信號交叉口禁左車流交通組織設(shè)計

李愛增， 賈俊波， 張亞飛， 李文權(quán)

(1．河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036； 2．東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

信號交叉口禁左車流交通組織設(shè)計

李愛增1， 賈俊波1， 張亞飛1， 李文權(quán)2

(1．河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036； 2．東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

合理組織禁左車流能夠減少左轉(zhuǎn)車輛的繞行延誤.考慮城市道路雙向機(jī)動車間為隔離欄的情況，采用排隊論和概率論方法研究了“右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”和“直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”兩種間接左轉(zhuǎn)模式下掉頭開口距離交叉口停車線距離的計算方法，得到“右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”模式下右轉(zhuǎn)車輛與相交道路直行車輛協(xié)調(diào)控制與不協(xié)調(diào)控制時掉頭開口距離交叉口停車線距離的計算模型；得到“直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”模式下路段設(shè)置信號燈與交叉口信號協(xié)調(diào)控制以及路段不設(shè)置信號燈時掉頭開口距離交叉口停車線距離的計算模型；提出了協(xié)調(diào)控制時路段信號的“早斷早啟”技術(shù)及“早斷早啟”時間的計算方法.實例分析表明：間接左轉(zhuǎn)交通組織方案可行，對于改善交叉口運(yùn)行狀況效果明顯.

禁左車流；排隊論；概率論；交通組織設(shè)計；協(xié)調(diào)控制；信號交叉口

0 引言

交叉口禁左既有利于提高交叉口的通行能力，又有利于交通安全，但現(xiàn)實生活中左轉(zhuǎn)車輛繞行嚴(yán)重，延誤增加.為此，許多學(xué)者對交叉口左轉(zhuǎn)車流間接左轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行了研究，目前主要的間接左轉(zhuǎn)方法有“右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”和“直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”兩種，其中“右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”也有學(xué)者稱之為“右轉(zhuǎn)+U型彎”.現(xiàn)有文獻(xiàn)主要從交通安全[1-2]、通行能力[3]、設(shè)置條件[2]、延誤[4]和經(jīng)濟(jì)[5]等方面進(jìn)行了分析.針對具體的掉頭車道設(shè)計，張國華[6]提出“右轉(zhuǎn)+U型彎”模式下中央分隔帶的寬度要求，以及轉(zhuǎn)換車道與交叉口之間的距離要求，但沒有給出該距離的具體確定方法.王富[7]提出了“右轉(zhuǎn)+U型彎”模式下中央隔離帶回轉(zhuǎn)開口與主交叉口距離、中央開口半徑和通道寬度的計算方法，但沒有考慮車輛交織的影響.文獻(xiàn)[8]從安全和通行效率的角度，分析了“右轉(zhuǎn)+U型彎”模式下，不同道路條件的掉頭開口距上游支路出口應(yīng)保證的最短距離.文獻(xiàn)[9]研究了“直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”模式下車輛轉(zhuǎn)彎半徑及中央分隔帶的開口形式、寬度要求，并采用HCM2000中高速公路C型交織理論研究了中央分隔帶的開口距離要求.從現(xiàn)有研究成果來看，學(xué)者主要分析了雙向機(jī)動車之間為分隔帶時掉頭車道的設(shè)置方法.但在城市道路中，由于用地的制約，大部分道路的雙向機(jī)動車之間是隔離欄而不是分隔帶，因此現(xiàn)有研究成果使用條件受限.另外，隔離帶開口距離交叉口的距離也需要結(jié)合城市道路交通流的具體特征進(jìn)行深入分析.

筆者將研究雙向機(jī)動車之間為隔離欄時,“右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”和“直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”的間接左轉(zhuǎn)設(shè)置方法，從而保證間接左轉(zhuǎn)車輛即不對路段車輛產(chǎn)生過大影響，又能使其快速通過.

1 間接左轉(zhuǎn)交通組織方案

城市道路交叉口禁左時，左轉(zhuǎn)車流可采用兩種模式實現(xiàn)間接左轉(zhuǎn)，如圖1所示.

2 “右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”交通模式

這種交通組織模式下，根據(jù)右轉(zhuǎn)車輛與相交道路直行車輛的相位設(shè)計，可分為兩種情況.

2.1 右轉(zhuǎn)車輛與相交道路直行車輛協(xié)調(diào)控制

右轉(zhuǎn)車輛與本向直行車輛同時放行，當(dāng)相交道路直行車輛放行時，右轉(zhuǎn)車輛與本向直行車輛禁止通行.該模式下，右轉(zhuǎn)車輛中的左轉(zhuǎn)車可以方便地由道路外側(cè)車道移動到內(nèi)側(cè)車道的掉頭開口處.此時，掉頭開口距離停車線的距離為相交道路

進(jìn)口道直行車輛排隊長度、掉頭后待直行的左轉(zhuǎn)車輛排隊長度、路段隔離欄處左轉(zhuǎn)車輛掉頭時所需的回轉(zhuǎn)長度，以及掉頭開口的合理長度4部分的和.

圖1 間接左轉(zhuǎn)組織方案

①直行車輛排隊長度L11.記一個周期內(nèi)直行車輛的紅燈時間為ttr，s；直行綠燈啟亮后啟動波追上停車波的時間為ttw，s；直行綠燈啟亮后的啟動波波速為Vtw，m/s；直行車輛到達(dá)率為qt，veh/s；直行車輛停車時的停車間距為hts，m；交叉口進(jìn)口道直行車道數(shù)為nt.則

L11=qt(ttr+ttw)hts/nt

=(ttr+L11/Vtw)qthts/nt;

(1)

hts=h1·pt1+h2·pt2+h3·pt3,

(2)

式中：h1、h2、h3為小型車、中型車、大型車停車時的停車間距，m；pt1、pt2、pt3為直行車道中小型車、中型車、大型車所占比例.

由式(1)、式(2)可得

L11=qtttrhtsVtw/(ntVtw-qthts) .

(3)

②左轉(zhuǎn)車輛排隊長度為L12.計左轉(zhuǎn)車輛的到達(dá)率為ql，veh/s；啟動波在左轉(zhuǎn)排隊車輛中的傳遞時間為tlw，s；左轉(zhuǎn)車輛停車時的停車間距為hls，m.則

L12=ql(ttr+ttw+tlw)hls/nt=(ttr+L11/Vtw+L12/Vtw)qlhls/nt;

(4)

hls=h1·pl1+h2·pl2+h3·pl3.

(5)

則由式(4)、式(5)可得

L12=(qlttrhlsVtw+qlhlsL11)/(ntVtw-qlhls) .

(6)

式中：pl1、pl2、pl3為左轉(zhuǎn)車中小型車、中型車、大型車所占比例；其它符號意義同前.

③左轉(zhuǎn)車輛掉頭時的回轉(zhuǎn)長度為Lh.如果雙向機(jī)動車之間為隔離欄，在滿足大型車順利回轉(zhuǎn)的情況下，可取Lh為12 m[9].

④掉頭開口長度L.掉頭開口長度大小會影響城市道路的通行能力[3].根據(jù)城市道路交通狀況，Lo可取8 m[9].

⑤掉頭開口距離停車線距離L1.

L1=L11+L12+Lh+Lo=L11+L12+20 .

(7)

2.2 右轉(zhuǎn)車輛與相交道路直行車輛不協(xié)調(diào)控制

該情況下，右轉(zhuǎn)車輛中的左轉(zhuǎn)掉頭車輛可以利用本向直行綠燈時間或相交道路綠燈時間由道路外側(cè)車道橫移到內(nèi)側(cè)車道.

2.2.1 利用本向直行綠燈時間變換車道

此時，掉頭開口距交叉口停車線距離的計算公式與式(7)相同，計該距離為L21，則L21=L1.

2.2.2 利用相交道路綠燈時間變換車道

該情況下，掉頭左轉(zhuǎn)車輛需由道路最外側(cè)車道尋找左側(cè)相鄰車道上的車輛間隙逐步向內(nèi)側(cè)車道合流.當(dāng)車輛轉(zhuǎn)移到最內(nèi)側(cè)車道掉頭后，可隨相交道路直行車輛在綠燈時間內(nèi)通過交叉口.

①等待匯入段長度為Ld.先分析掉頭車輛由最外側(cè)車道向外側(cè)2車道合流時的合流段長度.此時，外側(cè)2車道的車頭時距分布是影響車輛合流的一個重要因素.對于城市道路，可用M3分布對車頭時距進(jìn)行描述[10-13]，對于M3分布

(8)

式中：φ為自由車流比例；γ為衰減常量；tm為最小車頭時距，s.這幾個參數(shù)之間存在著如下關(guān)系：γ=qφ/(1-qtm)，其中，q為車道流量，veh/s.

記掉頭車輛能夠匯入外側(cè)2車道的臨界間隙為tc，則以tc作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，在外側(cè)2車道的n個車頭時距中大于等于臨界間隙tc的車頭時距個數(shù)X服從參數(shù)為n，pc的二項分布，即X～b(n,pc).則

(9)

式中：pc為車頭時距h大于等于臨界間隙tc的概率；qc=1-pc.

當(dāng)外側(cè)2車道車頭時距服從M3分布時，

pc=P(h≥tc)=φe-γ(tc-tm) .

(10)

(11)

α為能使掉頭車輛成功匯入外側(cè)2車道的概率，可取較大的值.將上述計算的pc、qc代入式(11)，即可得到掉頭車輛成功匯入外側(cè)2車道時所需的外側(cè)2車道的車頭時距個數(shù)n.

n=ln(1-α)/ln[1-φe-γ(tc-tm)] .

(12)

則由車速V(km/h)及流量Q(veh/h)，可得

Ld=1 000nV/Q.

(13)

②掉頭車輛換車道距離Ls.取掉頭車輛的換車道時間ts為2～3 s[14-15]，則

Ls=Vts/3.6 .

(14)

③掉頭車輛交織段總長度Lj.假設(shè)路段車道數(shù)為n′，則

Lj=(n′-1)(Ld+Ls) .

(15)

④掉頭開口距離停車線距離L22.取左轉(zhuǎn)車輛掉頭時的回轉(zhuǎn)長度Lh為12 m[9]；取掉頭開口長度Lo為8 m[9].另外，不協(xié)調(diào)控制時考慮掉頭車輛右轉(zhuǎn)時受相交道路非機(jī)動車的影響，結(jié)合城市道路設(shè)計要求，總長度中加上影響段長度10 m.得L22=Lj+Lh+Lo+10=(n′-1)(Ld+Ls)+30.

(16)

不進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時掉頭開口距離停車線的距離為L2，

L2=max(L21,L22).

(17)

3 “直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”交通模式

根據(jù)掉頭開口處是否設(shè)置路段信號燈與交叉口信號燈協(xié)調(diào)控制，該模式可分為兩種情況.

3.1 設(shè)置信號燈協(xié)調(diào)控制

該種情況下的交通組織模式如圖2所示.

該模式下，當(dāng)交叉口直行車輛放行時，路段信號燈也放行；當(dāng)交叉口直行紅燈時，路段信號燈也紅燈.但為了保證掉頭車輛在盡可能短的距離內(nèi)實現(xiàn)掉頭右轉(zhuǎn)，并不影響路段直行車輛正常通過交叉口，路段信號燈綠燈需采取“早斷早啟”技術(shù).早斷時間應(yīng)保證綠燈末尾由路段停車線駛向交叉口的車輛到達(dá)交叉口時能趕上交叉口綠燈末尾通過；早啟時間應(yīng)保證路段停車線處車輛由停車線駛向交叉口時，交叉口綠燈剛好開啟.

圖2 路段信號協(xié)調(diào)控制圖

3.1.1 掉頭開口距離交叉口停車線距離L3

①左轉(zhuǎn)車輛排隊長度L31.協(xié)調(diào)控制時，綠燈期間隨直行車輛一起通過交叉口的左轉(zhuǎn)車輛需在隔離欄開口處排隊等待

L31=ttgqlhls，

(18)

式中：ttg為一個信號周期內(nèi)直行車輛的綠燈時間，s；其它符號意義同前.

②掉頭開口距交叉口停車線距離L3.取左轉(zhuǎn)車輛掉頭時的回轉(zhuǎn)長度Lh為12 m[9]；取掉頭開口長度Lo為8 m[9].則

L3=L31+Lh+Lo=ttgqlhls+20 .

(19)

3.1.2 路段信號“早斷早啟”時間te

te=L3/Va.

(20)

式中：Va為交叉口處車輛車速，m/s，根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》Va可取路段車速的0.5～0.7倍.

3.2 不設(shè)置信號燈控制

此時，左轉(zhuǎn)車輛回轉(zhuǎn)掉頭后需不斷地由對向內(nèi)側(cè)車道交織至外側(cè)車道，交織過程與“右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”模式中車輛的交織過程相同.

①車輛掉頭后的交織段長度L41.同“右轉(zhuǎn)—掉頭—直行”模式分析方法，

L41=(n′-1)(Ld+Ls) .

(21)

②掉頭開口距離停車線的距離L4.取左轉(zhuǎn)車輛掉頭時的回轉(zhuǎn)長度Lh為12 m[9]；取掉頭開口長度Lo為8 m[9].另外，考慮掉頭車輛右轉(zhuǎn)時受交叉口非機(jī)動車的影響，總長度中加上影響段長度10 m.得L4=L41+Lo+Lh+10=(n′-1)(Ld+Ls)+30.

(22)

4 算例分析

以平頂山市長安大道與和諧路交叉口為例.該交叉口東西向長安大道為城市主干道，雙向8車道；南北向和諧路為城市次干道，雙向4車道.該交叉口采用三相位信號控制，信號相位及配時分別為：南北直左，綠燈43 s；東西直，綠燈53 s；東西左，綠燈20 s；黃燈均為3 s；右轉(zhuǎn)常綠；周期總長度125 s.該交叉口現(xiàn)狀：東、南、西、北4個進(jìn)口的左、直、右交通量分別為：140、817、80； 93、114、210；125、834、188； 42、93、122 veh/h.

根據(jù)該交叉口現(xiàn)狀，在東西進(jìn)口采取“直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”的間接左轉(zhuǎn)方式.經(jīng)調(diào)查，路段平均車速為35 km/h，tc為3.44 s，tm為2.20 s.經(jīng)計算，當(dāng)路段不設(shè)置信號燈協(xié)調(diào)控制及設(shè)置信號燈協(xié)調(diào)控制時，東西進(jìn)口掉頭開口距交叉口停車線的距離分別為166 m和174 m，36 m和38 m.協(xié)調(diào)控制時，東西進(jìn)口路段信號燈綠燈“早斷早啟”時間分別為6.17 s和6.51 s.間接左轉(zhuǎn)后該交叉口采用兩相位控制，信號相位及配時分別為：南北直左，綠燈32 s；東西直，綠燈62 s；黃燈均為3 s；右轉(zhuǎn)常綠；周期總長度100 s.

對交叉口間接左轉(zhuǎn)前后的車輛延誤利用Webster公式進(jìn)行計算.經(jīng)計算，間接左轉(zhuǎn)前，交叉口平均延誤為23.2 s，間接左轉(zhuǎn)后，不進(jìn)行信號協(xié)調(diào)控制和協(xié)調(diào)控制時，交叉口平均延誤比現(xiàn)狀分別減少了7.2 s和11.2 s，效果明顯.

5 結(jié)論

(1)“右轉(zhuǎn)—直行—掉頭”模式.當(dāng)右轉(zhuǎn)車輛與相交道路直行車輛協(xié)調(diào)控制時，采用排隊論方法得到掉頭開口距停車線距離的計算方法.右轉(zhuǎn)車輛與相交道路直行車輛不協(xié)調(diào)控制時，分別采用排隊論和概率論方法得到右轉(zhuǎn)車輛利用本向直行綠燈時間和相交道路綠燈時間變換車道時掉頭開口距停車線距離的計算方法，進(jìn)而得到不協(xié)調(diào)控制時掉頭開口距停車線距離的計算方法.

(2)“直行—掉頭—右轉(zhuǎn)”模式.當(dāng)路段開口設(shè)置信號燈與交叉口信號燈進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時，采用排隊論方法得到掉頭開口距交叉口停車線距離的計算方法，并提出路段信號“早斷早啟”技術(shù)及“早斷早啟”時間的計算方法.當(dāng)路段開口不設(shè)置信號燈時，采用概率論方法得到掉頭開口距交叉口停車線距離的計算方法.

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Traffic Organization and Design of Left-turn Forbidden Traffic Flow on Signalized Intersections

LI Aizeng1, JIA Junbo1, ZHANG Yafei1, LI Wenquan2

(1. School of Civil and Transportation Engineering, Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467036, China; 2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Reasonable organization of left-turn forbidden traffic flow could effectively reduce the left-turn vehicles delay through signalized intersection. There are barriers between two-direction vehicles, through the queuing and probability theory, the distance of two indirect left-turn modes from the road turn-around position to the intersection stop line was studied. To “right-turn, turn-around and through” mode, considering coordination-control or not for right-turn signal and intersecting-road through signal, the distance calculation model was established. To “through, turn-around and right-turn” mode, taking the two condition weather setting road median-opening signal to coordinate intersection signal into account, the distance calculation model was obtained too. To the “through, turn-around and right-turn” mode, when the coordination-control policy was adopted, the technique of “early-startup and early-stop” of road median-opening signal was put forward, and the calculation method of the time of “early-startup and early-stop” was put forward as well. The case study indicated that the indirect left-turn organization scheme was feasible, and had obvious effect on improving the operation of the signalized intersections.

left-turn forbidden traffic flow; queuing theory; probability theory; traffic organization and design; coordination-control; signalized intersections

2015-06-14；

2015-07-30

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2007AA11Z210)；國家自然科學(xué)基金資助項目(50978057)

李愛增(1972— )，男，河南汝州人，河南城建學(xué)院副教授，博士，主要從事交通流理論與通行能力研究， E-mail: liaizeng@163.com.

1671-6833(2017)02-0045-05

U491.2

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2017.02.011