隨著城市化的進程，交通問題日益嚴(yán)峻，那么如何去緩解、解決這些問題呢？在第六屆中國智能交通市場年會的信號控制發(fā)展論壇上，同濟大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師馬萬經(jīng)打破常規(guī)，就非常規(guī)交叉口優(yōu)化設(shè)計與控制進行了分享交流。
馬萬經(jīng)首先通過土地資源緊張和人口聚集的形式展示了非常規(guī)交叉口優(yōu)化設(shè)計與控制的研究背景，針對嚴(yán)峻的交通問題提出了沖突管理和挖掘潛力兩種對策思路，以此分享了實際案例中的解決方法。
馬萬經(jīng)認(rèn)為對策日趨尖銳的交通問題，從交叉口走向“交叉口+”具有重要意義。
以下為馬萬經(jīng)演講全部內(nèi)容
一、研究背景
城市交通問題日趨尖銳和復(fù)雜，城市化演變非常迅速，不僅是土地利用迅速緊張，也包括人口迅速聚集。當(dāng)前和未來面臨快速城鎮(zhèn)化帶來的土地資源和人口聚集的特征，顯然是交通系統(tǒng)現(xiàn)在面臨很大挑戰(zhàn)的背景。
隨著經(jīng)濟和機動化的發(fā)展，交通擁堵在很多城市成為一種常態(tài)，無論是單點還是由單點引申的一條干線甚至整個網(wǎng)絡(luò)的擁堵，是我們現(xiàn)在必須面對的問題。或許可以考慮增加基礎(chǔ)設(shè)施，但中國機動車迅速增長，人均道路面積也在增加，如何高效利用有限的交通設(shè)施資源是世界共同面臨的重大課題。在這一背景下，非常規(guī)交叉口的設(shè)計與控制方法，變得非常具有價值和意義。
二、對策思路
對于非常規(guī)交叉口的創(chuàng)新和發(fā)展，特別是交叉口的控制和設(shè)計層面，我認(rèn)為有兩方面的主要思路。
第一是如何有效管理沖突。交通控制不是城市交通擁擠的原因，通行權(quán)的競爭才是最關(guān)鍵的，在有限的時空范圍內(nèi)，我們怎么去處理那么多沖突，是進行非常規(guī)交叉口設(shè)計和優(yōu)化的一個突破口。
第二是挖掘潛力。在很多情況下，交通設(shè)施沒有被充分利用。
比如這兩張圖，擁擠的設(shè)施和空閑的設(shè)施同時呈現(xiàn)。因此，在資源總量一定的情況下，如何提高設(shè)施在全是空范圍內(nèi)的利用率，是非常規(guī)交叉口創(chuàng)新的另一個突破點。
三、典型案例
第一個很常見的管理沖突的辦法就是改變沖突交通流的通行規(guī)則，信號控制環(huán)形交叉口的產(chǎn)生就是一個經(jīng)典的例子。最早的時候環(huán)島通行的規(guī)則叫無規(guī)則，既可以順時針轉(zhuǎn)也可以逆時針轉(zhuǎn)，大概從1906年開始，環(huán)島出現(xiàn)了逆時針繞行的規(guī)則，在1960年左右提出環(huán)島應(yīng)該出環(huán)交通流優(yōu)先通行。這其實就是一種通過通行規(guī)則的改變帶來對沖突管理思路的變化。
很多研究說明環(huán)形交叉口的好處可以不停車，交通流可以平滑運行。但是問題在于如果環(huán)島出現(xiàn)上圖這種情況，這種死鎖是交織區(qū)內(nèi)一進一出的沖突造成的，如何更有效管理交通流之間的沖突，成為解決這個問題的關(guān)鍵切入點。
進入環(huán)島和出環(huán)島的交織既然是擁堵的原因，于是我們考慮類比十字交叉口的沖突解決方案，通過設(shè)置信號燈來明確沖突交通流的通行權(quán)。由于每個入口\出口處都有沖突交通流，因此除了在進口道設(shè)置信號燈外，還要在環(huán)道上設(shè)置信號燈。設(shè)置信號燈之后，環(huán)島就變成了由四個關(guān)聯(lián)性極強的兩相位交叉口構(gòu)成的交叉口群。
通過這個網(wǎng)絡(luò)圖能夠清楚的表達信號控制環(huán)形交叉口上所有的燈啟亮?xí)r間和綠燈時間長度的相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過建模優(yōu)化，就可以分別求出來每一個燈到底綠燈有多長。這個研究還進一步把進口道車道功能劃分納入優(yōu)化過程，實現(xiàn)環(huán)形交叉口時空資源的集成優(yōu)化。
通過上圖我們可以看到，環(huán)島左轉(zhuǎn)待行區(qū)間可以類比成一個帶有預(yù)信號和短車道的交叉口進口道，在這個體系里面可以設(shè)計很多種策略。如果想讓左轉(zhuǎn)車在中央的地方不等待，就可以設(shè)計一個第一停車線和第二停車線的協(xié)調(diào)方案；如果不在乎它等待，只在乎通行能力的提升，就可以調(diào)整第一停車線和第二停車線的綠燈起步時距，讓左轉(zhuǎn)在環(huán)道重新排隊。上圖能看到環(huán)島在進口道上有只有一個左轉(zhuǎn)車道，在環(huán)島上有三個車道可以停車，通過協(xié)調(diào)優(yōu)化，就可能會大幅度增加左轉(zhuǎn)通行能力。
第二改變沖突管理的辦法就是轉(zhuǎn)移分離沖突。
這是一個典型的交叉口案例，學(xué)名叫做連續(xù)流交叉口，是上個世紀(jì)提出來的，并且認(rèn)為它是交通領(lǐng)域很重要的發(fā)明。
它的基本思路很簡單，路口有很多沖突點，先不考慮外圍的行人自行車，只考慮機動車沖突，對于正交沖突，如東西和南北沖突很難把它消除。但能不能把直行和左轉(zhuǎn)的沖突想辦法消除，消除之后交叉口通行效率就會提升，這是一個基本思路。
這事我們針對這倆交叉口做的分布解析，在路段上左轉(zhuǎn)跨越了中央的分割帶，進入出口道，然后通過專門車道到路口，直行和左轉(zhuǎn)可以同時放行并且沒有沖突。換言之，其實是把左轉(zhuǎn)和直行的沖突從路口轉(zhuǎn)移到了路段，如果每個口都這么做，相當(dāng)于把一個四相位的交叉口轉(zhuǎn)變成5個兩相位的交叉口，這是問題的本質(zhì)。
它同時也會帶來非常復(fù)雜的問題，一旦這樣做了之后，直行有兩個停車線，過了交叉口之后很有可能在出口的地方停，雖然有兩個停車線并不意味著要停兩次，但是總會有潛在的瓶頸和排隊的風(fēng)險。左轉(zhuǎn)實際上會有三個停車線，要跨越中央分流帶，在入口和出口都可能會遇到紅燈。
這種將沖突分解的方法實際上是有代價的，它需要詳細(xì)的處理好這些問題，我們做了其中一個工作，就是協(xié)調(diào)這些信號燈，比如說左轉(zhuǎn)有三個停車線，我們盡可能讓它在一次停車的約束下通過交叉口，這是一個相對比較復(fù)雜的問題。這事沖突管理的兩個思路。
在挖掘潛力方面，也有兩個角度。
第一是討論是提高進口車道的利用率。
一般交叉口我們會劃分車道功能，直行通行，左轉(zhuǎn)排隊，反過來，左轉(zhuǎn)通行，直行停車，如果在一個瞬間看，交叉口的進口道只有一部分用于綠燈放行。為了解決這個問題，預(yù)信號的方法被提出，在上海、深圳都有應(yīng)用。
上圖能相對簡單的說明思路，在交叉口停車線有一個信號燈，在上游路段放一個信號燈，兩個信號燈共同完成控制。
在某個恰當(dāng)?shù)臅r間，左轉(zhuǎn)燈變成綠燈，左轉(zhuǎn)車會通過這個地方進入前面的等待區(qū)域，當(dāng)交叉口左轉(zhuǎn)放綠燈的時候，所有的車道都可以被用來放行左轉(zhuǎn)，這其實就是它的基本邏輯，直行也是一樣。
有些城市也在使用，這個問題也同樣沒那么簡單。
上圖是分析預(yù)信號交叉口，有幾個點是需要注意。路段的信號燈放在什么位置上，放近了基本上沒有作用，放遠(yuǎn)了無法克服中間的隨機性，要想提高通行能力必須有綜合待行區(qū)內(nèi)的重新排隊，在這種模式下每一個直行和左轉(zhuǎn)車都要停兩次，通行能力才可能是最大的。問題就在于你能否做好信號協(xié)調(diào)，直行和左轉(zhuǎn)輪流使用這個區(qū)域，萬一有一輛直行車沒有過去，怎么辦？這個問題我們國家有人申請專利，加州大學(xué)伯克利分校學(xué)者做過很好的研究，我們也做了一些分析，關(guān)于怎樣去協(xié)調(diào)這些信號燈，讓體系能夠運行的更好。
第二個挖掘潛力的角度是不僅僅看到了直行和左轉(zhuǎn)車道交替使用帶來的浪費，更看到進口道和出口道利用率的不同，我們能不能在恰當(dāng)?shù)臅r候利用一下出口道提升它的通行能力。對于四相位控制的交叉口，是可以找到一段時間讓左轉(zhuǎn)車輛進入出口道并且不會有沖突的，于是就可以利用這段時間和這個車道清空交叉口的左轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)資源利用率的提升。
還有更多的案例，都是一些非常規(guī)的方法，在一定程度上可以解決資源不足問題，排隊空間不足問題，進出交通和主線相干擾的問題。
四、結(jié)論與展望
對策日趨尖銳的交通問題，從交叉口走向“交叉口+”具有重要意義。如何有效管理沖突、如何挖掘潛力，優(yōu)化交叉口設(shè)計和控制是兩個非常重要的切入點。同時我們說的“非常規(guī)”應(yīng)該異于平常，它的因素不僅僅是通行效率，可能和人、法律等多方面有關(guān)。
通行能力的改善僅僅是緩解交通的一個環(huán)節(jié)，而且本質(zhì)上來講這種類型的方法都是只能“緩解”而很難“解決”交通問題。
但這種方法，為提升設(shè)施利用率提供了一類思路，雖然其適應(yīng)新還有待進一步研究，但目前結(jié)果已經(jīng)表明，至少在一些特定場景和情況下能夠起到很好的效果。也希望在交通設(shè)計控制等領(lǐng)域，不斷有新的成果涌現(xiàn)出來，為對策交通問題提供更好的方案。
