左轉公交進口道的資源有效性分析

李 鳳，汪 健

（1.交通運輸部管理干部學院，北京 101601；2.交通運輸部科學研究院，北京 100029）

左轉公交進口道的資源有效性分析

李 鳳1，汪 健2

（1.交通運輸部管理干部學院，北京 101601；2.交通運輸部科學研究院，北京 100029）

為盡可能減少左轉公交車換道行為的干擾，最小化進口道延誤，提出一種將社會車輛右轉車道供左轉公交車使用的車道設計方法，使右轉車道既滿足社會車流右轉行為，又可為左轉公交車提供車道資源。詳細分析了這種新型左轉公交進口道對交叉口社會車輛延誤、公交車輛延誤和交叉口安全性等方面的影響，提出了該方法的適用條件，為公交優先政策的道路設計研究提供了理論依據和技術支持。

公交優先；換道行為；左轉公交；資源有效性

1 前言

城市公共交通具有運量大、人均占道少、相對環境污染小等優點，是城市交通的骨干和支柱。大力發展公共交通已成為解決城市交通問題的共識。但是隨著國內經濟的迅猛發展，小汽車數量也在急速上升，為小汽車提供高效便捷出行環境的呼聲也在高漲。因此，公交車與小汽車在道路使用權上的分配成為考驗政府管理水平的重要表現。本文研究公交車與社會車輛在道路空間資源上的分配方法。現有公交車與社會車輛在空間資源分配上的難點主要表現為：公交專用道的實施導致社會車輛的道路資源減少；非港灣式公交站點的采用導致路側道路資源被占；交叉口進口道沒有設計公交專用進口道，導致公交車在接近交叉口時頻繁換道，增加車輛延誤。最后一種情況中對車流影響最大的應屬于左轉公交車流。因為左轉公交車的上游公交站點如果位于路側，要在交叉口左轉就必須駛入位于路中的左轉專用車道，這樣公交車從最右車道到最左車道，就需要進行多次換道行為。而由于公交車本身的車身長，速度緩慢而且反應遲緩的特性，容易導致其換道行為對多條車道社會車輛產生嚴重干擾，造成公交車和社會車流延誤急劇增大。因此，本文提出一種新的公交專用進口道設計方法，通過減少左轉公交車的換道次數，減少交叉口的車輛延誤。

2 目前現狀

國內外對交叉口公交專用進口道的研究還比較少，原因主要有2個。一是受公交車到達隨機性和流量影響，設計公交專用進口道容易造成有限的進口道資源，更加無法滿足需求；二是交叉口進口道內的社會車流行駛速度與公交車接近，兩股車流在通過交叉口并不會相互影響車速，設計獨立的公交專用進口道將兩股車流分開，但意義不大。因此，目前對于公交專用進口道的研究主要體現在特殊信號配時下的設計以及設計公交專用進口道的效益分析。如邵俊[1]、王元慶[2]、薛原[3]等人通過分析信號設置、延誤和通行能力計算、社會車輛在預先信號停車線處的排隊長度計算，研究了在預信號控制方式下的鋸齒形公交進口道的尺寸設計、進口道主信號與預信號協調配時方案等。周揚[4]等人運用延誤三角形及其相關理論建立延誤模型，推導人均延誤函數，建立設計公交專用進口道的公交優先單點定時控制優化算法。

在道路設計以及公交專用進口道效益分析上，王凌琳[5]分析了沿路內側和沿路中間機動車道兩種情況下設計公交專用進口道的設置形式和適應性，并給出了直行、左轉和右轉3類交叉口公交進口道的道路設計方法。邱豐[6]等人在對混行公交進口道長度組成要素分析基礎上，建立了交織段最小長度模型，提出了直行、混行和左轉進口車道排隊長度計算方法，并分析了不同設計流量和交通流組成下的混行公交進口道設計長度。趙靖[7]等人通過分析各種實測飽和車頭時距，提出考慮公共汽車形成車隊行駛影響的交叉口進口道通行能力大車修正，并提出有、無公交專用進口道下的社會車輛、公交車輛和車道組的通行能力計算模型。

在對左轉公交專用進口道的研究上，季彥婕[8]等人研究在路段已有公交專用道的條件下，在信號交叉口設計左轉公交專用進口道的方法及適應性分析，并提出了左轉公交專用進口道的設計條件。在這一研究中，有一基本前提是公交專用道是路中型，而路中型公交專用道由于靠近進口道的左轉車道，對社會車流的干擾較少，車輛延誤不會急劇增加。本文主要針對現有大多數道路的公交車站點在路側、而且路段不一定要有公交專用道的情況。當公交站點位于路側，左轉公交車輛匯入左轉車道才會產生很大的干擾，造成延誤激增。因此有必要對路側公交站點的左轉公交車輛在駛離交叉口這一過程中造成的影響以及相應的道路設計和信號配時方法進行研究。

3 基于整合資源的設計思路

3.1 影響因素

隨著道路設計理論的發展，一條道路多種用途的理念開始逐步發展并得到應用，例如可變車道，通過交通需求預測，可變車道在某一時段為左轉車輛使用，另一時段可為直行車輛使用；例如公交專用道的時段設置，高峰期間公交專用道只能公交車使用，其他時段所有車輛都可以使用；還有進口道設有多條左轉車道時，一些直行車輛在紅燈期間會占用一條左轉車道。綠燈開啟后，前方直行車輛駛離交叉口，該車道又屬于左轉車輛使用，并不妨礙該車道作為左轉專用車道的使用效率。可以看出，在一些特定情況下，當一條道路服務兩股不同車流時，不僅不會產生延誤，反而實現了道路資源的充分利用，有利于車流通行。因此本文提出將位于路側的右轉車道可以同時服務右轉車流和左轉公交車流，即右轉車道既可為社會車輛進行右轉行為，也可為公交車進行左轉行為，因此將此右轉車道定義為“左轉公交進口道”，如圖1所示。

圖1 左轉公交合并車道渠化圖

左轉公交進口道的設計方法主要考慮以下因素：

（1）減少路段上公交車與社會車輛間沖突，提高道路安全性，降低交通事故發生的概率；

（2）減少社會車輛因公交車干擾產生的延誤，使社會車輛運行順暢；

（3）減少公交車換道次數及等待社會車輛空擋才能換道的延誤，提高公交車運行效率。

3.2 影響分析

左轉公交進口道的設計將最大程度減少公交車換道次數和社會車輛的車輛延誤，但這種設計方法也會帶來一些影響：

（1）影響右轉車輛的正常通行，增加右轉車輛延誤。當進口道無公交車時，該車道是右轉車道，當該車道有公交車時，右轉車必須在左轉公交車通過交叉口后才能通過交叉口。右轉車輛的一部分車輛產生的延誤與左轉相位的延誤相同。

（2）左轉公交車流可能與對向左轉車流產生沖突。公交車從入口進口道的最右側進入交叉口，公交車駛出交叉口一般對應的是路側路段，公交車經過交叉口的轉變半徑要比在左轉車道經過交叉口的大得多，如圖2所示。這種情況，如果對向左轉車流量大，兩股車流可能存在交叉或沖突。因此在設計該左轉公交車進口道時，應盡量利用靠內側的右轉車道。或者在交叉口內規劃左轉公交車流行駛路線的示意圖，避免交叉口內左轉車流發生沖突和摩擦。

圖2 雙向左轉車流沖突示意圖

（3）增加了公交車通過交叉口的時間。公交車從右側車道通過交叉口的行駛距離，相比在左轉車道通過要增大很多，而且由于公交車的車速比較緩慢，在交叉口內行駛時間至少要增加2-3s，因此該道路設計方法要求交叉口信號配時參數的全紅時間必須增大，才能保障公交車流不會與后續車流發生沖突。

3.3 交叉口渠化效果

基于以上的左轉公交車進口道的影響分析，在設計左轉公交車進口道時必須考慮左轉公交車流的行駛路線，得出左轉公交車進口道的渠化效果如圖1所示。

3.4 信號配時設計

本論文主要研究左轉公交車進口道的信號配時設計方法，其他相位信號配時方案按流量分配原理計算不發生改變。

（1）左轉相位損失時間的設計。左轉相位損失時間tL是指由于交通安全及車流運行特性等原因，在相位可以通行的時間段內沒有交通流運行或未被充分利用的時間，由前損失時間和后損失時間兩部分組成。即：

前損失時間tfl是指綠燈初期，由于排隊車輛需要起動加速、駛出率較低所造成的損失時間。在綠燈初期車流量由小變大，由零逐漸上升到最大放行車流率過程中所需的時間。

其中：vb—公交車路段上的平均車速，單位為m s；

ab—公交車的加速度，單位為m s2。

后損失時間tbl是指綠燈時間結束后，黃燈期間停車線后的部分車輛已不許越過停車線所造成的損失時間。也就是駕駛員看到黃燈需要的反應時間以及采取剎車行為的制動時間，即：

其中：tr—駕駛員反應時間，單位為s；

ts—駕駛員采取剎車行為的制動時間，單位為s。

在駕駛員行為分析中，后損失時間一般取0.4-1.0s。

（2）左轉相位黃燈時間的設計。黃燈時間ty應包括車輛看到黃燈通過交叉口的時間和一部分車輛未通過交叉口的時間，即后損失時間與后補償時間之和，即

其中后補償時間tbc是指綠燈時間結束時，黃燈初期已越過停車線的車輛可以繼續通行所帶來的補償時間。

其中：La—與公交車相交方向的道路寬度，單位為m；Lb—公交車所在方向的道路寬度，單位為m。

（3）左轉相位有效綠燈時間teg設計。

其中：tg—按社會車輛流量比分配的綠燈時間，單位為s。

4 延誤評價模型建立

明確左轉公交進口道設計方法后，有必要進行效益分析，明確該方法的適用條件。本文從運行效率和安全性兩個方面進行效益分析。運行效率的分析指標是車輛延誤，安全性指標主要是沖突點個數和沖突區域。

通過該方法的設計原理可知，設計左轉公交進口道前，交叉口的社會車流與公交車之間存在嚴重干擾，但右轉車流運行順暢；設計左轉公交進口道后，社會車流與公交車之間干擾基本消失，但右轉車流產生一定延誤。因此，本文通過對比設計左轉公交進口道前后，不同流向社會車輛和公交車輛的延誤來分析其適用條件。

4.1 設計左轉公交進口道前的車輛平均延誤模型

路側的左轉公交車要駛入左轉專用車道須采取換道行為。而換道行為的產生前提是路段車流必須出現大車頭時距。所以必須確定路段上出現大車頭時距的概率以及間隔時間。一旦公交車成功換入一條車道后，在等待相鄰車道的車流出現大車頭時距這段時間內，不僅本輛公交車會因等待產生延誤，而且公交車占據車道的后方社會車流因車道受阻也會產生延誤。

考慮交叉口車流行駛緩慢，大車頭時距值應小于高速公路上所需換道車頭時距，假定取值為6s。

設計左轉公交進口道前，交叉口進口道的車輛平均延誤主要是由公交車延誤和社會車輛延誤構成。假設路段流量服從負指數分布，則車頭時距大于6s的概率是：

在1個小時內社會車流可提供公交車換道的車頭間距個數N是：

公交車進行換道行為前的平均等待時間d1為

則公交車平均換道延誤為

式中：qv—社會車流到達率，單位為veh/h；

db—公交車平均延誤，單位為s；

dh—公交車換道所需時間，單位為s，本文取3s。

若公交車要換道n次，公交車產生的平均延誤為

在公交車后方受阻的所有社會車輛在等待公交車駛離后才能通過該路段，相當于在等待公交換道等待時間db后再重新啟動行駛，這一過程與信號交叉口某一相位的延誤計算原理相同。因此，根據穩態延誤理論：

可以計算社會車輛平均延誤。由于路段上行駛沒有周期的概念，此時周期相當于受阻時間加上排隊車流消散完畢所需時間，即：

將公式（13）代入公式（12）中，可得社會車輛的平均延誤時間為：

則由于公交車換道產生所有車輛的平均延誤為：

4.2 設計左轉公交進口道后車輛延誤情況

設計左轉公交進口道后，路段上公交車和社會車輛不會因為車道換道產生延誤，與設計前相比可以忽略不計，但右轉車輛延誤會增加，即部分右轉車輛與左轉相位車流產生相同的相位延誤。同理可根據公式（12）計算交叉口右轉車道的延誤。

5 資源有效性分析

5.1 道路流量與延誤分析

設計左轉公交進口道前后的延誤，與社會車流量、右轉車流量和公交車流量都密切相關。在不同交通狀況下，延誤值差別可能很大。因此本文通過類比代入法，分析社會車流、右轉車流和公交車流的流量變化對車輛延誤的影響，明確左轉公交進口道是否能夠實現道路資源的有效利用。

假設路段上有4車道，公交站點位于路側車道，左轉專用車道位于路中，則公交車換道次數為3。采用本文設計方法后，左轉公交進口道位于最右側右轉車道上，無需換道，渠化如圖2所示。按照公交車的發車頻率測算，單條線路在高峰期間最高頻率為每分鐘發一輛車。在多個信號控制交叉口的影響下，可能會造成多輛公交車匯集到同一路口的情況，因此假設臨界狀態是一分鐘內有3輛車到達某一路口，并將臨界值作為公交車流量的最大值。則有左轉公交車的到達流率qb在60-180veh/h內波動，路段上左轉和直行車的流量在600-1 800veh/h間波動，右轉車的流量在180-540veh/h波動，飽和流率為1 800veh/h。信號配時上，交叉口為四相位信號配時方案，周期為120s，左轉相位紅燈時間為100s。

將以上數據代入公式（12）和公式（15）中，得到設計左轉公交進口道前后的車輛平均延誤和右轉車流平均延誤。將延誤與社會車輛流量、公交車流量和總流量進行一一對應，得到不同流向車流量與車輛平均延誤之間的關系，如圖3-圖5所示。從圖3看出，隨著社會車流量的增加，如果沒有設計左轉公交進口道，車輛延誤逐漸上升；設計左轉公交進口道后，隨著流量增大，延誤一直保持在較低水平。圖4看出，由于公交車流量較小，隨著流量增大對車輛延誤并沒有產生很大影響。圖5的車輛延誤趨勢與圖3相似，都是隨流量增大，設計前后的車輛延誤差距逐漸加大。綜上所述，設計左轉公交進口道有利于整體交叉口延誤的減小，最大化利用現有的道路資源。

5.2 安全性分析

根據圖2顯示的兩股車流沖突情況，在設計左轉公交進口道時，有以下幾種沖突可能性：

（1）左轉車流與直行車流造成的沖突。如果左轉車流和直行車流同一相位，左轉公交進口道在最右側，則公交車流與同向直行車流、對向直行車流都存在沖突，且比原有設在左轉專用車道下的沖突點增加了一倍，加劇了左轉公交車流與其他車流的交織行為。因此該設計方法必須保證同向左轉車流和直行車流分屬不同相位，這與本文提出的設計思路并不矛盾，但可最大化減少沖突個數。

圖3 設置前后隨社會車流量變化的車均延誤趨勢圖

圖4 設置前后隨公交流量變化的車均延誤趨勢圖

圖5 左轉公交進口道設置前后隨總流量變化的車均延誤趨勢圖

（2）對向左轉車流造成的沖突。如果雙向左轉公交車流都在路側設計左轉公交進口道，在左轉相位綠燈啟亮時，兩股對向左轉車流在交叉口內的運行軌跡會出現交織，增加交叉口的沖突，導致交叉口的安全性下降，易發生交通事故。要解決這一問題，必須分析雙向左轉公交車流的可能性，并盡可能避免雙向都設計左轉公交進口道。

（3）社會車流設置左轉待停區造成的沖突。如果公交車對向的社會車流設置左轉待停區，按照現有左轉待停區設計理念，待停區是左轉車道在交叉口的延伸區，長度接近交叉口雙向兩停車線間距一半，左轉待停區的社會車流行駛路徑可能與左轉公交車流存在交織，會增加交叉口的沖突點1-2個，如圖6所示。

圖6 存在左轉待停區下的沖突示意圖

綜上所述，不同的道路設計和信號配時方案對左轉公交進口道設計方法會產生影響，交叉口沖突點個數可能增加5-7個。基于上述安全性分析，為減少沖突點個數，增強安全性，設計左轉公交進口道時必須滿足以下條件：

（1）左轉車流與直行車流不能同一相位，避免增加交叉口直行車流與左轉公交車流的沖突。

（2）同一相位只能對一股左轉公交車流設置左轉公交進口道。對于同一股公交車流，在交叉口去程是左轉車流，回程就是右轉車流，不存在同一股車流需要雙向都設計左轉公交進口道。因此該設計方法的前提之一是雙向車流中只有一股左轉公交車流。

（3）交叉口盡可能避免設置左轉待停區。如果設置左轉待停區，必須規劃不與左轉公交車流行駛路線相沖突的待停區域，避免兩股車流的沖突。

6 結論

綜上所述，將社會車輛右轉車道供左轉公交車使用的設計方法可以實現右轉車道的右轉行為，又避免左轉公交車多次換道對其他車輛造成的干擾，極大減少進口道延誤。考慮到該設計方法還存在一定的安全隱患，未來必須對其安全性進行深入分析，為該設計方法的實際應用和操作性研究奠定基礎。

[1]邵俊,楊曉光,史春華.部分鋸齒形公交優先進口道的交通設計與分析[J].同濟大學學報,2001,29(10):1 175-1 180.

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[3]薛原.鋸齒形公交優先進口道的設置與分析[J].公路交通科技(應用技術版),2008,(2):147-153.

[4]周揚,臧驍,許秀,等.基于公交專用進口道的交叉口信號配時優化設計研究[J].交通節能與環保,2012,(4):74-77.

[5]王凌琳.城市公交專用道設置方法及其適應性研究[J].中國市政工程,2010,(2):67-69.

[6]邱豐,李文權,賈曉歡.混行公交進口道長度設置[J].東南大學學報(自然科學版),2011,41(5):1 104-1 108.

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Analysis of Resource Effectiveness of Left-turning Bus Entrance Driveways

LiFeng1,Wang Jian2
(1.Ministry of Transportation Administrative Cadre College,Beijing 101601; 2.China Academy of Transportation Sciences,Beijing 100029,China)

In this paper,in order to minimize the interference of the left-turning buses when changing lanes and the delay at the entrance driveway,we designed the driveway so that the right-turning lane of the social vehicles could be used by the left-turning bus. However,this design may affect the signal timing,flow arrangement,function and safety of the driveway,etc.,so,after a detailed analysis of such influence,we pointed out the condition of application of this design and provided theoretical basis and technical support for the design of the bus-prioritized driveways.

bus-prioritized;lane changing behavior;left-turning bus;resource effectiveness

TU984.2;U469.13

A

1005-152X(2016)12-0063-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.12.016

2016-05-30

國家社會科學基金青年項目（13CGL150）

李鳳（1982-），女，副教授，研究方向：公交優先、交通管理。