U型左转远引在干线感应协调控制中的应用研究

章立辉　唐小军

(大连理工大学交通运输学院　大连　116024)

U型左转远引在干线感应协调控制中的应用研究

章立辉唐小军

(大连理工大学交通运输学院大连116024)

摘要：考虑交叉口交通需求的不确定性问题，以实施感应协调控制的城市干线为研究主体，分析干线交叉口左转交通流利用左转专用相位和U型左转远引2种方式实现左转的运行效果.应用Synchro进行单个交叉口信号优化配时，基于带宽最大化的干线感应协调鲁棒配时方法确定最佳相位差.利用Sim traffic进行微观仿真，算例分析表明：U型左转远引能够明显降低交叉口进口道平均延误和95th排队长度；各交叉口服务水平显著提高；干线运行指标，如系统平均延误、平均速度均有所改善.对不同比例左转流量对进口道平均延误的影响分析可知，U型左转方案对左转流量的变化造成的延误变化不是很敏感.

关键词：交通工程；U型左转远引；感应协调；鲁棒配时；微观仿真

章立辉(1984- )：男，讲师，博士，主要研究领域为交通信号配时优化、交通网络设计、路网可靠度、高速公路控制等

0引言

城市干道是城市交通运输的动脉，提高干道的通行能力对城市的运转有着举足轻重的作用.干线平交口作为干线通行能力的瓶颈，其中的左转交通流是交叉口中产生交通冲突点最多的交通流，对交叉口的运行效率及通行安全有极大的影响.因此，对左转车流进行合理的管理与组织，是提高干线通行能力的措施之一.左转车流的传统控制方法包括许可左转、保护/许可左转、保护左转.“禁左”是对平交口左转交通流的另一种组织方式.实行“禁左”后，消除了左转车流产生的冲突点，提高了平交口的通行效率与安全.

U型左转远引是平交口实行“禁左”后的左转方式之一，国内外学者对此进行了相关研究.张宁等[1]基于TSIS仿真软件，提出了借鉴国外相关规范以及结合临近路口配时设计的远引调头选址规划优化方法.郭宏伟等[2]以NaSch模型为基础，建立了城市道路U型转向路段交通流模型，并通过数值模拟对转向交通流特性进行分析.翟京等[3]基于VISSIM微观仿真，以真实交叉口为例，对比分析了左转保护相位和U型左转远引设计方案的实施效果.Liu等[4-5]通过对采集的交通数据进行分析，评价了多车道道路的U-turn运行效果，如道路延误、行程时间，并提出了U型港湾通行能力的评估步骤.Zheng等[6]利用Synchro和Sim Traffic软件包开发了评估U-turn对信号控制交叉口服务水平影响的评估步骤.值得注意的是，如上所述的研究均是以单个交叉口或路段为研究对象，未考虑实施“禁左”后相邻交叉口的交通运行状况.

另有一些学者对实行“禁左”的干线交叉口群进行了相关分析.马万经等[7]以交叉口群总延误最小为目标，提出了交叉口群左转相位组合优化模型，并在其模型中考虑了公交车流为直行的条件下，禁止拥挤交叉口左转车流带来的公交优先效益.文献[8-9]首先对真实干道交叉口左转交通流进行左转远引组织，然后对干道进行协调控制配时，以评估其运行效果.Reid等[10]利用Synchro配时软件、TSIS仿真软件对比分析了干线走廊分别采用双向左转车道(TWLTL)、中央分隔带左转远引(MUT)、超宽街道(SSM)3种左转弯形式的运行效果.然而上述研究均假设信号控制时段内交通流是恒定的，这显然与现实交通需求实时变化的特性不符.因此，上述研究应用于实际中可能很难获得理想控制效果.

为了能在一定程度上更好的适应交通需求的不确定性，本文以感应协调控制干线为研究对象.采用交叉口进口道平均延误、95th排队长度，以及整个路网系统的平均延误、平均速度作为指标，对比分析干线交叉口分别采用左转专用相位和U型左转远引两种控制方式.

1U型左转远引交通组织形式

对左转交通流采用“中央分隔带U型左转远引”的方式最早是由美国密歇根州交通部于1960年首次提出.如今，此方案已得到广泛运用，如美国的佛罗里达州、新墨西哥州、欧洲国家和中国.

1.1U型左转远引(median U-turn crossover)

左转远引是平交口四类非传统设计方案之一，主要包括中央分隔带U型左转远引、蝴蝶领结型、超宽街道三种形式.本文的研究对象为中央分隔带U型左转远引.中央分隔带U型左转远引又称为“Michigan U-Turn”或“Michigan Lefts”.其一般形式见图1.

图1　U型左转远引交通流运行轨迹

主干道左转车流运行轨迹：先随直行车流在绿灯启亮后通过交叉口到达下游U型港湾进行U型转弯，然后利用对向车流的可穿插间隙汇入对向车流，最后直行回到交叉口再右转进入相交道路实现左转.即“先直行，后右转”.

支路左转车流运行轨迹：先在交叉口处右转到达主干道下游U型港湾，实现U型转弯，然后利用主干道对向车流的可穿插间隙汇入对向车流，再直行通过交叉口实现左转.即“先右转，后直行”.

1.2U型左转远引交叉口信号相位控制

当平交口主次道路均采用左转专用相位控制左转车流时，信号控制需采用四相位.而四相位信号控制会增加损失时间，从而降低了交叉口通行能力.实行U型左转方案后，机动车四相位控制简化为两相位控制，减少了损失时间，可增加通行能力.两种设计方案下，机动车可能的信号相位控制方案见图2.

图2　机动车信号控制方案

1.3U型左转远引方案评价

平交口实行左转远引后，消除了交叉口内所有左转车辆产生的冲突点，提高了平交口的通行安全，减少了交通事故的发生率；由于交叉口采用两相位控制，减少了损失时间，可增加主干道的通行能力及直行车辆运行的连续性等.

但是该方案会增加左转车辆的绕行距离、停车次数和延误；容易使驾驶员产生迷惑，尤其是外地驾驶员；左转车辆换道时会在一定程度上影响干道直行车辆的行驶速度；对道路及中央分隔带的宽度要求较大，适用路段有限，同时也需要设置引导标识，增加了成本等.

显然，对干道实行U型左转远引的设计方案优缺点并存，因此设置时应详细考察交通与地理条件，及其带来的社会效益.

已有的研究表明：合理的U型左转远引设置方案能够降低22%的事故率；减少20%～30%，甚至60%的平均延误；同时可以增加20%～50%的通行能力[11].但绝大多数研究仅考虑单个非传统交叉口或者实施“禁左”的干道预设时间协调控制，忽略了交叉口群间的协调以及交通需求的不确定性问题.本文同时考虑这两个问题，将U型左转远引设计方案运用于干线感应协调控制中，以分析其适用性.

2数值算例

2.1算例路网数据

对如图3所示的干道网络进行算例分析.该干道具有3个交叉口，为双向8车道，采用中央分隔带隔离.在本文的研究中，U型港湾均设置于道路中段.针对左转专用相位(以下简称方案1)与U型左转远引(以下简称方案2)两种设计方案，首先利用Synchro进行单个交叉口信号配时方案优化，然后运用基于带宽最大化的干线感应协调鲁棒配时方法计算最佳相位差，最后用Sim Traffic进行仿真分析.各交叉口原始流量数据及实行“禁左”后引起的交通流转移流量数据见图3.

图3　算例路网数据(单位：pcu/h)

2.2相位差计算

相位差是干线协调控制的关键参数.对于感应控制信号灯，由于存在“提前返绿”的问题，导致协调相位(本文中为东西直行相位)的绿灯起亮(结束)时刻不固定，因此合理地设置相位差就成为实施干线感应协调控制的关键所在.Husch等[12]优化路网相位差是基于最小化或近似最小化延误，同时其在进行感应控制配时优化时，并未考虑交通需求的不确定性问题.与此不同，本文采用Zhang等[13]建立的基于最大化带宽的干线感应协调鲁棒配时方法计算相位差.利用Synchro进行单个信号交叉口配时优化.对于方案1，协调相位均值分别为周期的51.1%，50%，45.6%；对于方案2，协调相位均值分别为周期的52.7%，54.5%，49%.考虑交通需求的不确定性，各相位的绿灯时长在不同周期内可能不同，假设两种方案中协调相位的红灯时间服从独立截断正态分布，其标准差均为周期的5%.置信度选择0.90，场景数设置为500.利用通用数学建模系统(GAMS)进行求解[14]，计算结果见表1.

表1　相位差方案 　/s

*表内所示相位差为相对相位差

3路网仿真分析

运用Synchro软件建立路网，并用Sim Traffic对2种方案分别进行仿真，选取交叉口各进口道平均延误、95th排队长度作为对比指标进行分析.仿真结果见表2～3.

表2表明,相比于方案1，方案2能够显著降低进口道直行车辆的平均延误.2种方案下，本文对进口道右转车辆实行许可右转.在干道直行车辆绿灯期间，由于在感应协调控制方式下，消散车辆是以车队形式离开交叉口，上游来车又以车队形式驶向下游，支路右转车辆难以获得理想汇入间隙，势必造成右转车辆排队和延误.从仿真结果也可明显看出，尽管干线车流量远远多于支路车流量，但支路右转车辆的平均延误和95th排队长度却普遍大于干道右转车辆.

表2　各交叉口进口道平均延误　s/pcu

表3　各交叉口进口道95th排队长度　/m

分析表3可知：方案2下，直行进口道95th排队长度显著降低.由于干道左转车辆被引流至右转车道，使得主干道右转进口道95th排队长度有所增加.值得注意是，Synchro输出的排队长度值可能比其他仿真软件大，因为它包括了排队清空期间的到达车辆.因此，实际排队长度可能普遍小于表3的统计值.

尽管在方案2下，主干道进口道右转车辆的平均延误、排队长度略有所增加，但是这种增加带来的负面效应远远小于直行进口道这两项指标降低带来的社会效益.

对比2种方案下路网平均延误、平均车速，可知方案2的各项指标均优于方案1.其中平均延误减少77%，平均车速提高50%，整个路网性能指标也降低了10.8%.在本文研究中，由于对U-turn港湾实行减速让行控制方式，因此可能会增加路段U型转弯车辆的停车次数.从表4也可看出，方案2的平均停车次数要稍大于方案1.分析两种方案下交叉口饱和度，结果显示方案2下的交叉口具有更低的饱和度，说明交叉口具有更高的储备通行能力，即提高了交叉口的通行能力.因此，在处理相同交通流量时，左转远引方案下的交叉口服务水平可能会有较大的改善.饱和度对比见图4.

表4　系统性能指标比较

图4　各交叉口饱和度比较

考虑到干道不同比例左转车流量在2种设计方案下对交叉口平均延误的不同影响，设置支路交通流量保持恒定，干道单向直行交通流量由1 500 pcu/h以100 pcu/h为步距增加至2 100 pcu/h，右转车流量设定为恒定值300 pcu/h，左转车流量分别为直行流量的10%,15%,20%3种情形.仿真结果见图5(以交叉口1为例).

由图5可见，方案1在3种比例下的平均延误远大于方案2，几乎均在2.5倍以上.且左转车流比例越高，两种方案的延误比值越大.同时，随着左转车流量的增加，方案1的平均延误增加地更明显，即对左转车流量变化更敏感，尤其是当流量增加到1 900 pcu/h以后.因此就驾驶员感知的延误而言，驾驶员显然更容易接受U型左转设计方案.当然，随着左转车流量的增加，对干道直行车辆的干扰越大，使得行驶速度不稳定，这可能会降低协调控制的效率，即使得获得的实际带宽减少.

图5　不同左转车流量下的交叉口平均延误比值

4结束语

本文考虑交叉口交通需求的不确定性问题，以感应协调控制干道为研究主体，分析了干道左转交通流在左转专用相位和U型左转远引两种控制方式下的运行效果.针对本文算例而言，研究结果表明：U型左转远引能够明显降低交叉口进口道平均延误和95th排队长度，提高交叉口通行能力，各系统评价指标均有所改善，且其对左转流量变化带来的延误变化并不是很敏感，驾驶员也更愿意接受.因此，根据合适的地理、交通条件将U型左转远引应用于干线感应协调控制中是可行的.

本文研究中的U型港湾均设置于路段中部，今后将在本文研究基础上考虑U型港湾最佳选址位置，以利于车辆的通行安全及提高通行效率.

参 考 文 献

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中图法分类号：U491.4

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.015

收稿日期：2014-11-19

Applicationof Median U-Turn Crossover on
Coordinated Actuated Controlled Arterials

ZHANG LihuiTANG Xiaojun

(SchoolofTransportationandLogistics,

DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)

Abstract：Concerned uncertainty of traffic volume of intersection，regarded coordinated actuated controlled arterials as the research objective, the paper analyzed the operational effects of exclusive left-turn and U-turn for left-turn flow at intersections along an arterial.Synchro was used to optimize signal timing plans for each intersection, then robust coordination timing method for arterial applied to calculate the optimal offsets. Sim traffic was applied to conduct simulation, the last results show that: U-turn can reduce average delay and 95thqueue length of approaches significantly as well as improve the level of service of intersections, average speed and reduce average delay of whole network. By analyzing the effects of left turns with different ratios on average delay, it was conclude that U-turn is not very sensitive to the changed delay caused by different ratios of left turns.

Key words：traffic engineering; U-turn; actuated coordination; robust timing; micro-simulation