基于交通擁堵指數(shù)的禁左交通組織研究*

徐建閩 鄒 磊

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510640)

0 引 言

實施禁左交通組織策略，是充分利用路網(wǎng)資源的宏觀體現(xiàn)，合理的禁左交通組織，可以緩解交通擁堵，同時也會存在將原有的擁堵點轉(zhuǎn)移到其他地方的情況，所以需要從點和線兩個層次評價禁左交通組織對緩解交通擁堵是否有效.

張紅軍[1]通過分析交叉口車流沖突問題，得出左轉(zhuǎn)車流是交叉口問題的關(guān)鍵，在理論分析的基礎(chǔ)上建立雙層規(guī)劃模型，利用VISSIM和TransCAD進行模型仿真求解，選取城市老城區(qū)進行禁左案例研究.龍科軍等[2-3]分析了禁左后交叉口的延誤與通行能力的變化特征，將交叉口是否禁左作為決策變量，車輛在路網(wǎng)上行駛時間最小為目標，建立一定區(qū)域網(wǎng)絡(luò)交叉口禁左交通組織優(yōu)化的雙層規(guī)劃模型，利用遺傳算法對模型進行求解.陳偉利等[4]通過模型分析，認為交叉口飽和度、路網(wǎng)密度和左轉(zhuǎn)車流所占的比例是影響交通流的重要因素，并分析了禁左對這些指標的影響.Hashim等[5]從點和線兩個層次進行交通改善方法的研究，通過仿真分析得出主路交通流量能夠顯著影響左轉(zhuǎn)車輛的平均延誤.Chowdhury[6]利用交通仿真軟件對交叉口禁左進行仿真實驗，對無信號交叉口是否禁左進行分析.

現(xiàn)有的禁左交通組織研究，大部分是通過分析左轉(zhuǎn)交通流禁限后行車延誤，交叉口飽和度等指標的變化，方案效果評價指標過于單一，方案有效性評價具有事后性.本文選取交通工程學(xué)中常見的多個交通擁堵評價指標，通過建立多指標擁堵指數(shù)計算方法，選取一條城市典型干道，利用擁堵指數(shù)對多種禁左方案的改善效果進行評價，選擇最優(yōu)的方案進行案例實施.

1 多層次交通擁堵指數(shù)計算模型

1.1 評價指標體系確定

交通擁堵的嚴重程度是交通工程理論中多個評價指標的實質(zhì)體現(xiàn)，美國《公路通行能力手冊》通常的評價指標包括飽和度、平均延誤；排隊論的評價指標包括排隊長度、車道占有率；大多數(shù)駕乘人員還會關(guān)注速度和停車次數(shù).參考已有研究，本文通過調(diào)查選擇飽和度、延誤、停車次數(shù)、排隊長度、速度作為道路擁堵評價指標，建立道路交通擁堵指數(shù)計算方法.

1.2 擁堵指數(shù)模型建立

本文采用問卷調(diào)查的方法調(diào)查了四級、乘客、行人以及交通管理人員對飽和度、延誤、停車次數(shù)、排隊長度、速度五個擁堵評價在發(fā)生交通擁堵時對評價指標的關(guān)注程度，共收回300份問卷.不同人群對指標關(guān)注程度見表1.

表1 擁堵評價指標問卷調(diào)查結(jié)果 %

擁堵評價是多層次，多目標的，這種特性與數(shù)學(xué)中的層次分析法類似.因此，本文選擇層次分析法作為擁堵指數(shù)計算模型的求解方法.

由于各評價指標之間的量綱不一致，在進行模型求解前對指標進行去量綱統(tǒng)一處理.

1) 交叉口進口道平均飽和度Y1=Q/C0.實際流量與飽和流率的比值.

2) 進口道速度效率指數(shù)Y2=V/Vi，車輛通過交叉口的自由流速度與實際速度的比值.

3) 信號交叉口二次停車率Y3，一個周期內(nèi)停車兩次或兩次以上的車輛數(shù)與該周期內(nèi)通過交叉口車輛總數(shù)的比值.

4) 進口道排隊長度比Y4，指交叉口排隊長度與交叉口到下一交叉口的距離之比.

5) 相對延誤率Y5，延誤時間與總行程時間的比值.

各群體與評價指標之間的層次關(guān)系見圖1.

圖1 擁堵指數(shù)、群體與評價指標之間的層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)擁堵評價的多層次、多目標性，利用層次分析法，經(jīng)過建立擁堵指數(shù)評判集、建立擁堵指數(shù)指標權(quán)重集、相對權(quán)重計算、一致性檢驗四個步驟求解得到單一交叉口擁堵指數(shù)計算方法.

根據(jù)不同的群體對交通擁堵評價的差異性，將人群劃分為四個子集Z={Z1，Z2，Z3，Z4}，其中，Z1～Z4分別代表司機、乘客、路人、交通管理人員的評價.不同出行者對擁堵的評價指標的重視程度也不相同.因此，子集Zl～Z4又可以劃分為不同的下一級子集Xi={X1，X2，X3，X4，X5}，X1～X5分別代表每個出行者相對應(yīng)的二級評價指標，即飽和度、速度效率指數(shù)、二次停車率、排隊長度、相對延誤率.

1) 建立評判集 結(jié)合調(diào)查以及專家評價法，城市路網(wǎng)交通擁堵分為五級：V={Vl，V2，V3，V4，V5}={通暢，一般，輕微擁堵，中度擁堵，嚴重擁堵}={0.25，0.4，0.6，0.75，0.85}[7].

2) 建立權(quán)重集

①構(gòu)造判斷矩陣 采用專家系統(tǒng)法，將交叉口各子層因素(評價指標)對上一層因素(不同出行者)的重要性程度來進行1～9標度，并成對比較重要程度，得出判斷矩陣[8].不同出行者評價的比重不同，其中司機的比重最大，交通管理人員次之，乘客第三，行人最后.通過指標之間的兩兩比較得到判斷矩陣見表2

表2 判斷矩陣表

②相對權(quán)重計算 本文采用根法確定相對權(quán)重，計算公式為

(1)

③一致性檢驗 需要對評價指標之間的相容性進行誤差分析.假設(shè)相容性指標為C.I.，有：

(2)

式中：n為判斷矩陣的維數(shù).

假設(shè)一致性指標為R.I.，則一致性比列為

(3)

若C.R.<1，認為判斷矩陣中各指標具有很好的相容性.

通過計算和一致性檢驗，得到單一交叉口交通擁堵指數(shù)計算方法為

0.25Y3+0.12Y4+0.33Y5

(4)

在城市道路中，研究區(qū)域內(nèi)的交通擁堵指數(shù)，取研究區(qū)域內(nèi)所有交叉口擁堵指數(shù)的平均值，即

(5)

式中：i，n取正整數(shù)；n為研究范圍內(nèi)的交叉口數(shù)目.

2 禁左交通組織方法研究

對一些左轉(zhuǎn)與直行車流有明顯區(qū)別的交叉口，可考慮左轉(zhuǎn)禁限的方式，取消信號控制交叉口左轉(zhuǎn)車道和左轉(zhuǎn)信號相位，通過繞行實現(xiàn)原來的左轉(zhuǎn)需求，充分利用路網(wǎng)資源.禁左交通組織對路網(wǎng)條件具有一定的要求，同時也存在多種禁左車流的組織方式[9-10].

2.1 禁左交通組織實施條件

對信號控制交叉口實施禁左交通組織，具有緩解交通擁堵的作用，但是對路網(wǎng)條件也有一定的要求.根據(jù)相關(guān)研究，為確保禁左措施的有效性，需滿足以下條件[11-12]：

1) 路網(wǎng)條件 禁左區(qū)域的路網(wǎng)布局和功能要相互匹配.所以，在進行禁左交通組織方案設(shè)計時要分析路網(wǎng)條件，如自由式、帶狀、放射環(huán)路網(wǎng)不適合禁左，棋盤式路網(wǎng)比較適合進行禁左管理.

2) 交叉口條件 實施禁左管理后，繞行車輛經(jīng)過的交叉口通行能力不能過小，避免因通行能力不足，造成新的交通擁堵點.實施禁左后，原交叉進口道車道功能要做相應(yīng)的更改.

3) 道路條件 禁左后原來的左轉(zhuǎn)車流繞行路段的距離不宜過長，交叉口之間的距離不宜過大.600～800 m是司機比較能接受的繞行距離，1 200 m是繞行距離上限.繞行路徑要保證左轉(zhuǎn)車流的順暢行駛.

4) 對各方向流量的要求 實施禁左管理必須是左轉(zhuǎn)交通流與直行交通流有明顯差異，左轉(zhuǎn)流量占直行流量的10%～20%為宜.當左轉(zhuǎn)車流量占直行車流量的一半時，不易采取禁左管理措施.

2.2 禁左后左轉(zhuǎn)交通流組織方式

不同的路網(wǎng)條件，原有左轉(zhuǎn)車輛禁左后具有不同的繞行方式，根據(jù)國內(nèi)外文獻及案例，具有街巷繞行、右轉(zhuǎn)回繞、直行回繞、提前左轉(zhuǎn)繞行四種車流繞行方式，見圖2～5[13-15].

1) 街巷繞行式 需要左轉(zhuǎn)的車輛首先直行通過目標交叉口，然后在相鄰交叉口連續(xù)三次右轉(zhuǎn)回到目標交叉口，最后直行即可按照期望的方向行駛.由于是通過右轉(zhuǎn)實現(xiàn)原左轉(zhuǎn)車輛的行駛需求，對其他交叉口的干擾較小.

圖2 街巷繞行示意圖

2) 直行回繞式 需要左轉(zhuǎn)的車輛在目標交叉口先直行，在下游交叉口或路中掉頭開口處掉頭，回到目標交叉口，最后右轉(zhuǎn)回到目標方向.該繞行方式會對對象的車流造成一定的干擾，可通過信號配時降低干擾.

圖3 直行回繞示意圖

3) 右轉(zhuǎn)回繞式 有左轉(zhuǎn)需求的車輛在目標交叉口先掉頭，在右轉(zhuǎn)后的道路上尋找機會掉頭回到目標交叉口，最后直行即可回到原來期望的行駛方向.該繞行方式對掉頭后的直行車道有一定的要求，若掉頭后的直行車道飽和度較高，右轉(zhuǎn)回繞式會加劇直行車道的交通壓力.

4) 提前繞行式 若對目標交叉口實施禁左，原左轉(zhuǎn)車輛需要在上游交叉口提前右轉(zhuǎn)，連續(xù)通過兩次左轉(zhuǎn)回到目標交叉口，最后直行回到原來期望的行駛方向.該方式會增大繞行過程中左轉(zhuǎn)交叉口的交通壓力，在實際中采用較少.

圖5 提前繞行示意圖

2.3 基于擁堵指數(shù)的禁左交通流組織方式選擇

考慮對區(qū)域內(nèi)一些交叉口禁左時，常用的手段是通過實地調(diào)研路網(wǎng)交通條件，從宏觀上決定禁左交通流的組織方式，這種手段通常只考慮到道路基礎(chǔ)條件，未完全考慮車輛改變行駛路徑后對整個路網(wǎng)交通擁堵造成的影響.本文基于交通擁堵指數(shù)計算模型，在進行禁左交通組織方案設(shè)計時，利用vissim仿真軟件，通過仿真未禁左、街巷繞行、直行回繞、右轉(zhuǎn)回繞和提前繞行多種交通組織方案，得到交叉口進口道平均飽和度、進口道速度效率指數(shù)、信號交叉口二次停車率、進口道排隊長度比、相對延誤率五個評價指標，根據(jù)式(1)～(2)計算研究區(qū)域內(nèi)的交通擁堵指數(shù)，選取擁堵指數(shù)最低對應(yīng)的繞行方式作為禁左交通組織的左轉(zhuǎn)交通流繞行方式.

3 算 例

為了驗證將擁堵指數(shù)計算方法用于禁左交通組織方案選擇的依據(jù)，本文依托實際項目，選擇中山市興中道作為案例，通過vissim仿真，基于擁堵指數(shù)進行方案選擇，結(jié)合落地實施后的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，驗證將擁堵指數(shù)計算方法用于禁左方案選擇的有效性.

中山市興中道共包含五個信號控制交叉口，根據(jù)流量分析，其中兩個路口滿足禁左的條件，具體禁左的路口及仿真區(qū)域見圖6.

圖6 禁左仿真區(qū)域圖

結(jié)合禁左交叉口周邊的路網(wǎng)條件，通過vissim仿真評價，各方案對應(yīng)的路網(wǎng)評價指標及擁堵指數(shù)見表3.

表3 禁左方案仿真結(jié)果

由于兩個交叉口的南北進口均禁左，按照禁左的繞行方式，存在較多的組合，因此在實際仿真中，采用控制變量的思想，一次僅改變一個交叉口一個進口的繞行方式，通過仿真結(jié)果找到最佳繞行方式組合，沒有把所有的繞行方案都仿真，這樣可以有效的減少仿真的工作量，上表中各方案對應(yīng)的繞行方式如下：

方案一交叉口1北進口街巷繞行式、南進口街巷繞行式；交叉口2北進口街巷繞行式，南進口街巷繞行式.

方案二交叉口1北進口直行回繞式、南進口街巷繞行式；交叉口2北進口街巷繞行式，南進口街巷繞行式.

方案三交叉口1北進口直行回繞式、南進口直行回繞式；交叉口2北進口街巷繞行式，南進口街巷繞行式.

方案四交叉口1北進口街巷繞行式、南進口直行回繞式；交叉口2北進口街巷繞行式，南進口街巷繞行式.

方案五交叉口1北進口街巷繞行式、南進口直行回繞式；交叉口2北進口街巷繞行式，南進口直行回繞式.

方案六交叉口1北進口街巷繞行式、南進口直行回繞式；交叉口2北進口直行回繞式，南進口街巷繞行式.

方案七交叉口1北進口街巷繞行式、南進口直行回繞式；交叉口2北進口直行回繞式，南進口直行回繞式.

通過仿真結(jié)果對比可知，方案四是最佳方案，即交叉口1北進口街巷繞行式、南進口直行回繞式；交叉口2北進口街巷繞行式，南進口街巷繞行式.

項目結(jié)合算例得出的結(jié)果，對方案四進行落地實施，并持續(xù)一個月的實際路況觀察，解決了原來因路段距離短引起的交叉口排隊溢出問題，結(jié)合高德互聯(lián)網(wǎng)評價數(shù)據(jù)，優(yōu)化前的交通運行指數(shù)是1.43，方案實施后的交通運行指數(shù)是1.31，降低了8.4%.

4 結(jié) 束 語

現(xiàn)有關(guān)于禁左交通組織方案設(shè)計較多的重點在于一個點或者一條線上，禁左后原左轉(zhuǎn)車輛的路徑選擇較多憑借經(jīng)驗決定，再利用仿真驗證點或線的交通擁堵是否有改善.本文引入擁堵指數(shù)計算的方法，綜合考慮由點禁左后對點周圍路網(wǎng)的影響.同時利用控制變量的思想，仿真多種潛在方案，選擇路網(wǎng)平均擁堵指數(shù)最小的方案作為最優(yōu)方案，并落地實施，通過實際項目驗證方法的有效性.本文的這種方法為交通管理部門和交通組織方案設(shè)計者提供一種理論依據(jù)，避免了方案落地實施后效果不明顯，再恢復(fù)現(xiàn)狀的情況.