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马万经:非常规交叉口优化设计与控制 | 打破常规

从交叉口走向“交叉口+”具有重要意义

随着城市化的进程,交通问题日益严峻,那么如何去缓解、解决这些问题呢?在第六届中国智能交通市场年会的信号控制发展论坛上,同济大学教授、博士生导师马万经打破常规,就非常规交叉口优化设计与控制进行了分享交流。

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马万经首先通过土地资源紧张和人口聚集的形式展示了非常规交叉口优化设计与控制的研究背景,针对严峻的交通问题提出了冲突管理和挖掘潜力两种对策思路,以此分享了实际案例中的解决方法。

马万经认为对策日趋尖锐的交通问题,从交叉口走向“交叉口+”具有重要意义。

以下为马万经演讲全部内容

一、研究背景

城市交通问题日趋尖锐和复杂,城市化演变非常迅速,不仅是土地利用迅速紧张,也包括人口迅速聚集。当前和未来面临快速城镇化带来的土地资源和人口聚集的特征,显然是交通系统现在面临很大挑战的背景。

随着经济和机动化的发展,交通拥堵在很多城市成为一种常态,无论是单点还是由单点引申的一条干线甚至整个网络的拥堵,是我们现在必须面对的问题。或许可以考虑增加基础设施,但中国机动车迅速增长,人均道路面积也在增加,如何高效利用有限的交通设施资源是世界共同面临的重大课题。在这一背景下,非常规交叉口的设计与控制方法,变得非常具有价值和意义。

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二、对策思路

对于非常规交叉口的创新和发展,特别是交叉口的控制和设计层面,我认为有两方面的主要思路。

第一是如何有效管理冲突。交通控制不是城市交通拥挤的原因,通行权的竞争才是最关键的,在有限的时空范围内,我们怎么去处理那么多冲突,是进行非常规交叉口设计和优化的一个突破口。

第二是挖掘潜力。在很多情况下,交通设施没有被充分利用。

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比如这两张图,拥挤的设施和空闲的设施同时呈现。因此,在资源总量一定的情况下,如何提高设施在全是空范围内的利用率,是非常规交叉口创新的另一个突破点。

三、典型案例

第一个很常见的管理冲突的办法就是改变冲突交通流的通行规则,信号控制环形交叉口的产生就是一个经典的例子。最早的时候环岛通行的规则叫无规则,既可以顺时针转也可以逆时针转,大概从1906年开始,环岛出现了逆时针绕行的规则,在1960年左右提出环岛应该出环交通流优先通行。这其实就是一种通过通行规则的改变带来对冲突管理思路的变化。

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很多研究说明环形交叉口的好处可以不停车,交通流可以平滑运行。但是问题在于如果环岛出现上图这种情况,这种死锁是交织区内一进一出的冲突造成的,如何更有效管理交通流之间的冲突,成为解决这个问题的关键切入点。

进入环岛和出环岛的交织既然是拥堵的原因,于是我们考虑类比十字交叉口的冲突解决方案,通过设置信号灯来明确冲突交通流的通行权。由于每个入口\出口处都有冲突交通流,因此除了在进口道设置信号灯外,还要在环道上设置信号灯。设置信号灯之后,环岛就变成了由四个关联性极强的两相位交叉口构成的交叉口群。

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通过这个网络图能够清楚的表达信号控制环形交叉口上所有的灯启亮时间和绿灯时间长度的相互关系。在此基础上,通过建模优化,就可以分别求出来每一个灯到底绿灯有多长。这个研究还进一步把进口道车道功能划分纳入优化过程,实现环形交叉口时空资源的集成优化。 

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通过上图我们可以看到,环岛左转待行区间可以类比成一个带有预信号和短车道的交叉口进口道,在这个体系里面可以设计很多种策略。如果想让左转车在中央的地方不等待,就可以设计一个第一停车线和第二停车线的协调方案;如果不在乎它等待,只在乎通行能力的提升,就可以调整第一停车线和第二停车线的绿灯起步时距,让左转在环道重新排队。上图能看到环岛在进口道上有只有一个左转车道,在环岛上有三个车道可以停车,通过协调优化,就可能会大幅度增加左转通行能力。

第二改变冲突管理的办法就是转移分离冲突。

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这是一个典型的交叉口案例,学名叫做连续流交叉口,是上个世纪提出来的,并且认为它是交通领域很重要的发明。

它的基本思路很简单,路口有很多冲突点,先不考虑外围的行人自行车,只考虑机动车冲突,对于正交冲突,如东西和南北冲突很难把它消除。但能不能把直行和左转的冲突想办法消除,消除之后交叉口通行效率就会提升,这是一个基本思路。

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这事我们针对这俩交叉口做的分布解析,在路段上左转跨越了中央的分割带,进入出口道,然后通过专门车道到路口,直行和左转可以同时放行并且没有冲突。换言之,其实是把左转和直行的冲突从路口转移到了路段,如果每个口都这么做,相当于把一个四相位的交叉口转变成5个两相位的交叉口,这是问题的本质。

它同时也会带来非常复杂的问题,一旦这样做了之后,直行有两个停车线,过了交叉口之后很有可能在出口的地方停,虽然有两个停车线并不意味着要停两次,但是总会有潜在的瓶颈和排队的风险。左转实际上会有三个停车线,要跨越中央分流带,在入口和出口都可能会遇到红灯。

这种将冲突分解的方法实际上是有代价的,它需要详细的处理好这些问题,我们做了其中一个工作,就是协调这些信号灯,比如说左转有三个停车线,我们尽可能让它在一次停车的约束下通过交叉口,这是一个相对比较复杂的问题。这事冲突管理的两个思路。

在挖掘潜力方面,也有两个角度。

第一是讨论是提高进口车道的利用率。

一般交叉口我们会划分车道功能,直行通行,左转排队,反过来,左转通行,直行停车,如果在一个瞬间看,交叉口的进口道只有一部分用于绿灯放行。为了解决这个问题,预信号的方法被提出,在上海、深圳都有应用。

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上图能相对简单的说明思路,在交叉口停车线有一个信号灯,在上游路段放一个信号灯,两个信号灯共同完成控制。

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在某个恰当的时间,左转灯变成绿灯,左转车会通过这个地方进入前面的等待区域,当交叉口左转放绿灯的时候,所有的车道都可以被用来放行左转,这其实就是它的基本逻辑,直行也是一样。

有些城市也在使用,这个问题也同样没那么简单。

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上图是分析预信号交叉口,有几个点是需要注意。路段的信号灯放在什么位置上,放近了基本上没有作用,放远了无法克服中间的随机性,要想提高通行能力必须有综合待行区内的重新排队,在这种模式下每一个直行和左转车都要停两次,通行能力才可能是最大的。问题就在于你能否做好信号协调,直行和左转轮流使用这个区域,万一有一辆直行车没有过去,怎么办?这个问题我们国家有人申请专利,加州大学伯克利分校学者做过很好的研究,我们也做了一些分析,关于怎样去协调这些信号灯,让体系能够运行的更好。

第二个挖掘潜力的角度是不仅仅看到了直行和左转车道交替使用带来的浪费,更看到进口道和出口道利用率的不同,我们能不能在恰当的时候利用一下出口道提升它的通行能力。对于四相位控制的交叉口,是可以找到一段时间让左转车辆进入出口道并且不会有冲突的,于是就可以利用这段时间和这个车道清空交叉口的左转,从而实现资源利用率的提升。

还有更多的案例,都是一些非常规的方法,在一定程度上可以解决资源不足问题,排队空间不足问题,进出交通和主线相干扰的问题。

四、结论与展望

对策日趋尖锐的交通问题,从交叉口走向“交叉口+”具有重要意义。如何有效管理冲突、如何挖掘潜力,优化交叉口设计和控制是两个非常重要的切入点。同时我们说的“非常规”应该异于平常,它的因素不仅仅是通行效率,可能和人、法律等多方面有关。

通行能力的改善仅仅是缓解交通的一个环节,而且本质上来讲这种类型的方法都是只能“缓解”而很难“解决”交通问题。

但这种方法,为提升设施利用率提供了一类思路,虽然其适应新还有待进一步研究,但目前结果已经表明,至少在一些特定场景和情况下能够起到很好的效果。也希望在交通设计控制等领域,不断有新的成果涌现出来,为对策交通问题提供更好的方案。

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