信號交叉口逆向可變車道交通效益分析

胡尚尚 ，王曉青 ，魏福祿 *，蔡正干 ，武肖艷

（1：山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255000；2：淄博市公安局交通警察支隊高新區大隊，山東 淄博 255000）

0 引言

隨著機動車保有量的快速增長，道路資源也越發顯得不足，道路資源在時空上利用率不高，形成交通擁堵。對于有些城市交叉口存在早晚高峰段交通流分布不均衡現象，為避免道路資源的浪費，提出在交叉口進口道設置逆向可變車道，以緩解交通擁堵[1]。

逆向可變車道適用于交叉口時空資源利用不足的情況，對于逆向可變車道的設計研究中，慈玉生等[2]提出了一種基于感應控制的逆向可變車道，通過設計參數進行延誤分析以此進行方案的設計。通過仿真表明，在流量較低時感應控制能夠取得較好的效益，在流量較高時，感應控制下的車輛延誤趨于定時控制。

徐建閩等[3]提出了一種基于逆向可變車道的交叉口公交左轉優先方法，通過仿真發現，在不影響其他車輛的前提下，減少了左轉公交車的延誤，提升公交車的通行效率，提升了城市公共交通的服務水平。

曲昭偉等[4]運用概率統計及視頻處理技術分析了設置逆向可變車道的左轉車流在交叉口內的釋放特性及其空間軌跡特點，通過對沖突點檢測分析，逆向可變車道的設置會增大交叉口內部左轉車流之間的干擾程度，對逆向可變車道的安全性進行分析評價，有助于提升逆向可變車道的安全性。

Q.Ma 等[5]通過視頻檢測對可變車道進行控制，基于相應檢測器的視頻檢測可以實時獲得交通流的特征，確定可變車道的方向，以提升交叉路口的通行能力。

通過VISSIM 軟件上的仿真，驗證了與原控制方法相比，該方法可以提高出行能力，減少交通擁堵。

逆向可變車道要更好的體現出它的優點，就需要與交叉口的信號控制進行協調。

劉偉等[6]以相位有效綠燈時間、飽和度和逆向可變車道長度為約束條件，運用NSGA-Ⅱ雙目標優化算法，建立交叉口控制延誤時間最小、交叉口通行能力最大的雙目標函數控制模型。

實驗表明，該方法能夠較好的提高交叉口通行能力，降低控制延誤。

孫鋒等[7]對交叉口逆向可變車道的通行能力進行分析，提出了該類交叉口進口道左轉車道組通行能力和飽和流量的計算方法，在保證安全的前提下提出了一種逆向可變車道與信號協同優化的方法，通過實驗分析，該方法取得了較好的成果。

劉怡等[8]通過定量分析逆向可變車道下交通流的變化，建立分階段消散流率模型，優化相位相序，建立可變車道預信號配時參數模型，依據流率時變規律對Webster 最佳周期及綠信比算法進行修正，通過仿真實驗表明改進的Webster 配時模型可有效適應設置逆向可變車道的信號交叉口配時。

J.W.Wang 等[9]將可變車道的思路與現實生活結合在一起，用來解決現實生活中的其他擁堵問題，他們為了使可變車道的實時誘導技術和自主化、智能化技術，與應急疏散的方案進行結合，提出了1個雙層規劃模型。

逆向可變車道的研究是解決當下道路交通資源稀缺，且利用率不足的一種新思想、新方法。目前對交叉口逆向可變車道的研究多集中于逆向可變車道設置條件及信號協同方面，對于逆向可變車道的安全及交通效益的專題研究較少，本文以逆向可變車道的交通效益進行研究分析，在不考慮信號協同控制的情況下，對逆向可變車道的優勢進行闡述分析。

1 逆向可變車道的設置條件

逆向可變車道的設置需要考慮到城市交叉口處的信號控制、交通量、道路條件等方面，并不是所有的交叉口都適合設置逆向可變車道。因此逆向可變車道的設置需要滿足如下方面。

1）交叉口必須為具有信號控制的城市平面交叉口

交叉口分為平面交叉口和立體交叉口。立體交叉口因其道路沒有在一個平面上相交，使其交通運行方案十分復雜，設置逆向可變車道后會使其復雜情況加重，不利于車輛的運行和通行能力的提高；而未設置信號燈控制的交叉口，其車輛運行具有隨機性，而逆向可變車道的根本是借用同向出口道左轉，所以在設置逆向可變車道后，逆向可變車道上左轉車輛容易與對向車流發生沖突，增加交通事故發生的機率，不利于交通安全和通行能力的提高。所以設置逆向可變車道的交叉口是要有信號燈控制的平面交叉口。

2）具有左轉專用車道及左轉專用相位

設置逆向可變車道的基本前提是需要有左轉專用的車道來承載左轉車輛的運行；設置左轉專用相位是避免逆向可變車道上的左轉車輛與同1 周期內對向直行車輛間的沖突，造成交通事故的發生。

3）出口道要有1 條車道供相鄰進口右轉車輛行駛

設置逆向可變車道進口的出口道要有1 條車道供相鄰進口右轉車輛行駛，避免相交道路進口的右轉車輛右轉進入該車道時與左轉車輛發生沖突。

4）進口道左轉車道交通量較大，道路資源求大于供

進口道左轉車道交通量較大，道路資源求大于供是設置逆向可變車道的必要條件，也是設置逆向可變車道的意義所在。如果進口道左轉車道交通量小，服務水平高，設置逆向可變車道就毫無意義。進口道左轉車道道路資源利用緊張且左轉交通量較大主要表現為：在同一周期內左轉車輛排隊長度過長，排隊長度超過直行車輛排隊長度，甚至接近上一個路口交叉口；部分左轉車輛經歷2 次及其以上停車，1 個信號周期的左轉車輛全部通過交叉口需要2 個乃至2 個以上信號周期。

2 交通效益評價指標

道路交叉口逆向可變車道的設置作為一種新型的城市交通組織方法，對緩解城市道路交通擁堵，合理利用道路資源具有十分重要的意義。逆向可變車道的效益就需要通過相應的交通指標進行反映。

本文在不考慮信號交叉口處交通信號控制改變的條件下，對該交叉口設置逆向可變車道前后的交通效益進行評價，從定量的角度選取逆向可變車道在交叉口處的通行能力、車輛延誤及排隊長度3個角度衡量逆向可變車道所產生的交通效益。

2.1 通行能力分析

逆向可變車道是設置在出口的車道，對該方向進口道的通行能力沒有影響，由于占用了出口道的車道，所以進口道的左轉車道數量增加，進口左轉車輛的通行能力增加了。在理想狀態下，逆向可變車道的通行能力與專用左轉車道的通行能力是一樣的。由于逆向可變車道的設置是為了解決交通潮汐現象，避免因為時空造成道路資源的浪費，所以對逆向可變車道進口道的交通流影響較小，在此不進行考慮。

1）停車線法計算通行能力[10]

①一條專用直行車道的設計通行能力為：

式中：T周為信號周期時間，s，一般采用 60 s～90 s，亦有用到 120 s；t綠為每一個周期內的綠燈時間，s；t損為車輛從發動到啟動損失的時間，s；t間為前后2 輛車連續通過停車線的時距的平均值，s。

②一條左轉專用車道的通行能力為：

式中：n 為 1 個周期內允許左轉彎的車輛數；t黃綠為1 個周期內所有左轉專用相位中除去紅燈時間的其他燈色時間之和，s；V左為左轉車輛的行駛速度，m/s；a 為左轉車輛的平均加速度，m/s2；t左為左轉車輛通過停止線的車頭時距，s。

③逆向可變車道下的通行能力

逆向可變車道改變的是左轉車輛的通行能力，在理想狀態下，會增加1 條專用左轉車道的通行能力，但由于逆向左轉車道的設置都在原有道路條件下進行了改變，車輛行駛環境會受到一些影響。所以新增加的左轉車道的通行能力為：

式中：ε 為干擾因子，取值為[0，1]，ε=1 即為理想狀態，ε 取值可以通過測量出口道車輛行駛速度衰減百分比進行確定取值。

2.2 車輛延誤分析

車輛延誤常使用 Webster 模型法[11]，Webster 延誤模型由3 部分延誤組成，均勻延誤、隨機延誤和排隊延誤。其模型如下所示：

式中：d 為各車道每輛車的平均信號控制延誤；du為均勻延誤，即車輛均勻到達所產生的延誤；dr為隨機延誤，即車輛隨機到達并引起超飽和周期所產生的附加延誤；dc為初始排隊延誤，即上一時段留下的初始排隊車輛對后續車輛影響所產生的附加延誤；c為信號周期長，s；參數 λ，x，T，Q，k 分別為車道綠信比，車道飽和度，分析時段持續時長，車道通行能力，上一時段積余的車輛數。

2.3 排隊長度分析

對逆向可變車道的排隊長度是指在0 個周期，專用左轉相位啟動之時，專用左轉車道上排隊車輛的長度。通過逆向可變車道設置前后，左轉車流的平均排隊長度、最大排隊長度、排隊車輛數及停車率等參數對排隊長度進行分析[12]。通過對這些參數進行比較來評價逆向可變車道設置的交通效益。

3 仿真分析

本文選取某城市平面信號控制交叉口進行逆向可變車道效益評價，通過VISSM 進行仿真，驗證逆向可變車道設置前后該交叉口的交通效益。

1）交叉口交通組織分析

圖1 為該信號交叉口設置逆向可變車道前的交通組織圖；圖2 為該信號交叉口設置逆向可變車道后的交通組織圖；圖3 為南進口逆向可變車道設置細節圖；表1 為該信號交叉口信號相位分配情況。由該交叉口的交通組織圖可以看出，南進口具有專用左轉車道及左轉信號相位，出口道為3 車道，滿足1 條車道供相鄰進口右轉車輛行駛要求，其道路條件及信號控制方式具備設置逆向可變車道的條件。

2）交通流調查

通過對該交叉口早晚高峰及2 個平峰時段的交通流量進行調查發現，見表2。在早晚高峰時期，南進口及北進口的直行及左轉流量存在明顯的潮汐現象，滿足設置逆向可變車道的交通量條件。如果不設置逆向可變車道，不僅造成道路資源的浪費，還會形成交通擁堵，極大程度上影響該交叉口處的通行效率，設置逆向可變車道，不僅能夠物盡其用，還能緩解交通擁堵，提升道路服務水平。

3）逆向可變車道仿真效果分析

本次選擇該交叉口晚高峰時期，通過VISSM 仿真平臺對該交叉口逆向可變車道設置前后進行效益評價。

如圖4（a）所示是逆向可變車道設置前的左轉車輛交通仿真情況，如圖4（b）所示是逆向可變車道設置后的左轉車輛交通仿真情況。圖4 中左轉車輛都處于剛放行狀態，由圖4 中仿真對比可知，在同1個路口，相同車流量時，逆向可變車道設置后左轉車輛的排隊長度明顯小于未設置逆向可變車道時左轉車輛的排隊長度。

表1 信號交叉口的信號相位分配

表2 該交叉口流量調查 pcu

4）逆向可變車道交通效益分析

由表3 的數據可知，將設有逆向可變車道的南進口平均排隊長度、最大排隊長度、停車次數、平均停車時間等相關數據單獨列出，將未設置逆向可變車道和設置逆向可變車道后的數據進行對比，結果如圖5～圖6 所示。

由圖5～圖6 的平均排隊長度、最大排隊長度、停車次數、平均停車時間等相關交通指標數據對比可知，逆向可變車道設置后南進口的左轉車輛排隊長度和車輛延誤有了明顯的下降，平均排隊長度較未設置逆向可變車道前下降了46.34%，停車次數較未設置逆向可變車道前下降了25.00%，逆向可變車道設置后的車輛平均延誤較未設置逆向可變車道前下降了16.61%，逆向可變車道設置后的平均停車時間較未設置逆向可變車道前下降了18.92%。

表3 逆向可變車道交通效益參數分析

通過VISSIM 仿真，對該交叉口晚高峰南進口通行能力進行仿真效果對比，見表4。

表4 該交叉口晚高峰通行能力對比 pcu/h

由表4 可知，逆向可變車道設置后該交叉口南進口左轉車輛和直行的通行能力有了明顯上升，在增加左轉車道通行能力的基礎上，未減少直行車道的通行能力。其中逆向可變車道設置后左轉通行能力較未設置逆向可變車道前上升了26.00%。

綜上所述，在同等交通條件下，逆向可變車道的設置使交叉口通行能力提升26.00%，平均排隊長度下降46.34%，最大排隊長度降低39.42%，車輛停車次數減少25.00%，平均延誤降低16.61%，平均停車時間減少18.92%。逆向可變車道的設置起到了充分發揮道路潛力，提高左轉通行能力的作用。

4 結論

本文將交叉口的通行能力、排隊長度及交通延誤作為逆向可變車道的交通效益評價指標，通過VISSIM 仿真，分析設置逆向可變車道緩解交叉口時空資源緊張的實際效益。研究發現，逆向可變車道的設置對提升交叉口的效益指標具有極其重要的作用。本文在不考慮信號協調控制的條件下，對逆向可變車道交通效益分析進行了研究，建立了逆向可變車道運行效果的評價方法。但由于逆向可變車道要取得更優效果就需要與信號控制方式進行協調，所以關于信號協調控制對逆向可變車道交通效益的影響，有待進一步研究。