“借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)研究及應(yīng)用

翁章斌, 周晨靜, 湯宇皇, 朱安康

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司, 北京 100032；2.北京建筑大學(xué)，北京 100032 3.北京千方科技集團(tuán)有限公司，北京 100089；4.杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司，杭州 310000)

最大限度利用信號交叉口時空資源、提升信號交叉口通行能力，是信號交叉口交通組織研究的核心目標(biāo).綜合車道布局、車流組織、信號控制是進(jìn)行交叉口組織模式研究的基本手段.當(dāng)前常見信號交叉口組織模式有兩相位直行左轉(zhuǎn)同時放行、三相位控制先直行后左轉(zhuǎn)、四相位控制先直行后左轉(zhuǎn)等，分別適用不同交通流量條件.為更進(jìn)一步提升交叉口通行能力，交通工程實(shí)踐人員提出“借道左轉(zhuǎn)”這一新型組織模式，該模式實(shí)現(xiàn)了左轉(zhuǎn)車輛的提前排隊(duì)，充分利用路口道路資源，可減少延誤，提高了路口飽和流量的通行速度.為進(jìn)一步推廣技術(shù)應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)對其技術(shù)原理、適用條件、效果分析等做出系統(tǒng)性研究.

1 “借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)原理

“借道左轉(zhuǎn)”交通管控模式指在交叉口出口車道設(shè)置雙向行駛車道，在進(jìn)口道停止線前設(shè)置第2條停止線，并在中央隔離帶設(shè)置1個出口，通過合理的設(shè)置標(biāo)志標(biāo)線及預(yù)信號燈，引導(dǎo)在路口即將左轉(zhuǎn)的車輛進(jìn)入出口道設(shè)置的雙向行駛車道，借用出口車道疏導(dǎo)左轉(zhuǎn)車輛[1-3].對應(yīng)控制組織形式由當(dāng)前“先直行后左轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)換為“先左轉(zhuǎn)后直行”.該交通組織模式單個入口設(shè)施布局示意如圖1所示，具體相位分布如圖2所示.

圖1 “借道左轉(zhuǎn)”交通管控示意圖

圖2 單個入口相位分布示意圖

與傳統(tǒng)組織方式相比，該模式增加了路段信號燈控制左轉(zhuǎn)車流進(jìn)入雙向行駛車道，合理的設(shè)置第2條停車線的具體位置是實(shí)現(xiàn)該組織模式的關(guān)鍵.如下圖3所示，某一進(jìn)口道的交通流量、前后相鄰的兩交叉口間距、該進(jìn)口道公交站的設(shè)置情況是影響第1停車線和第2停車線間距的主要因素.

圖3 設(shè)置第2停車線的主要影響因素

第2停車線的位置設(shè)置與進(jìn)口道交通車流量的大小息息相關(guān).進(jìn)口道交通車流量與兩停車線之間的間距D的關(guān)系可通過圖4的非線性曲線描述，即：D=f(Q).在一定的交通流量范圍內(nèi)，2條停車線的間距與到達(dá)進(jìn)口道的交通流量呈正相關(guān)，流量越大，2條停止線的間距就越大，但間距D的值需保證在一個合理的范圍內(nèi)；如果前后2個交叉口的間距L小于200 m，受到進(jìn)口道排隊(duì)長度、交叉口間車輛運(yùn)行效率等因素的影響，不適宜開展“借道左轉(zhuǎn)”的交通管控措施.交叉口上游若設(shè)置有公交站，則公交站點(diǎn)距離進(jìn)口道第1停止線的距離BL應(yīng)大于兩停止線的間距D.

圖4 兩停車線間距與交通流量的關(guān)系

2條停止線的間距D可稱“借道左轉(zhuǎn)”區(qū)域長度，間距D的長度由進(jìn)口道1個周期內(nèi)各轉(zhuǎn)向所能允許的最大停車排隊(duì)長度加上車輛實(shí)現(xiàn)安全變道所需的安全距離.

(1)

式中，q為在高峰小時內(nèi)，1個信號周期相應(yīng)的信號相位內(nèi)抵達(dá)交叉口的車輛數(shù)；n為對應(yīng)某一相位的車道數(shù)量；L停為排隊(duì)過程中前后輛車之間的安全停車間距；L安為車輛變換車道所需要的縱向距離長度，車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑R以及車輛變道橫向移動距離W是影響該長度的關(guān)鍵因素.

L安=R2-(R-W)2

(2)

2 “借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)適用條件分析

由“借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)原理分析可知該模式對道路條件有一定要求，具體如下：

1)信號交叉口入口道需有足夠的空間，上下游交叉口間距宜大于200 m.

2)信號交叉口入口車道應(yīng)大于等于3車道.

3)適用的交叉口需要滿足進(jìn)口車道數(shù)和出口車道數(shù)相匹配，且進(jìn)口車道的渠化展寬少.

4)適用于進(jìn)口左轉(zhuǎn)交通流量相對較大、左轉(zhuǎn)排隊(duì)長度過長的交叉口.

5)適用于原發(fā)性擁堵點(diǎn)，且下游交叉口能接收上游交叉口的流量.

3 “借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)應(yīng)用效果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)交叉口選取

依據(jù)適用性條件篩選出北京市長椿街-宣武門西大街路口作為實(shí)驗(yàn)交叉口進(jìn)行研究.

3.1.1 實(shí)驗(yàn)交叉口幾何條件

宣武門西大街與長椿街交叉口為平面十字交叉口，宣武門西大街呈東西走向，長椿街位于交叉口南側(cè)，交叉口北側(cè)是鬧市口大街.該路口4個方向的道路橫斷面形式均為3塊板，道路中央設(shè)置隔離護(hù)欄.東進(jìn)口道的渠劃設(shè)計為3直1直右，出口為4車道，進(jìn)口導(dǎo)向車道長度為60 m；西進(jìn)口渠劃設(shè)計為2左4直1右，出口為4車道，進(jìn)口導(dǎo)向車道長度為60 m；南進(jìn)口渠劃設(shè)計為2左2直1右，出口為3車道，進(jìn)口導(dǎo)向車道長度為60 m；北進(jìn)口渠劃設(shè)計為1左2直2右，出口為4車道，進(jìn)口導(dǎo)向車道長度為45 m.

宣武門西大街：西進(jìn)口道上游有1處主路入口，距離進(jìn)口道290 m；東進(jìn)口道上游有1處輔路入口，距離進(jìn)口道90 m、東出口道下游有1處輔路入口，距離出口道345 m.

長椿街：北進(jìn)口道上游有1處主輔路出入口,距離進(jìn)口道120 m、南進(jìn)口道上游有1處路側(cè)出入口，距離進(jìn)口道38 m、南出口道下游有1處主輔路出入口，距離出口道200 m.

3.1.2 實(shí)驗(yàn)交叉口控制條件

宣武門西大街與長椿街交叉口的現(xiàn)狀采用信號控制，該信號控制共4個信號相位；根據(jù)該交叉口管控條件，東進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車輛禁止通行；根據(jù)實(shí)地調(diào)研，該交叉口的信號控制類型為感應(yīng)式控制，信號配時方案隨著交叉口流量的變化而變化；筆者所在團(tuán)隊(duì)對該交叉口的信號控制進(jìn)行調(diào)查，并對其中1次信號周期開展分析，該信號周期時長5’15”，每個信號相位黃燈4”，全紅4”，見表1.

表1 路口現(xiàn)狀信號配時表

3.1.3 實(shí)驗(yàn)交叉口流量條件

2015年7月對宣武門西大街與長椿街交叉口進(jìn)行了為期一周的交通量調(diào)查，獲取了早高峰(07:00—09:00)、晚高峰(17:00—20:00)該交叉口交通流量數(shù)據(jù)，參考CJJ37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》中的車輛換算系數(shù)，對該路口的交通量進(jìn)行折算.該交叉口各進(jìn)口道的交通流量及排隊(duì)長度分別見表3、表4.

表2 《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》車輛換算系數(shù)

表3 路口交通量統(tǒng)計表 輛

表4 車輛排隊(duì)統(tǒng)計 輛/周期

3.2 實(shí)驗(yàn)交叉口現(xiàn)狀運(yùn)行評價

3.2.1 交通量及通行能力分析

根據(jù)以上調(diào)查數(shù)據(jù)分析，宣武門西大街與長椿街交叉口主要交通壓力集中在東、西進(jìn)口道上，沒有明顯的潮汐現(xiàn)象，無論是早高峰還是晚高峰，交叉口的飽和度均較高；與東西向不同，南、北進(jìn)口道的交通壓力較小，且潮汐現(xiàn)象較為明顯.

對現(xiàn)狀交叉口的理論通行能力進(jìn)行了計算[4-5]，并對服務(wù)水平進(jìn)行了估算：

(3)

圖5 西進(jìn)口道交通流量與車輛排隊(duì)長度分析

通過分析晚高峰期間該交叉口交通流量與車輛排隊(duì)長度的數(shù)據(jù)，總結(jié)得出該交叉口主要存在以下問題：

西進(jìn)口道直行相位存在一定的延誤，每1個相位實(shí)際通過交叉口的車流量小于理論計算值；若1個周期內(nèi)進(jìn)口道的排隊(duì)長度小于實(shí)際和理論綠燈通過的車輛數(shù)，則可能存在有效綠燈時間的末尾出現(xiàn)無車通過交叉口的現(xiàn)象.

由于西進(jìn)口道設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)，存在部分原本在直行車道的車輛在待轉(zhuǎn)區(qū)違規(guī)排隊(duì)，導(dǎo)致左轉(zhuǎn)實(shí)際綠燈通過交叉口的車輛數(shù)大于理論計算值，并且左轉(zhuǎn)排隊(duì)的車輛數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際綠燈通過交叉口的車輛數(shù)，說明左轉(zhuǎn)的能力供給不能滿足左轉(zhuǎn)的交通需求.

根據(jù)交叉口的服務(wù)水平評價指標(biāo)[6]，對該路口的服務(wù)水平進(jìn)行劃分，交叉口處于不穩(wěn)定的交通狀態(tài)，進(jìn)口道擁擠嚴(yán)重，車輛存在較大的延誤，為四級服務(wù)水平.

3.2.2 其他交通設(shè)施對該交叉口的影響

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，主要路段的出入口、公交車站、人行橫道、相鄰交叉口等對該交叉口基本無影響.

3.3 基于“借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)交叉口管控方案設(shè)計

通過實(shí)地調(diào)研分析，宣武門西大街與長椿街交叉口在高峰期間西進(jìn)口道需要左轉(zhuǎn)的車輛數(shù)較多，現(xiàn)有交通設(shè)施及信號控制不能提供足夠的左轉(zhuǎn)通行能力，導(dǎo)致西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)的車輛在路口處排隊(duì)，短時間內(nèi)難以消散，造成車輛延誤較大，交通擁堵.

團(tuán)隊(duì)針對該交叉口現(xiàn)存的交通問題，對西進(jìn)口道采用“借道左轉(zhuǎn)”的控制措施，具體設(shè)計方案如下：

根據(jù)上述兩停止線間距D的計算公式，輸入西進(jìn)口道交通流量等條件，計算得出宣武門西大街與長椿街交叉口西進(jìn)口道兩停止線間距D的最佳長度為120 m.西進(jìn)口道設(shè)置4條直行車道，2條左轉(zhuǎn)車道，并“借用”西出口道2車道作為左轉(zhuǎn)車道，設(shè)置1條右轉(zhuǎn)車道.

圖6 該交叉口設(shè)計方案信號相位

為更好地闡明設(shè)計方案的信號控制，將位于該交叉口第1條停車線的信號燈定義為“通行信號燈”，借用西出口道靠近中央隔離帶的2條車道分別定義為①車道和②車道；將位于第2條停車線前的信號燈定義為“誘導(dǎo)信號燈”，并將第2條停車線前的兩條車道定義為①′車道和②′車道.

該交叉口的信號控制仍然采用四相位，與現(xiàn)狀的信號控制基本無異，具體相位放行方式如下：

第1相位：

通行信號燈相位1：西進(jìn)口道全綠；

誘導(dǎo)信號燈相位1：綠燈直行，待行車輛進(jìn)入2條左轉(zhuǎn)車道，通過交叉口.

第2相位：

通行信號燈相位2：左轉(zhuǎn)信號燈變紅，東西向直行信號燈變綠.

誘導(dǎo)信號燈相位2：綠燈直行，待行車輛直行進(jìn)入2條左轉(zhuǎn)車道，等待左轉(zhuǎn).

第3相位：

通行信號燈相位3：南北左轉(zhuǎn)綠燈；

誘導(dǎo)信號燈相位3：紅燈，車輛位于第2停止線前等待；

第4相位：

通行信號燈相位4：南北直行綠燈；

誘導(dǎo)信號燈相位4：綠燈，等待的車輛分別進(jìn)入①和②車道.

團(tuán)隊(duì)根據(jù)經(jīng)典Webster配時法[7]，計算該信號控制不同相位綠燈時長，該交叉口設(shè)計方案的信號周期時長為5′15″，各信號相位時長見表5：

表5 該交叉口設(shè)計信號配時表

圖7 該交叉口信號配時圖

3.4 管控方案仿真評價

1)路口建模

根據(jù)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，利用VISSIM微觀仿真軟件建立仿真模型如圖8所示[8-9]：

圖8 交叉口建模

2)仿真運(yùn)行

建好的交叉口微觀模型開展仿真分析.

圖9 交叉口仿真運(yùn)行

3)輸出結(jié)果

通過微觀仿真模擬，對通過路口的交通量、車距延誤、最大排隊(duì)長度等指標(biāo)進(jìn)行前后方案的效果評價.

4)設(shè)計優(yōu)化方案仿真

圖10 交叉口設(shè)計優(yōu)化方案

表6 長椿街現(xiàn)狀仿真數(shù)據(jù)

表7 長椿街(設(shè)計方案)仿真數(shù)據(jù)

5)仿真效果評價

表8 該交叉口改造前后方案對比

根據(jù)以上分析，本文旨在論證“借道左轉(zhuǎn)”的管控方式能提升交叉口左轉(zhuǎn)通行能力，控制單一變量，前后對比的2個方案除了西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)信號控制不同外，其他條件一致.根據(jù)對比結(jié)果，該交叉口西進(jìn)口道通過“借道左轉(zhuǎn)”提升了交叉口的運(yùn)行效率，對直行車道無優(yōu)化效果，左轉(zhuǎn)通行能力提升72.2%，能較好的滿足該交叉口西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)的交通需求.

4 應(yīng)用前景與不足

“借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)可有效解決交叉口進(jìn)口車道左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)過長的問題，將有限的交叉口道路資源高效整合，提高交叉口運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升交叉口的通行能力.該技術(shù)的應(yīng)用，在配套工程方面主要涉及標(biāo)志標(biāo)線等交通工程設(shè)施，相對于渠化拓寬等大規(guī)模土建施工，改造所需工程量較小，投資相對較低.根據(jù)仿真結(jié)果，“借道左轉(zhuǎn)”交通管控技術(shù)的應(yīng)用可有效提升交叉口的通行能力，但在實(shí)際運(yùn)營過程中可能存在駕駛行為、駕駛習(xí)慣等方面的不確定因素，需要在實(shí)踐過程中加以關(guān)注，尤其是“先直行后左轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋茸筠D(zhuǎn)后直行”對于過路行人通行習(xí)慣也有較大影響.