大型車占比例較高的左轉車道改進方案分析

米榮偉，王文強，趙 琴，盛玉剛

(南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

1 研究目的及意義

對于城市道路來說，交叉口是各類交通流的集散地，是道路交通的關鍵[2]。尤其是平面交叉口，占城市交叉口的比例相對較大，對城市道路至關重要。隨著我國汽車保有量再創(chuàng)歷史新高，交叉口的交通狀況越來越差，而左轉車輛中大型車輛又是交叉口交通管理的重點，在左轉車輛中大型車輛所占比例對交叉口的通行效率影響較大。目前，大部分交叉口的車道組合方式仍然是左直右，只有少數(shù)地區(qū)為了優(yōu)化交叉口服務水平，將交叉口的車道組合方式改為直左右等一系列的渠化方式，但是左轉車道的位置卻不能夠輕易改變，改變左轉車道的位置可以增加大型車輛的轉彎半徑，減少交通事故的發(fā)生[3]。本次研究的主要目的是改變車道水平位置對交叉口的安全性、通行能力的影響，以及在不同交通負荷和大型車比例下對交叉口通行效率的影響，并給出適合改變車道位置的情況。

2 交叉口的數(shù)據(jù)調查

為保證實驗精度，采用人工計數(shù)法進行交通量調查，用雷達測速儀觀測交叉口駛入車速，用錄像確定轉彎軌跡與沖突區(qū)域。調查數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 交叉口交通調查數(shù)據(jù)

注：小型客車速度分布為20～35 km/h，大客車速度分布為20～30 km/h

3 車道改變后交叉口整體通行能力分析

3.1 現(xiàn)有通行能力模型

本次研究選用4種交叉口計算通行能力的方法，分別為HCM2000、HCS軟件計算、城市道路規(guī)范法、轉彎半徑對通行能力的影響法。

3.1.1 美國HCM2000模型

建立在現(xiàn)有規(guī)劃的信號配時方案基礎上，通過對基本飽和流率進行折減最終得到飽和流率，飽和流率乘以g/c，得到一個車道組的通行能力。

3.1.2 HCS軟件

與HCM理論相同，輸入每個車道的車流量、信號燈的配時方案、車道寬度及大型車比例等，軟件就會自動得出每個車道組的通行能力。

3.1.3 城市道路規(guī)范法

采用《城市道路工程設計規(guī)范》[4]計算設計通行能力

(1)

3.1.4 轉彎半徑對通行能力的影響法

通過查閱文獻得到轉彎半徑對左轉通行能力的影響模型[5]，該模型假設車頭時距服從正態(tài)分布，從而得到由μ值作為代表的飽和車頭時距，并計算出此時的飽和流率。通過大量的數(shù)據(jù)擬合，得到飽和流率關于車道寬度、轉彎半徑的近似函數(shù)，即

y=1 580×[1+0.031(W-3)+

0.005 6(R-30)]

2.8≤W≤4，20≤R≤48.

(2)

式中：y為飽和流量，pcu/h；W為車道寬度，m；R為車道半徑，m。

3.1.5 估算通行能力計算

由實際調查的信號配時，對不同大型車比例的車頭時距表采用差值法計算出飽和車頭時距ht，利用式(3)可估算出交叉口的通行能力，其值和實際值較為接近

C=3 600(G/C1)/ht.

(3)

式中：ht為對應飽和車頭時距；G為對應車道綠燈時間；C1為信號燈周期時長。

3.2 改變車道后整體通行能力對比分析

在現(xiàn)有交通條件下，進行交叉口左轉車道位置變換，由原始的“左直右”布局調整為“直左右”布局(見圖1)。將上述4種模型的計算值與估算通行能力值進行匯總，如表2所示。

表2 現(xiàn)有左轉車道通行能力計算 pcu·h-1

圖1 左轉彎車道位置調整示意圖

從表2數(shù)據(jù)可以看出，由于HCM和HCS的這兩種模型計算均建立在“左直右”車道布局的基礎上，而改變車道位置前后右轉車道位置沒有發(fā)生顯著變化，所以在HCM計算過程中折減系數(shù)未發(fā)生改變，在計算直行車道的通行能力時尚未加入車道位置的折減系數(shù)，因此，HCM模型可以近似計算直行和右轉車道的通行能力。

城市道路工程設計規(guī)范的計算值偏小，這是因為該方法的計算結果為設計通行能力，還應除以V/C值才能得到實際通行能力值。因此，本研究不采用該方法。

轉彎半徑影響法的計算值與HCS值、估算通行能力值相差不大，且該方法考慮到轉彎半徑對通行能力的影響[6]，因此，采用該方法計算左轉通行能力。

用HCM法計算直行和右轉車道的通行能力，用轉彎半徑影響法計算左轉車道的通行能力，將改變車道布局前后的交叉口通行能力計算值制成如圖2所示的狀態(tài)。

由圖2可得，車道改變前后的通行能力沒有降低也沒有顯著提升(整體提高0.4%，左轉車道提高了4%)，改變車道組合方式以后左轉車道不能設置較為有效的左轉待行區(qū)，會對小型車輛的通行能力有小幅度的降低，但左轉待行區(qū)的設置對大型車輛的通行能力影響不是很顯著。綜上所述，改變車道后不會影響車道的通行能力。

圖2 車道改變前后通行能力分析

4 車道改變后交叉口通行效率分析

目前，影響交叉口通行效率的指標主要有延誤、排隊長度和飽和度。本次研究采用延誤作為判斷車道改變前后的交通效率主要指標，在平面信號交叉口中，影響延誤的因素較為復雜，為簡化問題，選用左轉比例、大型車比例、交通負荷作為本次研究的主要變量，并利用Vissim仿真軟件來觀察改變車道前后的交叉口延誤變化情況。

4.1 仿真準備

對車道改變前后的交叉口做出以下假設條件[7]：該交叉口為獨立交叉口，不受相鄰交叉口的影響；交叉口僅用于機動車通行，忽略行人與非機動車的影響；駕駛人均為理智駕駛人，且機動車性能相近；對改變前后的信號配時不做調整，并選用如圖3所示的信號配時[8]。

圖3 交叉口信號配時

仿真過程如圖4、圖5所示，選用Vissim默認公交車模型，其速度分布為20～30 km/h，選用Vissim默認小汽車模型，其速度分布為20～35 km/h。選用節(jié)點，并選擇排隊長度、平均延誤時間、污染排放等參數(shù)作為輸出數(shù)據(jù)。

圖4 改變車道前

圖5 改變車道后

由于存在4個進口方向，為突出研究重點，以實測流量換算后的標準小客車(PCU)作為輸入車輛，對改變車道前進行初次仿真運行，得到各進口道延誤時間，如圖6所示。

由圖6可知，東左轉的延誤最高，可達到平均66.08 s/輛。因此，選用東進口作為研究的主要進口，其他進口方向的研究與此相同。

同時，在多次仿真模擬中發(fā)現(xiàn)，當分別以實際車輛數(shù)、PCU車輛數(shù)作為輸入車輛來研究左轉比例及大型車比例帶來的影響時，改變車道前后的延誤差值很小，而當輸入車輛達到校正流率(校正流率=PCU/PHF)時，延誤差值有明顯變化。所以，在研究左轉比例和大型車比例的影響時，選用校正流率作為輸入車輛數(shù)。

4.2 左轉比例對改變車道前后交叉口延誤的影響

一般而言，左轉的車輛數(shù)會對整個交叉口的延誤有較大影響，本次研究通過上述的假設條件，采用控制變量的方法對左轉比例進行研究，進口延誤差值按式(4)計算[9]。

采用校正流率作為輸入車輛，控制大型車比例及輸入車輛總數(shù)不變，左轉比例按照10%的遞增速度，從0%增加到100%。記錄每次仿真運行得到數(shù)據(jù)，并計算各進口延誤的差值(見圖7)，計算式為

Δ=t1-t2.

(4)

式中:Δ為各進口延誤差值；t1為未改變車道各進口車道的延誤；t2為改變車道后各進口車道的延誤。

由圖7可知，在校正流率不變的情況下，左轉車輛比例對改變車道前后的延誤沒有影響。

圖6 各進口道車道延誤

圖7 校正流率下各進口道延誤差值

4.3 交通負荷與大型車比例對改變車道前后交叉口延誤的影響

大型車由于啟動時間長、轉彎半徑大，對整個左轉交通具有重要影響。采用校正流率作為輸入車輛，控制東進口總的車輛數(shù)以及直行、右轉的比例不變，左轉比例以1%的增長速度從0%增加到100%，記錄每次的仿真數(shù)據(jù)，并計算每次的延誤差值(見圖8)[10]。

圖8 延誤差值

由圖8可知，當東左轉大型車比例為0%～38%時，東左轉的延誤減少值在-1 s附近變化；當大型車比例達39%～60%時，東左轉的延誤有明顯降低，并在4 s附近波動變化，以后的變化也相似。

當?shù)竭_交叉口的車輛數(shù)為校正流率，東左轉的大型車比例達到39%～60%時，改變車道后東左轉的平均延誤減少了4.1 s，其余情況如表3所示。

表3 不同大型車比例下左轉延誤減少值

由表3可得，在該交叉口中，當?shù)竭_車輛數(shù)為校正流率，東進口左轉的大型車比例達到39%以上時，推薦使用改變后的車道，左轉平均延誤有明顯減少。

交通負荷對改變車道前后交叉口延誤有較大影響，為明確說明交通負荷的程度，本次研究定義參數(shù)X，X為單位時間內到達交叉口的實際車輛數(shù)與通行能力的比值，并選用該參數(shù)X作為衡量交通負荷程度的指標。

由圖9可知，當X值較小(X≤0.5)時，改變車道后，交叉口的延誤改變不多，部分進口延誤有所增加。當X=0.6，且東左轉大型車比例在0%～50%時，各車道的延誤均有所減少，但減少的不明顯。當X>0.6，東左轉大型車比例>15%時，東左轉延誤有較為明顯的降低；特別是當X為0.7、0.9、1.0時，東左轉延誤降低更為明顯。

圖9 不同進口道參數(shù)下隨大型車比例變化的進口道延誤變化值

綜上所述，當X≥0.6，東左轉大型車比例大于15%時，推薦改變左轉車道位置，此時東左轉延誤有較大減少。

5 改變車道布局后交叉口安全性分析

本次采用沖突點與車輛間的沖突夾角作為評價交叉口安全的指標[11]。交叉口左轉車輛和右轉車輛的轉彎半徑各不相同，右轉車輛的行車路徑近似分為起始直線、起始ES曲線、圓形曲線、終止ES曲線、終止直線5個部分[12]，左轉車輛的行車軌跡近似為三次拋物線[13]。在此次研究中為了簡化計算，將轉彎車輛的行駛軌跡視為圓弧，用作圖法求解車輛間的沖突夾角。

在信號周期的合理控制下，同一時間段內改變車道前后沖突點的個數(shù)均為4個，所以在信號交叉口改變車道前后沖突點個數(shù)不會發(fā)生顯著變化。由于我國信號燈從紅燈到綠燈中間設置了3 s時長的黃燈，這樣有利于消除由于搶燈在同一個方向駛入交叉口各種車輛的沖突點個數(shù)?？偠灾?，在同一個信號周期內改變車道組合方式不會對沖突點個數(shù)產生顯著影響[14]。

圖10 交叉口行駛軌跡簡化圖

在信號燈控制的情況下，各方向的轉彎半徑前面已經得出，用此轉彎半徑作兩個相交的圓，如圖10所示，AE、BE分別是用北左轉與南右轉的轉彎半徑所作的圓弧，它們交于沖突點E。DF為東右轉車輛的轉彎半徑，南直行車輛的行駛軌跡簡化為一條直線CD，它們交于沖突點D，通過對交叉口視頻的分析，結合車輛的長度與寬度，本次研究取離D、E兩點8 m的地方作為兩個方向車輛真正發(fā)生沖突的地點，將D、E兩點向后移動8 m，與圓弧相交，在此交點做圓弧的切線，分別得到切線1、2、3，則切線1、2的夾角就是北左轉與南右轉車輛的沖突角，切線3與CD的夾角就是南直行與東右轉車輛的沖突角。由此就可以得到各個方向的沖突角，最終結果如表4所示。

表4 交叉口沖突分析

由表4可以得出在左轉車道改變前后，交叉口的安全水平并沒有降低，反而有一定提升。

6 結 語

通過以上研究可得出以下結論：改變車道位置不會降低交叉口的安全性、通行能力；交叉口進口左轉車輛比例對改變車道位置前后的延誤沒有影響；當?shù)竭_車輛達到交叉口通行能力的60%以上，且左轉大型車比例大于15%時，在相同信號周期的控制下，改變車道位置對延誤值有明顯降低。與之相對，通過改變信號配比來調控交叉口的延誤可以節(jié)約部分人力、物力及時間，有利于發(fā)揮交叉口的最大潛能[15]；在大型車較多的工廠、碼頭、旅游客運中心集散地等地區(qū)附近的交叉口可以考慮改變車道位置，以此增大左轉的轉彎半徑并降低延誤。以上延誤結論由Vissim仿真所得，和實際情況存在一定的偏差，有待進一步論證。