城市信號(hào)交叉口掉頭車道右置安全性能分析

城市信號(hào)交叉口掉頭車道右置安全性能分析*

劉駿郭唐儀▲劉英舜舒垚

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院南京 210094)

摘要為探索城市信號(hào)交叉口掉頭車道右置的可行性，分析交叉口的整體狀況，從交叉口幾何形狀、交通構(gòu)成和信號(hào)配時(shí)三方面對(duì)交叉口適應(yīng)性進(jìn)行分析；從安全層面對(duì)交叉口運(yùn)用交通沖突技術(shù)進(jìn)行安全性分析。結(jié)合某一T形交叉口，利用Vissim軟件進(jìn)行交通運(yùn)行仿真模擬，將得到的軌跡導(dǎo)入至SSAM軟件進(jìn)行沖突分析。采用交通沖突類型、沖突數(shù)目、沖突空間分布等指標(biāo)，對(duì)比分析了常規(guī)車道設(shè)置和掉頭車道右置2種交通渠化下的沖突特性。研究表明，城市主次道路相交信號(hào)交叉口，將掉頭車道右置可顯著減少交叉沖突、追尾沖突、變道沖突數(shù)目，增加沖突時(shí)間(TTC)，提升交叉口尤其是掉頭車流安全性。

關(guān)鍵詞交通安全；掉頭車道右置；沖突分析；SSAM

中圖分類號(hào)：U491.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-06-24修回日期：2014-10-21

作者簡(jiǎn)介：第一劉駿(1990-)，碩士研究生.研究方向：交通安全.E-mail:15195995842@139.com

通訊作者：▲郭唐儀(1984-)，博士，副教授.研究方向：交通安全.E-mail:transtor@mail.njust.edu.cn

Safety Analysis of Right-Located U-Turn Lane

at Urban Signalized Intersection

LIU JunGUO TangyiLIU YingshunSHU Yao

(SchoolofAutomation,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Abstract:To explore the feasibility of setting U-turn lane on the right most lane, This paper analyzes the intersection from three aspects: the shape of the intersection, traffic composition, and signal timing. The paper then evaluate the traffic safety of the intersection based on traffic conflict technique. Using a signalized T intersection as an example, a VISSIM simulation model is developed to simulate the traffic operation at the T intersection. The VISSIM trajectory file is exported into SSAM for the traffic conflict analysis. The conflict characteristics of conventional lane arrangement and the right-located U-turn lane arrangement are compared using the number of conflicts, type of conflicts, and the spatial distribution of conflicts. The results show that, at an intersection where a major road intersects with a minor one, locating the U-turn lane at the most right lane can reduce the number of cross-conflicts, rear end-conflicts, and lane change conflicts, and increases the time to collision (TTC). Thus, the safety performance of U-turn flow is improved by this innovative lane arrangement.

Key words:traffic safety; right-located U-turn lane; conflict analysis; SSAM

*國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51208261)、教育部人文社會(huì)科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(12YCZH062)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(30920140132033)資助。

0引言

在城市道路交通系統(tǒng)中，交通組成比較復(fù)雜，大量的車輛在城市平面交叉口處交織發(fā)生沖突，給交叉口通行帶來(lái)很大的壓力，容易造成交通擁堵，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致交通事故。所以，城市道路平面交叉口是城市道路交通的“瓶頸”。

城市道路平面交叉口處存在3個(gè)不同方向的車流：左轉(zhuǎn)車流、直行車流和右轉(zhuǎn)車流。其中，左轉(zhuǎn)車流不僅是產(chǎn)生沖突點(diǎn)的重要因素，而且也給對(duì)向直行車流的通行造成了很大的影響[1]。在城市信號(hào)控制交叉口處，為滿足掉頭需求設(shè)置掉頭車道，在常規(guī)信號(hào)控制交叉口，左轉(zhuǎn)掉頭車道一般都是設(shè)置在路段左側(cè)，但是城市信號(hào)交叉口橫斷面資源緊張，交叉口中央分隔帶的寬度不能夠滿足大型車輛的安全轉(zhuǎn)彎半徑，從而導(dǎo)致交通堵塞與交通事故。因此筆者提出將左轉(zhuǎn)掉頭車道右置，并對(duì)其適應(yīng)性和安全性進(jìn)行分析，對(duì)于以后一些特殊的城市信號(hào)交叉口渠化提供指導(dǎo)意義。

1掉頭車道右置適應(yīng)性分析

交叉口規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心思想就是組織在相交道路上的各種交通流，保證它們可以安全迅速地通過(guò)交叉口。所以在城市信號(hào)控制交叉口將掉頭車道右置時(shí)，在對(duì)整個(gè)道路系統(tǒng)進(jìn)行研究的前提下，根據(jù)交叉口道路相應(yīng)的道路等級(jí)、車輛種類、近期和遠(yuǎn)期規(guī)劃的交通量以及左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和直行的比例，從而判定將掉頭車道右置是否適應(yīng)這個(gè)交叉口的設(shè)計(jì)。

1.1幾何分析

對(duì)于城市信號(hào)交叉口的掉頭車道右置的適應(yīng)性分析，首先要從城市信號(hào)交叉口相交道路的道路等級(jí)進(jìn)行分析。不同的道路等級(jí)所要求的車道數(shù)及交通安全措施等是不同的。

城市信號(hào)交叉口相交道路等級(jí)相同的情況下，若相交道路均為城市大型主干道時(shí)，存在交通流量大、車輛類型復(fù)雜和過(guò)節(jié)行人多等因素，交叉口道路一般禁止掉頭或者設(shè)置為環(huán)形交叉口；而相交道路等級(jí)低的情況下，則可采取遠(yuǎn)引式掉頭左轉(zhuǎn)[2]，將掉頭車輛遠(yuǎn)引到城市主干道上，減少對(duì)低等級(jí)城市道路的改造。

當(dāng)城市信號(hào)交叉口相交道路存在主次之分時(shí)，城市信號(hào)交叉口主路上的直行車流量相比于左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)車流量應(yīng)較多，支路上的車流對(duì)于主路的交通流的影響較小。

因此只有當(dāng)城市信號(hào)交叉口相交道路存在主次之分時(shí)，適宜將城市信號(hào)交叉口主路的掉頭車道右置。

1.2交通組成

在城市信號(hào)交叉口處，車輛的組成比較復(fù)雜。各種型號(hào)的車輛在交叉口處匯合，其中大型車輛由于車輛幾何尺寸占據(jù)很大的空間，同時(shí)，大型車輛的低動(dòng)力性能影響著交叉口的通行能力[3]。

在城市信號(hào)交叉口將掉頭車道右置與右轉(zhuǎn)車道合并，則極大的增加了直行車輛的行駛效率，但是也壓縮了左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)的車輛空間，所以在將掉頭車道右置的情況下，要求左轉(zhuǎn)車和右轉(zhuǎn)車較直行車比例很小，對(duì)于交叉口的整體運(yùn)行能力影響較小。同時(shí)，將掉頭車道右置是為了方便大型車輛轉(zhuǎn)彎，極大的增加大型車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，降低大型車輛轉(zhuǎn)彎的交通事故，因此，在左轉(zhuǎn)車流量中大型車輛應(yīng)占有較大比例。

1.3信號(hào)配時(shí)

交通信號(hào)對(duì)交叉口時(shí)間資源的分配有多種方式，從最簡(jiǎn)單的兩相位固定模式到最復(fù)雜的多相位自適應(yīng)模式，不同的信號(hào)類型對(duì)于信號(hào)交叉口的通行能力和交通安全影響是不同的。

在城市信號(hào)交叉口，當(dāng)主次路交叉時(shí)，由于主路交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支路交通量，為保證交叉口車輛的行車安全，對(duì)于交叉口的信號(hào)相位一般設(shè)置為3相位或4相位，以防止主路左轉(zhuǎn)車輛與對(duì)向直行車輛發(fā)生碰撞，降低交叉口的通行能力，造成交通擁堵。

因此，針對(duì)城市信號(hào)交叉口掉頭車道右置，需要對(duì)其設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，從而減少其對(duì)于信號(hào)交叉口帶來(lái)的安全隱患，增強(qiáng)信號(hào)交叉口通行能力。

2掉頭車道右置安全性能分析

2.1掉頭交通空間設(shè)計(jì)

掉頭車輛的運(yùn)行過(guò)程是指車輛回轉(zhuǎn)180°，回轉(zhuǎn)寬度比車身寬度大且不允許任何物體在車輛運(yùn)行軌跡內(nèi)。掉頭車輛在運(yùn)行過(guò)程中，汽車的前后輪及車體前后突出的部分的回轉(zhuǎn)軌跡會(huì)隨著半徑的變化而變化。為保證車輛在掉頭過(guò)程中不被中央分隔帶和相鄰車輛相碰撞，需要考慮外側(cè)半徑。本文研究的車輛為小汽車和客車， 假設(shè)車輛轉(zhuǎn)彎的速度不低于15 km/h，以及車道寬度為3.5 m，2類車型的車長(zhǎng)、寬度，以及掉頭的最小半徑見(jiàn)表1。

表1　U-turn車輛的半徑要求

交叉口的空間設(shè)計(jì)參數(shù)主要為中央分隔帶和進(jìn)出口道，設(shè)計(jì)參數(shù)需要結(jié)合掉頭車輛的性能參數(shù)分析。

中央分隔帶寬度見(jiàn)式(1)[4]。假設(shè)進(jìn)口道掉頭車道寬度為W車道=3.5 m,R取軸半徑。

掉頭車輛需要一定寬度的中央分隔帶，以此滿足車輛足夠的轉(zhuǎn)彎半徑。掉頭路段中央分隔帶所需最低寬度尚無(wú)定論，根據(jù)《汽車庫(kù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》，小型車轉(zhuǎn)彎半徑最低為6 m，中型車轉(zhuǎn)彎半徑為8～10 m，由于交叉口的橫斷面資源相對(duì)緊張，中央分隔帶設(shè)計(jì)相對(duì)較窄，因此掉頭車輛采取從進(jìn)口道內(nèi)側(cè)匯入出口到次內(nèi)側(cè)或外側(cè)，見(jiàn)表2。

表2　中央分隔帶寬度與掉頭運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系表

針對(duì)于城市信號(hào)控制交叉口的車道數(shù)為2～4，所以在小型車相對(duì)較多的情況下，交叉口中央分隔帶的最小寬度值為2～4 m，而當(dāng)大型車輛占據(jù)很大的比例的情況下，為了交叉口交通安全，其中央分隔帶的最小寬度值為12～15 m[5]。

事故折減系數(shù)[6](crash reduction factor，CRF)又稱為事故折減率，是交通安全領(lǐng)域內(nèi)的1項(xiàng)重要參數(shù)，最早是由美國(guó)科學(xué)家提出。事故折減系數(shù)具體是指，在交通系統(tǒng)中由于某1項(xiàng)安全改善措施的實(shí)施而引起的交通事故數(shù)減少的百分率。在美國(guó)交叉口交通安全改善對(duì)策和CRF表中，對(duì)于交叉口幾何設(shè)計(jì)，改善措施“增大轉(zhuǎn)彎半徑”的事故折減系數(shù)是18%。因此，在交叉口渠化中增加左轉(zhuǎn)和掉頭車道的轉(zhuǎn)彎半徑可提高交叉口的安全性。

2.2交通沖突

城市交叉口處不同方向的車輛相互穿行會(huì)形成交叉，從而可能導(dǎo)致發(fā)生碰撞，碰撞點(diǎn)即為沖突點(diǎn)，沖突點(diǎn)越多，對(duì)于交叉口的交通安全和通行能力的影響就越大。從沖突點(diǎn)的嚴(yán)重性分析可知，沖突點(diǎn)對(duì)交叉口的安全影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合流點(diǎn)和分流。

考慮相交道路主路為雙向六車道，次路為雙向四車道，交叉口采用3相位信號(hào)控制，常規(guī)交通渠化與將左轉(zhuǎn)掉頭車道右置時(shí)的交通沖突數(shù)目見(jiàn)表3。

在用地緊張的城市信號(hào)交叉口，通過(guò)將掉頭車道右置，使交叉口掉頭在空間上成為可能。同時(shí)，在信號(hào)控制作用下，即使增加掉頭，交通沖突類型及其數(shù)目沒(méi)有變化。因此，在提高主線直行交通運(yùn)行效率的同時(shí)，滿足了掉頭需求，且安全性能得到了保障。

3實(shí)例分析

3.1交叉口基本狀況

南京理工大學(xué)2號(hào)門是1個(gè)T形交叉口(見(jiàn)圖1)，選取07:00～09:00時(shí)和17:00～19:00時(shí)作為調(diào)查時(shí)間段，最終得出的平均車流量，見(jiàn)圖1。從交叉口車流量可以看出主干道車流量很大，而且主要為直行車輛，南進(jìn)口道為南京理工大學(xué)，車流量小，對(duì)于主干道影響不大；而且由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，由于西進(jìn)口道為城市主干道，其掉頭車輛中公交車占有很大的比例。

圖1　南京理工大學(xué)2號(hào)門交叉口示意圖(單位：輛)

3.2交通仿真

3.2.1仿真流程

對(duì)于2種不同的交通渠化設(shè)計(jì)方案，其仿真流程見(jiàn)圖2。利用Vissim仿真軟件對(duì)2種不同的交通渠化設(shè)計(jì)進(jìn)行建模，對(duì)其轉(zhuǎn)彎、變道、停車和啟動(dòng)等狀況下的車輛行駛參數(shù)、信號(hào)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，使其能夠真實(shí)的反應(yīng)交通流的運(yùn)行狀況，最終仿真輸出包含車輛速度、加速度等信息的軌跡文件[7]，通過(guò)將運(yùn)行3 600 s的輸出軌跡文件導(dǎo)入到SSAM軟件，根據(jù)車輛運(yùn)行的情景設(shè)定參數(shù)，設(shè)定TTC=1.5 s，PET=5.00 s，追尾沖突極限角度為30°，交叉沖突角度為85°，運(yùn)算分析得到TTC，PET，maxS，DeltaS，maxD等指標(biāo)[8]。其中：TTC為沖突發(fā)生的時(shí)間;PET為前車通過(guò)某個(gè)位置后與后車通過(guò)同一位置時(shí)的時(shí)間差;maxS為整個(gè)沖突過(guò)程中2輛車的速度的最大值，DeltaS為駕駛?cè)瞬扇”茈U(xiǎn)措施瞬間2輛車的相對(duì)速度;maxD為沖突過(guò)程中后車的加(減)速度。通過(guò)對(duì)于現(xiàn)狀與常規(guī)情況兩種渠化設(shè)計(jì)下的數(shù)據(jù)從沖突類型與沖突嚴(yán)重程度的空間位置進(jìn)行分析。

圖2　SSAM仿真工作流程圖

3.2.2沖突類型、數(shù)量及嚴(yán)重性分析

沖突類型分為交叉、追尾、車道變換，而不同的沖突類型所帶來(lái)的嚴(yán)重程度也是不相同的，交叉沖突的嚴(yán)重程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于追尾和車道變換的嚴(yán)重程度，所以從交通沖突類型入手，統(tǒng)計(jì)各仿真指標(biāo)見(jiàn)表4。

1) 現(xiàn)狀與常規(guī)渠化設(shè)計(jì)下的追尾沖突的數(shù)量較多，所占比例較大，分別為65.4%，60.7%。

2) 現(xiàn)狀情況下的將掉頭車道右置的沖突數(shù)量明顯比按常規(guī)渠化設(shè)計(jì)的沖突數(shù)量減少，追尾、車道變換沖突分別減少了46.5%，59.7%。

表4　現(xiàn)狀與常規(guī)渠化設(shè)計(jì)的沖突類型特征

3) 現(xiàn)狀情況下的將掉頭車道右置的相對(duì)速度比常規(guī)渠化設(shè)計(jì)的相對(duì)速度高，但是由于在交叉口車輛速度有所降低，所以對(duì)于交叉口安全影響不大。

4)TTC值隨著車輛的行駛速度與相對(duì)速度的增大而減小，如交叉沖突通常發(fā)生在左轉(zhuǎn)彎車輛與對(duì)向直行車輛之間的沖突，速度高，相對(duì)速度較大，TTC值偏??；而交叉口追尾沖突車輛之間速度低，相對(duì)速度較小，TTC值偏大。所以，當(dāng)TTC值偏小時(shí)，其沖突的嚴(yán)重程度越高。由表4可知，將掉頭車道右置造成的追尾、車道變換沖突的平均TTC值比常規(guī)渠化下的增加了60.3%,28.6%，由此可以說(shuō)明將掉頭車道右置的渠化設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的沖突比常規(guī)渠化的嚴(yán)重程度低。

3.2.3沖突嚴(yán)重程度的空間位置分析

1) 現(xiàn)狀與常規(guī)渠化設(shè)計(jì)下分別占沖突總數(shù)的65.4%，60.7%，主要分布在交叉口停車線與紅燈期間最大排隊(duì)長(zhǎng)度處之間(見(jiàn)圖3、圖4)。由于在紅燈排隊(duì)期間，車輛之間的間距較近，當(dāng)車輛重新啟動(dòng)時(shí)，容易發(fā)生追尾沖突。

2) 常規(guī)交通渠化設(shè)計(jì)下的沖突數(shù)量較多，而轉(zhuǎn)彎掉頭車輛大多為大型車輛，轉(zhuǎn)彎半徑較大且轉(zhuǎn)彎速度較低，影響后面車輛的行駛速度，造成大量交通延誤；現(xiàn)狀情況下將掉頭車道右置后，由于為左轉(zhuǎn)掉頭車輛設(shè)置了單獨(dú)保護(hù)相位且轉(zhuǎn)彎半徑得到拓寬，沖突數(shù)量得到了有效的控制(見(jiàn)圖3)。

圖3　現(xiàn)狀交通渠化設(shè)計(jì)下的沖突位置分布

圖4　常規(guī)交通渠化設(shè)計(jì)下的沖突位置分布

3) 交叉口沖突位置所帶來(lái)的嚴(yán)重程度是不相同的，越接近于交叉口影響范圍所造成的嚴(yán)重程度越大。從現(xiàn)狀與常規(guī)交通渠化設(shè)計(jì)下的沖突位置的分布圖可以明顯的看出，在常規(guī)交通渠化設(shè)計(jì)下的交叉口沖突主要集中在掉頭車輛車道，掉頭車道不僅使車輛通行效率降低，而且也大大增加車輛追尾的幾率。所以將掉頭車道右置時(shí)，現(xiàn)狀交通渠化設(shè)計(jì)明顯降低了交通沖突。

通過(guò)現(xiàn)狀與常規(guī)交通渠化設(shè)計(jì)下的交通沖突類型以及沖突空間位置分析，可以得出：城市信號(hào)交叉口將掉頭車道右置時(shí)，不僅降低交叉口的交通沖突數(shù)量，而且沖突發(fā)生的空間位置也偏離了交叉口影響范圍，沖突的嚴(yán)重程度得到了降低，提高了交叉口的通行能力和安全性能。

4結(jié)束語(yǔ)

筆者提出在城市信號(hào)交叉口特殊情況下將掉頭車道右置，從掉頭車道右置的適應(yīng)性和安全性兩方面進(jìn)行分析，運(yùn)用Vissim和SSAM軟件對(duì)所選的案例進(jìn)行仿真，然后從沖突類型和沖突空間位置兩方面對(duì)將掉頭車道右置的交通渠化進(jìn)行安全性能分析，分析得出將掉頭車道右置后交叉口追尾、車道變換沖突分別減少了46.5%，59.7%。結(jié)論表明，特殊情況下的城市信號(hào)交叉口將掉頭車道右置時(shí)，其交叉口所造成的沖突數(shù)目明顯減少，而且沖突的嚴(yán)重程度也得到了明顯降低，由此城市信號(hào)交叉口的安全性能得到了提高，通行能力也明顯改善了。

本文研究的不足主要在于對(duì)掉頭車道右置的適應(yīng)性分析中，對(duì)于交叉口的交通組成狀況只是進(jìn)行定性分析，沒(méi)有從具體數(shù)值進(jìn)行分析，具體的數(shù)值定量需要對(duì)大量交叉口的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析。對(duì)于本文后續(xù)的工作我們需要對(duì)于交叉口車道的標(biāo)志標(biāo)線進(jìn)行規(guī)劃，在掉頭車道右置的交叉口需要設(shè)置明顯的標(biāo)志標(biāo)線提醒駕駛員，防止駕駛員行駛錯(cuò)車道。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳寬民,羅志忠.平面交叉口左轉(zhuǎn)車流的特性分析及對(duì)策研究[J].公路交通科技,2006(2):114-117.

CHEN Kuanmin, LUO Zhizhong. Analysis of feature of left turn traffic at level crossing and countermeasures[J]. Technology of Highway and Transport , 2006(2): 114-117.(in Chinese)

[2]Zhao Ronglong,Fan Jingjing,Liu Pan.Selection of optimal U-turn locations for indirect driveway left-turn treatments on urban streets[J].Journal of Southeast University(S1003-7985),2010,26(4):628-632.

[3]白玉瓊,章紅慶,黃俊.平面交叉口左轉(zhuǎn)交通組織方式的探討[J].交通工程,2003(4):40-43.

BAI Yuqiong, ZHANG Hongqin, HUANG Jun. Exploration of the left-turn vehicles′ organization at the traffic intersection[J]. Traffic Engineering, 2003(4): 40-43.(in Chinese).

[4]Liu Pan,Lu Jianjohn.Effect of U-turns on the capacity of signalized intersections[R].Washington.D.C:TRB National Research Council,2005.

[5]張海雷.信號(hào)控制交叉口掉頭交通設(shè)計(jì)研究[J].道路交通與安全,2009,9(6):6-10.

ZHANG Hailei. Research of the U-turn design in signalized intersection[J]. Road traffic and safety, 2009, 9(6): 6-10. (in Chinese).

[6]陸林軍,陸鍵,項(xiàng)喬君.事故折減系數(shù)及其在交通安全中的運(yùn)用[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào),2006(4):84-89.

LU Linjun, LU Jian, XIANG Qiaojun. Crash reduction factor (CRF) and its application in traffic safety[J]. Journal of Transportation Engineering and Information,2006(4): 84-89. (in Chinese).

[7]周嗣恩,李克平,孫劍.道路交叉口沖突仿真分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(5):32-37.

ZHOU Sien, LI Keping, SUN Jian. Traffic conflict smiulation analys is for urban road intersection[J]. China Safety Science Journal, 2009,19(5): 32-37.(in Chinese).

[8]Douglas Gettman, Larry Head. Surrogate Safety Measures from Traffic Simulation Models[R]. FHWA-RD-03-050, Washington DC：Siemens Gardner Transportation Systems, 2003.

[9]李銳,李林波,吳兵.基于VISSIM仿真的交叉口間接左轉(zhuǎn)適應(yīng)性研究[J].交通科技,2011(5):96-99.

LI Rui, LI Linbo, WU Bin. Study of the adaptability of indirect Left-turning at the intersection based on VISSM simulation[J]. Transportation Science & Technology, 2011(5): 96-99. (in Chinese).

[10]沈超群.一級(jí)公路非信號(hào)控制平面交叉口遠(yuǎn)引掉頭的適用性研究[D].上海：上海交通大學(xué),2013.

SHEN Chaoqun. Research on applicability of right followed by U-turn of unsignalized intersections on first-grade-highway[D]. Shanghai Jiaotong University, 2013.(in Chinese).