道路交叉口充分清空与绿信时长最大化利用的信号控制方案优化设计研究

包王霞山王秋兰魏金利蒋建明

关键词:道路交叉口:信号控制:clear 空:绿色信号时长:交通工程

在城市道路交通中，道路交叉口是影响整个路网运行的关键节点。道路交叉口不合理的交通组织和信号控制方式往往导致交叉口运行效率低下，浪费时间空资源，甚至造成交通拥堵，甚至影响整个路网的畅通。根据公安部发布的《关于进一步加强城市道路交通信号控制应用的指导意见》(简称《指导意见》)精神，为落实《指导意见》中的相关要求，以高峰时段交通流量均衡调控为重点，采取测算车流量、快速减速进出、限流分流、防止队列溢出等措施，，从而积极均衡地缓解交通压力。设置合理的信号相位、相序、信号周期、绿灯时长和绿灯间隔，灵活采用相位重叠、晚开早断等相位设计方法，使放行方式和时间分配与交通流需求相一致；有信号控制的交叉口应同时优化空的渠化设计。通过调整入口车道功能、非机动车和行人过街方式、设置等候区等措施，因地制宜地采取增设车道、设置可变车道、右侧直行车道共用、分时段禁行指示等措施，最大限度地提高空交叉口的利用率。

通常情况下，道路交叉口的信号控制配时方案是固定的。在交通流量大的情况下，很多地方只能依靠执勤交警手动操作交通信号控制器来调整配时，不仅占用警力，而且难以充分合理地利用交叉口的time 空资源，相关节点之间往往会出现不规则的超长周期运行情况，甚至可能导致上下游交叉口交通流量发生不规则的突变。

可见，在道路交叉口交通资源紧张的情况下，充分利用绿信时长越来越重要。同时，为了避免相位结束时交通的相互影响，减少机动车、非机动车和行人之间的冲突和干扰，保证交叉口的交通安全，相位切换时交叉口的清空显得尤为重要。近年来，一些新的道路交叉口设计模式，如可变导向车道的出现，为解决此类问题提供了新思路。

以合肥市望江西路-浮山路(杨林路)和望江西路-林峰路交叉口为例，基于信号交叉口充分畅通空和绿色信号时长利用最大化的原则，通过采用多种不同的相位组合、相序排列和重叠方式以及可变导向车道的设置，提出了交叉口交通组织和信号控制配时相结合的优化设计方案。基于道路交叉口高峰时段人工操作模式状态下执勤交警采集的交通流数据，对方案实施的有效性进行评估。

1道路交叉口现状及问题分析

2020年11月至12月，在合肥市望江西路-浮山路(杨林路)、望江西路-林峰路路口，分别于早(07: 40 ~ 09: 00)和晚(17: 00-18: 40)高峰时段，对合肥市望江西路-浮山路路口进行实地调查，重点调查车流分布、备用方向交通拥堵情况以及绿灯信号/[/K0。

1.1望江西路与浮山路(杨林路)交叉口

交叉口概述

信号灯的设置:东西南北四个方向共有三组信号灯，分别是左转箭头灯、全屏灯、右转箭头灯(常青树)。

车道设置:东西方向主干道望江西路为双向八车道路段，路口车道拓宽为五入口四出口；福山路南侧双向四车道路段，路口车道拓宽为三进两出；北侧的福山路(杨林路)是一条狭窄的分支道路，有两个车道，没有拓宽。路口南北两侧连接道路的坡度差较大。预留车道的等级和渠化见表1、图1、图2、图3和图4。

相关路口及路段:该路口东侧为望江西路-林峰路路口，长约965米；西侧为望江西路与永和路交叉口，长约560米；南侧为福山路华佗巷路口，长约334米；北侧是福山路(福山路)与金盛路交叉口。该路段长度约285米，约175米处为合肥常青藤实验学校大门。参见图5。

早晚高峰机动车流量分布:备用方向交通流量数据及对比见表2。

早晚东西方向车流量不对称，潮汐现象极其严重，东西方向向左车流量西多东少。早高峰时段，东向西、东向北右转车流量大，直行车辆最大排队长度超过500米，绿灯结束时滞留车队平均长度为60 ~ 80米；由西向东的车流量不到由东向西车流量的一半，往往浪费6 ~ 10秒左右的绿信时间，交警手动控制时浪费的时间更多。在晚高峰时段，东西方向的交通流量正好与早高峰相反。东西方向车流最大排队长度超过500米，东西方向车流与早高峰基本持平。北侧进口车车流量大，车流主要由北向东左转。最大排队长度超过240米，高峰绿灯结束时平均滞留车队长度约60米。这个路口的卫星地图见图6。

非机动车和行人:早高峰由东向西直行，晚高峰由西向东直行。在路的东西两侧向左转。非机动车随方向左转，车辆反方向放行。这个十字路口行人较少。

公交线路:本路口有4条公交线路(102路、651路、66.5路、B2路)经过。预留公交线路发车间隔为:102路、B2 4-10分钟一辆，651路、655路8-20分钟一辆，高峰时段651路、665路15分钟一辆。公交专用道目前的利用率。

1.1.2电流信号控制方案

图7望江西路与浮山路(杨林路)交叉口早高峰信号控制现状图

注意:在图7和图8的时序图中没有显示灯组号，这表示一个不受控制的右转常亮箭头灯信号。SE阶段的北极灯组6是根据实际道路渠化绘制的相位图。配时数据是早晚高峰时段交通流量达到峰值前的实测配时，也就是执勤交警还没有手动控制的时候。此外，根据用户提供的主干道望江西路的配时数据，整个路段的信号控制周期并不相等，早晚时段该路段的主要路口经常有手控交警信号，尤其是与浮山路东侧相邻的林峰路路口，每天高峰时段基本都是手动控制。

1.1.3问题分析

早高峰时段道路和交叉口运行中存在的问题；

(1)东西向主干道早晚高峰时段，贯通交通潮汐现象非常严重。东西方向左转交通流量与东西方向交通流量同比变化不大，东西方向左转交通流量变化不大。西侧的车流量总是大于东侧，车流量分布极不对称；南北方路况差异巨大，北方出入口压力很大，早晚高峰车流量变化不大。

(2)早高峰时由东向南左转的车辆较少，晚高峰时由西向北左转的车辆较少。而非机动车左转的放行方式是随着机动车左转信号的D相位(阶段)放行。早高峰B阶段和晚高峰C阶段，对应的左转信号灯多为on 空。进入D阶段时，一侧只有左转车辆，另一侧完全开启/[

(3)由于道路交叉口所有右转方向都设置了常青树右转箭头信号灯，当南北向绿灯信号放行时，由于北出口的瓶颈，南北向直行车辆受东北向右转车辆的影响较大，往往使D相位南北向直行车辆停留在交叉口。切换到A相时，东西向直行信号灯变绿，直接阻碍东西向机动车正常进出路口，受影响时间持续12秒以上。场景见图9。

1.2望江西路与林峰路交叉口

交叉口概述

信号灯配置:东西南北四个方向共有三组信号灯，分别是左转箭头灯、直行箭头灯、右转箭头灯(常青树)、行人信号灯(无二次穿越)，但无机动车信号灯。

车道设置:望江西路由东向西的车道设置与望江西路-浮山路路口由东向西的车道设置相同；林峰路为双向四车道，路口南段为双向四车道。入口道路拓宽为四入口两出口，车行道渠化为左转、左转直行、直行、右转车道。路口北侧路段为双向四车道，四个入口两个出口加宽，各预留一条左转、直行、右转、右转车道。各方向的车道等级和渠化见表3。

车流分布:该路口潮汐现象非常严重，主流车流潮汐车流比例约为1: 3，早晚高峰各方向车流形成非常明显的逆转趋势。早高峰时，由东向西闯红灯相位的车流队列往往达到上游路口西出口，晚高峰时，由西向东闯红灯相位的车流队列长度往往达到500米以上(环城高架桥下)。东向西左转交通完全不对等，西向北左转交通和北向西右转交通在早晚高峰形成非常明显的潮汐交通流，而东部东向南左转交通全天非常少。南北两侧交通流早高峰红灯相位排队长度在300米左右，晚高峰红灯相位排队长度在200米以上；早晚车流大多往南左转，由南往东右转的车辆很少。早高峰北侧车流多为右转，晚高峰车流相对均等。早高峰和晚高峰备用方向交通流数据对比见表4。

非机动车和行人:早高峰时段由东向西直行的非机动车车流量较大，晚高峰时段由西向东直行和由西向北左转的非机动车车流量较大。各方向左转的非机动车在相向时会被放行，此路口行人较少。

公交路线:经过该路口的公交车在望江路福山路(杨林路)路口，目前公交专用道利用率较低。

交叉口信号控制方案为直行和左转车辆分相控制+单边放行控制模式，存在车道渠化与信号控制模式不匹配的问题。右转弯方向设置长荣无控右转弯箭头信号灯，与规范不符。定时数据源是为用户提供的。参见图11、图12和图13。

1.2.3问题分析

早高峰时段道路和交叉口运行中存在的问题；

(1)早高峰:东西直行、东西右转车流量大。拥堵严重时，上游路口出口附近最大排队长度可达400米左右。由西向东的车流量相对较小，平均最大排队长度为50 ~ 60米。直通车辆绿灯开启后，平均需要38 ~ 40秒左右才能放行空。向北左转的车流量远远多于向东和向南左转的车流量。西入口道路为左转车道，其平均最大排队长度往往接近直行车道的两倍。通常情况下，依靠现场交警引导进入直行车道是可以拦下一些左转车辆的。由东向西左转的车流很少，加上由东向西直行和由西向北左转两个相位绿灯信号，车道基本处于空(每周期只有2 ~ 3辆车)的状态。由北向南的车流量略大于由南向北的车流量，而由北向东向左的车流量只有由南向西的四分之一左右。南右转车流量很少，大部分时间车道处于空状态。参见图14和图15。

(2)晚高峰:西部进口车车流量很大，最大排队长度超过500m东向西的车流量相对较小，平均最大排队长度为50 ~ 60m。直行车辆绿灯开启后，平均40秒左右放行空，由东向南左转的车辆很少。南、北入口道路的车流量略低于早高峰，早高峰时东北左转车流量翻了一番，西北右转车流量大幅减少，东南右转车流量很小。

(3)右转机动车和非机动车:早高峰东西方向和晚高峰东西方向有大量非机动车等待放行。由于机动车右转信号常青，非机动车通行时会受到严重影响，只能靠执勤交警人工指挥引导才能正常通行。

(4)早晚高峰期间，执勤交警需要手动控制交通信号。人工操作周期基本在300秒以上，最长接近500秒。由于人工控制的影响，东西主干道无法与上下游交叉口协调。

(5)受左转非机动车伴行机动车相位放行方式的限制，配时方案无法根据各方向交通流量做出最合理的相位组合和相序优化。

2交通组织优化和信号控制灯配置建议

2.1望江西路与浮山路(杨林路)交叉口

(1)取消左转车辆等待区，由此造成的左转车辆损失时间可以通过调整绿灯间隔时间(减少全红时间)、增加东西直行与左东北、东西直行与左西南的合流流线来弥补。同时，在路口东西两侧的中央绿化带设置“注意避让车辆合流”的警示标志，有条件的可以设置随信号相位变化的电子可变警示标志。

(2)交叉口出口至东西方向距路段100米，允许社会机动车借用公交专用道完成合流，弥补东西向直线与东北向左转、东西向直线与西南向左转合流阶段存在的出口瓶颈。

(3)由于北入口由北向南的车流量很少，为了减少南北混合放行相位的冲突点，即南北直行车辆与西南左转车辆冲突造成的相互干扰，建议北进口车辆在晚高峰时段不要直行，要南北通行的可以右转到路口西段掉头。同时，在晚高峰时段(17: 00-19: 00)应在北入口车道增加一个标志

(4)南入口信号灯配置不变。早高峰时，南入口左转(箭头)和直行(全屏)车辆由相位分离控制，右转(箭头)车辆由相位分离控制。在晚高峰时段，直行左转(全屏)和直行右转(箭头)的车辆采用相位分离控制，即早高峰时段左(箭头)信号灯为黑色，其他时段左右箭头灯均为黑色。

(5)早晚高峰时段，东入口右转车辆实行灯控，即在有南北向直行和东西向左转车流时(有通行权时)，给予东西向右转车辆红灯信号，南北向绿灯信号结束至少9秒后红灯信号结束，其他时段灯黑(具体控制方案见图18、图19)。

(6)增加一组东西非洲机动车信号灯。非机动车绿灯信号应比东西直行机动车绿灯信号晚亮3-6秒，以保证由南向北穿越停车线的车辆能完全畅通空。

(7)取消或关闭所有不受控制的右转常春信号灯。参见图16。

2.2望江西路与林峰路交叉口

(1)西入口内侧第二车道设置为可变导向车道，并在相应位置增设电子可变车道导向标志。早晚时段为左转车道，其他时段为直行车道，以平衡直行车辆和左转车辆的排队长度。

(2)南入口内侧第二车道设置为可变导向车道，并在相应位置增设电子可变车道导向标志。上午和上午时段为直行车道，下午和晚上高峰时段为左转车道，以解决直行和左转单独放行时空之间资源不能充分利用的问题。

(3)交叉口出口至东西方向距离路段100米，允许社会机动车借用公交专用道完成合流，弥补东西直行、西南左转合流阶段存在的出口瓶颈，提高公交专用道利用率。

(4)取消左转车辆等待区，使左转车辆损失的时间可以通过调整绿灯间隔(全红)来补偿。同时，分别增加东西向直线和西南向左转流线以及南北向直线和西北向左转流线。在路口西侧中央绿色隔离头和路口北出口道路边缘设置“注意避让”警示牌。有条件的，设置随信号相位变化的电子可变警示标志。

(5)早晚高峰时段东入口右转车辆和晚高峰时段南入口东南方向车辆采用灯光控制(具体控制方案见图20、图21)，其他时间关闭灯光。

(6)取消或关闭所有不受控制的右转常春信号灯。参见图17。

3信号控制配时方案的优化

由于左转非机动车放行方式的限制，配时方案无法根据备用方向的车流量实现最合理的相位组合和相序优化，但可以在相同周期时长下，通过增加可变车道和特殊相位(交通方向)组合等手段，最大限度地将空放行所浪费的部分时间分配给更大的交通方向。此外，目前望江西路主要路口，执勤交警在早晚高峰时段多采用人工控制信号，导致上下300秒的备用路口控制周期无规律变化，有时控制周期甚至达到500秒以上，导致各路口车流量无规律波动。

3.1路口全清空-望江西路与浮山路(杨林路)交叉口。

望江西路与浮山路(杨林路)交叉口高峰时段相位组合和配时方案见图18和图19。在相位图中，绿色是绿灯信号(通行权)，黑色是黑光信号(有限通行权)，没有红灯信号出现。

运营顺序:早高峰阶段运营顺序:A-B-D-E，晚高峰阶段A-C-D-E-F

望江西路-浮山路(杨林路)路口早晚高峰配时说明:

(1)信号灯组配置见图16望江西路与浮山路(杨林路)交叉口渠化及灯组配置整改示意图。

(2)取消原早高峰方案中由中东向西的单边放行相位，改为东西直线、西南汇流的组合B相位。

(3)D相结束进入E相，灯组绿灯信号启动顺序要求绿灯组6(北侧进口机动车)的全屏灯信号应比南侧绿灯(南侧进口机动车)的全屏灯信号晚启动6秒。

(4)E相结束进入A相，灯组绿灯信号启动顺序要求灯组12黑光(由东向北右转)箭头信号和灯组14绿灯信号(非机动车由东向西直行)应比灯组L和灯组2绿灯(由东向西直行)全屏灯信号晚启动6秒。其目的是保证由南向北直行的车辆完全畅通空。

(5)为消除交叉口北口瓶颈，运行D、E相位时，灯组12(东向北右转车辆)应为红灯信号，以尽可能缩短D、E相位西向北左转交通占用的绿灯时间，南向北直行车辆能顺利通过和驶出交叉口。

(6)在现有方案的基础上，在晚高峰时段增加F相位，即由西向东和由北向东两个车流左转进入同一出口的合流相位。目的是为西向东直行交通和北向东左转交通分配更多的放行时间，以缓解晚高峰时来自这两个方向的交通压力。在行驶阶段F，灯组13(从南到东右转)必须是红灯信号。

(7)为消除运行阶段B交叉口西出口车道瓶颈和运行阶段F交叉口东出口车道瓶颈，约定徐东、西外侧车辆先借用公交专用道驶出交叉口，然后在适当的路段长度内(建议100米)变道离开公交专用道。

(8)在非高峰时段，A-D-E三相控制用于该交叉口。

3.2最大限度地利用绿信持续时间——望江西路——林峰路交叉口

望江西路-林峰路交叉口高峰时段相位组合和配时方案见图20和图21。相位图中，绿色为绿灯信号(路权)，蓝色为可变车道标志，黑色为黑灯信号(限制路权)，不出现红灯信号(无路权)。

望江西路-林峰路交叉口早高峰配时的解释：

(1)早高峰阶段运行顺序:A-C-D-E-F-G。

(2)西入口可变车道改为西向北左侧车道，西向东直行车道改为两车道。因此，需要适当延长东西向相位的绿灯信号时间，西入口左转绿灯信号时间可以相应减少。

(3)取消原配时方案中的南直行和左转单方面放行相位，将南入口可变车道改为直行车道，即南侧有两个车道，使南北直行交通与南北直行交通之比在时间空分布上基本均衡。运行南北直行对面放行相位E时，东入口处的右转必须用红灯信号照明。

(4)取消原分配方案中东侧直行和左转的单边放行相位，增加东侧直行和南侧左转的相位G。在目前的方案中，东西向左转车辆在东侧直行左转单边放行相位所占用的时间，被分配给了南方的西南向左转车辆，既减少了时间空资源的浪费，又弥补了上述南方出口单边放行相位取消所造成的西南向左转绿灯时间的减少。运行东侧直行和南侧左转相位G时，北入口必须开启红灯信号。

晚高峰时段望江西路-林峰路交叉口配时说明:

(1)晚高峰阶段作业顺序:A-B-C-D-E-F

(2)晚高峰时段，由西进入的直行车辆成为该路口最大的车流量，可变车道由西向东转为直行车道，即由西向东直行三车道，由西向北左转一车道。

(3)南入口可变车道改造为左转车道，即一条车道由南向北直行，两条车道由南向西左转，使西南左转交通和东北左转交通的时间空分布基本平衡。

(4)晚高峰方案中，增加一个由西向北左转、由南向北直行的合流D相位，以弥补这两个交通方向因车道减少造成的配时不足。运行此阶段时，东入口右转时必须开启红灯信号。

该路口在非高峰时段采用A-C-E-F四相位控制，西侧可变车道设置为直行车道，南侧可变车道可根据车流量变化酌情设置。

该路口建议信号灯组配置见图17。

3.3辅助整改建议

建议望江西路全路段早晚高峰时段统一信号控制时段。在用户提供的原方案基础上，信号控制周期统一调整为240秒，按照主要潮汐交通流向实施单向协调控制。同时，根据对应的高峰计划，可以同步添加过渡计划，过渡计划的计时周期建议为180秒或210秒。严禁执勤交警使用手动控制方式，避免上下游路口交通流量不协调，以及因手动控制造成的较大随机波动带来的不良后果。

4效果对比

4.1效果比较法

根据早晚高峰时段各方向的车流量数据，假设所有车流量都通过交叉口，结合整改方案前后配时方案给出的绿灯信号时长，计算出通过交叉口的车辆车头时距值。比较车头时距，参考以下经验值判断信号控制方案和配时参数的合理性:

(1)相控放行模式:直行1.8至2秒，左转2至2.2秒比较合理。

(2)混合双车道(直带左+直带右)放行方式:2.2 ~ 2.6秒，甚至更高(取决于车辆左右转弯比例)是合理状态。

(3)左、直、右独立车道混合相向放行模式:2.6 ~ 3.2秒为合理状态。

(4)一侧单车道，对侧多车道混合放行模式:2.2 ~ 3.2秒为合理状态(如杨林路、福山路)。

(5)如果小于下限值，则为无效计时数据，即计时时间不能在较长时间内完全通过给定的交通流。

(6)如果大于上限值2096，绿信时长略有浪费；如果大于上限值5096，则大大浪费了绿信时长；如果大于上限值10096，则绿信时长浪费严重。

为了计算优化设计方案与当前方案之间的车头时距值的合理性，用更直观的颜色表示:红色表示无效配时数据，绿色表示合理值，黄色表示有点浪费绿信时长，橙色表示更多浪费绿信时长，蓝色表示严重浪费绿信时长。

4.2望江西路与浮山路(杨林路)交叉口

望江西路与浮山路(杨林路)交叉口早高峰优化设计方案与现状方案的数据对比见表5。

望江西路与浮山路(杨林路)交叉口晚高峰最优设计方案与现状方案数据对比见表6。

4.3望江西路-林峰路交叉口

望江西路-林峰路交叉口早高峰最优设计方案与现状方案的数据对比见表7。

望江西路-林峰路交叉口晚高峰优化设计方案与现有方案的数据对比见表8。

4.4结论

根据表5、表6、表7和表8中四组建议的信号控制优化设计方案与现行信号控制方案的数据比较，根据信号控制周期持续时间、相应相位的交通流量、车道数和配时计算的车头时距值可以清楚地得出以下结论:

(1)在目前的方案中，主要交通方向的配时都存在不同程度的不足，甚至有些数据显示配时严重不足。只有望江西路-林峰路路口的东西贯通交通配时处于合理范围，但南北方向堵车严重，同时车流量较少的方向也不同程度的浪费了时间。进入高峰时段后，现有方案无法满足实际交通需求，导致早晚高峰只能靠执勤交警被动的人工控制模式来缓解。

(2)优化设计方案中，在主要交通流方向，除望江西路-林峰路交叉口晚高峰方案西北左方向交通流配时略显不足外，其他方向交通流配时均有不同程度的充分改善，配时时间浪费大幅减少，交通流和配时时间基本达到综合平衡。

(3)针对优化设计方案中望江西路-林峰路交叉口晚高峰西北左转方向车流配时略显不足的问题，现场交警可以引导西北左转方向车流适当借用直行车道，可以解决。

必须指出的是，本次优化设计方案中提出的早晚高峰交通信号控制配时的整改方案没有考虑望江西路-林峰路交叉口右转车道的功能调整。如果右转车道改为直行右转车道，需要重新设计优化设计方案，可以在以后的研究整改中考虑。

5结论

本次方案优化设计研究以信号交叉口全面畅通空和最大限度利用绿灯时间为原则。以合肥市两个道路交叉口为例，在相位组合和相位重叠排序方面进行了大胆创新。同时，借助可变导向车道的设置，提出了缓堵与控制交通拥堵齐头并进的新思路。基于实地调查收集的交通流量等交通数据，笔者认为，在当前世界各国城市潮汐交通现象突出、交通流量不均衡的背景下，深化城市道路交通组织管理与信号控制相结合的优化设计工作，将是缓解城市道路交通拥堵的有效和必要手段。两者的完美结合和应用，具有技术和艺术的双重属性，正如内华达大学(Reno)终身教授田所指出的:“信号配时很大一部分是‘艺术，而不是纯科学或工程’。可见，信号控制配时的优化设计是“交通拥堵控制的艺术补救”。研究结果可为其他各方向交通流量不均衡的交叉口交通信号控制配时的优化设计和改造提供参考。