移位左轉(zhuǎn)交叉口渠化與信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型

朱然博 徐良杰 李 福 陳國(guó)俊

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院2) 襄陽(yáng) 441053)

0 引 言

隨著中國(guó)城市化水平與機(jī)動(dòng)化水平的不斷增加，城市道路平面交叉口成為制約整個(gè)城市路網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其中左轉(zhuǎn)車流與對(duì)向直行車流間的沖突是制約平面交叉口通行能力的關(guān)鍵.為解決這一痛點(diǎn)，學(xué)者們提出了一些非常規(guī)的交叉口[1]，其中移位左轉(zhuǎn)(continuous flow intersection，CFI)設(shè)計(jì)交通干擾小、效益高、車均延誤較普通交叉口降低大于50%[2-3]，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向.

Tanwanichkul等[4-5]通過VISSIM仿真對(duì)比分析了不同交通流量下常規(guī)路口與各類移位左轉(zhuǎn)交叉口在通行能力、飽和度與總延誤等方面的差異.在信號(hào)控制模型方面，You等[6-12]基于移位左轉(zhuǎn)交叉口特性，分別從交叉口空間渠化設(shè)計(jì)、交通組織設(shè)計(jì)與信號(hào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)這三方面進(jìn)行研究，構(gòu)建出相應(yīng)的移位左轉(zhuǎn)交叉口一體化優(yōu)化模型，發(fā)現(xiàn)移位左轉(zhuǎn)交叉口能夠明顯提高交叉口的通行能力，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景.在移位左轉(zhuǎn)交叉口的優(yōu)化研究方面，蔣賢才等[13]采用把移位左轉(zhuǎn)車道向內(nèi)偏移一個(gè)車道的方式來避免右轉(zhuǎn)車輛對(duì)左轉(zhuǎn)車輛的影響，通過對(duì)比分析改進(jìn)前后的車均延誤與最大通行能力，驗(yàn)證該方案的有效性.Yang等[14]基于非對(duì)稱移位左轉(zhuǎn)的幾何特性，建立了兩種信號(hào)優(yōu)化模型，通過對(duì)比兩種模型的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模型1在減少交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度方面表現(xiàn)更好，模型2在設(shè)計(jì)階段更為靈活簡(jiǎn)便.基于移位左轉(zhuǎn)交叉口的有效性與獨(dú)特性，Park等[15]從駕駛員行為、安全性和操作效率方面對(duì)移位左轉(zhuǎn)交叉口進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)移位左轉(zhuǎn)交叉口可以改善駕駛員操作、節(jié)省汽車染料、減少車輛排放.而張新泰[16]從自動(dòng)駕駛這一新興角度，提出了移位左轉(zhuǎn)交叉口自動(dòng)駕駛避撞控制策略，進(jìn)而優(yōu)化車輛在交叉口的速度與加速度.

綜上，移位左轉(zhuǎn)在降低交叉口延誤，提高交叉口通行能力等方面具有較高的效益，但目前移位左轉(zhuǎn)的渠化與信號(hào)控制模型都較為復(fù)雜，不夠簡(jiǎn)潔直觀.該方案也會(huì)使得左轉(zhuǎn)車輛分別在路段與主交叉口分別停車，嚴(yán)重影響駕駛員的駕駛舒適性.因此，文中基于現(xiàn)有的單點(diǎn)交叉口信號(hào)控制模型，結(jié)合移位左轉(zhuǎn)交叉口的獨(dú)特性，通過優(yōu)化調(diào)整預(yù)信號(hào)啟亮?xí)r間，建立了主、預(yù)信號(hào)協(xié)同控制的移位左轉(zhuǎn)交叉口信號(hào)優(yōu)化模型，以減少左轉(zhuǎn)車流的二次停車現(xiàn)象，進(jìn)一步降低左轉(zhuǎn)車流延誤，提高交叉口通行能力.

1 移位左轉(zhuǎn)交叉口渠化模型

1.1 移位左轉(zhuǎn)交叉口渠化方法

移位左轉(zhuǎn)交叉口將左轉(zhuǎn)車道移至對(duì)向出口道外側(cè)，左轉(zhuǎn)車輛在路段交叉口處變道駛?cè)胍莆蛔筠D(zhuǎn)儲(chǔ)存道，在主信號(hào)的控制下，與同向直行、對(duì)向直行和左轉(zhuǎn)車輛一起通過交叉口，其具體渠化設(shè)計(jì)見圖1.

圖1 移位左轉(zhuǎn)交叉口

此方案可以有效減少交叉口內(nèi)沖突點(diǎn)個(gè)數(shù)，減少信號(hào)相位個(gè)數(shù)，從而降低車均延誤，提高交叉口通行能力.但我國(guó)交叉口內(nèi)的右轉(zhuǎn)車輛可直接駛?cè)氤隹诘赖耐鈧?cè)車道，不受信號(hào)控制，而移位左轉(zhuǎn)將左轉(zhuǎn)車道移至出口道外側(cè)，占用了右轉(zhuǎn)車輛的通行空間，使左轉(zhuǎn)車輛與右轉(zhuǎn)車輛產(chǎn)生沖突，因此本文通過拓寬設(shè)置了移位左轉(zhuǎn)車道的出口道，使得右轉(zhuǎn)車輛在空間上與左轉(zhuǎn)車輛分隔，進(jìn)而避免沖突發(fā)生，具體渠化方案見圖2.其中①～③為車輛行駛路線編號(hào).

圖2 移位左轉(zhuǎn)交叉口渠化方案與運(yùn)行組織

1)出口道拓寬方案 出口道拓寬由展寬漸變段與展寬段組成.展寬漸變段lzd根據(jù)GB50647—2011《城市道路交叉口規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，展寬段lzc需根據(jù)移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道長(zhǎng)度l1進(jìn)行計(jì)算：為保證南北方向的左轉(zhuǎn)車輛與東西方向的右轉(zhuǎn)車輛在空間上不產(chǎn)生沖突，展寬段的長(zhǎng)度lzc應(yīng)等于移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道長(zhǎng)度l1，即：lzc=l1.

2)移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道長(zhǎng)度l1計(jì)算 左轉(zhuǎn)車輛在路段預(yù)信號(hào)控制下進(jìn)入移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道，因而移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道的長(zhǎng)度與預(yù)信號(hào)有效綠燈時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，且移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道的長(zhǎng)度一般不大于100 m.因此l1應(yīng)滿足

(1)

式中：g4為預(yù)信號(hào)的綠燈有效時(shí)長(zhǎng)；td為車輛平均啟動(dòng)延誤；v1為車隊(duì)左轉(zhuǎn)的平均速度；v2為車輛左轉(zhuǎn)的平均速度.

由于資金扶持始終是農(nóng)村扶貧的中心環(huán)節(jié)，中國(guó)在扶貧資金管理方面的試驗(yàn)和創(chuàng)新較多。財(cái)政扶貧資金管理方面的創(chuàng)新主要有：第一，地區(qū)間財(cái)政扶貧資金分配由模糊分配改為主要按要素法進(jìn)行分配；第二，財(cái)政扶貧資金實(shí)行專戶管理、報(bào)賬制；第三，建立財(cái)政扶貧資金監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)對(duì)資金進(jìn)行監(jiān)管；第四，建立財(cái)政扶貧資金績(jī)效考評(píng)機(jī)制和資金分配、使用公開公示制度；第五，建立審計(jì)、財(cái)政、業(yè)務(wù)部門、社會(huì)輿論等各方面參與的多元化監(jiān)管機(jī)制。

3)路段左轉(zhuǎn)變道長(zhǎng)度l2計(jì)算 左轉(zhuǎn)車輛在信號(hào)控制下由路段停車線處變道駛?cè)胍莆蛔筠D(zhuǎn)儲(chǔ)存道，該路程的縱向長(zhǎng)度即為路段左轉(zhuǎn)車輛變道長(zhǎng)度，見圖3.其表達(dá)式為

圖3 長(zhǎng)度計(jì)算圖

(2)

式中：r為車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑；W1為一條車道的寬度；We為雙黃線寬度；s為幾何計(jì)算的中間變量.

4)路段左轉(zhuǎn)行駛路徑長(zhǎng)度l3計(jì)算 左轉(zhuǎn)車輛由路段停車線駛?cè)胍莆蛔筠D(zhuǎn)儲(chǔ)存道的路程長(zhǎng)為l3，由兩段相等的圓弧組成，則有

(3)

5)交通組織方案 在圖2的交叉口中，南北出口道設(shè)置移位左轉(zhuǎn)車道，東西方向不設(shè)置移位左轉(zhuǎn)車道，與常規(guī)交叉口一致.首先，南北方向的左轉(zhuǎn)車輛根據(jù)預(yù)信號(hào)提示，由路段停車線變道駛?cè)胍莆蛔筠D(zhuǎn)儲(chǔ)存道等待主交叉口綠燈放行.當(dāng)南北直行綠燈啟亮?xí)r，左轉(zhuǎn)車輛沿路徑①駛出交叉口，直行車輛沿路徑②向左偏移2個(gè)車道駛?cè)胂鄳?yīng)的出口道，同時(shí)避開對(duì)向左轉(zhuǎn)車輛；然后在路段交叉口處向右偏移2個(gè)車道恢復(fù)正常，東西方向的右轉(zhuǎn)車輛沿路徑③駛?cè)胗肄D(zhuǎn)專用道，不受信號(hào)控制，從而避免與南北方向的左轉(zhuǎn)車輛產(chǎn)生沖突.該方案在不影響右轉(zhuǎn)車輛行駛的同時(shí)，保證了移位左轉(zhuǎn)車輛的運(yùn)行效率，但該方案需拓寬出口道，且直行車輛需向交叉口中心偏移，因此此類交通組織方案適用于雙向四車道及以上且交叉口面積較大的道路，車道數(shù)越多，行人越少，左轉(zhuǎn)與直行車流運(yùn)行就越流暢，交叉口改善效果就越明顯，因此針對(duì)慢行交通，建議采用人行天橋或地下通道的方式輔助過街，減少慢行交通對(duì)于移位左轉(zhuǎn)方案的影響.

2 考慮協(xié)同控制的移位左轉(zhuǎn)信控優(yōu)化模型

2.1 相位相序設(shè)計(jì)

文中以南北方向設(shè)置移位左轉(zhuǎn)，東西方向與常規(guī)交叉口一致為例，進(jìn)行相位相序設(shè)計(jì).考慮到路段交叉口預(yù)信號(hào)與主交叉口信號(hào)的協(xié)同控制，南北左轉(zhuǎn)的綠燈啟亮?xí)r間需接著路段交叉口左轉(zhuǎn)的啟亮?xí)r間，使移位左轉(zhuǎn)車輛可以在預(yù)信號(hào)啟亮?xí)r連續(xù)通過路段交叉口與主交叉口，因此東西直行信號(hào)為第1相位，南北直行與左轉(zhuǎn)信號(hào)為第2相位，東西左轉(zhuǎn)信號(hào)為第3相位，當(dāng)?shù)?相位綠燈結(jié)束時(shí)，南北左轉(zhuǎn)車輛需在路段交叉口處等待東西左轉(zhuǎn)車輛全部駛離路段交叉口，從而使得南北左轉(zhuǎn)車輛可以安全駛?cè)胍莆蛔筠D(zhuǎn)儲(chǔ)存道，因此路段預(yù)信號(hào)綠燈啟亮?xí)r間較第1相位綠燈啟亮?xí)r間需延遲t1s.相位相序與信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)方案見圖4～5.

圖5 信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)方案

2.2 信號(hào)控制優(yōu)化模型

2.2.1各相位有效綠時(shí)分配

根據(jù)已繪制的相位相序與信號(hào)控制圖，確定各相位的關(guān)鍵流率比：考慮到相位1東西直行車輛的綠燈時(shí)間也是預(yù)信號(hào)左轉(zhuǎn)車輛從路段停車線駛?cè)胍莆蛔筠D(zhuǎn)儲(chǔ)存道的綠燈時(shí)間，因此相位1的關(guān)鍵流率比需同時(shí)考慮東西直行與南北左轉(zhuǎn)車流量；相位2為南北直行加左轉(zhuǎn)，因此關(guān)鍵流率比需同時(shí)考慮南北直行與左轉(zhuǎn)車流量；相位3為東西左轉(zhuǎn)，因此關(guān)鍵流率比僅需考慮東西左轉(zhuǎn)車流量，具體函數(shù)為

(4)

(5)

(6)

因此，信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)為

(7)

各相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)為

(8)

2.2.2考慮協(xié)同控制的預(yù)信號(hào)約束條件

為保障第2相位南北方向的左轉(zhuǎn)車輛全部安全通過交叉口，預(yù)信號(hào)的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)應(yīng)不大于主交叉口的第2相位有效綠燈時(shí)長(zhǎng)；第1相位為東西直行信號(hào)，此時(shí)也是路段交叉口左轉(zhuǎn)信號(hào)，且相位1的關(guān)鍵流率比計(jì)算過程中也考慮了南北左轉(zhuǎn)車流量，因此預(yù)信號(hào)的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)應(yīng)不大于主交叉口第1相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)；為保障路段交叉口的運(yùn)行安全，應(yīng)確保上一相位東西左轉(zhuǎn)車輛順利駛過路段交叉口后，再開啟南北路段交叉口處預(yù)信號(hào)的綠燈，使南北左轉(zhuǎn)車輛可以順利進(jìn)入移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道內(nèi)，因此預(yù)信號(hào)的綠燈啟亮?xí)r間應(yīng)延遲至東西左轉(zhuǎn)的最后一輛車駛離路段交叉口時(shí)；為提高交叉口的運(yùn)行效率，可將路段交叉口預(yù)信號(hào)綠燈啟亮?xí)r間與主交叉口第2相位綠燈啟亮?xí)r間協(xié)同控制，使南北第一輛左轉(zhuǎn)車輛從路段交叉口行駛至主交叉口停車線時(shí)，第2相位的綠燈同時(shí)啟亮，進(jìn)而緩解移位左轉(zhuǎn)方案中左轉(zhuǎn)車輛的二次停車現(xiàn)象，同時(shí)進(jìn)一步降低左轉(zhuǎn)車輛的延誤.上述條件為

g4≤g2

(9)

g4≤g1

(10)

(11)

(12)

由式(9)～(12)可得預(yù)信號(hào)的綠燈啟亮延遲時(shí)間t1與有效綠燈時(shí)長(zhǎng)g4的計(jì)算公式

(13)

g4=min(g1,g2)

(14)

式中：v3為車輛直行的平均速度；L1為第1相位的信號(hào)損失時(shí)間；v4為左轉(zhuǎn)車輛在移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道內(nèi)直行的平均速度；

3 仿真評(píng)價(jià)

以武漢市團(tuán)結(jié)大道與仁和路交叉口為例開展對(duì)比分析.原交叉口幾何條件與高峰小時(shí)交通量見圖6和表1，信號(hào)配時(shí)采用四相位控制.針對(duì)上述實(shí)際觀測(cè)量對(duì)交叉口進(jìn)行移位左轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，具體渠化方案見圖7.西進(jìn)口道設(shè)置為一條左轉(zhuǎn)專用車道、一條直行車道和一條右轉(zhuǎn)專用車道，東進(jìn)口道設(shè)置為一條左轉(zhuǎn)專用車道、兩條直行車道和一條右轉(zhuǎn)專用車道，南進(jìn)口道與北進(jìn)口道設(shè)置為兩條移位左轉(zhuǎn)車道、一條直行車道和一條直右車道.

圖6 團(tuán)結(jié)大道與仁和路交叉口

表1 交通流量調(diào)查表 單位：pcu/h

圖7 移位左轉(zhuǎn)渠化方案

針對(duì)上述渠化方案，分別構(gòu)建交叉口現(xiàn)狀信號(hào)控制方案(方案1)與考慮協(xié)同控制的移位左轉(zhuǎn)信號(hào)優(yōu)化控制方案(方案2)，結(jié)合VISSIM仿真驗(yàn)證優(yōu)化方案的實(shí)際效果.在VISSIM中保持輸入的各項(xiàng)參數(shù)不變，以各方向進(jìn)口道的直行與左轉(zhuǎn)車均延誤、最大通行能力和車均停車次數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到2種信號(hào)控制方案下的仿真結(jié)果，見圖8.

圖8 不同因素的對(duì)比

由圖8a)可知:在高峰小時(shí)交通流量下，方案2大多數(shù)方向的車均延誤較方案1均有下降；西、南、北進(jìn)口左轉(zhuǎn)的車均延誤下降比率均大于50%，是因?yàn)檫@三個(gè)方向的左轉(zhuǎn)車流量較大，均大于400 pcu/h，且采用移位左轉(zhuǎn)方案后，南北方向的左轉(zhuǎn)車道數(shù)較原交叉口增加一條，西、南、北有效綠燈持續(xù)時(shí)間也較原信號(hào)配時(shí)長(zhǎng)；但東西直行車輛的車均延誤下降比率很低，方案2西進(jìn)口直行車均延誤甚至大于方案1，是因?yàn)樵谝莆蛔筠D(zhuǎn)渠化方案中，考慮到東西右轉(zhuǎn)車流量較大，因此將東西進(jìn)口道中的一條直右車道改成了右轉(zhuǎn)專用道，導(dǎo)致直行車道數(shù)減少，西進(jìn)口延誤反而上升，而東進(jìn)口車道數(shù)較西進(jìn)口多，采用右轉(zhuǎn)專用道的同時(shí)保證了直行車流的通行能力，進(jìn)而降低車均延誤.

由圖8b)可知:方案2的交叉口總車均停車次數(shù)較方案1下降了38%，是因?yàn)槲闹胁捎弥?、預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)控制策略使得移位左轉(zhuǎn)車輛在預(yù)信號(hào)控制下進(jìn)入移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存車道后，無需進(jìn)行二次停車，可直接通過交叉口；此外，各方向進(jìn)口道的車均停車次數(shù)也較為均衡，基本保持在0.7～0.9次，駕駛舒適性較原交叉口有一定提升.

由圖8c)可知:方案2的交叉口總平均排隊(duì)長(zhǎng)度較方案1下降了69%，是因?yàn)榉桨?相較于方案1，相位數(shù)從來原來的四相位減少為三相位，周期時(shí)長(zhǎng)也有所下降，且南北方向的左轉(zhuǎn)車輛與直行車輛可以同時(shí)通過交叉口.此外，方案2各方向進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度較為均衡，信號(hào)控制方案較為理想.

由圖8d)可知:方案2的交叉口總通行能力較方案1提升較低，是因?yàn)樵谟?jì)算交叉口總通行能力時(shí)，僅考慮了直行與左轉(zhuǎn)車道，未考慮右轉(zhuǎn)專用道，而在移位左轉(zhuǎn)渠化方案中，東西進(jìn)口道中的一條直右車道改成了右轉(zhuǎn)專用道，因此導(dǎo)致東西直行車道的通行能力大幅下降，分別為-22%和-59%；同時(shí)，北進(jìn)口直行的通行能力也下降了14%，是因?yàn)楸边M(jìn)口道中的一條直行車道被改成了移位左轉(zhuǎn)車道，且綠信比在改善前后變化不大；但東、西、南、北左轉(zhuǎn)與南向直行的通行能力提升比率均大于40%，是因?yàn)檫@5個(gè)車道組所對(duì)應(yīng)的綠信比有所提高，且南北的左轉(zhuǎn)車道數(shù)由1條增加至2條，因此改善效果明顯.

綜上，方案2較方案1可降低車均延誤61%，車均停車次數(shù)38%，車道平均排隊(duì)長(zhǎng)度69%，提高通行能力9%.在道路通行能力方面，方案2在未考慮2條右轉(zhuǎn)專用道的情況下，其交叉口總通行能力仍比方案1高，若將2條右轉(zhuǎn)專用道的通行能力加入交叉口總通行能力中，方案2交叉口總通行能力的提升比率將上升至64%，這充分說明文中提出的方案可以有效地降低交叉口車均延誤，提高交叉口通行能力，進(jìn)一步改善交叉口運(yùn)行效率.

4 結(jié) 論

1)分析了移位左轉(zhuǎn)交叉口特性，提出了移位左轉(zhuǎn)出口道拓寬方案，結(jié)合移位左轉(zhuǎn)儲(chǔ)存道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了計(jì)算模型，建立了交通流組織方案，解決了左轉(zhuǎn)車輛與右轉(zhuǎn)車輛的沖突問題.

2)基于單點(diǎn)交叉口信號(hào)控制模型與最佳信號(hào)周期模型，設(shè)計(jì)了移位左轉(zhuǎn)交叉口相位相序，分析了預(yù)信號(hào)與主信號(hào)之間的協(xié)同控制關(guān)系，建立了移位左轉(zhuǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型.

3)分別從車均延誤、車均停車次數(shù)和通行能力3個(gè)方面進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明移位左轉(zhuǎn)方案能夠有效降低車均延誤，提高交叉口通行能力，改善交叉口運(yùn)行效率.

4)未考慮4個(gè)方向均設(shè)置移位左轉(zhuǎn)車道的情況，同時(shí)，大型車比例和右轉(zhuǎn)車流量對(duì)移位左轉(zhuǎn)交叉口設(shè)置效果的影響也有待進(jìn)一步研究.