考慮干線協(xié)調(diào)控制的信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)方法*

羊 釗 朱仁偉 白雪蓮 包丹文

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院1) 南京 211106) (江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院2) 南京 210036)

考慮干線協(xié)調(diào)控制的信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)方法*

羊 釗1)朱仁偉2)白雪蓮1)包丹文1)

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院1)南京 211106) (江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院2)南京 210036)

為權(quán)衡信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)對(duì)左轉(zhuǎn)車流和直行車流運(yùn)行效率的影響，根據(jù)信號(hào)相位設(shè)置方式和是否設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)提出六種設(shè)計(jì)方案，并建立VISSIM仿真模型，采用MAXBAND模型進(jìn)行干線交通綠波帶寬計(jì)算.以車均延誤最小化為目標(biāo)，得到不同交通條件下的六種方案比選結(jié)果.結(jié)果表明，考慮干線協(xié)調(diào)控制的信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)方法能夠有效地協(xié)調(diào)左轉(zhuǎn)車流與直行車流車均延誤之間的矛盾，提高整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率.

信號(hào)交叉口；左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)；綠波帶寬；車均延誤

0 引 言

近年來(lái)，許多城市在信號(hào)交叉口設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)以提高交叉口左轉(zhuǎn)車流通行能力.左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)常設(shè)置于信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)專用進(jìn)口道停車線前方，以白色虛線為邊界[1].以傳統(tǒng)四相位信號(hào)設(shè)計(jì)方案為例，當(dāng)直行綠燈啟亮?xí)r，左轉(zhuǎn)車流進(jìn)入待轉(zhuǎn)區(qū)等待通行；直行相位結(jié)束后，后置左轉(zhuǎn)相位啟動(dòng)，左轉(zhuǎn)車流通過(guò)交叉口.

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置條件進(jìn)行了一定的研究.王殿海等[2]分析了設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的幾何臨界條件，利用累計(jì)曲線和交通波理論建立了左轉(zhuǎn)車排隊(duì)位置模型，應(yīng)用排隊(duì)位置模型得出在排隊(duì)長(zhǎng)度約束下的臨界流量和極限流量，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的左轉(zhuǎn)相位最短綠燈時(shí)間和最長(zhǎng)紅燈時(shí)間.另有部分學(xué)者分析了左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)對(duì)信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)專用進(jìn)口道通行能力及服務(wù)水平的影響.季彥婕等[3]對(duì)設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)后的交叉口重新進(jìn)行信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)，與設(shè)置待轉(zhuǎn)區(qū)之前相比，新的設(shè)計(jì)方案將周期時(shí)長(zhǎng)縮短24%，一個(gè)周期內(nèi)的通行能力由于周期時(shí)長(zhǎng)的縮短而減小了20.2%.倪穎等[4]根據(jù)“停車線法”及交通流波動(dòng)理論，分別討論在兩種配時(shí)方法下，左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置對(duì)交叉口進(jìn)口道通行能力的影響，結(jié)果表明，左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置可以使得左轉(zhuǎn)專用進(jìn)口道通行能力提高5～15%.Zhou等[5]根據(jù)隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)理論及概率論分析了左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置對(duì)左轉(zhuǎn)直行共用車道通行能力的影響，研究得到，左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置可以提高直行車流通行能力，同時(shí)不會(huì)對(duì)左轉(zhuǎn)車流通行能力產(chǎn)生負(fù)面影響.本文在過(guò)去的研究中建立了單一交叉口左轉(zhuǎn)車流通行能力及服務(wù)水平計(jì)算模型，結(jié)果顯示，左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置將顯著提高左轉(zhuǎn)專用進(jìn)口道通行能力，降低左轉(zhuǎn)車流延誤[6-7].

然而，現(xiàn)有研究均針對(duì)單一信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)車流.事實(shí)上，左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置不僅對(duì)于左轉(zhuǎn)車流運(yùn)行效能產(chǎn)生影響，對(duì)直行車流或路段交通亦會(huì)產(chǎn)生影響.如上所述，設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)需要配合設(shè)置雙向后置左轉(zhuǎn)專用相位，這一要求使得信號(hào)交叉口相序設(shè)置受到限制.研究表明，在大部分路網(wǎng)特征下，前置-后置左轉(zhuǎn)相位將會(huì)使得直行車流綠波帶寬最大[8-9].因此，在干線協(xié)調(diào)控制策略下，設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)在提高左轉(zhuǎn)車流運(yùn)行效能的同時(shí)，可能會(huì)對(duì)直行車流運(yùn)行效能產(chǎn)生負(fù)面影響，而現(xiàn)有研究尚未從整體角度對(duì)設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口運(yùn)行效能進(jìn)行整體評(píng)估.并且，工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是否需要設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)，具有較大的隨意性.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種干線協(xié)調(diào)控制條件下的信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)協(xié)調(diào)左轉(zhuǎn)車流與直行車流運(yùn)行效率之間的矛盾，選擇最優(yōu)的左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置方式和相位控制策略，從而提高整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率.

1 信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置條件及設(shè)計(jì)方法

1.1 交叉口信號(hào)相位和左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)方案

為分析干線協(xié)調(diào)控制條件下的左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)對(duì)左轉(zhuǎn)和直行車流的影響，本文根據(jù)信號(hào)相位設(shè)置方式和是否設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)劃分以下六種方案，見(jiàn)圖1.

圖1 信號(hào)相位和左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)計(jì)方案

1.2 綠波帶寬計(jì)算

采用MAXBAND模型進(jìn)行干線交通綠波帶寬計(jì)算，見(jiàn)圖2.方向1交通流從交叉口1駛向交叉口4，方向2交通流從交叉口4駛向交叉口1.模型中，相鄰交叉口之間的通行時(shí)間和信號(hào)配時(shí)方案(包括信號(hào)周期和相位設(shè)計(jì))為輸入?yún)?shù).相鄰交叉口之間的通行時(shí)間采用交叉口間距與設(shè)計(jì)速度比值(36 km/h)進(jìn)行計(jì)算.輸出參數(shù)為相鄰交叉口信號(hào)燈相位差和綠波帶寬.采用整數(shù)規(guī)劃法進(jìn)行綠波帶寬計(jì)算，即：

maxb+b′

(1)

s.t.b=b′

(2)

wi+b≤C-ri(i=1,2,…,n)

(3)

(4)

(5)

b,b′≥0

(6)

(7)

圖2 干線綠波設(shè)計(jì)

對(duì)于每一種方案，根據(jù)VISSIM模擬仿真工具計(jì)算路網(wǎng)交通平均延誤，在模型中設(shè)置節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)區(qū).以車輛平均延誤最小化為目標(biāo)，選擇最優(yōu)的信號(hào)相位控制策略及左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置方案.

2 案例分析

選擇南京市龍?bào)粗新飞纤膫€(gè)連續(xù)的信號(hào)交叉口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，交叉口基本信息見(jiàn)表1.采用視頻錄像的方式對(duì)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行記錄，將攝像機(jī)置于路側(cè)建筑物高層，以確保整個(gè)進(jìn)口道都在觀測(cè)范圍內(nèi)，合理調(diào)整錄制視頻的角度及位置以提高視頻數(shù)據(jù)的有效性.對(duì)四個(gè)交叉口12個(gè)進(jìn)口道共計(jì)32 h的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取及記錄，記錄數(shù)據(jù)包括交叉口信號(hào)控制數(shù)據(jù)和交通流數(shù)據(jù)兩個(gè)部分.

表1 交叉口基本信息

交叉口信號(hào)控制數(shù)據(jù)包括交叉口周期時(shí)長(zhǎng)、交叉口相位差、相位數(shù)、各進(jìn)口道左轉(zhuǎn)及直行綠燈時(shí)長(zhǎng)，見(jiàn)表2.

表2 交叉口信號(hào)控制信息

交通流數(shù)據(jù)包括交叉口各進(jìn)口道左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)交通流量，見(jiàn)表3.

表3 交叉口流量信息

將道路交通數(shù)據(jù)代入綠波帶寬計(jì)算模型，求解得到當(dāng)前路網(wǎng)及交通流量條件下的最大綠波帶寬，見(jiàn)表4.

表4 交叉口流量信息

針對(duì)前文提出的六種方案分別建立VISSIM仿真模型，在模型中設(shè)置節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)區(qū)，輸出參數(shù)為：車輛平均延誤(s/車輛).分別改變主次路交通流量，可以得到不同交通條件下的六種方案比選結(jié)果，見(jiàn)圖3.

圖3 六種方案比選結(jié)果

以車輛總延誤最小化為目標(biāo)，選擇最優(yōu)的信號(hào)相位控制策略及左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置方案.在本案例中，方案5(前置-后置左轉(zhuǎn)專用相位，單向設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū))和方案4(前置-后置左轉(zhuǎn)專用相位，無(wú)左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū))為最佳方案，其次為方案3(雙向后置左轉(zhuǎn)專用相位，雙向設(shè)置左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)).

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本文提出一種干線協(xié)調(diào)控制條件下的信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置方法，旨在協(xié)調(diào)左轉(zhuǎn)車流與直行車流運(yùn)行效能之間的矛盾，選擇最優(yōu)的左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置方式和相位控制策略，從而提高整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率.

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)道路交通標(biāo)志和標(biāo)線：GB5768.1-2009[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2]王殿海,李麗麗,陳永恒.機(jī)動(dòng)車左轉(zhuǎn)彎待轉(zhuǎn)區(qū)設(shè)置的臨界條件[J].公路交通科技,2009,26(11):132-135.

[3]季彥婕,鄧衛(wèi),王煒.信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車等待區(qū)設(shè)置方法研究[J].公路交通科技,2006,23(3):135-138.

[4]倪穎,李克平,徐洪峰.信號(hào)交叉口機(jī)動(dòng)車左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)的設(shè)置研究[J].交通設(shè)計(jì),2006(12):32-36.

[5]ZHOU Y, ZHUANG H. Traffic performance in signalized intersection with shared lane and left-turn waiting area established[J]. Journal of Transportation Engineering,2012,138:852-862.

[6]YANG Z, LIU P, WANG W, et al. Evaluating the operational impacts of left-turn waiting areas at signalized intersections in China[C]. Transportation Research Record, Transportation Research Board, Washington DC,2012.

[7]YANG Z, LIU P, TIAN Z, et al. Effects of left-turn waiting areas on capacity and level of service of signalized intersections[J]. Journal of Transportation Engineering,2013,139(11):1076-1085.

[8]LI Z, WANG H, HAN L. Selecting leading or lagging left-turn signal phases for coordinated intersections[J]. Transportation Research Record,2002,39(2):475-481.

[9]TIAN Z, MANGAL V, LIU H. Effectiveness of lead-lag phasing on progression bandwidth[J]. Transportation Research Record,2007,44(1):22-27.

The Design of Left-turn Waiting Areas at Signalized Intersections Considering Signal Coordination

YANG Zhao1)ZHU Renwei2)BAI Xuelian1)BAO Danwen1)

(CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)1)(JiangsuInstituteofUrbanPlanningandDesign,Nanjing210036,China)2)

To evaluate the impacts of left-turn waiting areas on the operational performance of the left-turn and through movement at the signalized intersections, six different scenarios are defined according to the type of phase sequence and that whether the left-turn waiting areas are implemented. The VISSIM simulation models are established to evaluate the operational impacts of various designs. The computer program MAXBAND is used to calculate the maximized progression bandwidth. The proposed six scenarios are ranked according to the average control delay of vehicles at the signalized intersections. The design of left-turn waiting areas at signalized intersections considering signal coordination proposed in this paper can effectively balance the trade-off between the performance of left-turn and through traffic, so as to improve the overall system performance.

signalized intersection; left-turn waiting area; progression bandwidth; average control delay

2017-06-03

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51608268、51508274)、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20150747)資助

U491

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.012

羊釗(1988—)：女，博士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理