基于移位左轉(zhuǎn)的T型交叉口交通優(yōu)化設計與仿真

巨金鵬，陳明明

(蘭州交通大學交通運輸學院，蘭州 730070)

0 引言

隨著城市機動車數(shù)目的增加，城市交通擁堵現(xiàn)象已經(jīng)成為困擾城市發(fā)展的“城市病”.交叉口作為城市道路網(wǎng)中的重要節(jié)點，在高峰時段內(nèi)，交叉口處過飽和的交通流導致?lián)矶卢F(xiàn)象嚴重.要解決交叉口處的擁堵問題，無疑要從提高交叉口的通行能力與通行效率入手.國內(nèi)外學者主要從交叉口處左轉(zhuǎn)車道車道的數(shù)量、拓寬進口車道等入手，通過提高交叉口處空間資源利用率來提高交叉口的通行能力[1-3].Zhang等借助Vissim軟件研究了交叉口處左轉(zhuǎn)車道展寬的長短對交叉口通行能力的影響[4].Ma等提出一種基于預信號控制方法來提高交叉口左轉(zhuǎn)車流的通行效率[5].

移位左轉(zhuǎn)(Displaced Left-Turn, DLT)作為一種不同于傳統(tǒng)交叉口設計的新型設計方法，能緩解交叉口左轉(zhuǎn)和直行的沖突問題[6].Jagannathan,R等[7]將設置了移位左轉(zhuǎn)的交叉口和傳統(tǒng)交口進行對比分析，之后提出了一種基于移位左轉(zhuǎn)的人行橫道的信號控制方法[8].Sun等[9]針對過飽和交叉口擁堵問題提出一種連續(xù)流交叉設計方法.趙靖等[10-11]提出了一種連續(xù)流交叉口行人延誤計算模型來提升交叉口的服務水平，隨后提出一種左轉(zhuǎn)非機動車優(yōu)化方法來提升連續(xù)流交叉口的通行能力.這些文獻關于移位左轉(zhuǎn)的研究主要針對十字型交叉口，對于T型交叉口是否適合采用移位左轉(zhuǎn)的方法來改善交叉口的擁堵尚缺乏研究.本文結(jié)合T型交叉口的幾何參數(shù)、交叉口現(xiàn)狀流量等因素提出了一種基于移位左轉(zhuǎn)的T型交叉口的優(yōu)化設計方法，結(jié)合T型交叉口渠化設計構(gòu)建了一種確定DLT專用車道長度的計算方法.

1 交叉口移位左轉(zhuǎn)概述

1.1 移位左轉(zhuǎn)的概念及交通組織運行方式

移位左轉(zhuǎn)的方法是將交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)與直行車流的沖突點轉(zhuǎn)移到路段上，并利用信號協(xié)調(diào)控制來提高交叉口的通行能力和效率.在交叉口上游處把各個進口處的左轉(zhuǎn)車流轉(zhuǎn)移到對向直行車流的出口道，主路口可簡化為兩相位控制(Jonathan Reid 2004).這種方法也需要考慮右轉(zhuǎn)車流，通過在移位左轉(zhuǎn)專用車道旁邊設置一個專用分離的右轉(zhuǎn)車道從而將左轉(zhuǎn)車流和右轉(zhuǎn)車流進行分離，右轉(zhuǎn)車流在交叉口的下游并入原來路段.移位左轉(zhuǎn)交叉口處交通組織運行方式與傳統(tǒng)交叉口大不相同.交叉口主要道路的交通組織方式如圖1所示.

圖1 移位左轉(zhuǎn)交通組織示意圖

交叉口處左轉(zhuǎn)車流的交通組織運行方式可分為3步，①交叉口處的左轉(zhuǎn)車輛根據(jù)交通標線進入專左車道；②左轉(zhuǎn)車輛從專左車道進入對向直行車道設置的連續(xù)流專用道路到達主交叉口；③通過路中交叉口和主交叉口的信號協(xié)調(diào)控制，左轉(zhuǎn)車輛在主交叉口處由于綠燈實現(xiàn)左轉(zhuǎn).

1.2 移位左轉(zhuǎn)的特點

圖2是傳統(tǒng)三相位T型交叉口設置DLT前后的情形.

圖2 T型交叉口設置DLT前后對比圖

由圖2可知，與傳統(tǒng)交叉口相比，設置了DLT的交叉口具有如下特點：①交叉口左轉(zhuǎn)與直行車流沖突點實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，可保證車流有序安全地通過交叉口；②交叉口的信號相位由原來的三相位變?yōu)楝F(xiàn)在的兩相位，車輛的平均停車時間得到改觀，提高了交叉口通行能力；③DLT方法降低了交叉口處的排隊長度，車輛等待時間縮短，減少了汽車尾氣污染，具有良好的環(huán)境效益；④設置DLT時只需將交叉口處左轉(zhuǎn)車道移位到空間較大的路段上，重組道路斷面，省時省力；⑤稀釋了交叉口處左轉(zhuǎn)與直行車流的沖突，提高了直行車輛的通行能力.

1.3 移位左轉(zhuǎn)的設置條件

移位左轉(zhuǎn)的方法是將交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)與直行車流的沖突點轉(zhuǎn)移到路段上，并利用信號協(xié)調(diào)控制來提高交叉口的通行能力和效率.在交叉口上游處把各個進口處的左轉(zhuǎn)車流轉(zhuǎn)移到對向直行車流的出口道，主路口可簡化為兩相位控制.但移位左轉(zhuǎn)的設置有一定的條件限制，通過大量的Vissim仿真實驗并結(jié)合交叉口實際情況得到如下的條件：

1)移位左轉(zhuǎn)方法受交通量影響較大，一般適用于城市慢行交通量較小的交叉口；

2)移位左轉(zhuǎn)應設置專用車道，且專用車道數(shù)不小于2,且移位左轉(zhuǎn)車流對應的出口機動車道數(shù)不低于3；

3)移位左轉(zhuǎn)適用于城市交通服務水平較低、左轉(zhuǎn)車流量較大，且平峰左轉(zhuǎn)車流量也較大，交叉口以通行功能為主；

4)移位左轉(zhuǎn)在設置時要盡可能滿足道路交通規(guī)定的行車轉(zhuǎn)彎半徑要求且要保證交叉口的交通效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益要明顯高于DLT的實施成本.

2 T型交叉口的移位左轉(zhuǎn)車道長度計算方法

根據(jù)移位左轉(zhuǎn)的設置條件結(jié)合交叉口的現(xiàn)狀設置移位左轉(zhuǎn)車道，為保證車輛安全順利通過，在滿足設置條件的基礎上構(gòu)建了一種移位左轉(zhuǎn)車道長度計算方法，具體方法如下：

將設置了移位左轉(zhuǎn)的T型交叉口3條進口道中心線的交點記為O，AB段為DLT的漸變段長度(m)，BC段為DLT專用車道長度(m)，如圖3所示.在DLT交叉口的設計中，A點(子交叉口)的內(nèi)側(cè)左轉(zhuǎn)車道施畫掉頭和左轉(zhuǎn)箭頭，并輔以指示標志和信號燈的同時在進口處設置左轉(zhuǎn)和掉頭的導流線；B點(主交叉口)在滿足轉(zhuǎn)彎半徑的條件下設置DLT的導流線，同時應設置合理控制車速的限速管理設施以保證車輛順利通行，DLT專用車道BC段的長度L計算式如下：

圖3 DLT專用車道計算示意圖

(1)

(2)

(3)

L=L0-2L1-L2-L3-L6

(4)

式中，R為道路的寬度(m)；R1為道路邊緣線道外側(cè)DLT車道中心距離(m)；R2為DLT車道的漸變寬度(m)；L0為DLT起始開口端點到O點的距離(m)；L1為交叉口各進口車道的寬度(m)；L2為安全島邊線到人行橫道的長度(m)；L3為人行橫道到停車線的距離(m)；L6為進口道子交叉口直行車流停車線到開口處的水平距離(m)；vD為進口道設計行車速度(km·h-1).

3 案例分析

選取銀川市賀蘭山中路和人民廣場大街相交的T型交叉口作為案例.該交叉口東西向為賀蘭山中路，南北向為人民廣西街.且每個方向均為雙向交通流.該交叉口分為3個相位，第1相位為東西進口直行，第2相位為東進口左轉(zhuǎn)，第3相位為南進口左轉(zhuǎn).該交叉口現(xiàn)狀圖和信號相位如圖4、圖5所示.

圖4 賀蘭山中路—人民廣場西街交叉口現(xiàn)狀圖

圖5 電流相交信號相位圖

3.1 交叉口現(xiàn)狀分析

經(jīng)過實地調(diào)查賀蘭山中路—人民廣場西街的T型交叉口晚高峰時間(18：00—19：00)交通流情況，統(tǒng)計可得各進口交通量表1所示.

表1 交叉口晚高峰(18：00—19：00)小時交通量 pcu·h -1

由表1可知：該交叉口單位時間內(nèi)的交通量密度較大，高峰時的交通流量為7 762 pcu/h，東進口左轉(zhuǎn)車流量較大；南進口左轉(zhuǎn)車輛占比較大.結(jié)合該交叉口現(xiàn)狀信號配時可知：信號周期為141 s，其中32 s的綠燈時間和9 s的黃燈時間.將采集到的交通量數(shù)據(jù)載入到Vissim中仿真車輛運行，利用Vissim中的節(jié)點方法對仿真中的數(shù)據(jù)進行輸出，輸出可得到交叉口各進口車道功能車流的平均延誤、平均停車時間、平均排隊長度及最大排隊長度，如表2所示.

表2 交叉口現(xiàn)狀Vissim仿真結(jié)果

3.2 移位左轉(zhuǎn)優(yōu)化設計方法

對賀蘭山中路—人民廣場西街T型交叉口的東進口和南進口同時設置移位左轉(zhuǎn)，渠化設計如圖6所示.

圖6 移位左轉(zhuǎn)渠化設計圖

1)在交叉口內(nèi)部設置了東進口道左轉(zhuǎn)車輛和西進口直行車輛的導流線，有利于司機路線的正確行使和提高了交叉口的安全率.

2)將地面人行橫道改建為地下通道，更好的保障了行人過街的安全.在東進口和南進口的子交叉口增設了信號燈，同時設置了禁止逆行標志，速度推行誘導標志等.

3)交叉口左轉(zhuǎn)處在保證滿足轉(zhuǎn)彎半徑的基礎上，設置DLT車流導流線，同時設置限速標志，達到安全行車目的.

3.2.1 確定移位左轉(zhuǎn)車道長度

1)東進口移位左轉(zhuǎn)車道長度道路總寬度R=10×3.5=35 m，R1=8.25 m根據(jù)式(2)可得R2=R/2R1=9.25 m；東進口設計行車速度vD=50 km/h，則漸變段長度AB=54 m；L0=120 m，L1=3.5 m，L2=6 m，L3=2 m，由式(3)可得L6=53 m；則移位左轉(zhuǎn)車道長度L=L0-2L1-L2-L3-L6=52 m.

2)南進口移位左轉(zhuǎn)車道長度道路總寬度R=8×3.5=28 m，R1=8.1 m根據(jù)式(2)可得R2=R/2R1=5.9 m；南進口設計行車速度vD=50 km/h，則漸變段長度AB=34 m；L0=120 m，L1=3.5 m，L2=6 m，L3=2 m，由式(3)可得L6=33 m；則移位左轉(zhuǎn)車道長度L=L0-2L1-L2-L3-L6=72 m.

3.2.2 確定信號配時

1)確定周期時長

首先需要根據(jù)移位左轉(zhuǎn)的方法確定信號相位，當東進口道和南進口道同時設置移位左轉(zhuǎn)時，該交叉口的信號為兩相位.第1相位是東西進口道車輛直行和東進口道車輛左轉(zhuǎn)；第2相位是南進口道車輛左轉(zhuǎn)及東進口道左轉(zhuǎn)車輛進行移位并且左轉(zhuǎn).信號相位圖如圖7所示.

圖7 優(yōu)化后交叉口信號相位圖

確定信號相位后確定周期損失時間，其中啟動損失時間和清尾時間l均為3 s，第1相位的綠燈間隔時間為3 s，第2相位的綠燈間隔時間為5 s(其中包括2 s的全紅時間)，其中黃燈A均為3 s.根據(jù)韋伯斯特公式計算可得到每個周期的損失時間L為8 s.

接著確定周期長度內(nèi)的各相位最大飽和度Y.周期長度內(nèi)的各相位最大飽和度Y可根據(jù)各進口車道的基本飽和流量來確定.各類進口車道有其專用相位時的基本飽和流量Sbi(pcu/h)，可采用表3中的數(shù)值.

表3 交叉口進口車道的基本飽和流量 pcu·h-1

(5)

式中，xi為各車道飽和度；qi為各車道每小時實際到達交通量；Sbi為進口車道的基本飽和流量；N為交叉口進口車道數(shù).

根據(jù)表3和式(5)確定各進口道不同路徑平均每條車道的飽和度，確定的飽和度結(jié)果如圖8所示.

圖8 進口道各路徑車流量飽和度

根據(jù)圖7得到最大飽和度Y為0.78.利用韋伯斯特公式可得到周期T為77 s.得到第1相位的顯示綠燈時間為37 s，黃燈時間為3 s；第2相位的顯示綠燈時間為32 s，黃燈時間為3 s，紅燈時間為2 s.

3.3 優(yōu)化設計方案Vissim仿真與對比分析

3.3.1 優(yōu)化方案Vissim仿真

將優(yōu)化后的交叉口數(shù)據(jù)載入Vissim中仿真，然后利用Vissim中的節(jié)點方法對仿真中的數(shù)據(jù)進行輸出，輸出可得到交叉口各進口車道功能車流的平均延誤、平均停車時間、平均排隊長度及最大排隊長度，如表4所示.

表4 優(yōu)化仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

3.3.2 Vissim仿真結(jié)果對比分析

將交叉口現(xiàn)狀仿真結(jié)果與優(yōu)化后方案的仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)進行對比，如圖9所示：

圖9

對比分析圖8，該交叉口在未優(yōu)化前車流總平均延誤為36.6 s，總平均停車時間為26.4 s，對交叉口優(yōu)化配時后其均停車延誤與平均停車時間以及平均排隊長度和最大排隊長度都呈現(xiàn)出明顯的降低.由此可知，DLT能提升T型交叉口的通行能力，是一項緩解城市交叉口擁堵的有效措施.

4 結(jié)論

本文利用DLT的方法對T型交叉口進行了優(yōu)化設計，并從幾何參數(shù)、交通條件、流量適應性等方面進行研究，提出了一種計算DLT專用車道長度的模型.移位左轉(zhuǎn)的方法是將交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)與直行車流的沖突點轉(zhuǎn)移到路段上，并利用信號協(xié)調(diào)控制來提高交叉口的通行能力和效率.本文選取的信號協(xié)調(diào)控制方法較為簡易，移位左轉(zhuǎn)組合類型不夠全面，下一步將從信號協(xié)調(diào)控制配時方法著手，結(jié)合任意時段交通流量，進行更加高效的T型交叉口優(yōu)化設計.