1、第 卷 第 期邵阳学院学报(自然科学版).年 月 ().文章编号:()基于 的单点交叉口通行能力影响因素探究张军张建祥卞云豪刘克非(.安徽理工大学 人工智能学院安徽 淮南.安徽理工大学 机械工程学院安徽 淮南)摘 要:随着城市的快速发展如何提高单点交叉口的通行能力和缓解城市交通拥堵是智慧城市亟待解决的热点问题 为了探究交叉口的通行能力分别与车辆速度、加速度、绿信比和拓宽车道长度等因素的影响关系选用城市交通仿真()搭建城市典型道路交叉口模型采用控制变量法分别设置模型中的一些几何参数和交通流量 通过传感器检测经过的车辆数量得出不同因素影响下的交叉口通行能力 结果表明当车辆行驶速度由 /提高到 /车
2、辆起步加速度由./提高到./相位的绿信比由.提高到.拓宽车道长度由 提高到 时交叉口通行能力分别提高了.、.、.、.因此提高车辆的行驶速度、加速度增加绿信比和拓宽车道的长度均能有效提高交叉口的通行能力有助于缓解交通拥堵为实际生活中交叉口的改进提供理论依据关键词:交叉口通行能力城市交通仿真绿信比中图分类号:文献标志码:(.):.收稿日期:基金项目:国家自然基金资助项目()教育部协同育人项目()安徽理工大学研究生核心课程项目()作者简介:张军男教授博士硕士研究生导师从事机电一体化、压电阻抗技术、机器人、人工智能研究:.邵阳学院学报(自然科学版)第 卷 ()./././.:()随着我国社会经济的发展
3、城市路网中的交通流量越来越大交通拥堵问题也日益严重如何减少车辆通过路口的等待时间和提高通行能力已备受人们的关注 道路通行能力的影响因素有许多:从车辆自身角度分析车辆在路口起步过程中的加速度和行驶的速度都会对道路畅通造成影响在信号配时方面绿信比的大小决定了车辆通过交叉口的有效绿灯时间在路网本身方面道路的拓宽长度大小同样对路口的极限承载能力及通行能力有影响 然而多数城市路网中又以单点交叉口居多因此对单点交叉口通行能力的影响因素进行探究具有较重要的意义目前国内已有众多学者对如何提高道路通行能力进行了研究 杭佳宇运用 仿真软件对车道缩减路段进行微观仿真研究道路参数和车辆行驶速度等因素对道路缩减路段通行
4、能力的影响 结果表明当车辆行驶速度较低时车道缩减前、后路段的长度变化对通行能力、车均延误影响不大随着车辆行驶速度的提高影响逐渐明显 孙超等提出了一种多相位模糊控制方案根据交警指挥交通时的思路用当前相和后继相的车辆等待长度决定信号配时尽可能地提高整个交叉口的通行能力、降低车流的平均延误 李玉等分析在一定的路网范围内车辆总数对道路车流量及其流速的变化关系以及是否在总的车道数不变时采用多车道结构会有利于改善交通状况研究表明道路拓宽并不会有助于改变交通拥堵现象反而减少车道提高路网密度可有效改善交通拥堵状况 程方通过给定各路口的一些几何参数和交通流选用 软件进行交通系统的建模和仿真得出了一个能够减少路口
5、的交通延误、提高道路通行能力的最佳配时方案与国内研究相比国外学者注重对交叉口信号配时的优化与控制计算得出最佳配时方案提高交叉口通行能力 等提出了一种城市路网交叉口信号配时优化方法通过动态调整城市路网中交叉口在一天中每个小时的信号配时方案的绿信比以响应进入交叉口的不同流量从而最大限度地减少交叉口相关的延误提高交叉口通行能力 等提出了一种新的交叉口信号控制模型通过设置可变车道方向箭头标志将左转车道变为可控的左转和直行共享车道并利用实测数据进行了仿真分析验证新模型对提高高峰时期交叉口通行能力的有效性城市交通仿真()是一种开源交通仿真软件能够直观第 期张军张建祥卞云豪刘克非:基于 的单点交叉口通行能力
6、影响因素探究 地研究一辆车或车流的变化特性可以更好地对车辆的运动过程进行仿真比如车辆行驶的间距、加减速过程以及车辆之间的相互作用等因此它广泛地被研究交通仿真的学者所使用 以典型交叉口为例基于 软件构建仿真模型采用控制变量法探究交叉口的通行能力分别与车辆行驶速度、加速度、绿信比及拓宽车道长度等因素的影响关系为实际生活中交叉口的改进提供相应的理论依据 道路交叉口模型搭建.交叉口布局选用的典型交叉口道路结构见图 各方向均为双向六车道包括左转、直行、右转车道各一条每条道路长度均为 道路宽度为 .饱和流量选取 模型 中的饱和流量是假定引道在全绿灯条件即绿信比为 的情况下所能通过的最大流量根据大量调查数据
7、分析与处理确定理想的饱和流量为 /模型如下:()式中:为车道组的饱和流量为每车道理想条件下的饱和流量一般取 /为车道宽度修正系数 为重型车辆修正系数为引导坡度修正系数为邻近车道组停车情况及该车道停车次数修正系数为公共汽车停在交叉口范围内阻塞影响作用修正系数为地区类型修正系数为车道组中右转车修正系数 为车道组中左转车修正系数 为车道数考虑实际道路交通状况对理论饱和流量进行修正得到实际饱和流量为 /通过 仿真软件编写车流文件并且给定每个进口道不同的转弯比例见表 表 转弯比例 方向 东 南 西 北 转向左直右左直右左直右左直右转弯比例.流量/().车流量的监测感应线圈传感器()是用来获得特定地点、某
8、一时段的车流量等信息输出 通过 仿真软件中的 分别在 个方向进口道放置 传感器用来监测给定时间内所通过传感器的车辆数配置传感器后的交叉口环境见图.信号灯配置路网环境中的信号配时参数见表 在路网编辑器中进行信号灯的配置典型交叉口设置了传统四相位的信号灯其状态由、个参数来表示在 中 表示优先级较高的绿灯 表示红灯 表示黄灯 表示优先级较低的绿灯四相位的持续时间分别为、和 绿灯间隔时间为 总周期为 符合实际道路的通行状态 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷图 典型交叉口道路结构.图 配置传感器后的交叉口.表 信号配时参数 参数相位 相位 相位 相位 总周期相位状态绿灯时间/绿灯间隔时间/绿信比.通行能
9、力影响因素探究通行能力是指在现有道路条件和交通管制下单位时间内一条道路或道路某一截面所能通过的最大车辆数而本文要研究的是在一定时间内各方向道路通过单点交叉口的通行能力 因此车辆在道路上行驶的速度、在交叉口停车后的起步加速度、交叉口交通信号灯的绿信比以及道路拓宽车道的长短都会对整体通行能力有影响 下文将利用已搭建的道路交叉口模型来分别设计试验采用控制变量法具体探究它们分别与通行能力的影响关系其中给定车辆的基本初始参数均采用 仿真软件中的默认值见表 表 车辆基本初始参数 参数初始值行驶速度/()起步加速度/().停车最小间距/.通行能力与速度的关系探究车辆在道路上的行驶速度往往影响着交叉口甚至整个
10、交通路网的通行效率 随着车辆在道路上行驶速度的提高相对而言在短时间内有更多的车辆到达路口等待或者直接通过路口 一方面如果车辆到达路口时信号灯为红灯会有更多的车辆提前在停车线前排队一旦绿灯亮起则这些排队车辆将迅速通过路口提高交叉口通行能力而不是在绿灯时间内陆陆续续的有车辆通过造成有效绿灯时间的浪费另一方面如果车辆到达路口时信号灯为绿灯则车辆无需减速停车可直接以较高的速度通过交叉口同样也能提高交叉口的通行能力本次试验将单独设置车辆的行驶速度分别为、和 /并且其他车第 期张军张建祥卞云豪刘克非:基于 的单点交叉口通行能力影响因素探究 辆参数采用默认值时观察通过传感器监测到的车辆数量变化趋势得出数据见
11、图 由图 可知随着车辆行驶速度的增加受到传感器监测的车辆数量也随之增加车辆行驶速度由 /提高到/时交叉口通行能力由 /增加到 /提高了.通行能力与加速度的关系探究当交叉口信号灯显示为红灯转为绿灯的一瞬间时车辆起步加速度的大小决定车辆由起步到通过路口速度的快慢理论上加速度越大车辆瞬间提速的能力越强通过路口的时间则越短在有限的绿灯时间内可通过更多的排队车辆从而增加交叉口的通行效率 通常情况下中小型汽车的百公里加速为 即加速度为./本次试验将单独设置车辆起步加速度分别为.、.、.、.、.、.、.、.和./并且其他车辆参数采用默认值时得到不同加速度下传感器监测到的车辆数量变化趋势具体数据见图 图 速度
12、与通行能力的关系图.图 加速度与通行能力的关系图.由图 可知不同车辆特性的加速度大小对道路通行能力有影响并且加速度越大通行能力也越大车辆起步加速度由./提高到./时交叉口通行能力由 /增加到 /提高了.通行能力与绿信比的关系探究绿信比是信号配时设计过程中最为关键的时间参数它表示在一个信号周期内某个信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值它在缓解交通拥堵、降低车辆在信号交叉口的等待时间与停车次数等方面起着较为重要的作用有效绿灯时间是指在一个信号周期中该信号相位能够利用的通行时间转换为对应的绿灯信号时长 因此在一定通行时间内能够通过的最大车辆数等于有效绿灯时间与最大放行车流率的乘积某一信号相位的绿信
13、比增加则有利于该信号相位车辆的通行但是对于其他信号相位车辆的通行却是消极的这是因为所有信号相位的绿信比之和必须小于等于 本次试验将针对该路口的第一相位即南北方向车道同时直行设定不同的绿信比分别为.、.、.、.、.、.并且减小其他相位的绿信比使得总周期保持为 其他车辆参数采用默认值时通过传感器监测得到此相位下的通行能力从而得出绿信比的大小与交叉口通行能力的关系见图 由图 可知绿信比大小的变化对通行能力有着不同程度的影响在一个信号周期内随着相位的绿信比由.提高到.时该相位下交叉口通行能力由 /增加到 /提高了.通行能力与拓宽车道长度的关系探究为了使平面交叉口进出口道通行能力尽可能地同路段通行能力相
14、匹配需要增加进出 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷口车道数使路口处比路段处多出一到两条车道即拓宽车道 拓宽车道的长短决定了车辆的排队长度对于同样一组车流排列为三车道与排列为四车道的长度显然是不同的因此应尽可能使车辆在拓宽车道的区域范围内等待绿灯这样绿灯启亮时多车道车流同时并行在有限的绿灯时间内增加通过路口的车辆数目从而提高交叉口的通行能力同时拓宽车道的设计长度也不宜过短否则容易导致排队车辆溢出车辆需在短时间内作出换道行为无法保证车辆行驶过程中的安全性本次试验采用的道路模型将在上文已搭建的道路环境中加以修改 如图 所示在四个方向的进口道路上设置车辆变道区将车道数由三车道拓宽变为四车道拓宽车道的长
15、度为交叉口进口道停车线处至变道区的距离分别设置各方向拓宽车道的长度为、和 并且其他车辆参数采用默认值时通过传感器测得不同拓宽车道长度下的道路通行能力如图 所示图 绿信比与通行能力的关系图.图 拓宽车道示意图.由图 可知交叉口的通行能力随拓宽车道长度的延长而逐渐增加拓宽车道长度由 提高到 时交叉口通行能力由 /增加到 /提高了.由此可猜想当拓宽车道的长度继续延长并接近于整条道路长度时等同于将整条道路扩充了一条或几条车道此时道路整体的通行能力将达到最大为了验证这一猜想再次设置对比试验将路网中的单向车道数分别修改为三、四、五和六车道检测通过传感器监测的车辆数其中:单向三车道为 个右转车道、个直行车道
16、和 个左转车道单向四车道为 个右转车道、个直行车道和 个左转车道单向五车道为 个右转车道、个直行车道和 个左转车道单向六车道为 个右转车道、个直行车道和 个左转车道与上文试验不同本次试验应在高度拥堵路网环境下进行这样才能对比出车道数目变化的意义所在 因此首先在仿真之前重新将各方向每条车道的交通流设置为 /以达到拥堵状态然后根据每次试验中车道数目的不同给定交通流量见表 最后设置车辆默认的行驶速度和起步加速度得到不同车道数目与通行能力之间的关系见图 由图 可知随着车道数目的增加整个交叉口的通行能力有所提高车道数目由三车道提高到六车道时交叉口通行能力由 /增加到 /提高了 因此在道路改造设施中当道路
17、硬件条件允许时直接增加车道数无疑是改善交通拥堵应优先考虑的办法第 期张军张建祥卞云豪刘克非:基于 的单点交叉口通行能力影响因素探究 图 拓宽车道长度与通行能力的关系图.图 车道数目与通行能力的关系图.表 车道数目试验所用交通流量 车道名称右转车道数直行车道数左转车道数右转交通流量/()直行交通流量/()左转交通流量/()单向交通流量/()路网总交通流量/()单向三车道 单向四车道 单向五车道 单向六车道 结论本文基于 道路交通微观仿真工具搭建了典型城市交叉口的模型分别设置多组仿真探究了交叉口的通行能力分别与车辆速度、加速度、绿信比和拓宽车道长度等因素的影响关系 通过分析仿真结果发现提高车辆的行
18、驶速度、加速度增加绿信比和拓宽车道的长度均能提高道路交叉口的通行能力为实际生活中交叉口的改进提供了理论依据具有较重要的现实意义参考文献:杭佳宇.基于 仿真的车道缩减路段车辆通行能力影响因素分析.农业装备与车辆工程():.孙超 徐建闽.单点交叉口信号控制及仿真.交通信息与安全 ():.李玉 王睿 马宏宾 等.城市路网车道结构对交通流影响的 仿真分析/中国城市规划学会城市交通规划学术委员会 福州市人民政府.公交优先与缓堵对策 中国城市交通规划 年年会暨第 次学术研讨会论文集 福州:中国城市规划学会:.程方.基于 的单点交叉口微观模型仿真.软件 ():.():.():.李千千 王筱涵 朱强 等.基于 的城市交叉口仿真平台搭建.计算机时代():.张萌.基于修正饱和流量模型的交叉口信号配时研究.公路与汽运():.刘金广.我国城市道路平面交叉口拓宽车道长度研究.道路交通管理 ():.