交叉口待行區(qū)設(shè)置條件與通行效能分析

胡建偉, 顧金剛

(1.公安部交通管理科學研究所, 江蘇無錫 214151;2.無錫華通智能交通技術(shù)開發(fā)有限公司, 江蘇無錫 214122)

0 引言

道路交叉口作為城市道路的瓶頸節(jié)點,其交通組織與渠化形式將直接影響整條道路的通行狀態(tài)[1-2],合理優(yōu)化局部關(guān)鍵節(jié)點的空間布局是提升道路服務水平的關(guān)鍵所在。 待行區(qū)作為一種縮減交叉口幾何面積、緩解進口道排隊溢出的有效交通組織方式,正日益得到交通管理者青睞并被廣泛應用,根據(jù)實際管控需求逐漸衍生出左轉(zhuǎn)待行區(qū)、直行待行區(qū)與雙待疊加待行區(qū)3 種交通組織形式。

國內(nèi)外專家學者針對機動車待行區(qū)的設(shè)置條件與方法開展了廣泛研究,Ousama[3]研究論證了左轉(zhuǎn)專用車道可有效組織進入相應待行區(qū)的車流;Ding[4]著重探討了左轉(zhuǎn)、直行待行區(qū)的設(shè)置條件與方法;Oppenlander 等[5-6]基于流量、周期、綠信比等參數(shù)構(gòu)建微觀交通仿真模型,研究確定左轉(zhuǎn)待行區(qū)的排隊空間要求;鄧明君[7]提出了基于公交優(yōu)先的交叉口綜合待行區(qū)設(shè)計方法并進行實用性驗證;鄭佐雄[8]提出了一種基于層次分析概念的綜合待行區(qū)全感應控制策略;李靜[9]結(jié)合微觀交通仿真、事故預測模型、尾氣排放模型等方法,建立了交叉口左轉(zhuǎn)待行區(qū)綜合效益評估體系;文獻[10]基于多元復雜場景交通管控需求特征,提出了多維控制目標與指標體系,可為交叉口待行區(qū)通行效能分析與測評提供方法支撐。 然而,現(xiàn)有研究尚未考慮從不同維度明確待行區(qū)的設(shè)置時空要求,缺乏對于待行區(qū)實際通行效能的理論分析與驗證,從而導致實施推廣過程中難免存在不同程度的爭議與誤區(qū)。

對此,本文面向城市交叉口待行區(qū)交通組織需求,研究左轉(zhuǎn)、直行與綜合待行區(qū)的設(shè)置條件,基于不同轉(zhuǎn)向車流消散運行規(guī)律圖,分別以“停止線”與“沖突點”為參照系,以左轉(zhuǎn)待行區(qū)為例分析待行區(qū)設(shè)置前后的通行效能變化情況,并應用VISSIM 軟件進行仿真實現(xiàn),反映不同綠信比分配狀況下左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后的通行能力變化情況,從而驗證基于“停止線”與“沖突點”參照系條件下的通行效能理論推導模型的科學性與有效性。

1 設(shè)置條件

1.1 空間要求

1.1.1 左轉(zhuǎn)待行區(qū)

為保證待行區(qū)的長度和寬度要求,左轉(zhuǎn)待行區(qū)通常設(shè)置于有中央分隔帶的交叉口,其設(shè)置幾何條件如下。

(1)交叉口進口具備左轉(zhuǎn)專用車道。

(2)待行車輛與對向直行及待行區(qū)需保證一定安全距離。 由于車輛橫向安全距離一般為1 ～2 m,考慮到交叉口內(nèi)部車速較低且待行區(qū)內(nèi)車輛相對靜止,故最小橫向安全距離可取1 m,即待行區(qū)端部與上一相位放行車流軌跡外側(cè)應保證1 m 以上安全間距,即如圖1 所示x1≥1 m。 此外,當進口道無非機動車通行或非機動車組織二次過街時,對向待行區(qū)之間距離應滿足x2≥1 m;當非機動車跟隨機動車左轉(zhuǎn)時,應保證4.5 m 以上安全距離,條件受限時不得低于3.5 m。

圖1 左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置幾何條件示意圖

(3)為避免車輛行駛不暢、發(fā)生側(cè)滑等危險,應保證待行區(qū)轉(zhuǎn)彎半徑R≥25 m。

(4)為保證待行區(qū)實施效果,左轉(zhuǎn)待行區(qū)蓄車空間應盡可能滿足2 ～3 輛以上標準小汽車停車需要。

(5)設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)后,必須滿足交叉口安全視距要求,通常針對設(shè)計速度30 km/h 的交叉口要求其識別距離不小于70 m。

1.1.2 直行待行區(qū)

直行待行區(qū)應用場景相對較少,適用于進口道停止線后置且相交道路路幅較寬的交叉口,其設(shè)置幾何條件如下。

(1)交叉口進口具備直行專用車道。

(2)由于直行待行區(qū)對向設(shè)置互不影響,因此僅需考慮直行待行車輛與上一相位左轉(zhuǎn)車輛的安全距離。 當直行待行跟隨相交方向左轉(zhuǎn)車輛通行時應滿足圖2(a)中x1≥1 m,當直行待行跟隨本方向左轉(zhuǎn)車輛通行時應滿足圖2(b)中x1≥1 m。

圖2 直行待行區(qū)設(shè)置幾何條件示意圖

(3)為保證待行區(qū)實施效果,直行待行區(qū)蓄車空間宜滿足2 ～3 輛以上標準小汽車停車需要。

1.1.3 雙待疊加待行區(qū)

雙待疊加屬于交叉口新型交通組織方法,其設(shè)置幾何形式如圖3 所示,需滿足的空間條件要求如下。

圖3 雙待疊加設(shè)置幾何條件示意圖

(1)交叉口進口需同時具備直行與左轉(zhuǎn)專用車道。

(2)待行區(qū)需同時滿足x1≥1 m 和x2≥1 m 的安全距離要求。

(3)交叉口設(shè)計左轉(zhuǎn)半徑不宜小于25 m。

(4)左轉(zhuǎn)和直行待行區(qū)蓄車空間以2 ～3 輛以上標準小汽車為宜。

(5)雙待疊加的設(shè)置需滿足安全視距要求,對應于30 km/h 的設(shè)計速度其識別距離不得小于70 m。

1.2 時間要求

鑒于相關(guān)研究[11-12]對于左轉(zhuǎn)和直行待行區(qū)單獨設(shè)置時的時間條件已作出明確界定,本節(jié)不再贅述,僅研究確定綜合待行區(qū)的設(shè)置時間要求如下。

(1)綜合待行區(qū)交通組織對象應為信號控制平面交叉口。

(2)交叉口通常為四相位對稱放行信號控制方式。

(3)雙待疊加的進口信號放行相序可以根據(jù)實際需要進行選擇,當優(yōu)先解決左轉(zhuǎn)車輛長排隊問題時,相序宜選擇先直行后左轉(zhuǎn);當優(yōu)先解決直行車輛長排隊問題時,相序選擇宜先左轉(zhuǎn)后直行,如圖4 所示。

圖4 不同相序設(shè)置條件下的雙待疊加待行區(qū)示意圖

2 通行效能

為充分聚焦研究對象,本節(jié)以左轉(zhuǎn)待行區(qū)為例展開分析,說明待行區(qū)設(shè)置前后的通行效能變化特征,直行待行區(qū)與雙待疊加待行區(qū)的作用原理亦與之相似。 左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置的基本思想是充分利用交叉口的時間資源和空間資源,在不影響上一直行相位的基礎(chǔ)上,在紅燈末期合理時間內(nèi)提前進入交叉口等待或者直接通行,從而充分利用交叉口空間資源,減少左轉(zhuǎn)相位時間,縮短交叉口信號周期,達到提高交叉口通行能力的目的。 鑒于左轉(zhuǎn)待行區(qū)應用范圍相對廣泛,但實際交通組織效益尚未得到理論證實,因此,有必要進一步量化分析左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后對于節(jié)點通行效率的影響,為實際工程應用實施提供理論依據(jù)與指導。

圖5 描述了直行與左轉(zhuǎn)消散運行規(guī)律,其中,左轉(zhuǎn)相位設(shè)置形式為鄰接上一直行相位的放行方式。曲線l1(圖中黃色曲線)為設(shè)置左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)后的左轉(zhuǎn)車流消散運行狀況,曲線l2(圖中藍色曲線)及其與l1的重合部分為常規(guī)放行方式左轉(zhuǎn)車流的消散運行狀況。 由關(guān)系圖分析可知,由曲線l1、l2以及坐標橫軸所包絡(luò)的陰影部分面積等同于左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后的綠燈間隔時差范圍內(nèi),左轉(zhuǎn)車流以飽和流率通過停止線的流量總和,為表述方便,此處不妨定義為“綠燈間隔時差流量”DL。

圖5 左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后交通流消散運行規(guī)律(以停止線為參照系)

結(jié)合圖6 所示的左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后交叉口沖突關(guān)系,分別以進口道停止線和交叉口沖突點為參照系,進一步分析給定相位時長條件下左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后對應的通行能力變化特征。

圖6 左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后交叉口沖突關(guān)系

2.1 以停止線為參照系

若以進口道停止線為參照系進行分析,如圖5所示,則至左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)放行方式頭車啟動時刻,常規(guī)放行方式對應時刻點已通過停止線的車流量為:

考慮到待行區(qū)內(nèi)停駛的車輛為左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)通行車流的組成部分,二者消散運行規(guī)律形態(tài)僅存在一個綠燈間隔時差的偏移量。 因此,問題可簡化為對比綠燈間隔時差流量與左轉(zhuǎn)待行區(qū)可存儲車輛數(shù)之間的關(guān)系。

定義車輛在交叉口的運行速度為v,排隊車頭間距為lh,則由分析可知左轉(zhuǎn)待行區(qū)可用于排隊的最大左轉(zhuǎn)車輛數(shù)為:

為便于各項指標之間進行量化分析與對比,可定義左轉(zhuǎn)待行優(yōu)化目標函數(shù)P進行說明,則有:

由式(3)計算結(jié)果可知,判斷以停止線為參照系條件下設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)的優(yōu)劣性僅與交叉口車輛運行速度、排隊車頭間距以及左轉(zhuǎn)飽和流率相關(guān),與待行區(qū)長度并無明顯關(guān)聯(lián),而設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)的通行效益則與其自身長度密切相關(guān)。 為進一步量化對比說明,一般條件下,設(shè)車輛在交叉口的行駛速度為8 m/s,排隊車輛間距為7 m/pcu,左轉(zhuǎn)飽和流率為1 650 pcu/h≈0.46 pcu/s,則通過計算可知,當待行區(qū)設(shè)置長度達到20 m,即待行區(qū)近似可容納3 pcu時,單位周期通行能力提升約2 pcu/cycle。 因此,建議對于有條件的交叉口,施劃左轉(zhuǎn)待行區(qū)的車道長度不宜小于20 m。

2.2 以沖突點為參照系

若以沖突點為參照系進行信號配時,常規(guī)放行方式條件下,圖6(a)中直行與左轉(zhuǎn)車流的行程時間需滿足圖5 中對應的時序關(guān)系,如式(4)所示。

需要說明的是,上式中,當因交叉口面積較大或左轉(zhuǎn)停止線后移,致使tT≤lsl+tL時,圖5 中左轉(zhuǎn)車流啟動時刻t′6將向左偏移,即上一相位直行清場時間與本相位左轉(zhuǎn)啟動時間存在一定的重疊區(qū)間,當式(5)的等式條件剛好能夠滿足時,可使得相位過渡損失時間達到最小。

設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)后,相位過渡綠燈間隔時間將進一步延長,對應的左轉(zhuǎn)車流消散起點較原先向右偏移,對應于圖6(b)中直行與左轉(zhuǎn)車流的行程時間需滿足的時序關(guān)系如式(5)所示。

實際運行過程中,由于待行區(qū)停止線距離沖突點較近,因此左轉(zhuǎn)行程時間t′L≈0,即滿足于相位過渡損失時間最小的臨界條件為t′T=lcT+lsl+rT。

綜上,以沖突點為參照系進行分析的基準時刻點,嚴格來說均為上一直行相位后補償時間的結(jié)束點t4,而無論采取何種交通組織方式,左轉(zhuǎn)車流頭車到達沖突點的時刻均相同,其區(qū)別僅在于同等時刻兩種交通組織方式的車流運動狀態(tài)稍有差異,即受到啟動波傳遞因素的影響,可用于常規(guī)放行方式的車流啟動波傳遞時間將大于左轉(zhuǎn)待行放行方式,二者差值為tL-t′L,以沖突點為參照系的流率變化差異如圖7 所示。

圖7 左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后交通流消散運行規(guī)律(以沖突點為參照系)

實際信號控制實施過程中,采用信號遲啟控制方式等同于以沖突點為參照系的信號配時設(shè)置方式,由以沖突點為參照系的通行能力對比分析結(jié)果可知,當左轉(zhuǎn)飽和流量SL取1 650 pcu/h,綠間隔時差取一般值3 ～4 s,則通過優(yōu)化目標函數(shù)P的公式近似計算可知,采用信號遲啟控制方式能夠使得待行區(qū)單位周期通行能力提升約1.7 pcu/cycle。

3 仿真案例

采用微觀仿真軟件VISSIM 建立節(jié)點左轉(zhuǎn)待行區(qū)仿真模型,如圖8 所示。 在交叉口渠化設(shè)計、信號周期、流量輸入等基本條件均衡不變的前提下,通過改變左轉(zhuǎn)相位綠信比設(shè)置,對比左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后的通行能力變化情況。 實驗過程中,為確保對比結(jié)果的有效性,需保證交叉口流量輸入相對較大,避免左轉(zhuǎn)相位的綠燈空放現(xiàn)象,因此固定左轉(zhuǎn)流量輸入為飽和流量1 650 pcu/h,以保證左轉(zhuǎn)車道時刻保持過飽和交通狀態(tài)。 同時,考慮到實際道路交通條件下,左轉(zhuǎn)信號相位綠信比一般小于0.5,故實驗設(shè)計左轉(zhuǎn)相位綠信比遞增上限為0.5,遞增步長取最小值0.1,實驗仿真輸出結(jié)果如圖9 所示。

圖8 節(jié)點左轉(zhuǎn)待行區(qū)VISSIM 仿真模型

圖9 左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置前后的通行能力隨綠信比變化情況

分析對比可知,左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置對于交叉口進口通行能力提升具有相對積極的作用,當左轉(zhuǎn)相位綠信比小于0.25 時,待行區(qū)設(shè)置前后通行能力隨著綠信比的增大呈穩(wěn)步上升趨勢,且待行區(qū)設(shè)置后實驗仿真結(jié)果輸出離散點整體分布處于上方,表明左轉(zhuǎn)待行區(qū)設(shè)置對于改善交叉口進口通行效能作用明顯;當左轉(zhuǎn)相位綠信比大于0.25 時,待行區(qū)設(shè)置后的通行能力增大幅度趨于離散,呈現(xiàn)一定的不穩(wěn)定特征,但相對效果仍可表明此時待行區(qū)設(shè)置對于通行效能提升意義顯著。

4 結(jié)論

本研究基于城市大規(guī)模道路擴建與進口渠化拓寬的現(xiàn)實背景,論述了設(shè)置路口待行區(qū)的必要性,提出了設(shè)置左轉(zhuǎn)、直行與綜合待行區(qū)的時間與空間條件,基于“停止線”與“沖突點”兩類參照系,運用車流消散運行規(guī)律圖,以左轉(zhuǎn)待行區(qū)交通組織方式為代表,分析待行區(qū)設(shè)置前后的通行效能變化情況,采用微觀仿真軟件VISSIM 構(gòu)建節(jié)點左轉(zhuǎn)待行區(qū)仿真模型,對不同參照系條件下的理論模型計算結(jié)果進行驗證。 分析結(jié)果表明,對于滿足本研究所提出的時間與空間設(shè)置要求的T型、十字或畸形交叉口待行區(qū),通過合理的交通組織與信號管控措施,確保進口道排隊車輛經(jīng)由待行區(qū)停止線時能夠?qū)崿F(xiàn)不停車通過,可以有效提升交叉口通行效能,實現(xiàn)道路時空緊約束條件下的交叉口內(nèi)部空間資源高效利用。