信號交叉口逆向可變車道交通效益分析

胡尚尚 ，王曉青 ，魏福祿 *，蔡正干 ，武肖艷

（1：山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2：淄博市公安局交通警察支隊高新區(qū)大隊，山東 淄博 255000）

0 引言

隨著機(jī)動車保有量的快速增長，道路資源也越發(fā)顯得不足，道路資源在時空上利用率不高，形成交通擁堵。對于有些城市交叉口存在早晚高峰段交通流分布不均衡現(xiàn)象，為避免道路資源的浪費(fèi)，提出在交叉口進(jìn)口道設(shè)置逆向可變車道，以緩解交通擁堵[1]。

逆向可變車道適用于交叉口時空資源利用不足的情況，對于逆向可變車道的設(shè)計研究中，慈玉生等[2]提出了一種基于感應(yīng)控制的逆向可變車道，通過設(shè)計參數(shù)進(jìn)行延誤分析以此進(jìn)行方案的設(shè)計。通過仿真表明，在流量較低時感應(yīng)控制能夠取得較好的效益，在流量較高時，感應(yīng)控制下的車輛延誤趨于定時控制。

徐建閩等[3]提出了一種基于逆向可變車道的交叉口公交左轉(zhuǎn)優(yōu)先方法，通過仿真發(fā)現(xiàn)，在不影響其他車輛的前提下，減少了左轉(zhuǎn)公交車的延誤，提升公交車的通行效率，提升了城市公共交通的服務(wù)水平。

曲昭偉等[4]運(yùn)用概率統(tǒng)計及視頻處理技術(shù)分析了設(shè)置逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車流在交叉口內(nèi)的釋放特性及其空間軌跡特點(diǎn)，通過對沖突點(diǎn)檢測分析，逆向可變車道的設(shè)置會增大交叉口內(nèi)部左轉(zhuǎn)車流之間的干擾程度，對逆向可變車道的安全性進(jìn)行分析評價，有助于提升逆向可變車道的安全性。

Q.Ma 等[5]通過視頻檢測對可變車道進(jìn)行控制，基于相應(yīng)檢測器的視頻檢測可以實(shí)時獲得交通流的特征，確定可變車道的方向，以提升交叉路口的通行能力。

通過VISSIM 軟件上的仿真，驗證了與原控制方法相比，該方法可以提高出行能力，減少交通擁堵。

逆向可變車道要更好的體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)，就需要與交叉口的信號控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。

劉偉等[6]以相位有效綠燈時間、飽和度和逆向可變車道長度為約束條件，運(yùn)用NSGA-Ⅱ雙目標(biāo)優(yōu)化算法，建立交叉口控制延誤時間最小、交叉口通行能力最大的雙目標(biāo)函數(shù)控制模型。

實(shí)驗表明，該方法能夠較好的提高交叉口通行能力，降低控制延誤。

孫鋒等[7]對交叉口逆向可變車道的通行能力進(jìn)行分析，提出了該類交叉口進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道組通行能力和飽和流量的計算方法，在保證安全的前提下提出了一種逆向可變車道與信號協(xié)同優(yōu)化的方法，通過實(shí)驗分析，該方法取得了較好的成果。

劉怡等[8]通過定量分析逆向可變車道下交通流的變化，建立分階段消散流率模型，優(yōu)化相位相序，建立可變車道預(yù)信號配時參數(shù)模型，依據(jù)流率時變規(guī)律對Webster 最佳周期及綠信比算法進(jìn)行修正，通過仿真實(shí)驗表明改進(jìn)的Webster 配時模型可有效適應(yīng)設(shè)置逆向可變車道的信號交叉口配時。

J.W.Wang 等[9]將可變車道的思路與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合在一起，用來解決現(xiàn)實(shí)生活中的其他擁堵問題，他們?yōu)榱耸箍勺冘嚨赖膶?shí)時誘導(dǎo)技術(shù)和自主化、智能化技術(shù)，與應(yīng)急疏散的方案進(jìn)行結(jié)合，提出了1個雙層規(guī)劃模型。

逆向可變車道的研究是解決當(dāng)下道路交通資源稀缺，且利用率不足的一種新思想、新方法。目前對交叉口逆向可變車道的研究多集中于逆向可變車道設(shè)置條件及信號協(xié)同方面，對于逆向可變車道的安全及交通效益的專題研究較少，本文以逆向可變車道的交通效益進(jìn)行研究分析，在不考慮信號協(xié)同控制的情況下，對逆向可變車道的優(yōu)勢進(jìn)行闡述分析。

1 逆向可變車道的設(shè)置條件

逆向可變車道的設(shè)置需要考慮到城市交叉口處的信號控制、交通量、道路條件等方面，并不是所有的交叉口都適合設(shè)置逆向可變車道。因此逆向可變車道的設(shè)置需要滿足如下方面。

1）交叉口必須為具有信號控制的城市平面交叉口

交叉口分為平面交叉口和立體交叉口。立體交叉口因其道路沒有在一個平面上相交，使其交通運(yùn)行方案十分復(fù)雜，設(shè)置逆向可變車道后會使其復(fù)雜情況加重，不利于車輛的運(yùn)行和通行能力的提高；而未設(shè)置信號燈控制的交叉口，其車輛運(yùn)行具有隨機(jī)性，而逆向可變車道的根本是借用同向出口道左轉(zhuǎn)，所以在設(shè)置逆向可變車道后，逆向可變車道上左轉(zhuǎn)車輛容易與對向車流發(fā)生沖突，增加交通事故發(fā)生的機(jī)率，不利于交通安全和通行能力的提高。所以設(shè)置逆向可變車道的交叉口是要有信號燈控制的平面交叉口。

2）具有左轉(zhuǎn)專用車道及左轉(zhuǎn)專用相位

設(shè)置逆向可變車道的基本前提是需要有左轉(zhuǎn)專用的車道來承載左轉(zhuǎn)車輛的運(yùn)行；設(shè)置左轉(zhuǎn)專用相位是避免逆向可變車道上的左轉(zhuǎn)車輛與同1 周期內(nèi)對向直行車輛間的沖突，造成交通事故的發(fā)生。

3）出口道要有1 條車道供相鄰進(jìn)口右轉(zhuǎn)車輛行駛

設(shè)置逆向可變車道進(jìn)口的出口道要有1 條車道供相鄰進(jìn)口右轉(zhuǎn)車輛行駛，避免相交道路進(jìn)口的右轉(zhuǎn)車輛右轉(zhuǎn)進(jìn)入該車道時與左轉(zhuǎn)車輛發(fā)生沖突。

4）進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道交通量較大，道路資源求大于供

進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道交通量較大，道路資源求大于供是設(shè)置逆向可變車道的必要條件，也是設(shè)置逆向可變車道的意義所在。如果進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道交通量小，服務(wù)水平高，設(shè)置逆向可變車道就毫無意義。進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道道路資源利用緊張且左轉(zhuǎn)交通量較大主要表現(xiàn)為：在同一周期內(nèi)左轉(zhuǎn)車輛排隊長度過長，排隊長度超過直行車輛排隊長度，甚至接近上一個路口交叉口；部分左轉(zhuǎn)車輛經(jīng)歷2 次及其以上停車，1 個信號周期的左轉(zhuǎn)車輛全部通過交叉口需要2 個乃至2 個以上信號周期。

2 交通效益評價指標(biāo)

道路交叉口逆向可變車道的設(shè)置作為一種新型的城市交通組織方法，對緩解城市道路交通擁堵，合理利用道路資源具有十分重要的意義。逆向可變車道的效益就需要通過相應(yīng)的交通指標(biāo)進(jìn)行反映。

本文在不考慮信號交叉口處交通信號控制改變的條件下，對該交叉口設(shè)置逆向可變車道前后的交通效益進(jìn)行評價，從定量的角度選取逆向可變車道在交叉口處的通行能力、車輛延誤及排隊長度3個角度衡量逆向可變車道所產(chǎn)生的交通效益。

2.1 通行能力分析

逆向可變車道是設(shè)置在出口的車道，對該方向進(jìn)口道的通行能力沒有影響，由于占用了出口道的車道，所以進(jìn)口道的左轉(zhuǎn)車道數(shù)量增加，進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛的通行能力增加了。在理想狀態(tài)下，逆向可變車道的通行能力與專用左轉(zhuǎn)車道的通行能力是一樣的。由于逆向可變車道的設(shè)置是為了解決交通潮汐現(xiàn)象，避免因為時空造成道路資源的浪費(fèi)，所以對逆向可變車道進(jìn)口道的交通流影響較小，在此不進(jìn)行考慮。

1）停車線法計算通行能力[10]

①一條專用直行車道的設(shè)計通行能力為：

式中：T周為信號周期時間，s，一般采用 60 s～90 s，亦有用到 120 s；t綠為每一個周期內(nèi)的綠燈時間，s；t損為車輛從發(fā)動到啟動損失的時間，s；t間為前后2 輛車連續(xù)通過停車線的時距的平均值，s。

②一條左轉(zhuǎn)專用車道的通行能力為：

式中：n 為 1 個周期內(nèi)允許左轉(zhuǎn)彎的車輛數(shù)；t黃綠為1 個周期內(nèi)所有左轉(zhuǎn)專用相位中除去紅燈時間的其他燈色時間之和，s；V左為左轉(zhuǎn)車輛的行駛速度，m/s；a 為左轉(zhuǎn)車輛的平均加速度，m/s2；t左為左轉(zhuǎn)車輛通過停止線的車頭時距，s。

③逆向可變車道下的通行能力

逆向可變車道改變的是左轉(zhuǎn)車輛的通行能力，在理想狀態(tài)下，會增加1 條專用左轉(zhuǎn)車道的通行能力，但由于逆向左轉(zhuǎn)車道的設(shè)置都在原有道路條件下進(jìn)行了改變，車輛行駛環(huán)境會受到一些影響。所以新增加的左轉(zhuǎn)車道的通行能力為：

式中：ε 為干擾因子，取值為[0，1]，ε=1 即為理想狀態(tài)，ε 取值可以通過測量出口道車輛行駛速度衰減百分比進(jìn)行確定取值。

2.2 車輛延誤分析

車輛延誤常使用 Webster 模型法[11]，Webster 延誤模型由3 部分延誤組成，均勻延誤、隨機(jī)延誤和排隊延誤。其模型如下所示：

式中：d 為各車道每輛車的平均信號控制延誤；du為均勻延誤，即車輛均勻到達(dá)所產(chǎn)生的延誤；dr為隨機(jī)延誤，即車輛隨機(jī)到達(dá)并引起超飽和周期所產(chǎn)生的附加延誤；dc為初始排隊延誤，即上一時段留下的初始排隊車輛對后續(xù)車輛影響所產(chǎn)生的附加延誤；c為信號周期長，s；參數(shù) λ，x，T，Q，k 分別為車道綠信比，車道飽和度，分析時段持續(xù)時長，車道通行能力，上一時段積余的車輛數(shù)。

2.3 排隊長度分析

對逆向可變車道的排隊長度是指在0 個周期，專用左轉(zhuǎn)相位啟動之時，專用左轉(zhuǎn)車道上排隊車輛的長度。通過逆向可變車道設(shè)置前后，左轉(zhuǎn)車流的平均排隊長度、最大排隊長度、排隊車輛數(shù)及停車率等參數(shù)對排隊長度進(jìn)行分析[12]。通過對這些參數(shù)進(jìn)行比較來評價逆向可變車道設(shè)置的交通效益。

3 仿真分析

本文選取某城市平面信號控制交叉口進(jìn)行逆向可變車道效益評價，通過VISSM 進(jìn)行仿真，驗證逆向可變車道設(shè)置前后該交叉口的交通效益。

1）交叉口交通組織分析

圖1 為該信號交叉口設(shè)置逆向可變車道前的交通組織圖；圖2 為該信號交叉口設(shè)置逆向可變車道后的交通組織圖；圖3 為南進(jìn)口逆向可變車道設(shè)置細(xì)節(jié)圖；表1 為該信號交叉口信號相位分配情況。由該交叉口的交通組織圖可以看出，南進(jìn)口具有專用左轉(zhuǎn)車道及左轉(zhuǎn)信號相位，出口道為3 車道，滿足1 條車道供相鄰進(jìn)口右轉(zhuǎn)車輛行駛要求，其道路條件及信號控制方式具備設(shè)置逆向可變車道的條件。

2）交通流調(diào)查

通過對該交叉口早晚高峰及2 個平峰時段的交通流量進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，見表2。在早晚高峰時期，南進(jìn)口及北進(jìn)口的直行及左轉(zhuǎn)流量存在明顯的潮汐現(xiàn)象，滿足設(shè)置逆向可變車道的交通量條件。如果不設(shè)置逆向可變車道，不僅造成道路資源的浪費(fèi)，還會形成交通擁堵，極大程度上影響該交叉口處的通行效率，設(shè)置逆向可變車道，不僅能夠物盡其用，還能緩解交通擁堵，提升道路服務(wù)水平。

3）逆向可變車道仿真效果分析

本次選擇該交叉口晚高峰時期，通過VISSM 仿真平臺對該交叉口逆向可變車道設(shè)置前后進(jìn)行效益評價。

如圖4（a）所示是逆向可變車道設(shè)置前的左轉(zhuǎn)車輛交通仿真情況，如圖4（b）所示是逆向可變車道設(shè)置后的左轉(zhuǎn)車輛交通仿真情況。圖4 中左轉(zhuǎn)車輛都處于剛放行狀態(tài)，由圖4 中仿真對比可知，在同1個路口，相同車流量時，逆向可變車道設(shè)置后左轉(zhuǎn)車輛的排隊長度明顯小于未設(shè)置逆向可變車道時左轉(zhuǎn)車輛的排隊長度。

表1 信號交叉口的信號相位分配

表2 該交叉口流量調(diào)查 pcu

4）逆向可變車道交通效益分析

由表3 的數(shù)據(jù)可知，將設(shè)有逆向可變車道的南進(jìn)口平均排隊長度、最大排隊長度、停車次數(shù)、平均停車時間等相關(guān)數(shù)據(jù)單獨(dú)列出，將未設(shè)置逆向可變車道和設(shè)置逆向可變車道后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5～圖6 所示。

由圖5～圖6 的平均排隊長度、最大排隊長度、停車次數(shù)、平均停車時間等相關(guān)交通指標(biāo)數(shù)據(jù)對比可知，逆向可變車道設(shè)置后南進(jìn)口的左轉(zhuǎn)車輛排隊長度和車輛延誤有了明顯的下降，平均排隊長度較未設(shè)置逆向可變車道前下降了46.34%，停車次數(shù)較未設(shè)置逆向可變車道前下降了25.00%，逆向可變車道設(shè)置后的車輛平均延誤較未設(shè)置逆向可變車道前下降了16.61%，逆向可變車道設(shè)置后的平均停車時間較未設(shè)置逆向可變車道前下降了18.92%。

表3 逆向可變車道交通效益參數(shù)分析

通過VISSIM 仿真，對該交叉口晚高峰南進(jìn)口通行能力進(jìn)行仿真效果對比，見表4。

表4 該交叉口晚高峰通行能力對比 pcu/h

由表4 可知，逆向可變車道設(shè)置后該交叉口南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛和直行的通行能力有了明顯上升，在增加左轉(zhuǎn)車道通行能力的基礎(chǔ)上，未減少直行車道的通行能力。其中逆向可變車道設(shè)置后左轉(zhuǎn)通行能力較未設(shè)置逆向可變車道前上升了26.00%。

綜上所述，在同等交通條件下，逆向可變車道的設(shè)置使交叉口通行能力提升26.00%，平均排隊長度下降46.34%，最大排隊長度降低39.42%，車輛停車次數(shù)減少25.00%，平均延誤降低16.61%，平均停車時間減少18.92%。逆向可變車道的設(shè)置起到了充分發(fā)揮道路潛力，提高左轉(zhuǎn)通行能力的作用。

4 結(jié)論

本文將交叉口的通行能力、排隊長度及交通延誤作為逆向可變車道的交通效益評價指標(biāo)，通過VISSIM 仿真，分析設(shè)置逆向可變車道緩解交叉口時空資源緊張的實(shí)際效益。研究發(fā)現(xiàn)，逆向可變車道的設(shè)置對提升交叉口的效益指標(biāo)具有極其重要的作用。本文在不考慮信號協(xié)調(diào)控制的條件下，對逆向可變車道交通效益分析進(jìn)行了研究，建立了逆向可變車道運(yùn)行效果的評價方法。但由于逆向可變車道要取得更優(yōu)效果就需要與信號控制方式進(jìn)行協(xié)調(diào)，所以關(guān)于信號協(xié)調(diào)控制對逆向可變車道交通效益的影響，有待進(jìn)一步研究。