遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛對主路交通流的影響分析

邱美華,林雨平,方欣欣,黃艷芳

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

0 引言

盡管近10年的道路建設(shè)里程數(shù)迅速增長,但仍無法滿足機(jī)動車保有量對道路需求的增加[1-2]。而僅通過增加城市道路里程數(shù)的建設(shè)來解決交通擁堵問題顯然是行不通的,必須通過加強(qiáng)城市道路交通的管理和控制措施來解決交通問題,提高道路交通運(yùn)行效率[3-4]。遠(yuǎn)引調(diào)頭便是較為有效的一種交通管制措施,其基本思路是使需要直接左轉(zhuǎn)的車輛先右轉(zhuǎn)繞行,間接實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn),以達(dá)到減少直接左轉(zhuǎn)車輛與直行車輛的交通沖突的目的,進(jìn)而提高道路交通的運(yùn)行效率和安全性[5-6]。

1 模型建立

行程時間是指車輛駛過某一路段的總時間,包括車輛的行駛時間及延誤時間[7]。延誤時間是指車輛在行駛過程中,由于受到各種因素的影響所損失的時間[8-9]?，F(xiàn)分析車輛直接左轉(zhuǎn)與車輛遠(yuǎn)引調(diào)頭的行程時間以及延誤時間。

1.1 車輛直接左轉(zhuǎn)的行程時間及延誤時間

交通情形:車輛從次路直接左轉(zhuǎn)進(jìn)入主路,根據(jù)主路優(yōu)先通行的原則,車輛在即將到達(dá)交叉口之前開始減速或停止,等待主路車輛提供車流間隙,駛?cè)胫髀反┻^直行車輛至中央分隔帶,等待主路車輛出現(xiàn)合流間隙,再匯入主路車流。

行程時間:tLT=tL1+tL2+tL3

(1)

tLD=tL1+tL2

(2)

式中:tLT——車輛直接左轉(zhuǎn)的行程時間，s;

tLD——車輛直接左轉(zhuǎn)的延誤時間，s;

tL1——直接左轉(zhuǎn)車輛在次路前等待主路車輛提供車流間隙的時間，s;

tL2——直接左轉(zhuǎn)車輛在中央分隔帶等待主路車輛提供合流間隙的時間，s;

tL3——直接左轉(zhuǎn)車輛從次路駛?cè)胫髀啡^程的行駛時間，s。

從行程時間的公式上可以看出,車輛直接左轉(zhuǎn)的行程時間是等待車輛提供車流間隙、等待車輛提供合流間隙以及車輛行駛過程的行駛時間的總和,車輛直接左轉(zhuǎn)的延誤時間是車輛等待主路車輛提供車流間隙以及等待車輛提供合流間隙的總和。

1.2 在下游中央分隔帶處調(diào)頭的行程時間及延誤時間

交通情形:車輛從次路右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶調(diào)頭,根據(jù)主路優(yōu)先通行的原則,車輛在即將到達(dá)交叉口前開始減速或停止,等待主路車輛提供與主路車輛合流的間隙,右轉(zhuǎn)進(jìn)入主路的左轉(zhuǎn)或調(diào)頭專用車道,直行到達(dá)中央分隔帶時進(jìn)行車輛調(diào)頭進(jìn)入對向直行車道,完成車輛間接左轉(zhuǎn)的過程。

行程時間:tRT=tR1+tR2+tR3+tR4

(3)

tRD=tR1+tR3

(4)

式中:tRT——車輛右轉(zhuǎn)至中央分隔帶調(diào)頭的行程時間，s;

tRD——車輛右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶調(diào)頭的延誤時間，s;

tR1——車輛在次路前等待與主路車輛合流的時間，s;

tR2——車輛右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶的行駛時間，s;

tR3——車輛右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶等待與主路車輛合流的時間，s;

tR4——車輛完成調(diào)頭行并行至原直接左轉(zhuǎn)地點(diǎn)全過程的行駛時間，s.

從行程時間的公式上可以看出,車輛右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶的行程時間是等待兩次主路車輛提供合流間隙、行駛至下游中央分隔帶的行駛時間以及車輛完成遠(yuǎn)引調(diào)頭行駛過程的行駛時間的總和,車輛右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶的延誤時間是車輛等待兩次主路車輛提供合流間隙的總和。

1.3 在下游信號交叉口處調(diào)頭的行程時間及延誤時間

交通情形:車輛從次路右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶調(diào)頭,根據(jù)主路優(yōu)先通行的原則,車輛在即將到達(dá)交叉口前開始減速或停止,等待主路車輛提供與主路車輛合流的間隙,右轉(zhuǎn)進(jìn)入主路的左轉(zhuǎn)或調(diào)頭專用車道,直行到達(dá)中央分隔帶時進(jìn)行車輛調(diào)頭進(jìn)入對向直行車道,完成車輛間接左轉(zhuǎn)的過程。

行程時間:tRL=tR1+tR2+tR3+tR4

(5)

tRD=tR1+tR3

(6)

式中:tRL——車輛右轉(zhuǎn)至下游信號交叉口調(diào)頭的行程時間，s;

tRD——車輛右轉(zhuǎn)至下游信號交叉口調(diào)頭的延誤時間，s;

tR1——車輛在次路前等待與主路車輛合流的時間，s;

tR2——車輛右轉(zhuǎn)至下游信號交叉口停車線前的行駛時間，s;

tR3——車輛右轉(zhuǎn)至下游信號交叉口停車線前等待信號燈的平均等待時間，s;

tR4——車輛完成調(diào)頭并行至原直接左轉(zhuǎn)地點(diǎn)全過程的行駛時間,s.

從行程時間的公式上可以看出,車輛右轉(zhuǎn)至下游信號交叉口的行程時間是等待主路車輛提供合流間隙、行駛至下游信號交叉口停車線前的行駛時間、信號燈的等待時間以及車輛完成遠(yuǎn)引調(diào)頭行駛過程的行駛時間的總和,車輛右轉(zhuǎn)直下游信號交叉口的延誤時間是車輛等待主路車輛提供合流間隙以及等信號燈的等待時間的總和。

2 案例分析

2.1 交通仿真方案的設(shè)計

交通仿真是利用計算機(jī)系統(tǒng)建立仿真模型來模擬現(xiàn)實(shí)道路交通的運(yùn)行狀態(tài),采用計算機(jī)的數(shù)字圖形方式來描述動態(tài)交通系統(tǒng),把握和控制道路交通系統(tǒng)的技術(shù)[10-13]。

2.1.1交通仿真路網(wǎng)的建立

交通仿真首先需要構(gòu)建車輛通行環(huán)境,建立仿真路網(wǎng)主要的步驟有:繪制路段、連接路段、設(shè)置交通流量、進(jìn)行路徑?jīng)Q策、設(shè)置信號配時、設(shè)置沖突區(qū)等。

1)繪制路段。遠(yuǎn)引調(diào)頭設(shè)置在雙向六車道上,雙向六車道東西方向主路與雙向四車道南北方向次路的交叉口,下游信號交叉口東西方向為雙向六車道的道路網(wǎng),道路寬度為3.5 m,中央分隔帶為2.0 m.

2)連接路段。將繪制好的路段間采用連接器進(jìn)行道路連接,形成一個完整的道路網(wǎng)[14]。

3)設(shè)置交通流量。根據(jù)需要設(shè)置交通流量,為比較直接遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛對下游信號交叉口的影響,設(shè)置不同的交通量,便于觀察遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛在不同交通流量的情況下的運(yùn)行情況。

4)路徑?jīng)Q策。為比較直接左轉(zhuǎn)車輛與遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛運(yùn)行狀態(tài),采用控制變量法,在相同道路以及交通流量的條件下,改變道路網(wǎng)路徑的決策,從而實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行方式的比較。

5)設(shè)置信號配時。本文設(shè)置的交叉口為無信號控制的交叉口,下游設(shè)置信號控制。信號配時可以根據(jù)道路的實(shí)際情況來設(shè)置,本文在交通仿真方案時會提供信號配時。

6)設(shè)置沖突區(qū)。對于沒有被信號控制從時間上隔離的沖突區(qū),需設(shè)置沖突區(qū)的讓行規(guī)則,從而更加符合道路的實(shí)際情況,輸出的數(shù)據(jù)也能夠更加準(zhǔn)確。

2.1.2交通仿真路網(wǎng)的運(yùn)行以及評價指標(biāo)的輸出

交通仿真路網(wǎng)運(yùn)行時,觀察車輛運(yùn)行過程中是否有不符合實(shí)際情況的地方。如果有,則進(jìn)行調(diào)整;如果沒有,則可以設(shè)置檢測器輸出仿真結(jié)果[15]。采用1 h為運(yùn)行時長,將路網(wǎng)中的延誤、排隊長度進(jìn)行輸出,通過“評價”中的“文件”進(jìn)行對應(yīng)輸出參數(shù)的文件配置,運(yùn)行交通仿真中的1 h后,即可得到評價指標(biāo)。

2.2 交通仿真方案

根據(jù)單一變量的原則,采取兩種設(shè)計方案。方案一為控制次路車流100 輛·h-1不變,改變主路車流量,在不同主路車流量的情況下比較直接左轉(zhuǎn)車輛與遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的運(yùn)行結(jié)果;方案二為控制主路車流量為1 200 輛·h-1不變,改變次路車流量,在不同次路車流量的情況下比較直接左轉(zhuǎn)車輛與遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的運(yùn)行結(jié)果。

2.2.1方案一

保持次路車流量100 輛·h-1不變,改變主路車流量。

1)道路網(wǎng)設(shè)置。設(shè)置的交叉口為主路東西方向雙向六車道與次路南北方向雙向四車道,下游信號交叉口東西方向為雙向六車道的道路網(wǎng),道路寬度為3.5 m,中央分隔帶為2.0 m.

2)設(shè)置交通流量。次路的車流量保持100 輛·h-1不變,主路的車流為400～1 600 輛·h-1,以每隔300輛做一次交通仿真,模擬直接左轉(zhuǎn)車輛與遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的運(yùn)行。主路的轉(zhuǎn)向比例為:

主路西進(jìn)口:左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

主路東進(jìn)口:左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

下游信號交叉口的車流量以及轉(zhuǎn)向比例為:

下游信號交叉口北進(jìn)口:1 000 輛·h-1,左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

下游信號交叉口南進(jìn)口:1 000輛·h-1,左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

3)信號配時。交叉口為無信號控制的交叉口,次路車輛通過主路車輛提供的車流間隙或合流間隙通過交叉口,下游信號交叉口為四相位信號控制,并且設(shè)有專用左轉(zhuǎn)相位。

信號配時為:tC=180 s,tR1=180 s,tG1=41 s,tR2=44 s,tG2=111 s,tR3=114 s,tG3=30 s,tR4=147 s,tG4=177 s,tA=3 s

其中:tC——信號周期，s；

tR1——東西進(jìn)口左轉(zhuǎn)紅燈結(jié)束時間，s;

tG1——東西進(jìn)口左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時間，s;

tR2——東西進(jìn)口直行紅燈結(jié)束時間，s;

tG2——東西進(jìn)口直行綠燈結(jié)束時間，s;

tR3——南北進(jìn)口左轉(zhuǎn)紅燈結(jié)束時間，s;

tG3——南北進(jìn)口左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時間，s;

tR4——南北進(jìn)口直行紅燈結(jié)束時間，s;

tG4——南北進(jìn)口直行綠燈結(jié)束時間，s;

tA——黃燈時間，s.

2.2.2方案二

保持主路車流量1 200 輛·h-1不變,改變次路車流量。

1)道路網(wǎng)。設(shè)置的交叉口為主路東西方向雙向六車道與次路南北方向雙向四車道,下游信號交叉口東西方向為雙向六車道的道路網(wǎng),道路寬度為3.5 m,中央分隔帶為2 m.

2)設(shè)置交通流量。主路的車流量保持1 200 輛·h-1不變,次路的車流50 輛·h-1、100 輛·h-1、200 輛·h-1、400 輛·h-1、600 輛·h-1,模擬直接左轉(zhuǎn)車輛與遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的運(yùn)行。主路的轉(zhuǎn)向比例為:

主路西進(jìn)口:左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

主路東進(jìn)口:左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

下游信號交叉口的車流量以及轉(zhuǎn)向比例為:

下游信號交叉口北進(jìn)口:1 000 輛·h-1,左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

下游信號交叉口南進(jìn)口:1 000 輛·h-1,左轉(zhuǎn)車輛數(shù)∶直行車輛數(shù)∶右轉(zhuǎn)車輛數(shù)=2∶5∶3

(3)信號配時。交叉口為無信號控制的交叉口,次路車輛通過主路車輛提供的車流間隙或合流間隙通過交叉口,下游信號交叉口為四相位信號控制,并且設(shè)有專用左轉(zhuǎn)相位。

信號配時為:tC=180 s,tR1=180 s,tG1=41 s,tR2=44 s,tG2=111 s,tR3=114 s,tG3=30 s,tR4=147 s,tG4=177 s,tA=3 s

其中:tC——信號周期，s；

tR1——東西進(jìn)口左轉(zhuǎn)紅燈結(jié)束時間，s;

tG1——東西進(jìn)口左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時間，s;

tR2——東西進(jìn)口直行紅燈結(jié)束時間，s;

tG2——東西進(jìn)口直行綠燈結(jié)束時間，s;

tR3——南北進(jìn)口左轉(zhuǎn)紅燈結(jié)束時間，s;

tG3——南北進(jìn)口左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時間，s;

tR4——南北進(jìn)口直行紅燈結(jié)束時間，s;

tG4——南北進(jìn)口直行綠燈結(jié)束時間，s;

tA——黃燈時間，s.

2.3 交通仿真結(jié)果分析

仿真交叉口如圖1所示。

圖1 交叉口平面示意圖Fig.1 Sketch of intersections

仿真結(jié)果如圖2所示。車流在400～1 000 輛·h-1時,兩種交通組織方式的平均延誤差別不大,當(dāng)流量超過1 000 輛·h-1時,兩種交通組織方式的平均延誤均開始上升,遠(yuǎn)引調(diào)頭的平均延誤上升更加明顯,因此當(dāng)車流超過1 000 輛·h-1時,采取遠(yuǎn)引調(diào)頭的交通組織方式的平均延誤會更大。

圖2 次路車流為100 輛·h-1,主路車流變化時主路車流的平均延誤Fig.2 The average delay of the main road traffic flow when the main road traffic flow changes with 100 vehicles/hour on the secondary road

如圖3所示,車流在400～1 000 輛·h-1內(nèi),兩種交通組織方式的平均停車延誤變化均比較平緩；當(dāng)流量超過1 000 輛·h-1時,兩種交通組織方式的平均停車延誤均開始出現(xiàn)不同程度的上升,遠(yuǎn)引調(diào)頭的平均停車延誤上升更加明顯。因此當(dāng)車流超過1 000 輛·h-1時,采取遠(yuǎn)引調(diào)頭的交通組織方式的平均停車延誤會更加明顯。

圖3 次路車流為100 輛·h-1,主路車流變化時主路車流的平均停車延誤Fig.3 The average stop delay of the main road traffic flow when the main road traffic flow changes with 100 vehicles/hour on the secondary road

如圖4所示,兩種交通組織方式的平均排隊長度均在逐漸上升。車流在400～1 000 輛·h-1內(nèi),兩種交通組織方式的平均排隊長度差別不大。當(dāng)流量超過1 000 輛·h-1時,遠(yuǎn)引調(diào)頭的平均排隊長度上升更加明顯。因此當(dāng)車流超過1 000 輛·h-1時,采取遠(yuǎn)引調(diào)頭的交通組織方式的平均排隊長度會明顯增加。

圖4 次路車流為100 輛·h-1,主路車流變化時主路車流的平均排隊長度Fig.4 The average queue length of the main road traffic flow when the main road traffic flow changes with 100 vehicles/hour on the secondary road

如圖5所示,車流在400～1 000 輛·h-1內(nèi),路網(wǎng)中兩種交通組織方式的平均停車次數(shù)差別不大,變化趨勢較為平緩。當(dāng)流量超過1 300 輛·h-1時,遠(yuǎn)引調(diào)頭的平均停車次數(shù)明顯上升,直接左轉(zhuǎn)車輛的平均停車次數(shù)下降。因此當(dāng)車流超過1 300 輛·h-1時,采取遠(yuǎn)引調(diào)頭的交通組織方式的平均停車次數(shù)會明顯增加。

圖5 次路車流為100 輛·h-1,主路車流變化時主路車流的平均停車次數(shù)Fig.5 The average number of stops of the main road traffic flow when the main road traffic flow changes with 100 vehicles/hour on the secondary road

如圖6所示,路網(wǎng)中遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的平均延誤緩慢上升,直接左轉(zhuǎn)車輛的平均延誤是先上升后下降。在次路車流量為200 輛·h-1,兩種交通組織方式開始出現(xiàn)明顯上升以及明顯下降。因此當(dāng)次路車流小于200 輛·h-1,可以選擇設(shè)置遠(yuǎn)引調(diào)頭。次路車流超過200 輛·h-1,可以選擇設(shè)置直接左轉(zhuǎn)。

圖6 主路車流為1 200輛·h-1,次路車流變化時主路車流的平均延誤Fig.6 The average delay of the main road traffic flow when the secondary road traffic flow changes with 1 200 vehicles/hour on the main road

如圖7所示,兩種交通組織方式的平均停車延誤逐漸接近,次路車流量在50～400 輛·h-1之間,遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的平均停車延誤明顯小于直接左轉(zhuǎn)車輛的平均延誤,大于400 輛·h-1,遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的平均延誤大于直接左轉(zhuǎn)車輛的平均延誤。因此,當(dāng)次路車流小于400 輛·h-1,可以選擇設(shè)置遠(yuǎn)引調(diào)頭,次路車流超過400 輛·h-1,選擇設(shè)置直接左轉(zhuǎn)。

圖7 主路車流為1 200輛·h-1,次路車流變化時主路車流的平均停車延誤Fig.7 The average stop delay of the main road traffic flow when the secondary road traffic flow changes with 1200 vehicles/hour on the main road

如圖8所示,兩種交通組織方式均不同程度上升,次路車流量為200 輛·h-1,直接左轉(zhuǎn)車輛的平均排隊長度開始平緩上升,遠(yuǎn)引調(diào)頭的平均排隊長度,上升趨勢明顯。因此,當(dāng)次路車流量小于550 輛·h-1,可設(shè)置遠(yuǎn)引調(diào)頭,大于550 輛·h-1,可選擇設(shè)置直接左轉(zhuǎn)。

圖8 主路車流為1 200 輛·h-1,次路車流變化時主路車流的平均排隊長度Fig.8 The average queue length of the main road traffic flow when the secondary road traffic flow changes with 1200 vehicles/hour on the main road

如圖9所示,遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的平均停車次數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢,直接左轉(zhuǎn)車輛的平均停車次數(shù)為先上升后下降,當(dāng)次路車流量為200 輛·h-1,遠(yuǎn)引調(diào)頭車輛的平均停車次數(shù)出現(xiàn)明顯上升,直接左轉(zhuǎn)車輛的平均停車次數(shù)出現(xiàn)下降。因此,當(dāng)次路車流量小于380 輛·h-1,可以選擇設(shè)置遠(yuǎn)引調(diào)頭,次路車流量大于380 輛·h-1,可以設(shè)置直接左轉(zhuǎn)。

圖9 主路車流為1 200 輛·h-1,次路車流變化時主路車流的平均停車次數(shù)Fig.9 The average number of stops of the main road traffic flow when the secondary road traffic flow changes with 1200 vehicles/hour on the main road

3 總結(jié)

研究車輛直接左轉(zhuǎn)、車輛右轉(zhuǎn)至下游中央分隔帶調(diào)頭及車輛右轉(zhuǎn)至下游信號交叉口調(diào)頭的行程時間及延誤時間模型。利用VISSIM交通仿真軟件建立直接左轉(zhuǎn)與遠(yuǎn)引調(diào)頭的路網(wǎng)模型,根據(jù)單一變量的原則,通過分別控制次干路交通流量不變、主路交通流量不變的方式進(jìn)行仿真,依據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù),分析得出不同交通流量條件下遠(yuǎn)引掉頭車輛對主路交通流的影響。