城市道路交叉口直行待行區(qū)設(shè)置技術(shù)研究

邱美華，楊福全

(福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院，福州 350002)

隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，汽車(chē)逐漸成為家庭出行的普遍交通工具.隨著車(chē)輛數(shù)的迅速增加，現(xiàn)有的城市交通供給已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通需求.道路交通安全、環(huán)境污染和能源消耗等問(wèn)題也隨之而來(lái).信號(hào)交叉口作為城市道路的節(jié)點(diǎn)，交叉口的通行效率和通行能力直接關(guān)系到路網(wǎng)交通流的運(yùn)行狀態(tài)[1-2].為了提高交叉口運(yùn)行效率，目前無(wú)論是從工程建設(shè)角度還是道路交通管理角度都最大限度的對(duì)交叉口進(jìn)行了優(yōu)化改善，交通效率的進(jìn)一步提升遇到了瓶頸.如何合理有效的改善交叉口運(yùn)行效率，保障道路交通的可持續(xù)發(fā)展，為此國(guó)內(nèi)提出直行待行區(qū)的研究.尚德申[3]等人分析了直行待行區(qū)的設(shè)置方法和長(zhǎng)度，通過(guò)實(shí)例分析設(shè)置直行待行區(qū)前后的交通效益，結(jié)果表明在交叉口設(shè)置直行待行區(qū)能夠有效減少交叉口延誤.左天福[4]等人從延誤和通行能力方面對(duì)交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后進(jìn)行分析.結(jié)果表明，合理設(shè)置直行待行區(qū)可以減少交叉口車(chē)輛的平均延誤，進(jìn)一步提高交叉口通行能力.李穎宏[5]等人對(duì)直行待行區(qū)的設(shè)置條件進(jìn)行研究，結(jié)果表明只有在流量比和飽和度較大的情況下才需設(shè)置直行待行區(qū).楊明[6]通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法分析設(shè)置直行待行區(qū)前后通行能力的計(jì)算公式，并通過(guò)模擬計(jì)算為待行區(qū)的應(yīng)用提供理論支撐.

本文通過(guò)建立設(shè)置直行待行區(qū)前后的的進(jìn)口道通行能力模型和交叉口的VISSIM仿真模型，并結(jié)合交叉口幾何尺寸、優(yōu)化交叉口信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行實(shí)例分析，以此來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)置直行待行區(qū)前后的交通效益指標(biāo)的變化.

1 直行待行區(qū)的含義及其設(shè)置條件

1.1 直行待行區(qū)的含義

直行待行區(qū)是指在交叉口的直行進(jìn)口車(chē)道的停止線(第一停車(chē)線)前再規(guī)劃一塊區(qū)域作為待行區(qū)[7-8]，其為由平行的白色虛線邊框和最前端的新停止線(第二停車(chē)線)組成的一個(gè)閉合區(qū)域，見(jiàn)圖1.當(dāng)左轉(zhuǎn)綠燈亮?xí)r，直行車(chē)輛進(jìn)入待行區(qū)內(nèi)等待，直行綠燈亮?xí)r，再繼續(xù)前進(jìn)最后通過(guò)交叉口.

圖1 直行待行區(qū)渠劃示意圖

設(shè)置直行待行區(qū)既能夠增加直行車(chē)道的長(zhǎng)度，又可充分的利用交叉口的時(shí)空資源.在信號(hào)交叉口運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中可以看出直行車(chē)輛先利用上一個(gè)綠燈放行階段進(jìn)入待行區(qū)，以縮短通過(guò)交叉口的長(zhǎng)度，當(dāng)直行綠燈亮?xí)r，再通過(guò)交叉口，從而縮短通過(guò)交叉口的時(shí)間.在此放行過(guò)程中，時(shí)間用于交換空間，然后空間用于交換時(shí)間，最終起到時(shí)間和空間轉(zhuǎn)換的作用.

1.2 直行待行區(qū)的設(shè)置條件

在交叉口設(shè)置直行待行區(qū)雖然可以有效地改善交叉口的通行能力并減少交通延誤，但不是所有的交叉口都能夠設(shè)置直行待行區(qū).國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)多個(gè)設(shè)有直行待行區(qū)的城市交叉口進(jìn)行深入的分析研究，總結(jié)出以下交叉口設(shè)置直行待行區(qū)的必要條件.

1)交叉口必須是信號(hào)控制的方式，而且信號(hào)配時(shí)方案至少要有四個(gè)相位

直行待行區(qū)通常設(shè)置在大型平面交叉口，該類(lèi)型的交叉口不同方向的交通量較大，交叉口內(nèi)部運(yùn)行狀況復(fù)雜且沖突嚴(yán)重.所以，為保障交叉口內(nèi)部通行車(chē)輛的通行安全和行車(chē)速度，一般采用多個(gè)相位的信號(hào)控制，使交叉口內(nèi)部的交通沖突點(diǎn)在時(shí)間上進(jìn)行分離.實(shí)踐證明，為了及時(shí)區(qū)分左轉(zhuǎn)車(chē)流和反向直行車(chē)流形成的沖突，在交叉口設(shè)置直行待行區(qū)至少需要四個(gè)相位的信號(hào)控制.

2)交叉口必須設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用進(jìn)口道

目前，交叉口車(chē)輛放行方式分為左轉(zhuǎn)和直行車(chē)輛同時(shí)放行和單獨(dú)放行，兩者都要求直行交通流和左轉(zhuǎn)交通流的分離，而具有直行待行區(qū)的十字路口的交通組織模式是在前一階段放行時(shí)使直行車(chē)輛進(jìn)入交叉口內(nèi)部，因此直行車(chē)輛不能影響前一階段綠燈放行的車(chē)輛的運(yùn)行.事實(shí)上待行區(qū)設(shè)置后不受直行車(chē)流影響的車(chē)流只有左轉(zhuǎn)車(chē)流.因此，交叉口必須設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用進(jìn)口道.

3)進(jìn)口道必須達(dá)到足夠的直行交通量

直行進(jìn)口道的交通量沒(méi)有達(dá)到足夠的數(shù)量，設(shè)置待行區(qū)會(huì)浪費(fèi)交叉口空間，還會(huì)浪費(fèi)直行相位的有效綠燈時(shí)間，直行待行區(qū)造成排隊(duì)中的直行車(chē)輛二次停車(chē)啟動(dòng)，不但沒(méi)有提高通行能力，還增加車(chē)輛延誤，降低交叉口的通行效率[9]，交叉口車(chē)輛尾氣排放量也隨之增加.在左轉(zhuǎn)車(chē)道排隊(duì)的車(chē)輛數(shù)量過(guò)多會(huì)影響到相鄰直行車(chē)道的車(chē)輛行駛，所以左轉(zhuǎn)車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度是設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)的關(guān)鍵條件；同理將直行車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度用作設(shè)置直行待行區(qū)的關(guān)鍵條件.由于直行車(chē)道的距離較長(zhǎng)，不會(huì)影響車(chē)輛在其他相鄰車(chē)道上的行駛，因此將車(chē)輛是否行駛產(chǎn)生二次排隊(duì)現(xiàn)象作為設(shè)置直行待行區(qū)的關(guān)鍵條件是比較合理的[10].

圖2為直行排隊(duì)車(chē)輛的消散示意圖.直行信號(hào)燈為紅燈時(shí)，到達(dá)的車(chē)輛進(jìn)行排隊(duì)，直到紅燈結(jié)束達(dá)到最大隊(duì)列長(zhǎng)度(即：N=qtr).綠燈亮?xí)r，排隊(duì)車(chē)輛將穿過(guò)停車(chē)線隊(duì)列消散.

圖2 排隊(duì)車(chē)輛消散示意圖

由圖2可以得出：

(1)

(2)

其中：N為直行車(chē)輛的最大排隊(duì)車(chē)輛數(shù)，pcu；q為直行車(chē)輛的到達(dá)率，pcu/s；tr為直行相位的紅燈時(shí)間，s；t損為車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)損失的時(shí)間，s；qs為直行車(chē)道的飽和流率，pcu/s；Δt為直行排隊(duì)車(chē)輛的完全消散時(shí)間，s.

對(duì)直行排隊(duì)車(chē)輛的完全消散時(shí)間Δt進(jìn)行分析，判斷直行進(jìn)口道是否需要設(shè)置直行待行區(qū)，tg表示綠燈時(shí)長(zhǎng)(s).

當(dāng)Δt

當(dāng)Δt=tg時(shí)，進(jìn)口道車(chē)輛到達(dá)的情況以圖2中曲線2表示，在綠燈周期結(jié)束時(shí)，排隊(duì)車(chē)輛同時(shí)消散完成，直行車(chē)道的通行能力剛好滿足到達(dá)的直行車(chē)輛的交通需求，車(chē)輛不需要兩次排隊(duì)，交叉口處于臨界飽和狀態(tài).所以把到達(dá)的車(chē)輛數(shù)作為車(chē)道設(shè)置直行待行區(qū)的臨界值.

當(dāng)Δt>tg時(shí)，進(jìn)口道車(chē)輛到達(dá)的情況以圖2中曲線3表示，排隊(duì)車(chē)輛不能在綠燈時(shí)段結(jié)束時(shí)完全消散，直行車(chē)道的通行能力無(wú)法滿足到達(dá)車(chē)輛的需求，交叉口為過(guò)飽和狀態(tài)，車(chē)輛需要兩次排隊(duì)，所以需要設(shè)置直行待行區(qū).

2 模型建立

2.1 通行能力模型

該模型采用“停車(chē)線法”進(jìn)行計(jì)算通行能力.計(jì)算時(shí)，將進(jìn)口道的停車(chē)線作為基準(zhǔn)面，在有效綠燈時(shí)間內(nèi)，車(chē)輛通過(guò)進(jìn)口道的停車(chē)線即被視為已經(jīng)通過(guò)交叉口.在設(shè)置直行待行區(qū)后，分開(kāi)計(jì)算提前通過(guò)直行進(jìn)口道停車(chē)線的直行車(chē)輛，然后再計(jì)入通行能力內(nèi)，該通行能力計(jì)算過(guò)程中不包括右轉(zhuǎn)車(chē)道的通行能力.交叉口每條進(jìn)口車(chē)道的通行能力取決與有效綠燈時(shí)間和飽和車(chē)頭時(shí)距兩個(gè)參數(shù).本章主要針對(duì)交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后進(jìn)口道通行能力的變化情況進(jìn)行分析.

交叉口進(jìn)口道通行能力計(jì)算：

1)不設(shè)置直行待行區(qū)

(3)

其中：C1為進(jìn)口道通行能力，pcu/h；ht為飽和車(chē)頭時(shí)距，s/pcu；ge1為不設(shè)置直行待行區(qū)時(shí)直行相位的有效綠燈時(shí)間，s；

則：ge1=g-t損+A

(4)

ge左為不設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)時(shí)左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)間，s；

則：ge左=g左-t損+A

(5)

其中：g為直行相位綠燈顯示時(shí)間，s；g左為左轉(zhuǎn)相位綠燈顯示時(shí)間，s；t損為車(chē)輛啟動(dòng)損失時(shí)間，s；A為黃燈時(shí)間，s；T為信號(hào)周期長(zhǎng)度，s；i為直行車(chē)道條數(shù)；j為左轉(zhuǎn)車(chē)道條數(shù).

2)設(shè)置直行待行區(qū)

根據(jù)交通波理論設(shè)置直行待行區(qū)后，交叉口排隊(duì)中的車(chē)輛在開(kāi)始啟動(dòng)行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以車(chē)輛的暢行速度Vf向后傳播的發(fā)車(chē)波[11-13].并經(jīng)過(guò)LAB/Vf的時(shí)間，從第二停車(chē)線后的第一輛車(chē)啟動(dòng)傳到第一停車(chē)線后的第一輛車(chē)啟動(dòng)[14].考慮到發(fā)車(chē)波向后傳播的時(shí)間和排隊(duì)中第一輛車(chē)啟動(dòng)的損失時(shí)間，分別計(jì)算了兩種配時(shí)方案下的有效綠燈時(shí)間.

根據(jù)不同的配時(shí)方案，交叉口設(shè)置直行待行區(qū)后，進(jìn)口道的通行能力分為以下兩種情況：

方案1：周期時(shí)長(zhǎng)增加，但綠燈的顯示時(shí)間不改變

(6)

(7)

方案2：周期時(shí)長(zhǎng)不變，但綠燈的顯示時(shí)間減少

(8)

(9)

(10)

(11)

ge左為不設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)時(shí)左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)間，s；則見(jiàn)公式(5)

3)通行能力增加值

方案1通行能力增加值為：

(12)

方案2通行能力增加值為：

(13)

其中：ΔC為設(shè)置直行待行區(qū)后進(jìn)口道通行能力的增加值，pcu/h.

2.2 VISSIM交通仿真系統(tǒng)模型

VISSIM交通仿真軟件已大量運(yùn)用于交通工程的實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，是一款運(yùn)行穩(wěn)定且可靠的軟件.在交叉口的車(chē)道功能、進(jìn)口道交通量和信號(hào)配時(shí)方案等各種影響因素相同的條件下，利用VISSIM仿真軟件對(duì)交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后進(jìn)行交通仿真評(píng)價(jià)，并對(duì)兩組不同的仿真評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較和分析.

VISSIM 仿真平臺(tái)構(gòu)建步驟：

1)將交叉口底圖導(dǎo)入VISSIM 仿真軟件中，并設(shè)置比例尺寸，根據(jù)交叉口底圖進(jìn)行繪制路網(wǎng).

2)根據(jù)對(duì)交叉口的交通現(xiàn)狀調(diào)查所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定交叉口每個(gè)進(jìn)口道的車(chē)輛構(gòu)成和期望車(chē)速.

3)輸入每個(gè)進(jìn)口道的交通流量，并對(duì)進(jìn)口道的車(chē)輛進(jìn)行路徑?jīng)Q策和不同方向的流量分配.

4)在將要轉(zhuǎn)彎位置及轉(zhuǎn)彎位置設(shè)置減速區(qū)使車(chē)輛減速，沖突區(qū)設(shè)置優(yōu)先讓行.

5)設(shè)置交叉口機(jī)動(dòng)車(chē)道的信號(hào)燈控制，在仿真軟件中，在原有的信號(hào)相位燈組的基礎(chǔ)上，增加信號(hào)相位燈組，通過(guò)設(shè)置信號(hào)燈的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)直行待行區(qū)的設(shè)置.

6)設(shè)置檢測(cè)器選擇評(píng)價(jià)參數(shù)，進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)得出相關(guān)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，為交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后狀況評(píng)價(jià)分析提供依據(jù).

仿真平臺(tái)建立后，為模擬得到交叉口各進(jìn)口道的通行能力值，將車(chē)輛產(chǎn)生器設(shè)置為產(chǎn)生車(chē)輛，為交叉口的各進(jìn)口道提供最大交通流量.連續(xù)仿真多個(gè)小時(shí)，且每隔一個(gè)小時(shí)統(tǒng)計(jì)一次數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中選取最大小時(shí)交通量，即作為進(jìn)口道的小時(shí)通行能力.

3 模型驗(yàn)證及案例分析

3.1 交叉口數(shù)據(jù)調(diào)查

交叉口作為道路交通流的集散之地，交通量相對(duì)較大，本文選用金榕南路-建新南路-奧體路交叉口的現(xiàn)狀進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查分析見(jiàn)圖3.

圖3 金榕南路-建新南路-奧體路交叉口

1)交叉口幾何構(gòu)造

表1 交叉口進(jìn)出口車(chē)道功能劃分

2)交通量

通過(guò)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該交叉口的晚高峰流量相對(duì)較大，故選用晚高峰的交通流進(jìn)行研究分析，晚高峰小時(shí)交通量見(jiàn)表2.

表2 晚高峰小時(shí)交通量

3) 現(xiàn)狀交通組織圖

見(jiàn)圖4.

圖4 未設(shè)置直行待行區(qū)前交叉口的交通組織圖

3.2 交叉口優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

直行待行區(qū)設(shè)置在進(jìn)口車(chē)道第一條停車(chē)線的前方，直行待行區(qū)的長(zhǎng)度受到相交道路左轉(zhuǎn)行車(chē)軌跡的限制，應(yīng)在與左轉(zhuǎn)車(chē)的沖突點(diǎn)前的一段距離設(shè)置直行待行區(qū)停車(chē)線，由于各個(gè)城市的交通流狀況不同，應(yīng)根據(jù)不同的交通流特點(diǎn)合理設(shè)置這個(gè)長(zhǎng)度.改善交叉口后的交通組織見(jiàn)圖5.

圖5 設(shè)置直行待行區(qū)后交叉口的交通組織圖

3.3 優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案

1)交叉口相序

交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后車(chē)輛具有不同的放行方式.由于左轉(zhuǎn)車(chē)軌跡較長(zhǎng)，選用先左轉(zhuǎn)后直行的放行相序，左轉(zhuǎn)行駛方向的最后一輛車(chē)不能在直行行駛方向的第一輛車(chē)到達(dá)之前駛過(guò)沖突點(diǎn)，交叉口內(nèi)會(huì)有沖突[15].所以此交叉口選用先直行后左轉(zhuǎn)的放行相序，使得直行行駛方向的最后一輛車(chē)可以在左轉(zhuǎn)行駛方向的第一輛車(chē)到達(dá)之前駛過(guò)沖突點(diǎn)，避免出現(xiàn)沖突，具體信號(hào)相序見(jiàn)圖6、7.

圖6 設(shè)置直行待行區(qū)前交叉口信號(hào)相序圖

圖7 設(shè)置直行待行區(qū)后交叉口信號(hào)相序圖

2)信號(hào)配時(shí)

為保證駕駛員能夠知道何時(shí)應(yīng)進(jìn)入待行區(qū)，在信號(hào)燈立柱上設(shè)置電子顯示屏，通過(guò)顯示屏上的顯示字樣，提示駕駛員何時(shí)進(jìn)入待行區(qū)，該設(shè)施對(duì)不熟悉有待行區(qū)的交叉口的運(yùn)行特性的駕駛員有很大幫助，結(jié)合交叉口現(xiàn)狀合理的優(yōu)化信號(hào)配時(shí)，具體的交叉口優(yōu)化相位配時(shí)見(jiàn)圖8.

選用金榕南路-建新南路-奧體路交叉口進(jìn)行算例分析，設(shè)置直行待行區(qū)前后各進(jìn)口道的配時(shí)方案，見(jiàn)表3.

圖8 優(yōu)化后交叉口信號(hào)配時(shí)

表3 設(shè)置直行待行區(qū)前后各進(jìn)口道的配時(shí)方案

3.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的通行能力模型是否可行，現(xiàn)選用金榕南路-建新南路-奧體路交叉口進(jìn)行模型驗(yàn)證，分別利用通行能力模型及VISSIM仿真模型計(jì)算交叉口未設(shè)置直行待行區(qū)的通行能力值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，同理計(jì)算設(shè)置直行待行區(qū)后的通行能力值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

由表4、5可以看出利用通行能力模型及VISSIM仿真模型計(jì)算出的誤差率均在10%之內(nèi)，通行能力模型可靠.兩個(gè)表格數(shù)據(jù)顯示仿真值普遍比同條件下的計(jì)算值小，這是因?yàn)榉抡孳浖倪\(yùn)行設(shè)置有考慮到車(chē)輛之間的相互干擾等因素.

3.5 案例分析

將表3中的相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(3)～(13)中，并假設(shè)直行待行區(qū)內(nèi)的車(chē)輛都是標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē),平均車(chē)長(zhǎng)為5～6 m，排隊(duì)時(shí)兩車(chē)之間的距離為1～2 m，取，直行與左轉(zhuǎn)車(chē)道的車(chē)輛飽和車(chē)頭時(shí)距，啟動(dòng)損失的時(shí)間取3 s，車(chē)輛的暢行速度取40 km/h.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6.

表4 未設(shè)置直行待行區(qū)的通行能力對(duì)比分析

表5 設(shè)置直行待行區(qū)的通行能力對(duì)比分析

表6 交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后各進(jìn)口道通行能力

待行區(qū)的長(zhǎng)度及車(chē)道數(shù)決定待行區(qū)內(nèi)停放的車(chē)輛數(shù)，也影響到進(jìn)口道的通行能力.由表6可知，設(shè)置直行待行區(qū)后使用配時(shí)方案1和配時(shí)方案2都可使交叉口通行能力增長(zhǎng)，且配時(shí)方案1總體增加率大于配時(shí)方案2，即周期時(shí)長(zhǎng)增加，但綠燈的顯示時(shí)間不改變，通行能力的增加值相對(duì)較大.

3.6 仿真結(jié)果與評(píng)價(jià)

根據(jù)配時(shí)方案1，利用VISSIM仿真軟件對(duì)金榕南路-建新南路-奧體路交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，并導(dǎo)出交通效益指標(biāo)，仿真結(jié)果見(jiàn)表7、8.

通過(guò)連續(xù)多次仿真，選取其中最大的一組小時(shí)通行能力作為進(jìn)口道的通行能力，從表7中可以看出，各進(jìn)口的延誤有所改善，從表8中可以看出設(shè)置直行待行區(qū)后，金榕南路-建新南路-奧體路交叉口在各進(jìn)口道的通行能力有明顯提高.

表7 設(shè)置直行待行區(qū)前后各進(jìn)口道的延誤

表8 設(shè)置直行待行區(qū)前后各進(jìn)口道的通行能力

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)保有量持續(xù)增加，交叉口的通行能力已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，而城市道路規(guī)劃完善，空間資源有限.本文充分利用信號(hào)交叉口內(nèi)部的空間資源，以此換取時(shí)間資源，提高交叉口通行能力，降低延誤.建立通行能力模型和VISSIM仿真模型，以實(shí)際交叉口為例，優(yōu)化待行區(qū)和信號(hào)配時(shí).利用通行能力公式計(jì)算設(shè)置直行待行前后的進(jìn)口道通行能力值，同時(shí)用VISSIM仿真軟件對(duì)交叉口設(shè)置直行待行區(qū)前后進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析，兩種方式的結(jié)論均證明交叉口設(shè)置直行待行區(qū)后通行能力明顯提高，交叉口的空間資源得到更為充分的利用.