五叉环形交叉口环道容量约束信号控制参数优化模型

五叉环形交叉口环道容量约束信号控制参数优化模型

1环形交叉口信号控制环形交叉口是在交叉口中部建立一个圆形（包括椭圆形或不规则圆形）的中心岛，以改变交通流向交通流的交叉形式，通常没有信号控制。其交通特点是,不同方向的交通流直接进入环道,按一定的速度要求和统一的转向(通常是逆时针方向,也有的国家和地区按顺时针方向)绕中心岛单向行驶,进行连续的合流、交织与分流。无信号控制环形交叉口由于受环道容量的影响,当各进口道的流入交通量接近或超过环形交叉口的交织通行能力时,环道内出现交通流拥挤和阻塞,严重时整个环形交叉口死锁,并导致上游交叉口交通阻塞。国外对环形交叉口的研究主要有交通流运动特性分析和建模等方面。在国内,杨晓光教授最早对四叉环形交叉口的信号控制方法进行了深入研究,形成了系统的理论研究成果,并且在厦门市的莲坂环形交叉口得到成功应用。在已有四叉环形交叉口信号控制理论和方法的基础上,本文将对五叉环形交叉口的信号控制方法进行深入研究。与无信号控制四叉环形交叉口相比,无信号控制五叉环形交叉口内部的车流交织现象更严重。利用信号控制方法分离五叉环形交叉口内部的车流交织问题的难度更大,主要因为:①五叉环形交叉口进口道的左转、直行标线表示的交通含义不再像四叉环形交叉口那么清楚明白,机动车驾驶员根据前进路径选择驶入的进口车道,尽量减少在环道内不必要的交织;②五叉环形交叉口的环道内有五条环道停车线,受环道信号灯的影响,进入环道行驶的机动车流经历三次停车的可能性大大增加。③同样的中心岛半径的情况下,五叉环形交叉口比四叉环形交叉口的环道容量更小,而五叉环形交叉口信号控制周期一般较大,因此需要更大的环道容量容纳左转车队,这个矛盾使环道信号灯之间,环道信号灯与进口道信号灯,进口道信号灯之间协调控制更为复杂。2五段环形交叉口信号控制模型的研究2.1相位相序方案设计对多叉环形交叉口进行信号控制,出环交通流与入环交通流在环道内的冲突与交织可通过合适的相位相序方案部分解决。在综合考虑空间资源的基础上,根据各个流向的流量状况合理设置相位相序方案。在相位相序方案设计阶段,要充分协调环道车流的交织与冲突、合理组合交通流的通行权以及相位次序,减少绿间隔时间,并尽量减少车辆在环道内三次停车的可能性。在保证安全的前提下尽可能减少关键相位数量,减少周期时长,以减少每个周期环道的排队需求。在本文中,作如下约定:按照逆时针方向对五叉环形交叉口编号,如图1所示。进口道i流向出口道j(j≠i)的车流标记为流向ij.五叉环形交叉口指示进口道车流通行权的信号灯以及指示环道车流通行权的信号灯均按照逆时针方向编号,它们的编号与相应的进口道编号相同。2.2环道容量的确定在本研究中,对于五叉环形交叉口,根据环道车流容纳空间的不同,环道容量有两种形式。一种是指相邻两个环道停车线之间一个周期可以容纳的车辆数。另一种是指在进口道停车线至环道停车线之间一个周期能够容纳的车辆数。五叉环形交叉口信号周期时长优化时,周期时长范围的选择要满足每个周期环道车流在环道内的停车容量约束。如果一个周期内环道排队需求超过环道容量,则排队溢出到上游环道,使得下个相位的车流无法出环,从而造成死锁现象出现。在本研究中,两种环道容量的含义对应两种不同的计算环道容量的空间要素,如图2所示。在图2中,曲线ABC表示车辆从进口道停车线至前进方向的紧邻环道停车线之间的车辆行驶轨迹,弧AB的圆心角为α,半径为r,弧BC的圆心角为β,半径为R。曲线DE表示车辆在环道内相邻两个停车线之间的行驶轨迹,其圆心角为γ,半径为R。假设车辆的平均停车长度为l,则轨迹线ABC上的环道容量N1由式(1)确定:Ν1=π(rα+Rβ)n1180l(1)N1=π(rα+Rβ)n1180l(1)式中,n1表示环道ABC段上可以利用的排队空间的车道数。轨迹线DE上的环道容量由式(2)确定:Ν2=πRγn2180l(2)N2=πRγn2180l(2)式中,n2为环道DE段可利用的排队空间的车道数。2.3灯光之间、进口道案信号和环道从来由于五叉环形交叉口一般都比较大,因此可以利用进口道信号灯之间、环道信号灯之间、进口道信号灯和环道信号灯之间的协调减少不同流向和不同相位之间的损失时间,尽可能提高五叉环形交叉口的通行能力。为了进入环道的车流能够尽快出环,尽量少停车,环道信号灯尽可能亮绿灯,增加车流连续通行的时间比例。(1)叉环形交叉口环道需要协调进口道信号灯和环道信号灯的情况有两种:①可以利用进口道停车线和环道停车线之间的空间距离形成的相位差来增加环道内排队车辆的消散时间,由于环道停车线前的排队车流到达它与进口道车流之间的冲突点的时间几乎为零,所以可以迟断环道车流的绿灯;②同时,五叉环形交叉口的信号控制方案需要协调进口道信号灯与车流前进方向的紧邻环道信号灯,以保证进口道绿灯结束时通过停车线的车辆能顺利通过前进方向的紧邻环道停车线。如图2所示,在车辆行驶的轨迹线ABC段上,环道灯2比进口道灯1迟断的时间O由式(3)确定:Ο=π(rα+Rβ)-l180v-lvq(3)O=π(rα+Rβ)−l180v−lvq(3)式中,参数r、α、R、β的意义同式(2),参数v表示车辆在轨迹线上的平均行驶速度,l表示环道停车线前的排队长度,vq表示排队车流的消散波速。(2)环道控制信号五叉环形交叉口不但需要协调进口道信号灯与车流前进方向的紧邻环道信号灯,而且还需要协调环道信号灯。环道信号灯之间的协调也有两种情况:①为了一个相位绿灯结束时驶入五叉环形交叉口的车辆能顺利驶出交叉口,不至于在环道行驶过程中由于某个环道信号灯状态为红灯而产生不必要的停车延误和停车次数,需要协调环道信号灯;②当下游环道停车线前的车辆排队达到上游环道停车线位置,下游环道在消散排队时其信号状态也需要协调与上游环道的信号状态协调。如图2所示,在车辆行驶的轨迹线DE段上,环道灯4比环道灯3迟启的时间由式(4)确定:Ο=πRγ-l180v-lvq(4)O=πRγ−l180v−lvq(4)式中,参数R、γ、v、l、vq的意义同式(3)。2.4相位绿信比指标五叉环形交叉口的配时参数优化模型仍然可以用等饱和度思想来建立。不同的是,在建立五叉环形交叉口的配时参数优化模型时,还需要考虑环道停车空间的约束。五叉环形交叉口的周期时长和关键相位绿信比优化模型如下:min(∑iΡi)=min(∑iwdidi+wsisi)(5)min(∑iPi)=min(∑iwdidi+wsisi)(5)约束条件为{gi≥gimindi≤diLΟSri≤twimaxxi≤0.9li≤Ιimaxni≤nimax(6)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪gi≥gimindi≤diLOSri≤twimaxxi≤0.9li≤Iimaxni≤nimax(6)式(5)为五叉环形交叉口周期时长和关键相位绿信比优化的性能指标函数,Pi为相位i的性能指标,它是di、si二项指标的线性组合,wdidi、wsi为对应的权重系数。di为相位i的平均延误,si为相i位的平均停车次数。这二项指标都是信号周期时长、各相位绿信比的函数。式(6)中,gi为相位i的有效绿灯时间,gimin为相位i的最小绿灯时间;di为相位i的平均延误,diLOS为相位i满足一定服务水平所允许的最大延误;ri为相位i的有效红灯时间,twimax为相位i行人所容忍的最大等待时间;xi为相位i的饱和度;li为相位i的排队长度,limax为相位i在进口道所允许的最大排队长度;ni为相位i的环道车流排队长度,nimax为相位i的环道容量;C为信号周期时长,Cmin为信号周期时长最小值,即机动车、非机动车流通行最小周期与过街行人通行最小周期二者的较大值。进行五叉环形交叉口的配时参数计算时,根据五叉环形交叉口的重要程度、实际流向流量情况,以及优化时段选择一项或两项指标进行优化,并根据实际情况选取部分约束条件。式(6)中的第1、2、4、6个约束是必须的。2.5绿灯信号间的协调当同一相位不同进口道之间的车流的流量比不均衡,或者环道内有车辆排队超过冲突点或者停车线从而影响到下一相位车流的正常通行时,为了更有效地利用绿灯时间,提高交叉口的通行能力,可采取冲突车流绿灯信号灯迟启、早断或早启、迟断措施协调。在计算迟启或早断时间时,要满足信号灯之间的协调约束关系。在本研究中,如果车辆排队超过冲突点或环道停车线,假设冲突点或停车线后一个车道排队的车辆数为n,则流量比较低的环道车流的绿灯信号或进口道车流的绿灯信号迟启的时间Δt为Δt=nδ+σ(7)式中,δ为饱和车流的车头时距,σ为冲突车流的安全交叉时间或者排队头车的起动损失。3交通流配信号模型某市市区内有五条道路小溪桥、登高东路、溪南路、登高中路、溪南南路相交形成一个五叉环形交叉口。经过交通调查,该五叉环形交叉口的高峰小时交通量列于表1。根据高峰期交通量调查的结果,对该五叉环形交叉口进行交通改善设计。按照本文提出的五叉环形交叉口配时参数优化模型设计相位相序方案。计算各向交通流配时参数如表2所示。在本周期方案的周期时长为144秒。该信号控制方案在VISSIM中的仿真实验表明,车流在小溪环岛内部运行通畅。在一个周期内,环道上基本没有车辆排队,各个进口道的排队长度也