基于MUT和RCUT新型交叉口設(shè)計的性能研究

Alexander T. Fashakin, 喬楓, 孫昊琛, 王兆艷

(沈陽建筑大學(xué)，沈陽 110168)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

交叉口在城市道路中極為重要，它將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個方向的道路連接起來。如果沒有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計或改進，這些交叉口可能成為導(dǎo)致車輛延誤、交通事故和環(huán)境污染的重要因素[1]。本文提出的兩種交叉口的設(shè)計方案，對將來交通狀況的改善及無人駕駛車輛的投入使用有很大的促進作用[1]。

1.1 交通信號的消除

根據(jù)Anthony Down的說法，如果不強制要求車流在有限的道路上排隊等候，大多數(shù)道路沒有足夠的能力來處理高峰時段的車流負(fù)荷。因此，交叉口的擁堵可以定義為交叉口排隊等候的現(xiàn)象[2]。

研究表明，在底特律市中心，至少有20個交通信號燈可以移除。Shrader和Hummer對此進行了更為深入地研究，在全市范圍內(nèi)對100個交通信號燈進行了測試，發(fā)現(xiàn)其中21個信號燈可以替換為干路雙向優(yōu)先標(biāo)志，24個信號燈可以用四向停車標(biāo)志替換。替換后，沒有對交通流產(chǎn)生任何負(fù)面影響。以此為依據(jù)，Shrader和Hummer對底特律所有可能移除的1 021個信號燈進行研究，認(rèn)為底特律可以移除460個信號燈，占全市總信號燈數(shù)的30%。該研究還表明，通過移除這些不必要的信號燈，可以有效降低運營和維護成本[3]。

1.2 交叉口設(shè)計

Savage將密歇根州的一條雙向五車道的左轉(zhuǎn)車道替換為中央分隔帶U型掉頭 (Median U-Turn, MUT) 交叉口，結(jié)果發(fā)現(xiàn)交叉口通行能力增加了20%～50%[4]。Stover的另一項研究計算了由兩條六車道道路十字交叉所組成的交叉口的臨界車道容積，并使用得到的車道容積，分析了將左轉(zhuǎn)車道改為右轉(zhuǎn)車道的影響。與單左轉(zhuǎn)車道相比，雙左轉(zhuǎn)車道使得臨界車道容積減少了12%，但仍需要多相位的交通信號控制。MUT交叉口減少了17%的臨界車道容積[5]。

Bared和Kaiser使用CORSIM研究了一個有信號控制的典型雙向四車道MUT交叉口的運行效益[6]。交叉口允許左轉(zhuǎn)，因此，控制信號由3個信號相位組成。同時，主路的最外側(cè)設(shè)置右轉(zhuǎn)專用道。研究中使用的這兩個特征與在密歇根州采用的典型MUT交叉口是不同的。仿真中的交叉口車輛流入率的范圍是2 000～7 000 vph。該研究的主要發(fā)現(xiàn)如下：

(1) 與傳統(tǒng)交叉口相比，當(dāng)交叉口車輛流入率大于6 000 vph，其中有10%～20%的左轉(zhuǎn)車輛時，MUT交叉口節(jié)省了大量的通行時間。

(2) 采用MUT交叉口可以有效地減少路網(wǎng)車輛的平均停車次數(shù)。當(dāng)左轉(zhuǎn)車輛占比為10%時，平均停車次數(shù)減少了20%～40%；當(dāng)左轉(zhuǎn)車輛占比為20%且交通流量到達4 500 vph時，平均停車率明顯降低。

(3) 建議在交叉路口設(shè)置右轉(zhuǎn)專用道，提高交通運行效率。

Topp和Hummer分別在干道和次干道上設(shè)置MUT交叉口，然后使用CORSIM進行對比分析。其中，干道的左轉(zhuǎn)車輛流率為100～400 vph，直行車輛流率為1 000～2 000 vph；次干道的左轉(zhuǎn)車輛流率為50～200 vph，直行車輛流率為500～1 000 vph。并在有需要信號控制的MUT交叉口設(shè)置信號燈[7]。結(jié)果表明，與MUT設(shè)置在主干道上相比，大多數(shù)情況下，在次干道上設(shè)置MUT交叉口可以有效地減少停車率、行程時間和延誤。提供左轉(zhuǎn)相位的準(zhǔn)則如下：

1) 基于車流量

在高峰時段的四車道上，左轉(zhuǎn)車輛數(shù)與對向車輛數(shù)的乘積大于100 000，或在高峰時段的雙車道上，乘積大于50 000時，提供左轉(zhuǎn)相位。

左轉(zhuǎn)車輛高峰流率大于90 vph，或道路的直行車輛時速超過72 km/h，且左轉(zhuǎn)車輛高峰流率大于50 vph時，提供左轉(zhuǎn)相位。

在定時信號控制交叉口的高峰時段，綠燈結(jié)束時每周期每進口道的車輛數(shù)大2時，提供左轉(zhuǎn)相位。

2) 基于延誤

在高峰時段，如果每信號周期至少兩次左轉(zhuǎn)，且左轉(zhuǎn)車輛的平均延誤大于35秒，關(guān)鍵進口道左轉(zhuǎn)車輛的小時車輛延誤大于 2.0 vph時，提供左轉(zhuǎn)相位。

3) 基于碰撞實驗

對于一個進口道而言，左轉(zhuǎn)碰撞數(shù)大于等于4次每年或6次每兩年時，提供左轉(zhuǎn)相位。

對于所有進口道而言，左轉(zhuǎn)碰撞數(shù)大于等于6次每年或10次每兩年時，提供左轉(zhuǎn)相位。

上述標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于確定是否在傳統(tǒng)信號控制交叉口處設(shè)置左轉(zhuǎn)相位，而且也適用于確定是否在MUT交叉口設(shè)置左轉(zhuǎn)相位[7]。

2 研究目標(biāo)

對交叉路口進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，可以有效地減少交叉口的行車延誤，并提高交叉口的通行能力。因此，交叉口的設(shè)計需要采用客觀的方法得出緩解交叉口擁堵和延誤的解決方案[8]。

本文將MUT和蝴蝶結(jié)型交叉口(Restricted Crossing U-Turn intersection, RCUT)與傳統(tǒng)交叉口的性能進行對比分析，并以此為依據(jù)，對限制或降低傳統(tǒng)交叉口交通信號控制需求的可行性進行評估，最后利用VISSIM進行仿真研究。

本文提出了一種改進的MUT和RCUT交叉口設(shè)計方法，與傳統(tǒng)交叉口通行能力進行比較。并對通過將左轉(zhuǎn)車道改為右轉(zhuǎn)車道，以及在交叉口設(shè)置停止標(biāo)志來限制或降低傳統(tǒng)交叉口交通信號控制的需求進行了可行性調(diào)查研究。

3 問題分析和交叉口設(shè)計

交叉口存在潛在沖突，其安全性一直是研究的主要內(nèi)容。包括日均車流量、視距、交叉口幾何形狀、路肩寬等交通環(huán)境因素在內(nèi)的諸多參數(shù)，都會對交叉口的碰撞發(fā)生率產(chǎn)生一定的影響。

在交通控制策略方面的改進大多是對交通控制信號進行配時優(yōu)化。以往的交通信號配時優(yōu)化一般是基于歷史交通數(shù)據(jù)，針對一天中的特定時間提出最優(yōu)的信號固定配時方案。然而，現(xiàn)在可以通過感應(yīng)控制或?qū)崟r控制的策略，利用實時的交通數(shù)據(jù)確定最佳的配時方案[9]。

很多時候，實際交通量會超過交叉口的設(shè)計通行能力，使得信號控制策略的作用不能充分發(fā)揮。針對這類問題，增加車道數(shù)不失為一種解決方案，通過增加車道數(shù)來提高交叉口的設(shè)計通行能力。然而，增加車道數(shù)只能暫時緩解交通壓力，且由于占地面積和建設(shè)資金等諸多限制因素的存在，不可能無休止地擴建道路，因此，這種方法并不具有可持續(xù)性。

鑒于日益增長的交通需求和傳統(tǒng)解決方案的無效性，許多國家一直在考慮將交叉口的替換設(shè)計作為解決方案。環(huán)形交叉口是20世紀(jì)60年代用來解決英國交通安全和效率問題的早期交叉口替換設(shè)計方案之一。

目前，環(huán)島已在國際上得到了廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是一種可以有效改善交叉口性能的解決方案，其優(yōu)點包括降低嚴(yán)重碰撞率、提高通行能力和改善交通流量等[10]。

其他的創(chuàng)新型交叉口設(shè)計也被證明可以改善傳統(tǒng)交叉口的運行和安全性能，這些設(shè)計主要包括主交叉口的左轉(zhuǎn)車道改道和禁止左轉(zhuǎn)等。

在中國采用這種MUT和RCUT方法解決交叉路口通行能力和提高其安全性的設(shè)計研究工作較少。從21世紀(jì)以來，中國學(xué)者開始借鑒西方在平面交通中采用的技術(shù)，研究交叉路口遠(yuǎn)引掉頭技術(shù)[11-14]。

近年來，隨著交通狀況的惡化，以及適應(yīng)無人駕駛汽車發(fā)展研究，在這方面的研究越來越多[15]。

3.1 交通信號

傳統(tǒng)交叉口的左轉(zhuǎn)車輛在十字路口處等待左轉(zhuǎn)，這將會導(dǎo)致交叉口產(chǎn)生延誤和擁堵。交通信號的使用有助于組織交通系統(tǒng)中的不同對象，如行人、車輛等。盡管取得了一定程度的成功，但信號燈的使用也成為交叉口部分問題產(chǎn)生的根源[16]。所面臨的一些問題有[17]：

(1) 交通設(shè)施的安裝與維護成本；

(2) 延誤/等待時間；

(3) 交通流通行能力；

(4) 環(huán)境排放；

(5) 路怒行為/車輛碰撞。

在交通流量較低或非高峰時段，交通信號可以使車輛減速并在路口停車等待，而在其他路口則很少或沒有車輛。直覺上，這樣可以改善整體的交通安全，也許是因為在沒有交通信號的情況下，包括駕駛員在內(nèi)的每個交通參與者在過這種路口時都更加小心謹(jǐn)慎。

設(shè)置過多的交通指示牌會讓駕駛員將視線從道路上移開，降低了交叉口的安全性能。當(dāng)所有的駕駛員時刻保持警惕時，整個交通流的運行會更加的順暢。而此時，傳統(tǒng)交叉口中出現(xiàn)的停車和路怒現(xiàn)象也會幾乎消失。

3.2 沖突區(qū)域

當(dāng)我們對交叉口的安全性能進行評估時，需要引入沖突點這一概念。傳統(tǒng)交叉口對行人和車輛均存在沖突點。傳統(tǒng)交叉口中有32個沖突點，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)交叉路口、MUT和RCUT的沖突點分布

諸多研究分析了沖突點對不同類型交叉口的碰撞率的影響。促使人們需要設(shè)計更多的交叉口類型來減少交叉口車輛左轉(zhuǎn)行為的發(fā)生，因此，應(yīng)減少傳統(tǒng)交叉口的沖突點數(shù)量。

左轉(zhuǎn)沖突的減少是通過交叉口幾何設(shè)計，改變左轉(zhuǎn)車流發(fā)生的方式，從而簡化決策以及最小化碰撞發(fā)生的可能性。在文獻[18-19]中，有兩種非常有效的基于U型掉頭的設(shè)計方案，分別是MUT和RCUT。

雖然沖突點和車輛碰撞之間沒有明確的數(shù)學(xué)關(guān)系，但沖突點常被用來表示車輛碰撞，尤其是比較不同形式的交叉口時。與傳統(tǒng)交叉口相比，RCUT和MUT交叉口的車輛沖突點明顯減少[20]。

研究人員通過優(yōu)化信號配時和擴建道路，尋找改善這些因素的方法。近年來，諸多學(xué)者在研究移除某些交叉口信號燈的使用的可能性。

3.3 備選交叉路口

MUT和RCUT交叉口被認(rèn)為是一種可以改善交通流量，減少行車延誤時間的有效方法，如圖2、圖3所示。這種設(shè)計方法避免了交叉口內(nèi)的車輛左轉(zhuǎn)行為，當(dāng)車輛需要從支路左轉(zhuǎn)進入主路時，支路上的司機在交叉口向右轉(zhuǎn)到主路，然后在主路的某一特定位置掉頭，從而實現(xiàn)左轉(zhuǎn)的需求。

圖2 MUT交叉口的車輛運動

圖3 RCUT交叉口的車輛運動

這兩種交叉口設(shè)計，對于主干道車道數(shù)較多而支路的車流量低的交叉口是很有效的。

北非、中東和印度次大陸等地的城市主干道，RCUT交叉口設(shè)計已經(jīng)使用多年。這些交叉口即使交通流量非常大，也沒有交通信號燈的使用。在這些地區(qū)，這種設(shè)計提供了充足的交通通行能力，減少了交叉口的沖突和延誤。RCUT交叉口是由美國的Richard Kramer首先提出的，而后在馬里蘭州和北卡羅萊納州分別進行獨立的開發(fā)研究。Kramer在20世紀(jì)80年代中期提出了關(guān)于郊區(qū)干道阻塞的觀點，并列出一套基本原則，定義了一種理想的郊區(qū)干道模型來克服交通阻塞，通過一種被稱為“超級街道”的設(shè)計方案，表明他所提出的理想郊區(qū)干道模型。

這種街道設(shè)計的核心特點包括干道的雙向不間斷車輛運行帶，以及干道的直行車輛在運行中得到2/3～3/4的綠燈周期時間。Kramer一直對他所提出的概念進行研究，他的這一研究幫助阿拉巴馬州在多森市界內(nèi)的美國231號高速公路上建設(shè)了RCUT交叉口。

4 研究方法

要解決因信號燈而引起的交通問題，需要從其他角度進行研究。本文考慮了兩種設(shè)計方案改善由信號燈引起的交通問題。

本文從以下4點進行分析：

(1) 3種交叉口的幾何構(gòu)造及其設(shè)計；

(2) 對每個交叉口進行低流量到高流量的評估，以模擬非高峰和高峰情形；

(3) 增加左轉(zhuǎn)車流量，以便更好地分析交叉口的性能；

(4) 對比分析各交叉口的車輛延誤和靈敏度。

4.1 交叉口幾何形狀

為了保證對比分析的一致性，采用相類似的測量方法對交叉口進行測量。十字交叉口包括4個進口道，由主干道和次干道組成。

傳統(tǒng)交叉口主干道上有兩條直行車道、一條左轉(zhuǎn)車道和一條右轉(zhuǎn)車道；次干道上有直行車道、左轉(zhuǎn)車道和右轉(zhuǎn)車道各一條。車輛在交叉口的主干道和次干道均可左轉(zhuǎn)，但需要在路口停車等待，當(dāng)左轉(zhuǎn)信號為綠燈時，方可左轉(zhuǎn)。

MUT和RCUT交叉口的主路有著相同的幾何構(gòu)成，而支路的所有車輛均要求在交叉口處右轉(zhuǎn)，如圖4所示。

這種交叉口對左轉(zhuǎn)車道重新定向，支路上的司機在交叉口處右轉(zhuǎn)至主路，然后在掉頭交叉口處掉頭。為了確保車輛行駛的安全，需要設(shè)立停止標(biāo)志。主路車輛有較高的優(yōu)先級，因此當(dāng)主路無車時，支路車輛方可右轉(zhuǎn)進入主路。這種交叉口的設(shè)計對主路有較多的車道數(shù)、且支路車輛不多的相交路段是很有益的[19]。

圖4 MUT交叉口設(shè)計

根據(jù)美國聯(lián)邦高速公路管理局 (FHWA)對MUT和RCUT交叉口設(shè)計所提出的建議[19-20]，假定有以下規(guī)則：

(1) 在主路上設(shè)置港灣式右轉(zhuǎn)車道；

(2) 紅燈時允許右轉(zhuǎn)，且交叉口內(nèi)禁止左轉(zhuǎn)；

(3) 道路的中央隔離帶寬度為20 m；

(4) U型掉頭點與交叉口距離d為180 m；

(5) 主路限速72 km/h；

(6) 72 km/h主干道限速；

(7) 沒有巴士站；

(8) 設(shè)置50 m長的港灣式左轉(zhuǎn)車道。

RCUT交叉口幾何設(shè)計是在主路上設(shè)置50 m的港灣式左轉(zhuǎn)車道，以便于主路車輛左轉(zhuǎn)至支路，如圖5所示。

圖5 RCUT交叉口設(shè)計

4.2 交通需求分析

為了分析不同交叉口的交通需求，假設(shè)了不同的交通流量。對每個交叉口在不同交通流量下的表現(xiàn)進行評估，以達到對每種交叉口在不同高峰和非高峰流量情形下進行性能評價的目的。

此外，調(diào)整左轉(zhuǎn)交通量以便更好地評估其對交叉口交通流量的影響。

為了更好的分析各交叉口的進口道通行能力，分別采用1 000 vph、2 000 vph、3 000 vph、4 000 vph、5 000 vph和6 000 vph 6種小時車流量值進行研究。采用15%的左轉(zhuǎn)占比表示交叉口的低左轉(zhuǎn)量，采用25%的左轉(zhuǎn)占比表示交叉口的高左轉(zhuǎn)量。

5 結(jié)果與討論

選擇延誤時間作為所有交叉口的測量指標(biāo)。 此外，使用不同的交通流量和左轉(zhuǎn)車輛占比進行分析。最后，對延誤時間進行靈敏度分析，選擇適應(yīng)每一種交通流情形的最佳交叉口替換方案。

5.1 沖突點

MUT和RCUT交叉口設(shè)計有效地減少和降低了交叉口沖突點的個數(shù)和風(fēng)險。 如表1所示，傳統(tǒng)交叉口有32個沖突點，包括8個合并點，8個分離點和16個直行車輛沖突點。而在MUT和RCUT交叉口中分別只有12個和14個沖突點。

表1 傳統(tǒng)交叉口與MUT、RCUT交叉口的沖突點個數(shù)比較

5.2 交通流量分布

這3個交叉口均在VISSIM平臺上完成設(shè)計，并針對不同的交通環(huán)境進行對比分析。采用3種交通流量情況：低流量(1 000～2 000 vph)，中等流量(3 000～4 000 vph)和高流量(5 000～6 000 vph)。

為了更準(zhǔn)確地分析3種交叉口的性能，對左轉(zhuǎn)車流量進行調(diào)整。然后對比研究了所有交叉口的通行能力、行程時間和平均延誤。

5.3 延誤時間

對15%左轉(zhuǎn)占比和25%左轉(zhuǎn)占比兩種情形下的6種不同交通流量進行對比分析。

當(dāng)左轉(zhuǎn)占比為15%，且交通流量為1 000 vph時，MUT交叉口相較于其他兩種交叉口有著更短的平均延誤時間，但隨著交通流量的增加，當(dāng)車流量達到5 000 vph甚至更大時，RCUT交叉口表現(xiàn)更佳?？傮w而言，MUT和RCUT交叉口在各種交通流量情形下的表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)交叉口，如表2所示。

對于15%左轉(zhuǎn)比例，在交通量為1 000 vph時，與其他交叉口相比，MUT交叉口平均延誤時間較短，而隨著交通流量的增加(尤其在大于等于5 000 vph)，RCUT則表現(xiàn)更佳更好的結(jié)果。如表2所示，MUT和RCUT在低流量和高流量情況下的表現(xiàn)都優(yōu)于傳統(tǒng)交叉口。

表2 所有交叉路口的平均車輛延誤時間為15%左轉(zhuǎn)比例

表3 所有交叉路口的平均車輛延誤時間為25%左轉(zhuǎn)比例

當(dāng)左轉(zhuǎn)彎占比較高時，在低流量(1 000～2 000 vph)情形下，MUT交叉口表現(xiàn)較好；而在中、高流量(大于2 000 vph)情形下，RCUT交叉口表現(xiàn)得更好，如圖6、圖7所示。

圖6 與15%左轉(zhuǎn)比例的所有交叉口的平均延遲時間比較

圖7 與25%左轉(zhuǎn)比例的所有交叉口的平均延遲時間比較

5.4 平均延誤時間的靈敏度分析

通過靈敏度分析，確定了適用于不同交通流等級的交叉口代替設(shè)計方案。靈敏度函數(shù)通常有兩種形式：解析函數(shù)和經(jīng)驗函數(shù)。解析函數(shù)通常以偏導(dǎo)數(shù)的形式對有明確定義的系統(tǒng)進行靈敏度分析，而經(jīng)驗函數(shù)則是通過觀察因某些參數(shù)變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)狀態(tài)的變化而得出參數(shù)的靈敏度，此方法常用于非模型化的系統(tǒng)[21]。

Steve Cherry對每個交叉口的平均延誤時間進行了靈敏度分析，以比較每個路口的平均延誤時間。經(jīng)過分析，確定了在不同交通流量情形下，各種交通場景的一致性。為了比較各種交叉口的延誤時間，提出了對交通系統(tǒng)的延誤表現(xiàn)進行百分制評分。例如，假設(shè)作為基準(zhǔn)值的最低平均延誤時間為6秒(記為100分)，那么當(dāng)實際平均延誤時間為10秒時，該交叉口的得分為(100×6/10)分，即60分，當(dāng)將所有情形下的交叉口得分求出后，得分最高的為最佳替換方案。

該方法適用于交叉口平均延誤的分析。然后，在不同的交叉口環(huán)境下，對不同的車輛流入流量，及不同流量下的不同左轉(zhuǎn)車流占比進行比較。通過靈敏度分析可知，低流量時，MUT交叉口在不同左轉(zhuǎn)占比下均為最佳選擇；中、高流量時，因RCUT交叉口在不同左轉(zhuǎn)占比下均明顯地降低了交叉口平均延誤時間，所以RCUT為中、高流量時的最佳選擇。分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 15% 左轉(zhuǎn)運動的敏感性分析

圖9 25%左轉(zhuǎn)運動的敏感性分析

6 結(jié)語

對于交通流量低(1 000～2 000 vph)的交叉口，MUT交叉口表現(xiàn)得更好，可以替代傳統(tǒng)交叉口。而對于流量較高的交叉口(3 000～6 000 vph)，RCUT交叉口則會產(chǎn)生更好的效果，可以替代傳統(tǒng)交叉口。

這項研究在提高傳統(tǒng)交叉口的性能方面提供了指導(dǎo)方針。同時，也提供了替換信號燈的方案選擇方法。

在本次研究中存在一些限制，如無法通過獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型更真實地重現(xiàn)交通狀態(tài)。此外，交通數(shù)據(jù)是在假定條件下生成的，并不是基于現(xiàn)場評估生成的。

未來，需要進行安全性分析，以確定哪一種交叉口替換方案是最安全的，同時還應(yīng)考慮使用其他的交叉口性能評價指標(biāo)對交叉口進行評價。在可替換的交叉口設(shè)計中，要考慮更加合理的渠化設(shè)計，以確保車輛安全行駛。