左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足的交叉口信號(hào)控制研究

張 馳，陳 昕

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左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足的交叉口信號(hào)控制研究

張 馳，陳 昕

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

針對(duì)左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足時(shí)，排隊(duì)通過交叉口的車輛會(huì)溢出展寬段，車輛交織嚴(yán)重，通行效率低的問題，分析車流運(yùn)行特性，依據(jù)車輛消散流率具有的“兩階段性”，提出拆分相位的信號(hào)控制方法，并結(jié)合一主次干道相交的十字交叉口，具體給出了兩種拆分相位的方式。通過VISSIM軟件對(duì)這一十字交叉口進(jìn)行仿真，采用一個(gè)信號(hào)控制周期內(nèi)車流不間斷放行的方法車輛延誤急劇增加；采用拆分相位的控制方法使得交叉口車輛平均延誤分別降低了41.5%、32%。結(jié)果表明，基于車輛消散流率“兩階段性”的拆分相位信號(hào)控制法能夠降低延誤，提高交叉口的通行效率，對(duì)左轉(zhuǎn)展寬長度不足的信號(hào)控制方法具有借鑒意義。

交叉口信號(hào)控制；左轉(zhuǎn)展寬車道；拆分相位；VISSIM仿真

通過拓寬設(shè)置左轉(zhuǎn)專用車道，是改善交叉口運(yùn)行條件、提高交叉口通行能力的一種有效手段。然而，由于道路條件的限制，設(shè)置的展寬車道長度往往不足，在車流量較大的情況下，排隊(duì)通過交叉口的車輛常常會(huì)溢出展寬段，車輛交織嚴(yán)重，通行效率降低；在左轉(zhuǎn)交通流量較大的情況下，受到左轉(zhuǎn)專用信號(hào)控制的交叉口車輛排隊(duì)溢出展寬段較為常見，車倆延誤更為嚴(yán)重。

關(guān)于展寬車道對(duì)交叉口車輛運(yùn)行特性的研究，馬艷麗等[1]對(duì)信號(hào)交叉口展寬車道的車輛運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，楊曉光等[2]針對(duì)交叉口進(jìn)口道拓寬后形成的短車道，研究了短車道車輛排隊(duì)阻塞對(duì)信號(hào)交叉口通行能力的影響。關(guān)于含有展寬車道的交叉口交通信號(hào)控制的研究，張小龍等[3]對(duì)單點(diǎn)過飽和信號(hào)交叉口展寬段排隊(duì)控制進(jìn)行了研究，建立了考慮進(jìn)口道存儲(chǔ)長度的雙目標(biāo)信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化模型；王殿海等[4]提出了信號(hào)交叉口展寬長度不受限條件下的展寬段設(shè)計(jì)方法以及展寬長度受限條件下信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化方案。國外研究主要集中在交叉口左轉(zhuǎn)車輛的通行能力以及交叉口進(jìn)口道合流區(qū)的交通安全評(píng)估方面，Stamatiadis N等[5]運(yùn)用仿真分析確定了左轉(zhuǎn)專用車道的通行能力，Moon J P等[6]對(duì)合流區(qū)的交通安全進(jìn)行了評(píng)估。本文在分析道路交叉口左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足條件下車流運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，提出一種拆分相位的信號(hào)控制方法。

1 左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足的車流運(yùn)行特性

以一主次干道相交的十字形交叉口為例，不考慮右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車及行人對(duì)交通信號(hào)控制方案的影響，對(duì)交叉口的車流運(yùn)行特性進(jìn)行分析。假設(shè)東西進(jìn)口方向含有左轉(zhuǎn)展寬車道，其中進(jìn)口道長度為，展寬段長度為L，漸變段長度為L，車道數(shù)由兩條直行車道變?yōu)閮蓷l直行加一條左轉(zhuǎn)車道，南北方向各有兩條直行車道，如圖1所示。

圖1 交叉口各進(jìn)口道條數(shù)及功能分布

圖1所示交叉口（以下稱交叉口A）南北方向的排隊(duì)車輛，通過交叉口時(shí)運(yùn)行特征符合單車道交叉口車輛排隊(duì)運(yùn)行特性，車頭時(shí)距如圖2所示。當(dāng)綠燈亮起時(shí)，交叉口進(jìn)口道前面排隊(duì)車輛啟動(dòng)損失時(shí)間較大，車頭時(shí)距較長，后面排隊(duì)車輛通過交叉口的車頭時(shí)距越來越小，最后趨于穩(wěn)定，車輛以飽和流率通過交叉口，直至排隊(duì)車輛全部通過交叉口或者綠燈結(jié)束。

對(duì)于東西進(jìn)口方向的車輛，由于左轉(zhuǎn)展寬車道的存在，車輛在進(jìn)入交叉口前需變換車道，左轉(zhuǎn)、直行車輛交織嚴(yán)重，會(huì)在交叉口展寬段后面形成交織區(qū)。當(dāng)交叉口進(jìn)口道展寬車道長度充足時(shí)，排隊(duì)等候通過交叉口的車輛不會(huì)溢出展寬段，符合單車道交叉口排隊(duì)車輛通過交叉口的特征，排隊(duì)等待通過交叉口的車輛，會(huì)依次高效地通過交叉口。當(dāng)交叉口進(jìn)口道展寬車道長度不足時(shí)，排隊(duì)車輛會(huì)溢出展寬段，直行、左轉(zhuǎn)車輛交織在一起，相互干擾嚴(yán)重，在展寬車道外排隊(duì)等候的車輛到達(dá)交叉口停車線的行駛時(shí)間延長，使得車輛到達(dá)率下降，車輛消散流率也隨之降低，車輛的消散流率具有明顯的“兩階段性”，如圖3所示。

圖3 車輛消散流率與綠燈顯示時(shí)間的關(guān)系

2 左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足拆分相位的信號(hào)控制方法

在左轉(zhuǎn)展寬車道長度充足的情況下，對(duì)于交叉口A一般采用東西直行、東西左轉(zhuǎn)以及南北直行三相位的信號(hào)控制方式，相位圖如圖4（A）所示。

在左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足的情況下，假設(shè)交叉口A西進(jìn)口方向左轉(zhuǎn)車流量較大，導(dǎo)致一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)長度超過展寬L。根據(jù)展寬車道長度不足的情況下通過交叉口車流率的“兩階段性”中第二階段消散流率低的特點(diǎn)，將西進(jìn)口方向車流信號(hào)控制的相位進(jìn)行拆分。拆分相位的具體方法應(yīng)根據(jù)進(jìn)口道車流量特點(diǎn)進(jìn)行靈活的選擇，本文針對(duì)交叉口A，給出兩種不同的相位拆分方案，將原來的三相位信號(hào)控制拆分為五相位信號(hào)控制，如圖4（B）、4（C）所示。

（A）常規(guī)三相位信號(hào)控制相位

（B）拆分相位信號(hào)控制相位（方案1）

（C）拆分相位信號(hào)控制相位（方案2）

下文對(duì)左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足的情況，采用一個(gè)信號(hào)控制周期內(nèi)車流不間斷放行的方法延誤急劇增加，采用這兩種拆分相位的控制方法使得交叉口車輛平均延誤降低進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

3 仿真分析驗(yàn)證

以交叉口A西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道展寬長度不足為研究對(duì)象，對(duì)不同數(shù)量的左轉(zhuǎn)車輛運(yùn)用VISSIM仿真軟件進(jìn)行仿真，獲取西進(jìn)口左轉(zhuǎn)、直行車排隊(duì)長度，找到交叉口A西進(jìn)口左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足的情況。然后，對(duì)于這種左轉(zhuǎn)展寬車道長度不足的情況，采用上文提出的兩種拆分相位的方法進(jìn)行仿真，并驗(yàn)證可行性。

根據(jù)城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程(CJJ 152-2010)[7]中展寬段長度設(shè)置的最低要求，東西進(jìn)口道長度設(shè)為100 m，其中展寬漸變段L設(shè)為30 m，展寬段L設(shè)為70 m，各進(jìn)口車道的寬度設(shè)為3.25 m，在VISSIM仿真軟件對(duì)交叉口A進(jìn)行路網(wǎng)的搭建。

在VISSIM中輸入東、西方向直行車輛為1 500 pcu/h，南北直行車輛為500 pcu/h；西左轉(zhuǎn)車輛所占西進(jìn)口車輛數(shù)的比例從10%依次增加，東左轉(zhuǎn)車輛數(shù)以排隊(duì)車輛不溢出展寬段為原則輸入即可。信號(hào)配時(shí)周期時(shí)長以Webster最佳周期計(jì)算得出，采用圖4（A）信號(hào)控制相位進(jìn)行設(shè)置，其他仿真參數(shù)以Webster仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真時(shí)間設(shè)為4 600 s，數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)為900～4 500 s。西進(jìn)口左轉(zhuǎn)流量，交叉口A的飽和度及周期時(shí)長如表1所示。

表1 西進(jìn)口左轉(zhuǎn)流量，交叉口A的飽和度以及仿真周期時(shí)長

注：當(dāng)西左轉(zhuǎn)車所占的比例為21%，交叉口飽和度達(dá)到0.91，Webster信號(hào)配時(shí)方法不適用，最佳信號(hào)配時(shí)周期計(jì)算無意義。

按照以上設(shè)置參數(shù)，依次對(duì)西進(jìn)口不同左轉(zhuǎn)車輛的交叉口運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，采集西左轉(zhuǎn)、西直行車輛的排隊(duì)長度、延誤以及交叉口車輛整體延誤，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5、圖6所示。從中可以看出，當(dāng)西進(jìn)口排隊(duì)長度超過70 m（西左轉(zhuǎn)車所占的比例超過19%以后），西進(jìn)口無論是直行車、左轉(zhuǎn)車，還是交叉口的整體延誤都急劇增加。仿真分析表明，對(duì)于左轉(zhuǎn)展寬專用車道長度不足的交叉口，交通流連續(xù)放行的交通信號(hào)控制方式不適用。

圖5 不同左轉(zhuǎn)車下西進(jìn)口直行車與左轉(zhuǎn)車的平均隊(duì)長

對(duì)西左轉(zhuǎn)車輛所占該進(jìn)口道比例為20%的情況，保持交叉口信號(hào)周期不變，將三相位信號(hào)控制拆分為圖4（B）、4（C）所示的五相位的信號(hào)控制形式進(jìn)行仿真。

采用4（B）的信號(hào)控制方法，交叉口平均延誤由原方案的58.1 s降低為34 s，下降了41.5%；采用4（C）的信號(hào)控制方法，交叉口平均延誤由原方案的58.1 s降低為39.3 s，下降了32%。具體仿真對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 西進(jìn)口20%左轉(zhuǎn)車下三相位與五相位信號(hào)控制方案VISSIM仿真輸出數(shù)據(jù)對(duì)比

拆分相位后，一個(gè)交通信號(hào)控制周期內(nèi)，含有左轉(zhuǎn)專用車道的進(jìn)口方向的車輛能夠多次獲得通行權(quán)，縮短了該進(jìn)口道車輛的排隊(duì)長度，降低了排隊(duì)車輛溢出展寬車道可能性以及車輛通過交叉口的延誤。

4 結(jié)論

在信號(hào)交叉口車流量較大的情況下，左轉(zhuǎn)展寬長度不足，導(dǎo)致的延誤成為交叉口延誤的主要形式。論文分析左轉(zhuǎn)展寬車道不足情況下，排隊(duì)車輛通行效率具有的“兩階段性”，提出拆分相位的控制方法。仿真分析結(jié)果表明，采用拆分相位的信號(hào)控制方法能夠有效避免排隊(duì)等候的車輛溢出展寬段，降低車輛延誤，對(duì)于實(shí)行單點(diǎn)控制的交叉口適用性強(qiáng)，提高了交叉口信號(hào)控制的精細(xì)化水平。

[1] 馬艷麗, 高月娥, 冷雪, 等. 信號(hào)交叉口展寬車道交通運(yùn)行特性[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 47(2): 42-45.

[2] 楊曉光, 趙靖, 曾瀅, 等. 短車道對(duì)信號(hào)交叉口通行能力影響研究[J]. 公路交通科技, 2008, 25(12): 151-156.

[3] 張小龍, 成衛(wèi), 袁滿榮. 單點(diǎn)過飽和信號(hào)交叉口展寬段排隊(duì)控制研究[J]. 公路交通科技, 2015, 32(11): 113-119.

[4] 王殿海, 郭偉偉, 宋現(xiàn)敏, 等. 交通控制中展寬段設(shè)計(jì)與信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2010, 27(12): 1598-1604.

[5] Stamatiadis N, Hedges A, Kirk A. A simulation-based approach in determining permitted left-turn capacities[J]. Transportation Research Part C Emerging Technologies, 2015, 55: 486-495.

[6] Moon J P, Reese P E M P, Dunlop Pe J H. Evaluation of Operations and Safety in a Congested Freeway Merging Area with Auxiliary Through Lane[C]//Transportation Research Board 91st Annual Meeting. 2012.

[7] CJJ152-2010. 城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

責(zé)任編校：劉亞兵

Research on Intersection Signal Control of Insufficient Length of Left-turn Widening

ZHANG Chi，CHEN Xin

（Automobile & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

When the vehicles go through the intersection, the vehicle queuing will overflow the broadening section caused by insufficient length of left-turn widening. The efficiency of vehicle traffic is low because vehicles intertwine seriously. For this problem,characteristics of traffic flow are analyzed in accordance with “two-stage”Vehicle dissipation rate. This paper proposes the signal control method of the split phase and puts forward two specific ways of splitting the phase by combining with the intersection of primary and secondary roads. By using the VISSIM software to simulate the intersection, it is verified that the delay of the traffic flow in the signal control cycle of traffic uninterrupted release is increased abruptly. However, by using two ways of split phase control, the average delay of the intersections was reduced by 41.5% and 32% respectively. The results show that the split phase signal control method based on the “two-stage” of the vehicle dissipation flow rate can reduce the delay and improve the pass efficiency of the intersection. This method has a reference value for the signal control method of insufficient length of left-turn extension.

intersection signal control；left-turn widening lane；split phase；VISSIM simulation

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.015

U491

A

1674-3261(2017)04-0277-04

2017-03-16

張馳(1990-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士生。