移位左轉交叉口渠化與信號配時優化模型

朱然博 徐良杰 李 福 陳國俊

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

0 引 言

隨著中國城市化水平與機動化水平的不斷增加，城市道路平面交叉口成為制約整個城市路網系統的關鍵節點，其中左轉車流與對向直行車流間的沖突是制約平面交叉口通行能力的關鍵.為解決這一痛點，學者們提出了一些非常規的交叉口[1]，其中移位左轉(continuous flow intersection，CFI)設計交通干擾小、效益高、車均延誤較普通交叉口降低大于50%[2-3]，是當前研究的熱點方向.

Tanwanichkul等[4-5]通過VISSIM仿真對比分析了不同交通流量下常規路口與各類移位左轉交叉口在通行能力、飽和度與總延誤等方面的差異.在信號控制模型方面，You等[6-12]基于移位左轉交叉口特性，分別從交叉口空間渠化設計、交通組織設計與信號控制優化設計這三方面進行研究，構建出相應的移位左轉交叉口一體化優化模型，發現移位左轉交叉口能夠明顯提高交叉口的通行能力，具有明顯的優勢和廣泛的應用前景.在移位左轉交叉口的優化研究方面，蔣賢才等[13]采用把移位左轉車道向內偏移一個車道的方式來避免右轉車輛對左轉車輛的影響，通過對比分析改進前后的車均延誤與最大通行能力，驗證該方案的有效性.Yang等[14]基于非對稱移位左轉的幾何特性，建立了兩種信號優化模型，通過對比兩種模型的仿真結果，發現模型1在減少交叉口排隊長度方面表現更好，模型2在設計階段更為靈活簡便.基于移位左轉交叉口的有效性與獨特性，Park等[15]從駕駛員行為、安全性和操作效率方面對移位左轉交叉口進行評價，發現移位左轉交叉口可以改善駕駛員操作、節省汽車染料、減少車輛排放.而張新泰[16]從自動駕駛這一新興角度，提出了移位左轉交叉口自動駕駛避撞控制策略，進而優化車輛在交叉口的速度與加速度.

綜上，移位左轉在降低交叉口延誤，提高交叉口通行能力等方面具有較高的效益，但目前移位左轉的渠化與信號控制模型都較為復雜，不夠簡潔直觀.該方案也會使得左轉車輛分別在路段與主交叉口分別停車，嚴重影響駕駛員的駕駛舒適性.因此，文中基于現有的單點交叉口信號控制模型，結合移位左轉交叉口的獨特性，通過優化調整預信號啟亮時間，建立了主、預信號協同控制的移位左轉交叉口信號優化模型，以減少左轉車流的二次停車現象，進一步降低左轉車流延誤，提高交叉口通行能力.

1 移位左轉交叉口渠化模型

1.1 移位左轉交叉口渠化方法

移位左轉交叉口將左轉車道移至對向出口道外側，左轉車輛在路段交叉口處變道駛入移位左轉儲存道，在主信號的控制下，與同向直行、對向直行和左轉車輛一起通過交叉口，其具體渠化設計見圖1.

圖1 移位左轉交叉口

此方案可以有效減少交叉口內沖突點個數，減少信號相位個數，從而降低車均延誤，提高交叉口通行能力.但我國交叉口內的右轉車輛可直接駛入出口道的外側車道，不受信號控制，而移位左轉將左轉車道移至出口道外側，占用了右轉車輛的通行空間，使左轉車輛與右轉車輛產生沖突，因此本文通過拓寬設置了移位左轉車道的出口道，使得右轉車輛在空間上與左轉車輛分隔，進而避免沖突發生，具體渠化方案見圖2.其中①～③為車輛行駛路線編號.

圖2 移位左轉交叉口渠化方案與運行組織

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GB50647—2011《城市道路交叉口規范》進行計算，展寬段lzc需根據移位左轉儲存道長度l1進行計算：為保證南北方向的左轉車輛與東西方向的右轉車輛在空間上不產生沖突，展寬段的長度lzc應等于移位左轉儲存道長度l1，即：lzc=l1.

2)移位左轉儲存道長度l1計算 左轉車輛在路段預信號控制下進入移位左轉儲存道，因而移位左轉儲存道的長度與預信號有效綠燈時長有關，且移位左轉儲存道的長度一般不大于100 m.因此l1應滿足

(1)

式中：g4為預信號的綠燈有效時長；td為車輛平均啟動延誤；v1為車隊左轉的平均速度；v2為車輛左轉的平均速度.

由于資金扶持始終是農村扶貧的中心環節，中國在扶貧資金管理方面的試驗和創新較多。財政扶貧資金管理方面的創新主要有：第一，地區間財政扶貧資金分配由模糊分配改為主要按要素法進行分配；第二，財政扶貧資金實行專戶管理、報賬制；第三，建立財政扶貧資金監測信息系統對資金進行監管；第四，建立財政扶貧資金績效考評機制和資金分配、使用公開公示制度；第五，建立審計、財政、業務部門、社會輿論等各方面參與的多元化監管機制。

3)路段左轉變道長度l2計算 左轉車輛在信號控制下由路段停車線處變道駛入移位左轉儲存道，該路程的縱向長度即為路段左轉車輛變道長度，見圖3.其表達式為

圖3 長度計算圖

(2)

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

4)路段左轉行駛路徑長度l3計算 左轉車輛由路段停車線駛入移位左轉儲存道的路程長為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，南北出口道設置移位左轉車道，東西方向不設置移位左轉車道，與常規交叉口一致.首先，南北方向的左轉車輛根據預信號提示，由路段停車線變道駛入移位左轉儲存道等待主交叉口綠燈放行.當南北直行綠燈啟亮時，左轉車輛沿路徑①駛出交叉口，直行車輛沿路徑②向左偏移2個車道駛入相應的出口道，同時避開對向左轉車輛；然后在路段交叉口處向右偏移2個車道恢復正常，東西方向的右轉車輛沿路徑③駛入右轉專用道，不受信號控制，從而避免與南北方向的左轉車輛產生沖突.該方案在不影響右轉車輛行駛的同時，保證了移位左轉車輛的運行效率，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，車道數越多，行人越少，左轉與直行車流運行就越流暢，交叉口改善效果就越明顯，因此針對慢行交通，建議采用人行天橋或地下通道的方式輔助過街，減少慢行交通對于移位左轉方案的影響.

2 考慮協同控制的移位左轉信控優化模型

2.1 相位相序設計

文中以南北方向設置移位左轉，東西方向與常規交叉口一致為例，進行相位相序設計.考慮到路段交叉口預信號與主交叉口信號的協同控制，南北左轉的綠燈啟亮時間需接著路段交叉口左轉的啟亮時間，使移位左轉車輛可以在預信號啟亮時連續通過路段交叉口與主交叉口，因此東西直行信號為第1相位，南北直行與左轉信號為第2相位，東西左轉信號為第3相位，當第3相位綠燈結束時，南北左轉車輛需在路段交叉口處等待東西左轉車輛全部駛離路段交叉口，從而使得南北左轉車輛可以安全駛入移位左轉儲存道，因此路段預信號綠燈啟亮時間較第1相位綠燈啟亮時間需延遲t1s.相位相序與信號配時設計方案見圖4～5.

圖5 信號配時設計方案

2.2 信號控制優化模型

2.2.1各相位有效綠時分配

根據已繪制的相位相序與信號控制圖，確定各相位的關鍵流率比：考慮到相位1東西直行車輛的綠燈時間也是預信號左轉車輛從路段停車線駛入移位左轉儲存道的綠燈時間，因此相位1的關鍵流率比需同時考慮東西直行與南北左轉車流量；相位2為南北直行加左轉，因此關鍵流率比需同時考慮南北直行與左轉車流量；相位3為東西左轉，因此關鍵流率比僅需考慮東西左轉車流量，具體函數為

(4)

(5)

(6)

因此，信號周期時長為

(7)

各相位的有效綠燈時長為

(8)

2.2.2考慮協同控制的預信號約束條件

為保障第2相位南北方向的左轉車輛全部安全通過交叉口，預信號的有效綠燈時長應不大于主交叉口的第2相位有效綠燈時長；第1相位為東西直行信號，此時也是路段交叉口左轉信號，且相位1的關鍵流率比計算過程中也考慮了南北左轉車流量，因此預信號的有效綠燈時長應不大于主交叉口第1相位的有效綠燈時長；為保障路段交叉口的運行安全，應確保上一相位東西左轉車輛順利駛過路段交叉口后，再開啟南北路段交叉口處預信號的綠燈，使南北左轉車輛可以順利進入移位左轉儲存道內，因此預信號的綠燈啟亮時間應延遲至東西左轉的最后一輛車駛離路段交叉口時；為提高交叉口的運行效率，可將路段交叉口預信號綠燈啟亮時間與主交叉口第2相位綠燈啟亮時間協同控制，使南北第一輛左轉車輛從路段交叉口行駛至主交叉口停車線時，第2相位的綠燈同時啟亮，進而緩解移位左轉方案中左轉車輛的二次停車現象，同時進一步降低左轉車輛的延誤.上述條件為

g4≤g2

(9)

g4≤g1

(10)

(11)

(12)

由式(9)～(12)可得預信號的綠燈啟亮延遲時間t1與有效綠燈時長g4的計算公式

(13)

g4=min(g1,g2)

(14)

式中：v3為車輛直行的平均速度；L1為第1相位的信號損失時間；v4為左轉車輛在移位左轉儲存道內直行的平均速度；

3 仿真評價

以武漢市團結大道與仁和路交叉口為例開展對比分析.原交叉口幾何條件與高峰小時交通量見圖6和表1，信號配時采用四相位控制.針對上述實際觀測量對交叉口進行移位左轉設計，具體渠化方案見圖7.西進口道設置為一條左轉專用車道、一條直行車道和一條右轉專用車道，東進口道設置為一條左轉專用車道、兩條直行車道和一條右轉專用車道，南進口道與北進口道設置為兩條移位左轉車道、一條直行車道和一條直右車道.

圖6 團結大道與仁和路交叉口

表1 交通流量調查表 單位：pcu/h

圖7 移位左轉渠化方案

針對上述渠化方案，分別構建交叉口現狀信號控制方案(方案1)與考慮協同控制的移位左轉信號優化控制方案(方案2)，結合VISSIM仿真驗證優化方案的實際效果.在VISSIM中保持輸入的各項參數不變，以各方向進口道的直行與左轉車均延誤、最大通行能力和車均停車次數為評價指標，得到2種信號控制方案下的仿真結果，見圖8.

圖8 不同因素的對比

由圖8a)可知:在高峰小時交通流量下，方案2大多數方向的車均延誤較方案1均有下降；西、南、北進口左轉的車均延誤下降比率均大于50%，是因為這三個方向的左轉車流量較大，均大于400 pcu/h，且采用移位左轉方案后，南北方向的左轉車道數較原交叉口增加一條，西、南、北有效綠燈持續時間也較原信號配時長；但東西直行車輛的車均延誤下降比率很低，方案2西進口直行車均延誤甚至大于方案1，是因為在移位左轉渠化方案中，考慮到東西右轉車流量較大，因此將東西進口道中的一條直右車道改成了右轉專用道，導致直行車道數減少，西進口延誤反而上升，而東進口車道數較西進口多，采用右轉專用道的同時保證了直行車流的通行能力，進而降低車均延誤.

由圖8b)可知:方案2的交叉口總車均停車次數較方案1下降了38%，是因為文中采用主、預信號協調控制策略使得移位左轉車輛在預信號控制下進入移位左轉儲存車道后，無需進行二次停車，可直接通過交叉口；此外，各方向進口道的車均停車次數也較為均衡，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長度較方案1下降了69%，是因為方案2相較于方案1，相位數從來原來的四相位減少為三相位，周期時長也有所下降，且南北方向的左轉車輛與直行車輛可以同時通過交叉口.此外，方案2各方向進口道的平均排隊長度較為均衡，信號控制方案較為理想.

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，是因為在計算交叉口總通行能力時，僅考慮了直行與左轉車道，未考慮右轉專用道，而在移位左轉渠化方案中，東西進口道中的一條直右車道改成了右轉專用道，因此導致東西直行車道的通行能力大幅下降，分別為-22%和-59%；同時，北進口直行的通行能力也下降了14%，是因為北進口道中的一條直行車道被改成了移位左轉車道，且綠信比在改善前后變化不大；但東、西、南、北左轉與南向直行的通行能力提升比率均大于40%，是因為這5個車道組所對應的綠信比有所提高，且南北的左轉車道數由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38%，車道平均排隊長度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，進一步改善交叉口運行效率.

4 結 論

1)分析了移位左轉交叉口特性，提出了移位左轉出口道拓寬方案，結合移位左轉儲存道長度設計了計算模型，建立了交通流組織方案，解決了左轉車輛與右轉車輛的沖突問題.

2)基于單點交叉口信號控制模型與最佳信號周期模型，設計了移位左轉交叉口相位相序，分析了預信號與主信號之間的協同控制關系，建立了移位左轉交叉口信號配時優化模型.

3)分別從車均延誤、車均停車次數和通行能力3個方面進行實例分析，結果表明移位左轉方案能夠有效降低車均延誤，提高交叉口通行能力，改善交叉口運行效率.

4)未考慮4個方向均設置移位左轉車道的情況，同時，大型車比例和右轉車流量對移位左轉交叉口設置效果的影響也有待進一步研究.