文献对不同饱和状态下时空资源的协同优化配置尚缺乏深入研究. ②部分文献提出的流程实际执行起来操作性不强，参数的获取和采集较困难.

2 城市干道节点与辅道交通组织模式现状

深南大道是深圳市一条东西向主干道，全长25.6 km，横跨罗湖，福田和南山区，连接蔡屋围与南头. 深南大道与竹子林四路交叉口东进口道每小时交通量达到4 000辆，其中深南大道辅路有1 500 pcu/h，主线2 500 pcu/h. 深南大道辅道汇入主路的左转、掉头车辆与主路直行、右转车辆的冲突较为严重，高峰时期会造成交叉口通行能力的下降，引起交通拥堵.

3 传统方案与改善方案对比

3.1 改善思路

基于上述现状，提出的改善思路为：在深南大道主辅路汇入点设置预信号，实现辅道进入交通主路节点联动组织，改善城市干道节点通行能力. 当主线预信号红灯亮起时，辅路的预信号绿灯亮起，辅路车辆可快速进入左转、掉头车道，避免冲突.

3.2 传统方案与改善方案对比

依据调查数据，利用专业的微观交通仿真软件VISSIM对深南大道与竹子林四路交叉口高峰时段交通运行现状和实施改善措施后的交通运行状况分别进行了仿真，可得到具体的仿真基础数据-车均延误，车均延误越小，说明交通运行状况越良好.

图1 深南大道与竹子林四路进口道设置预信号位置

图2 进口道拓宽一条左转车道

图3 进口道左转右置

图4 设置预信号

表1 传统方案与改善方案车均延误值 s

从仿真效果可以看出进口道拓宽一条左转车道的方案总车均延误是最小的，但是由于红线范围有限，此路口并不具备展宽的条件，所以此方案并不适合. 设置预信号的方案比进口道左转右置的方案效果要好，相比之下降低了延误值，有效提高道路通行能力. 但是由于受到外围大交通的影响，在主线流量不断增大的情况下，设置预信号方案是否适用有待进一步仿真测试.

表2 不同主辅流量比例下各方案车均延误值

图5 方案对比图

从方案对比图可得出，进口道左转右置方案的车均延误值是最大的，说明此方案并不能改善这类路口的问题，拓宽一条左转车道的方案在主线流量超过2 600 pcu/h的情况下，车均延误值比现状大，说明此方案也不能完全解决这类路口的问题，在主线流量很大的情况下并不适用. 设置预信号的方案相比之前的两种选择，车均延误值较低，说明此方案不仅提升了路口通行能力，而且有效地解决了路口道路空间不足的问题.

4 vissim仿真方案比选

通过VISSIM仿真软件分析研究了深南大道主辅路交通组织模式的准入条件和设置标准，从仿真中得到不同进口道饱和度下主辅路汇入点距离停车线位置与车均延误变化的关系，见表3.

表3 进口道不同饱和度下设置预信号的延误减去未设置预号的延误值

图6 延误变化-进口道饱和度关系图

5 结论及建议

5.1 结论

由图6可看出在进口道饱和度较低的情况下，由于车辆可穿越时距较大，设置预信号不仅没有降低延误值，反而会使延误升高；在进口道饱和度达到0.65及以上，由于车辆可穿越时距减小，此时设置预信号会使延误降低；当进口道饱和度超过0.95达到F级的时候，车辆排队长度会超过汇入点与停止线的距离，影响主线的交通运行状况，此时不建议设置预信号.

表4 是否设置预信号的查询表

注：“√”代表建议设置预信号，“×”代表不建议设置预信号.

在外围干道调整即区域内主干道和外部交通衔接节点处，往往会成为干道建设时候忽略的一个重要盲区. 通常协同措施很难想到这个区域，那么，我们现在提出来这类问题的解决方法，从工程设计角度去弥补交通规划建设方面的不足或者微观层面的忽视. 建设模式短平快，为日后路网规划体系调整提供过渡性空间，是一种可以选择的模式.

5.2 建议

在深南大道主与竹子林四路交叉口东进口道饱和度为0.90，主辅路合流点距离停止线200 m左右，查表可得建议设置预信号，实现辅道进入交通主路节点联动组织，改善城市干道节点通行能力.

5.3 展望

1) 本文进行仿真时采用的道路环境较为单一，没有考虑车辆组成、路网构成等的影响，有一定的局限性，所以更深入的研究工作有待进一步开展.

2) 对于交通仿真软件VISSIM,在建模方面有待提高，使得到的仿真结果更符合实际情况.