信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)車道外置的影響因素仿真研究

曹弋,李輝,李雪彤

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028) *

近年來(lái)，隨著城市信號(hào)交叉口各流向交通負(fù)荷的增大與上游并道行駛現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，部分城市的某些交叉口出現(xiàn)了左轉(zhuǎn)車道外置的應(yīng)用實(shí)例.相關(guān)研究表明，當(dāng)交叉口進(jìn)口道的外側(cè)車道中存在較多左轉(zhuǎn)車或左轉(zhuǎn)公交車時(shí)，為了減少這些車輛與直行車的交織現(xiàn)象，可以將左轉(zhuǎn)車道外置[1].也有學(xué)者認(rèn)為，這種有悖于駕駛習(xí)慣的交通組織方式，將導(dǎo)致部分粗心駕駛員不按車道行駛，對(duì)交叉口的整體運(yùn)行質(zhì)量造成不利影響[2].鑒于上述問(wèn)題，有必要針對(duì)左轉(zhuǎn)車道外置的影響因素與影響關(guān)系開(kāi)展定量研究.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究.在左轉(zhuǎn)車道設(shè)置方面，楊曉光[3]較早地提出了將左轉(zhuǎn)車道與右轉(zhuǎn)車道相互置換的設(shè)計(jì)方法.皮鈺鑫[4]借助VISSIM軟件，以路段平均行程車速為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了車道功能置換設(shè)計(jì)方法的適用條件.近年來(lái)，蔡曉萌[5]定性分析了左轉(zhuǎn)專用道外置的交通措施及適用條件.李碩等[6]針對(duì)分離式雙左轉(zhuǎn)車道交叉口，通過(guò)VISSIM仿真實(shí)驗(yàn)，分析得到了外側(cè)左轉(zhuǎn)車流量、大車率及內(nèi)外側(cè)車道間距對(duì)內(nèi)側(cè)左轉(zhuǎn)車流延誤的影響關(guān)系.舒蕾[7]對(duì)南京市8組內(nèi)置和外置左轉(zhuǎn)車道組的車頭時(shí)距、周期流量、大型車比例進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為90%的大型車會(huì)選擇外置左轉(zhuǎn)車道通行.張春生等[8]考慮大型貨車轉(zhuǎn)彎半徑及客貨混行比例等因素，提出了貨車專用左轉(zhuǎn)車道外置的幾何臨界條件.LIU Pan等[9-10]利用二元Logit模型，定量研究了左轉(zhuǎn)車道外置對(duì)交叉口通行能力及運(yùn)行效率的影響.認(rèn)為駕駛員選擇外置左轉(zhuǎn)車道通行的概率，隨主線交通量及內(nèi)側(cè)左轉(zhuǎn)車道排隊(duì)長(zhǎng)度的增加而增加；隨上游右側(cè)輔道至該交叉口距離的增加而減少.該規(guī)律被WAN Jingjing等[11]以實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)所證實(shí).GUO Yanyong等[12]通過(guò)視頻檢測(cè)交通沖突的方法，分析評(píng)價(jià)了左轉(zhuǎn)車道外置交叉口的安全性.Fitzpatrick Kay等[13]通過(guò)對(duì)比內(nèi)置與外置左轉(zhuǎn)車道的飽和流率，給出了雙左轉(zhuǎn)車道的幾何與交通組成影響因素.在交織特性研究方面，周銳等[14]認(rèn)為交織流率和交織長(zhǎng)度是影響出入口處交通運(yùn)行的重要因素.陳利霖等[15]，建立了交織車輛跟車換道的二元選擇 Logit概率模型.徐艷等[16]建立了交織段服務(wù)水平的計(jì)算模型，求解得到了滿足某一服務(wù)水平和交織流量下所需的最小交織段長(zhǎng)度.

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)左轉(zhuǎn)車道外置的問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究，但還是以定性分析或特例研究為主.雖然有少量的定量研究，但也只是提出了左轉(zhuǎn)車道外置的影響因素，而對(duì)于具體的影響關(guān)系與設(shè)置的臨界條件仍缺少一般性、規(guī)律性的定量論證.此外，交織特性研究方面，多側(cè)重于高速公路或城市快速路上的交織段，忽視了交叉口上游的交織影響.鑒于此，本研究基于VISSIM軟件，構(gòu)建不同長(zhǎng)度交織段與車道數(shù)的進(jìn)口道仿真模型，通過(guò)輸入不同的交通運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析進(jìn)口道交通延誤及其變化規(guī)律.研究成果對(duì)交叉口左轉(zhuǎn)車道的合理布置、上游路段交織現(xiàn)象的減少及左轉(zhuǎn)車流的有效組織，具有一定的理論指導(dǎo)意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

1 情景設(shè)定與影響因素甄別

1.1 情景設(shè)定

前人研究表明，左轉(zhuǎn)車道外置適用于左轉(zhuǎn)及掉頭車輛中，存在較多大型車的情況[6]；同時(shí)適用于交叉口交織段中，存在較多由外向內(nèi)并道左轉(zhuǎn)的情況[4].如圖1所示，若采用傳統(tǒng)的左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置方案，從路段上游駛?cè)氲淖筠D(zhuǎn)車需要在較短的距離內(nèi)經(jīng)過(guò)多次車道變換，才能駛?cè)肽繕?biāo)車道；若將左轉(zhuǎn)車道外置，只需要進(jìn)行一次變道.

圖1 左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置與外置的車流交織

針對(duì)以下三種情景，討論左轉(zhuǎn)車道外置的影響因素.

(1)兩相鄰交叉口距離較近，且從上游交叉口匯入外側(cè)車道的車輛中，有較多需要在該交叉口左轉(zhuǎn)或掉頭的車輛.

(2)高架橋下橋匝道接入外側(cè)車道，且下橋車輛中有較多需要在該交叉口左轉(zhuǎn)或掉頭的車輛.

(3)交叉口上游設(shè)有路側(cè)式公交專用道或公交站，且有較多公交車需要在該交叉口左轉(zhuǎn)或掉頭.

1.2 影響因素甄別

通過(guò)對(duì)上述三種情景的初步仿真分析不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車道數(shù)較多時(shí)，外側(cè)車道中的左轉(zhuǎn)車需要進(jìn)行較多次車道變換方能駛?cè)雰?nèi)置的左轉(zhuǎn)車道；當(dāng)斷面的直行車輛數(shù)較多時(shí)，外側(cè)左轉(zhuǎn)車輛在并道行駛過(guò)程中，與直行車的沖突顯著增加；當(dāng)交織段長(zhǎng)度較小時(shí)，外側(cè)左轉(zhuǎn)車需要在短距離內(nèi)進(jìn)行多次車道變換，同樣使得交通沖突的幾率大為提高.因此將車道數(shù)、交織段長(zhǎng)度及直行車輛數(shù)三個(gè)因素作為通用影響因素.考慮到情景(1)與(2)的左轉(zhuǎn)車輛主要為社會(huì)車，而情景(3)為公交車，故而選擇最外側(cè)車道的左轉(zhuǎn)車輛數(shù)與左轉(zhuǎn)大車率分別作為情景(1)、(2)與情景(3)的特定影響因素.

2 交通仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型與道路交通參數(shù)

利用Vissim構(gòu)建信號(hào)交叉口仿真模型，車道數(shù)分別設(shè)定為三車道與四車道；左轉(zhuǎn)車道分別設(shè)定為內(nèi)置與外置.因此，車道數(shù)與車道功能不同的仿真模型共有4類組合.

仿真實(shí)驗(yàn)的交通參數(shù)是在新隆街與世紀(jì)路交叉口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行趨勢(shì)外推后選取的，如表1所示.本實(shí)驗(yàn)在4類仿真模型中，分別改變交織段長(zhǎng)度、左轉(zhuǎn)大車率、左轉(zhuǎn)車流量與直行車流量中的某1項(xiàng)參數(shù)，其余各項(xiàng)參數(shù)固定為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不變，以進(jìn)口道平均延誤為指標(biāo)，對(duì)比分析左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置和外置方案下，不同道路交通因素對(duì)延誤的定量影響關(guān)系與臨界條件.每次仿真的有效時(shí)長(zhǎng)為1 h(從300 s開(kāi)始至3 900 s結(jié)束).考慮到隨機(jī)因素的影響，每組相同的道路交通條件均進(jìn)行3次仿真實(shí)驗(yàn).本研究共進(jìn)行了408次仿真實(shí)驗(yàn).

表1 仿真實(shí)驗(yàn)的道路交通參數(shù)

2.2 參數(shù)標(biāo)定

VISSIM軟件中的參數(shù)，其默認(rèn)值基于國(guó)外的交通情況.構(gòu)建的交通仿真模型，不一定能真實(shí)地反映我國(guó)交通流的實(shí)際情況.因此，需要對(duì)軟件相關(guān)模型的參數(shù)進(jìn)行校正，以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.

在仿真模型的標(biāo)定過(guò)程中，可調(diào)整的參數(shù)較多，主要包括：跟馳模型、變道模型、路徑?jīng)Q策模型以及其他模型的參數(shù).本研究以實(shí)測(cè)交通數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，針對(duì)VISSIM軟件中對(duì)仿真輸出結(jié)果有較大的影響的參數(shù)，多次運(yùn)行交通仿真模型，根據(jù)模型的輸出結(jié)果確定參數(shù)的取值，得到的參數(shù)校正結(jié)果如表2所示.標(biāo)定后，仿真交通量與實(shí)測(cè)交通量相關(guān)系數(shù)達(dá)到99.84%，如圖2所示.后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)，均采用標(biāo)定后的模型參數(shù)進(jìn)行仿真分析.

表2 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?biāo)定結(jié)果

圖2 參數(shù)標(biāo)定后的實(shí)測(cè)值與仿真值

3 影響關(guān)系與臨界條件

3.1 交織段長(zhǎng)度

為了分析交織段長(zhǎng)度在4種車道布置方案下，對(duì)進(jìn)口道交通運(yùn)行狀態(tài)的影響，將該參數(shù)由70 m增加至210 m，每級(jí)增加20 m.其他道路交通條件均保持現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)不變，即左轉(zhuǎn)車流量為170 veh/h，左轉(zhuǎn)大車率為11%，直行車流量為527 veh/h，得到了不同交織段長(zhǎng)度影響下，4種車道布置方案對(duì)應(yīng)的進(jìn)口道平均交通延誤，如圖3所示.

圖3 交織段長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)口道平均交通延誤的影響

由圖3可知，對(duì)于左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置的情況，進(jìn)口道平均延誤隨著交織段長(zhǎng)度的減小而顯著增大.這是因?yàn)榻豢椂伍L(zhǎng)度減小后，外側(cè)車道中的左轉(zhuǎn)車需要在短距離內(nèi)進(jìn)行多次變道，方能駛?cè)肽繕?biāo)轉(zhuǎn)向車道.這一過(guò)程既增大了左轉(zhuǎn)車與直行車的沖突數(shù)，又增大了左轉(zhuǎn)車的等待時(shí)長(zhǎng).而對(duì)于外置的左轉(zhuǎn)車道，由于車輛間的交織次數(shù)較少，進(jìn)口道的交通延誤整體較小.車道數(shù)的不同，雖對(duì)交通延誤存在一定的影響，但影響程度并不顯著.

此外，四車道方案中左轉(zhuǎn)車道內(nèi)外置擬合曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為190 m，三車道為172 m.這說(shuō)明190 m與172 m分別對(duì)應(yīng)于四車道與三車道方案中，左轉(zhuǎn)車道內(nèi)外置的臨界點(diǎn)，即交織段長(zhǎng)度小于臨界值時(shí)，外置左轉(zhuǎn)車道的交通延誤較小，更有優(yōu)勢(shì)；反之，常規(guī)的內(nèi)置左轉(zhuǎn)車道更為有利.

3.2 左轉(zhuǎn)車流

外側(cè)車道的左轉(zhuǎn)車流量及其交通組成關(guān)系到交織區(qū)內(nèi)車流運(yùn)行的順暢程度.在分析左轉(zhuǎn)車流量時(shí)，將左轉(zhuǎn)車流量由10 veh/h增加至170 veh/h，每級(jí)增加20 veh/h，如圖4所示.

圖4 左轉(zhuǎn)車流量對(duì)進(jìn)口道平均交通延誤的影響

可以看出，四車道方案的進(jìn)口道平均延誤，隨左轉(zhuǎn)車流量的增加而增大，當(dāng)左轉(zhuǎn)車流量在10～90 veh/h之間時(shí)，由于交織段內(nèi)需要變道的左轉(zhuǎn)車較少，與主線車流的交織現(xiàn)象不太嚴(yán)重，左轉(zhuǎn)車流量的增加對(duì)進(jìn)口道延誤的影響相對(duì)較?。划?dāng)左轉(zhuǎn)車流量大于90 veh/h時(shí)，內(nèi)置方案的進(jìn)口道延誤相對(duì)于外置方案，發(fā)生了急劇的增加.這是因?yàn)?，?dāng)外側(cè)車道左轉(zhuǎn)車輛增加到一定程度后，開(kāi)始有部分的左轉(zhuǎn)車輛在交織段內(nèi)難以完成變道行為，出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象.當(dāng)進(jìn)口道為三車道時(shí)，與四車道的方案相比，車輛在交織段需要的變道次數(shù)相對(duì)較少，內(nèi)外置方案的交通延誤均小于四車道方案，并且，當(dāng)左轉(zhuǎn)車流量超過(guò)130 veh/h后，內(nèi)置方案的交織段才會(huì)產(chǎn)生擁堵，導(dǎo)致進(jìn)口道延誤劇增.

由圖4可知，四車道方案中左轉(zhuǎn)車道內(nèi)外置擬合曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為67 veh/h，三車道為89 veh/h.也就是說(shuō)，67 veh/h與89 veh/h的左轉(zhuǎn)車流量分別是對(duì)應(yīng)于四車道與三車道方案，左轉(zhuǎn)車道內(nèi)外置的臨界點(diǎn).

在分析左轉(zhuǎn)車流交通組成的影響時(shí)，設(shè)置仿真模型初始的左轉(zhuǎn)車流量為圖5中臨界值，然后在4%～20%之間調(diào)整左轉(zhuǎn)大車率，其余的道路交通條件均與分析左轉(zhuǎn)車流量的影響時(shí)相同，得到了在不同左轉(zhuǎn)大車率影響下，4種車道布置方案對(duì)應(yīng)的進(jìn)口道延誤，如圖5所示.

圖5 左轉(zhuǎn)大車率對(duì)進(jìn)口道平均交通延誤的影響

從圖5中可以看出，左轉(zhuǎn)大車率對(duì)進(jìn)口道平均延誤的影響規(guī)律，與左轉(zhuǎn)車流量的影響具有一定的相似性.不同點(diǎn)表現(xiàn)在，當(dāng)左轉(zhuǎn)大車率小于8.5%時(shí)，不論三車道還是四車道，其左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置與外置的延誤差別不大；當(dāng)左轉(zhuǎn)大車率大于8.5%時(shí)，左轉(zhuǎn)車道外置的平均延誤均小于內(nèi)置方案.此外發(fā)現(xiàn)，車道數(shù)越多，左轉(zhuǎn)大車率的影響程度越顯著.

3.3 直行車流

為了分析不同車道布置方案下，直行車流對(duì)進(jìn)口道交通運(yùn)行狀態(tài)的影響規(guī)律，改變由上游駛?cè)朊織l直行車道的車流量，將其由150 veh/h增至500 veh/h，每級(jí)增加50 veh/h，得到了對(duì)應(yīng)的四組平均延誤數(shù)據(jù)，如圖6所示.

圖6 直行車流量對(duì)進(jìn)口道平均交通延誤的影響

由圖6可知，對(duì)于左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置的情況，進(jìn)口道平均延誤隨著直行車流量的增加而顯著上升.這是因?yàn)椋S著主線車流中直行車輛的增加，直行車流出現(xiàn)可插入間隙的幾率減少，外側(cè)左轉(zhuǎn)車并入內(nèi)道的過(guò)程中，等待可插入間隙的時(shí)間變長(zhǎng)，交通延誤隨之迅速上升.相對(duì)地，當(dāng)左轉(zhuǎn)車道外置時(shí)，交織段內(nèi)需要變道的車輛數(shù)減少，對(duì)主線直行車流的影響減小.

由圖6中內(nèi)外置擬合曲線的交點(diǎn)橫坐標(biāo)可知，四車道方案的左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置或外置的臨界點(diǎn)為270 veh/h，三車道方案為295 veh/h，當(dāng)直行車流量小于臨界值時(shí)，常規(guī)的內(nèi)置方式相對(duì)有利；反之，外置左轉(zhuǎn)車道的交通延誤較小，更加可取.

4 應(yīng)用案例

4.1 交通調(diào)查與數(shù)據(jù)整理

選取沈陽(yáng)市2個(gè)設(shè)有外置左轉(zhuǎn)車道的交叉口與大連市2個(gè)左轉(zhuǎn)車道內(nèi)置的交叉口，開(kāi)展交通調(diào)查.分別調(diào)查其高峰小時(shí)交通量和道路幾何參數(shù)作為仿真建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，討論其左轉(zhuǎn)車道外置的適用性，進(jìn)口道的交通參數(shù)如表3所示.

表3 進(jìn)口道交通參數(shù)

4.2 左轉(zhuǎn)車道布置

依據(jù)研究得到的車道數(shù)、交織段長(zhǎng)度、左轉(zhuǎn)車流量及直行車流量對(duì)左轉(zhuǎn)車道外置的影響規(guī)律及臨界值，結(jié)合4個(gè)案例的進(jìn)口道交通參數(shù)，分別對(duì)其應(yīng)采用的左轉(zhuǎn)車道布置方式進(jìn)行分析，判定結(jié)果如表4所示.

表4 主要影響因素的臨界值及案例實(shí)測(cè)值

進(jìn)一步分析可知，只有當(dāng)三個(gè)主要影響因素同時(shí)滿足外置條件時(shí)，如案例1和2，方可采用左轉(zhuǎn)車道外置方案.如若其中一條或一條以上不滿足，如案例3和4，則沒(méi)用充分理由將左轉(zhuǎn)車道外置，需進(jìn)一步開(kāi)展仿真延誤分析后，方可判定.

4.3 仿真延誤分析

為了進(jìn)一步明確案例3和4的左轉(zhuǎn)車道布置方案并驗(yàn)證案例1和2的左轉(zhuǎn)車道設(shè)置位置是否合理，將案例1和2信號(hào)交叉口的左轉(zhuǎn)車道改為內(nèi)置；案例3和4的改為外置，其余交通參數(shù)保持不變，針對(duì)改變前后的交叉口分別構(gòu)建Vissim仿真模型，輸出進(jìn)口道1 h平均延誤，以獲取改變左轉(zhuǎn)車道設(shè)置位置前后的延誤值.每個(gè)模型均使用不同的隨機(jī)種子仿真三次，得到的交通延誤的平均值如表5所示.從表5中選擇仿真延誤值小的方案，作為左轉(zhuǎn)車道設(shè)置位置.信號(hào)相位方案及配時(shí)參數(shù)均采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

表5 進(jìn)口道平均交通延誤仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，案例1和2，左轉(zhuǎn)車道外置方案的進(jìn)口道平均交通延誤遠(yuǎn)小于內(nèi)置方案，說(shuō)明在該進(jìn)口道將左轉(zhuǎn)車道外置的延誤降低效果顯著；案例3和4，內(nèi)置左轉(zhuǎn)車道方案的交通延誤相對(duì)較小，適合采用常規(guī)的左轉(zhuǎn)車道布置方案.由仿真模型得出的左轉(zhuǎn)車道布置方案，均與現(xiàn)實(shí)中交叉口的車道布置方案相一致.

5 結(jié)論

(1)信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)車道外置的主要影響因素包括進(jìn)口道車道數(shù)、上游交織段長(zhǎng)度、直行車流量及外側(cè)車道左轉(zhuǎn)車流量或左轉(zhuǎn)大車率.從延誤角度來(lái)看，左轉(zhuǎn)車道外置適用于進(jìn)口道車道數(shù)較多、上游交織段長(zhǎng)度較短、直行車流量較大且外側(cè)車道左轉(zhuǎn)車流量或左轉(zhuǎn)大車率較高的情況;

(2)得到了主要影響因素對(duì)左轉(zhuǎn)車道內(nèi)外置延誤的定量影響關(guān)系及臨界值，并以4個(gè)交叉口的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)作為案例，分析了左轉(zhuǎn)車道內(nèi)外置的布置條件以及在這些交叉口將左轉(zhuǎn)車道外置的必要性;

(3)左轉(zhuǎn)車道外置存在與長(zhǎng)期形成的駕駛習(xí)慣不符、必須設(shè)置左轉(zhuǎn)專用相位及左轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)間略長(zhǎng)等弊端.

本文主要論述在其他因素不變的情況下，單一影響因素的變化，導(dǎo)致左轉(zhuǎn)車道內(nèi)外置兩種方案的延誤變化特征及規(guī)律.對(duì)于多因素綜合影響下的左轉(zhuǎn)車道設(shè)置位置的判定，具有一定的局限性.上述問(wèn)題可在本研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合建模分析，進(jìn)行更深入的探究.