基于時(shí)間效益的借道左轉(zhuǎn)開口位置的選址研究

關(guān)昊天 朱婷婷 周源普

摘? ?要：本文基于借道左轉(zhuǎn)交通組織這一交通管理方式，建立了交通波模型，以交叉口整體延誤的時(shí)間效益為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇蘭州市七里河區(qū)西津西路和任家莊街交叉口作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)算例，運(yùn)用VISSIM仿真對(duì)借道左轉(zhuǎn)車道不同開口處的延誤情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)車道相比，實(shí)行借道左轉(zhuǎn)車道的平均延誤和排隊(duì)長(zhǎng)度均有下降，其中借道左轉(zhuǎn)車道的開口位置在40m左右時(shí)，交叉口總車均延誤效益提升最大，達(dá)到了14.25%。上述研究可為城市交通管理部門的交通設(shè)計(jì)工作提供參考意見。

關(guān)鍵詞：借道左轉(zhuǎn)? 交通波? 時(shí)間效益? 交通設(shè)計(jì)? VISSIM

中圖分類號(hào)：U491? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0159-04

歷年來(lái)，城市道路中的交叉口都是交通管理人員關(guān)注的對(duì)象和治理的重點(diǎn)、難點(diǎn)。為此，交通工程領(lǐng)域里的學(xué)者，也都研究出一系列緩和交叉口矛盾的新舉措，例如鉤型轉(zhuǎn)彎[1]、禁止左轉(zhuǎn)[2-3]等交通組織方式。近年來(lái)，針對(duì)交叉口左轉(zhuǎn)車輛的排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，各地交警在執(zhí)法調(diào)研過(guò)程中通過(guò)借鑒吸收國(guó)內(nèi)外的交通管制方式，結(jié)合國(guó)內(nèi)混合交通流的實(shí)際現(xiàn)狀，逐漸摸索出一條適合本地交通特點(diǎn)的新型交通組織方式—“借道左轉(zhuǎn)”。

陳玉建[4]在調(diào)研過(guò)程中，想到了農(nóng)田“輪作間種”的辦法，提出“借道左轉(zhuǎn)待行”的理念.劉洋[5]等從渠化、排隊(duì)長(zhǎng)度、信號(hào)配時(shí)說(shuō)明了借道左轉(zhuǎn)的適用條件，提出了渠化要素、標(biāo)線、標(biāo)志及信號(hào)燈的規(guī)范化設(shè)計(jì)方法。羅丹丹等人[6]基于車流波動(dòng)理論和VISSIM軟件仿真分析，研究交叉口適宜設(shè)置借道左轉(zhuǎn)車道的車流量臨界條件，并揭示借道左轉(zhuǎn)車道對(duì)交叉口左轉(zhuǎn)車輛運(yùn)行的影響。Su Peng[7]等人研究了在信號(hào)交叉口處逆流左轉(zhuǎn)方式的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。Wu Jiaming[8]等也相繼對(duì)借道左轉(zhuǎn)的車流運(yùn)行特性進(jìn)行了分析研究。陳松等[9]將左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的到達(dá)-駛離圖式分為8種情況，分別建立每種情況下左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的延誤計(jì)算方法，建立了交叉口信號(hào)控制方案優(yōu)化模型。

綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)于借道左轉(zhuǎn)的交通組織方式整體研究尚處于起步階段，對(duì)設(shè)置借道左轉(zhuǎn)車道的合理開口位置缺乏分析。本文基于借道左轉(zhuǎn)交通組織方式，選取合適的開口位置，這對(duì)于提高交叉口的交通通行效率、緩解交叉口擁堵問(wèn)題均具有重要意義。

1? 借道左轉(zhuǎn)交通組織方式

借道左轉(zhuǎn)綜合利用了空間和時(shí)間效率，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段交通組織方式中無(wú)法充分利用交叉口空間的弊端，同時(shí)盡可能的利用信號(hào)交叉口的潛在通行能力。借道左轉(zhuǎn)交通組織方式幾何示意圖（本文僅選擇在東西方向的進(jìn)口道實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織方式）如圖1所示。

在城市道路中，繁華路段的十字交叉口，由于主路上的左轉(zhuǎn)車流量較多，且交叉口進(jìn)口道沒(méi)有再增加左轉(zhuǎn)車道的條件，此時(shí)，可以考慮利用臨側(cè)的對(duì)向車道。在距交叉口停車線一段距離的位置開一個(gè)口子，供左轉(zhuǎn)車輛駛?cè)虢璧雷筠D(zhuǎn)車道;同時(shí)在開口處設(shè)置預(yù)置信號(hào)燈，與交叉口的主信號(hào)燈進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。當(dāng)開口處的預(yù)置信號(hào)燈亮起綠燈時(shí)，左轉(zhuǎn)車輛可以從開口處駛?cè)虢璧雷筠D(zhuǎn)車道，并與傳統(tǒng)左轉(zhuǎn)車道的停車線平齊位置停車候行，當(dāng)交叉口的主信號(hào)左轉(zhuǎn)綠燈亮起時(shí)，傳統(tǒng)左轉(zhuǎn)車道與借道左轉(zhuǎn)車道上的車輛同時(shí)獲得通行權(quán)，實(shí)現(xiàn)車輛左轉(zhuǎn)。

一般來(lái)講，主、預(yù)信號(hào)之間的綠燈啟亮與結(jié)束之間存在時(shí)間差t，主要是為了避免主信號(hào)相位結(jié)束之后，有左轉(zhuǎn)車流滯留在借道左轉(zhuǎn)車道上，與東西向直行車輛發(fā)生沖突，引發(fā)交通事故。關(guān)于主信號(hào)與預(yù)置信號(hào)燈之間詳細(xì)的信號(hào)配時(shí)，文獻(xiàn)[9]已經(jīng)說(shuō)明，這里不再贅述。

實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織方式有幾個(gè)重要的參數(shù)：預(yù)置信號(hào)燈（開口處）距交叉口停車線的合適距離，主、預(yù)置信號(hào)燈間的時(shí)間差，車流的運(yùn)行速度。這些都對(duì)交叉口實(shí)現(xiàn)借道左轉(zhuǎn)的運(yùn)行效率有一定的影響。本文基于借道左轉(zhuǎn)的交通組織方式，在一些學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，探討預(yù)置信號(hào)燈的合理位置，并以蘭州市某一實(shí)際交叉口為例，進(jìn)行仿真分析，得出結(jié)論。

2? 模型建立

2.1 交通波模型

我們根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，把車流密度的變化比擬成水波的起伏進(jìn)而抽象為車流波，當(dāng)車流因道路或交通狀況的改變而引起密度的變化時(shí)，在車流中產(chǎn)生車流波的傳播。如圖2所示，假設(shè)一條公路上有兩個(gè)相鄰的不同交通流密度區(qū)域（K（1）和K（2））用垂直線來(lái)分隔這兩種密度，稱S為波陣面，并設(shè)S的速度為V（W），其中的箭頭指示方向?yàn)榻煌鞣较颉?/p>

由交通流量守恒知，在時(shí)間t內(nèi)進(jìn)入界面S的車數(shù)量等于從界S出來(lái)的車輛數(shù)，用公式表示如下：

由交通工程學(xué)知識(shí)Q=KV，其中Q表示車流量（pcu/h），V表示車流速度（km/h），將此式代入（1）式化簡(jiǎn)得：

我們基于上述交通流模型的建立，基于文獻(xiàn)[6]對(duì)車流波理論的研究，分別給出車流集結(jié)波W1和分散波W2的公式：

其中SL表示左轉(zhuǎn)車的飽和流率（pcu/h），K1表示堵塞密度，K2表示上游左轉(zhuǎn)車流的密度，K3表示在交叉口左轉(zhuǎn)車流啟動(dòng)密度，K3表示左轉(zhuǎn)車道數(shù).

實(shí)行借道左轉(zhuǎn)組織方式的交叉口，預(yù)置信號(hào)燈距交叉口停車線的距離l1車流的集結(jié)波W1和左轉(zhuǎn)信號(hào)相位的等待時(shí)間tw有關(guān)，用公式（4）表示：

除此之外，預(yù)置信號(hào)燈和開口位置還有一段距離l2，則開口位置距交叉口處的停車線L為：

2.2 折減系數(shù)

另外，由于設(shè)置借道左轉(zhuǎn)車道后，勢(shì)必會(huì)對(duì)原有車道通行方向的車輛有一定影響，我們引入δ作為實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織方式后的實(shí)施系數(shù)，表示車流對(duì)增加的延誤時(shí)間在一定的可接受水平內(nèi)。

2.3 評(píng)價(jià)目標(biāo)

實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交叉口的整體延誤可分為交叉口信號(hào)控制延誤、車流交織運(yùn)行延誤，從系統(tǒng)最優(yōu)原理出發(fā)，以交叉口整體延誤最小為優(yōu)化目標(biāo)加權(quán)各進(jìn)口道的延誤來(lái)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，dl表示交叉口整體延誤，qA表示進(jìn)口道高峰小時(shí)交通流率，di表示因素i下的延誤時(shí)間。

3? 實(shí)例分析

3.1 仿真參數(shù)

選定蘭州市七里河區(qū)西津西路和任家莊街交叉口作為仿真對(duì)象，由于該交叉口還沒(méi)有實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織，故先對(duì)原交通組織方式用VISSIM進(jìn)行仿真，之后實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織方式，然后與不同開口位置處的延誤指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。表1是該交叉口高峰小時(shí)交通流量。

經(jīng)過(guò)實(shí)地交通流量調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)該交叉口交通流量較大、車道數(shù)較多，有利于借道左轉(zhuǎn)交通組織方式的研究. 經(jīng)過(guò)交通調(diào)查，該交叉口東、西進(jìn)口道的直行、左轉(zhuǎn)車流量較大，對(duì)于提升交叉口整體運(yùn)行效率有較大的潛力，故選用該交叉口的東、西進(jìn)口道實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織方式。

3.2 仿真步驟

首先對(duì)該交叉口的現(xiàn)狀進(jìn)行模擬仿真，接著我們利用式（5）確定借道左轉(zhuǎn)交通組織方式下，開口處的基本長(zhǎng)度進(jìn)行初次仿真，之后以5為步長(zhǎng)，逐步遍歷。選定好模擬隨機(jī)種子數(shù)，并將調(diào)查的交通數(shù)據(jù)量代入仿真場(chǎng)景中。

Step1：仿真參數(shù)的選定、校正;

Step2：構(gòu)建路網(wǎng)，輸入調(diào)查交通量、信號(hào)周期等數(shù)據(jù);

Step3：根據(jù)式（5）對(duì)不同回轉(zhuǎn)開口位置進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn);

Step4：利用節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)輸出延誤指標(biāo);

Step5：分析不同借道左轉(zhuǎn)開口位置下的延誤情況，對(duì)比分析，求得最佳開口位置范圍。

3.3 仿真分析

利用上述交通數(shù)據(jù)量和仿真參數(shù)，在VISSIM中利用節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)輸出下面仿真指標(biāo).首先得出東、西進(jìn)口道的借道左轉(zhuǎn)車道，在不同開口處的平均排隊(duì)長(zhǎng)度，如表2，這里傳統(tǒng)車道表示為現(xiàn)狀下的交通組織方式，數(shù)字35m、40m等表示為實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織方式下、不同開口位置處的距離（下同）。

可以看出（如圖3），與傳統(tǒng)車道相比，實(shí)行借道左轉(zhuǎn)的車道，其平均排隊(duì)長(zhǎng)度整體降低。但是由于交通情況的復(fù)雜性，交通流的運(yùn)行狀況會(huì)受到不同因素的影響，對(duì)于不同開口位置處的平均排隊(duì)長(zhǎng)度的減少規(guī)律，還需要做進(jìn)一步的研究。

從圖4可以看出，在實(shí)行了借道左轉(zhuǎn)交通組織方式后，東進(jìn)口的車流延誤整體呈下降趨勢(shì)，在不同的開口位置下對(duì)應(yīng)著不同的延誤情況，其借道左轉(zhuǎn)的開口位置大約在40m時(shí)，交叉口延誤達(dá)到最小為47.7s。對(duì)于西進(jìn)口（圖4）的延誤情況，其規(guī)律與東進(jìn)口大致一樣，同樣在40m左右，延誤情況達(dá)到了最小為38.6s。

對(duì)于交叉口的整體延誤，由于還受到南、北進(jìn)口延誤影響，呈現(xiàn)出的仿真結(jié)果如圖5，在不同開口處，延誤情況均較傳統(tǒng)車道的延誤情況得到了下降，這對(duì)于提升交叉口整體通行效率，均有借鑒的意義。表3為與傳統(tǒng)組織方式下比較后，得到的效益提升表（以傳統(tǒng)組織方式下的延誤為基點(diǎn)），可以看出，車輛延誤效益比傳統(tǒng)組織方式下提高了10%及其以上，開口位置在40m時(shí)，達(dá)到14.25%，充分說(shuō)明了實(shí)行借道左轉(zhuǎn)交通組織方式對(duì)于提升交叉口通行能力是有效果的。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)借道左轉(zhuǎn)交通組織方式，介紹了其適用對(duì)象和方法，并以蘭州市某交叉口為對(duì)象，在進(jìn)行實(shí)際車輛量調(diào)查的情況下，運(yùn)用VISSSIM仿真，將傳統(tǒng)交通管理方式與新型管理方式下不同延誤指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，得到借道左轉(zhuǎn)交通組織方式下，交叉口的延誤整體得到了下降，并將開口位置的40m作為最佳開口選址，具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。但是，在實(shí)際操作中，未對(duì)非機(jī)動(dòng)車和行人做過(guò)多的考慮，得到的結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際效果有偏差，這也是本文后續(xù)需要研究的地方，但是對(duì)于新型的交通組織方式的運(yùn)用，本文的研究成果不失為交通管理部門提供一個(gè)可供參考的意見。

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