城市主干路信號控制交叉口車輛遠(yuǎn)引掉頭選址研究

鞏舜妹，馮松寶，段莉敏，陳元元，張啟貴

（宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

隨著機(jī)動車數(shù)量與日俱增，城市交通擁堵現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。城市道路平面交叉口屬于城市交通流的轉(zhuǎn)向點，匯集多向交通，交通是否擁堵與之聯(lián)系十分緊密。為提高城市路網(wǎng)的總體運行水平，改善交通控制與管理的方式，車輛遠(yuǎn)引掉頭技術(shù)逐漸受到關(guān)注，即將原左轉(zhuǎn)車輛設(shè)置為右轉(zhuǎn)，匯入最內(nèi)側(cè)車道后，直行進(jìn)入交叉口下游的中央分隔帶處，再進(jìn)行掉頭，最終完成左轉(zhuǎn)。AZIZI L.等［1］研究了遠(yuǎn)引掉頭技術(shù)的安全設(shè)計問題，以及回轉(zhuǎn)掉頭處轉(zhuǎn)彎半徑的大小對角度類碰撞問題 產(chǎn) 生 的 影 響，ZHAO R.L.等［2］研 究 了 交 通 管 理 控 制方式和遠(yuǎn)引掉頭的具體位置，張衛(wèi)華等［3］分析了T型交叉口在左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引設(shè)置前后的延誤問題，文獻(xiàn)［4-7］采用VISSIM交通仿真方法，對左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引掉頭的安全性和通行效率作了對比分析。但目前的研究對信號交叉口遠(yuǎn)引掉頭的選址分析較為模糊，本文針對信號控制交叉口的選址位置進(jìn)行具體研究，并對選址后車輛的平均延誤和行程時間進(jìn)行對比分析，根據(jù)流量的變化，確定出科學(xué)合理的車輛遠(yuǎn)引選址位置。

1 遠(yuǎn)引掉頭模式影響因素分析

車輛遠(yuǎn)引掉頭是“變相左轉(zhuǎn)”的一種具體形式，它是指在左轉(zhuǎn)需求適當(dāng)?shù)那疤嵯?，通過重新規(guī)劃道路交叉路口的交通組織形式，使次路左轉(zhuǎn)先右轉(zhuǎn)通過交叉路口，而后在主干路直行車道上行駛至最內(nèi)側(cè)車道，到達(dá)中央分隔帶開口時再進(jìn)行掉頭。相比于車輛直接左轉(zhuǎn)，車輛遠(yuǎn)引掉頭增加了車輛的繞行距離，但在左轉(zhuǎn)需求適當(dāng)?shù)那疤嵯?，可降低交叉口車輛的平均延誤和行程時間。傳統(tǒng)的交通組織方式和新型的遠(yuǎn)引掉頭交通組織方式分別見圖1和圖2。

圖1 傳統(tǒng)的交通組織方式

圖2 新型的遠(yuǎn)引掉頭交通組織方式

影響信號交叉口左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引掉頭的因素主要有主干路的中央分隔帶寬度、直行車道數(shù)、交通流狀況和遠(yuǎn)引掉頭開口處的具體位置。

（1）主干路的中央分隔帶寬度和直行車道數(shù)。根據(jù)機(jī)動車輛的實際運行環(huán)境，若左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引車輛在主干路上進(jìn)行掉頭，其掉頭處中央分隔帶的寬度至少為2 m，所對應(yīng)的交叉口處的直行車道數(shù)至少為2條，才能夠初步滿足左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引掉頭的初始條件。

（2）交通流狀況。根據(jù)現(xiàn)場交通流的調(diào)研情況，若要采用次路左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引掉頭的交通組織方式，主路的交通流需滿足一定的前提條件。通過實驗室的仿真模擬得出：當(dāng)主路交通流為900輛/（h·車道）時，實行次路左轉(zhuǎn)的車輛平均延誤和平均行程時間較少，但事故率較高；當(dāng)主路交通流為1 200輛/（h·車道）時，實行次路左轉(zhuǎn)的車輛平均延誤和行程時間較小，事故率也隨之降低；當(dāng)主路交通流為1 500輛/（h·車道）時，實行次路左轉(zhuǎn)的車輛平均延誤和行程時間均有所增加，事故率也隨之提高。

（3）遠(yuǎn)引掉頭開口處的具體位置。隨著交通流的不同，合理的遠(yuǎn)引掉頭開口處的位置也應(yīng)變化。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和實驗室的模擬仿真分析可知，主路交通流量的大小對遠(yuǎn)引掉頭位置的設(shè)置產(chǎn)生較大的影響。

左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引掉頭的選址需充分考慮到車輛的通行效率和行車安全2個方面。車輛的行程時間和車輛平均延誤反映了通行效率，車輛的速度方差間接反映了車輛的行車安全性。車輛行程時間是指車輛從起點到終點的行駛距離除以行駛速度，行程時間包括行駛時間和停車時間，是評價車輛通行效率的一個關(guān)鍵因素；車輛延誤是指車輛在行駛的過程中，駕駛員由于受到無法控制的外界因素或交通設(shè)施或其他相鄰車輛的阻礙所損失的時間，是評價車輛通行效率的又一個關(guān)鍵因素。速度方差是對速度數(shù)據(jù)離散程度的度量，是衡量速度偏離程度的重要指標(biāo)。依據(jù)對上述影響因素的具體分析，從提高整個交叉口的通行效率和安全性角度出發(fā)，選取車輛平均行程時間、車輛平均延誤和速度方差作為遠(yuǎn)引掉頭車輛掉頭處的評價指標(biāo)。

2 交通仿真模型建立與結(jié)果分析

2.1交通仿真模型建立

交通仿真模型建立的初始條件為：主干路與主干路相交，分別為雙向8車道與雙向6車道相交，但其中一條主干路的車流量較少，車道寬度均為3 m，道路路面平坦，東西方向的主干路（宿州大道）具備2 m及以上寬度的中央分隔帶，現(xiàn)狀的信號控制方案為傳統(tǒng)的四相位配時方式。交叉口現(xiàn)狀與遠(yuǎn)引掉頭開口位置分別見圖3和圖4。

圖3 交叉口現(xiàn)狀

圖4 遠(yuǎn)引掉頭開口位置

將圖4中左轉(zhuǎn)車輛遠(yuǎn)引掉頭點的位置分別設(shè)置為150 m、250 m和350 m，宿州大道流量為900輛/h、1 200輛/h和1 500輛/h，沿學(xué)府大道左轉(zhuǎn)流量為100輛/h、300輛/h和500輛/h。利用Vissim交通微觀仿真軟件對左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引掉頭點不同選址位置進(jìn)行仿真分析。在默認(rèn)設(shè)置中，中、大型車占5%的比例，小型車占95%的比例。交通仿真模型的建立過程主要包括以下3個步驟。

（1）利用Vissim交通微觀仿真軟件，構(gòu)建道路平面路網(wǎng)，輸入車流量等相關(guān)的比例參數(shù)，設(shè)置信號配時方案，確定現(xiàn)狀的交通組織方式。

（2）對東西主干路車輛遠(yuǎn)引掉頭點的位置進(jìn)行選定，以距離交叉口150 m處的中央分隔帶開口處作為初始遠(yuǎn)引距離，對每增加100 m的距離處的中央分隔帶開口位置都分別進(jìn)行模擬仿真實驗。

（3）將仿真后的車輛行程時間以及車輛平均延誤進(jìn)行前后對比分析，以此為依據(jù)確定遠(yuǎn)引掉頭的最佳選址位置。

2.2仿真結(jié)果及分析

2.2.1 行車安全性分析

車輛的速度方差是衡量車輛遠(yuǎn)引掉頭安全性的重要指標(biāo)，它是對速度偏離程度的衡量。根據(jù)對交通流理論的分析，在一定可變范圍內(nèi)，隨著遠(yuǎn)引掉頭距離的增加，車輛的安全性得到提高，但行車安全性的提高在一定程度上影響車輛的整體通行效率，為了更好地保障交通出行者自身的利益，還需考慮時間成本，直接左轉(zhuǎn)與遠(yuǎn)引掉頭所花費時間tz、ty分別為

式中，tz為機(jī)動車正常左轉(zhuǎn)所花費時間，W1為車輛總體延誤，L1為車輛轉(zhuǎn)彎的距離，V1為車輛轉(zhuǎn)彎時的平均速度，ty為車輛遠(yuǎn)引掉頭所花費時間，W2為車輛右轉(zhuǎn)的停車延誤，W3為中央分隔帶處的車輛等待延誤，L2為車輛交織區(qū)的長度，V2為車輛正常行駛時的速度。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)計算車輛行程時間，分析速度與速度方差的變化關(guān)系，并進(jìn)行多次數(shù)值模擬，得到圖5和圖6所示的變化關(guān)系。

由圖5知，隨著主干路掉頭距離的增加，遠(yuǎn)引掉頭車輛的速度呈現(xiàn)增加的趨勢。再結(jié)合圖6知，隨著車輛遠(yuǎn)引掉頭距離的增加，速度方差的波動呈現(xiàn)降低的趨勢，行車安全性提高，但當(dāng)遠(yuǎn)引掉頭位置位于400 m以上距離處時，速度方差的波動已趨于穩(wěn)定，不宜再設(shè)置遠(yuǎn)引掉頭開口。

圖5 速度隨掉頭位置變化折線圖

圖6 速度方差隨掉頭位置變化折線圖

2.2.2 通行效率分析

車輛平均行程時間差和平均延誤是評價遠(yuǎn)引掉頭車輛通行效率的關(guān)鍵指標(biāo)。本文主要對車輛平均行程時間和平均延誤進(jìn)行仿真分析，其中，平均行程時間之差為直接左轉(zhuǎn)的平均行程時間減去遠(yuǎn)引掉頭的平均行程時間。將仿真所輸出的評價結(jié)果進(jìn)行對比分析，具體見表1。

表1 （續(xù)）

表1 仿真評價輸出數(shù)據(jù)

由表1可知，當(dāng)遠(yuǎn)引掉頭開口距離分別在150 m、250 m和350 m時，平均行程時間差在每個區(qū)段大體呈現(xiàn)遞減的趨勢。隨著主路車流量和遠(yuǎn)引掉頭車流量的變化，直接左轉(zhuǎn)延誤和遠(yuǎn)引掉頭延誤呈非線性的變化。

3 結(jié)論

車輛遠(yuǎn)引掉頭交通組織方法可減少交叉口的信號相位數(shù)，可避免道路交叉口車流之間的互相干擾，在一定程度上提高了整個交叉口車輛的通行效率，保證了車輛交通組織的安全性。通過數(shù)次仿真模擬后得出如下結(jié)論。

（1）在控制車流量單一增加的前提下，車輛平均延誤基本呈現(xiàn)增加的趨勢。

（2）在掉頭位置和主路車流量固定的前提下，隨著左轉(zhuǎn)車流量的增加，平均行程時間差降低；在主路車流量和左轉(zhuǎn)車流量不變的前提下，隨著遠(yuǎn)引掉頭距離的增加，平均行程時間差大體呈現(xiàn)降低的趨勢；在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，不同的遠(yuǎn)引掉頭距離與交叉口的不同流量相匹配。