城市信号交叉口掉头车道右置安全性能分析

城市信号交叉口掉头车道右置安全性能分析*

刘骏郭唐仪▲刘英舜舒垚

(南京理工大学自动化学院南京 210094)

摘要为探索城市信号交叉口掉头车道右置的可行性，分析交叉口的整体状况，从交叉口几何形状、交通构成和信号配时三方面对交叉口适应性进行分析；从安全层面对交叉口运用交通冲突技术进行安全性分析。结合某一T形交叉口，利用Vissim软件进行交通运行仿真模拟，将得到的轨迹导入至SSAM软件进行冲突分析。采用交通冲突类型、冲突数目、冲突空间分布等指标，对比分析了常规车道设置和掉头车道右置2种交通渠化下的冲突特性。研究表明，城市主次道路相交信号交叉口，将掉头车道右置可显著减少交叉冲突、追尾冲突、变道冲突数目，增加冲突时间(TTC)，提升交叉口尤其是掉头车流安全性。

关键词交通安全；掉头车道右置；冲突分析；SSAM

中图分类号：U491.3文献标志码：A

收稿日期：2014-06-24修回日期：2014-10-21

作者简介：第一刘骏(1990-)，硕士研究生.研究方向：交通安全.E-mail:15195995842@139.com

通讯作者：▲郭唐仪(1984-)，博士，副教授.研究方向：交通安全.E-mail:transtor@mail.njust.edu.cn

Safety Analysis of Right-Located U-Turn Lane

at Urban Signalized Intersection

LIU JunGUO TangyiLIU YingshunSHU Yao

(SchoolofAutomation,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Abstract:To explore the feasibility of setting U-turn lane on the right most lane, This paper analyzes the intersection from three aspects: the shape of the intersection, traffic composition, and signal timing. The paper then evaluate the traffic safety of the intersection based on traffic conflict technique. Using a signalized T intersection as an example, a VISSIM simulation model is developed to simulate the traffic operation at the T intersection. The VISSIM trajectory file is exported into SSAM for the traffic conflict analysis. The conflict characteristics of conventional lane arrangement and the right-located U-turn lane arrangement are compared using the number of conflicts, type of conflicts, and the spatial distribution of conflicts. The results show that, at an intersection where a major road intersects with a minor one, locating the U-turn lane at the most right lane can reduce the number of cross-conflicts, rear end-conflicts, and lane change conflicts, and increases the time to collision (TTC). Thus, the safety performance of U-turn flow is improved by this innovative lane arrangement.

Key words:traffic safety; right-located U-turn lane; conflict analysis; SSAM

*国家自然科学基金青年基金资助项目(51208261)、教育部人文社会科学青年基金资助项目(12YCZH062)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(30920140132033)资助。

0引言

在城市道路交通系统中，交通组成比较复杂，大量的车辆在城市平面交叉口处交织发生冲突，给交叉口通行带来很大的压力，容易造成交通拥堵，严重情况下将导致交通事故。所以，城市道路平面交叉口是城市道路交通的“瓶颈”。

城市道路平面交叉口处存在3个不同方向的车流：左转车流、直行车流和右转车流。其中，左转车流不仅是产生冲突点的重要因素，而且也给对向直行车流的通行造成了很大的影响[1]。在城市信号控制交叉口处，为满足掉头需求设置掉头车道，在常规信号控制交叉口，左转掉头车道一般都是设置在路段左侧，但是城市信号交叉口横断面资源紧张，交叉口中央分隔带的宽度不能够满足大型车辆的安全转弯半径，从而导致交通堵塞与交通事故。因此笔者提出将左转掉头车道右置，并对其适应性和安全性进行分析，对于以后一些特殊的城市信号交叉口渠化提供指导意义。

1掉头车道右置适应性分析

交叉口规划设计的核心思想就是组织在相交道路上的各种交通流，保证它们可以安全迅速地通过交叉口。所以在城市信号控制交叉口将掉头车道右置时，在对整个道路系统进行研究的前提下，根据交叉口道路相应的道路等级、车辆种类、近期和远期规划的交通量以及左转、右转和直行的比例，从而判定将掉头车道右置是否适应这个交叉口的设计。

1.1几何分析

对于城市信号交叉口的掉头车道右置的适应性分析，首先要从城市信号交叉口相交道路的道路等级进行分析。不同的道路等级所要求的车道数及交通安全措施等是不同的。

城市信号交叉口相交道路等级相同的情况下，若相交道路均为城市大型主干道时，存在交通流量大、车辆类型复杂和过节行人多等因素，交叉口道路一般禁止掉头或者设置为环形交叉口；而相交道路等级低的情况下，则可采取远引式掉头左转[2]，将掉头车辆远引到城市主干道上，减少对低等级城市道路的改造。

当城市信号交叉口相交道路存在主次之分时，城市信号交叉口主路上的直行车流量相比于左转与右转车流量应较多，支路上的车流对于主路的交通流的影响较小。

因此只有当城市信号交叉口相交道路存在主次之分时，适宜将城市信号交叉口主路的掉头车道右置。

1.2交通组成

在城市信号交叉口处，车辆的组成比较复杂。各种型号的车辆在交叉口处汇合，其中大型车辆由于车辆几何尺寸占据很大的空间，同时，大型车辆的低动力性能影响着交叉口的通行能力[3]。

在城市信号交叉口将掉头车道右置与右转车道合并，则极大的增加了直行车辆的行驶效率，但是也压缩了左转与右转的车辆空间，所以在将掉头车道右置的情况下，要求左转车和右转车较直行车比例很小，对于交叉口的整体运行能力影响较小。同时，将掉头车道右置是为了方便大型车辆转弯，极大的增加大型车辆的转弯半径，降低大型车辆转弯的交通事故，因此，在左转车流量中大型车辆应占有较大比例。

1.3信号配时

交通信号对交叉口时间资源的分配有多种方式，从最简单的两相位固定模式到最复杂的多相位自适应模式，不同的信号类型对于信号交叉口的通行能力和交通安全影响是不同的。

在城市信号交叉口，当主次路交叉时，由于主路交通量远远大于支路交通量，为保证交叉口车辆的行车安全，对于交叉口的信号相位一般设置为3相位或4相位，以防止主路左转车辆与对向直行车辆发生碰撞，降低交叉口的通行能力，造成交通拥堵。

因此，针对城市信号交叉口掉头车道右置，需要对其设置左转保护相位，从而减少其对于信号交叉口带来的安全隐患，增强信号交叉口通行能力。

2掉头车道右置安全性能分析

2.1掉头交通空间设计

掉头车辆的运行过程是指车辆回转180°，回转宽度比车身宽度大且不允许任何物体在车辆运行轨迹内。掉头车辆在运行过程中，汽车的前后轮及车体前后突出的部分的回转轨迹会随着半径的变化而变化。为保证车辆在掉头过程中不被中央分隔带和相邻车辆相碰撞，需要考虑外侧半径。本文研究的车辆为小汽车和客车， 假设车辆转弯的速度不低于15 km/h，以及车道宽度为3.5 m，2类车型的车长、宽度，以及掉头的最小半径见表1。

表1　U-turn车辆的半径要求

交叉口的空间设计参数主要为中央分隔带和进出口道，设计参数需要结合掉头车辆的性能参数分析。

中央分隔带宽度见式(1)[4]。假设进口道掉头车道宽度为W车道=3.5 m,R取轴半径。

掉头车辆需要一定宽度的中央分隔带，以此满足车辆足够的转弯半径。掉头路段中央分隔带所需最低宽度尚无定论，根据《汽车库建筑设计规范》，小型车转弯半径最低为6 m，中型车转弯半径为8～10 m，由于交叉口的横断面资源相对紧张，中央分隔带设计相对较窄，因此掉头车辆采取从进口道内侧汇入出口到次内侧或外侧，见表2。

表2　中央分隔带宽度与掉头运动轨迹的关系表

针对于城市信号控制交叉口的车道数为2～4，所以在小型车相对较多的情况下，交叉口中央分隔带的最小宽度值为2～4 m，而当大型车辆占据很大的比例的情况下，为了交叉口交通安全，其中央分隔带的最小宽度值为12～15 m[5]。

事故折减系数[6](crash reduction factor，CRF)又称为事故折减率，是交通安全领域内的1项重要参数，最早是由美国科学家提出。事故折减系数具体是指，在交通系统中由于某1项安全改善措施的实施而引起的交通事故数减少的百分率。在美国交叉口交通安全改善对策和CRF表中，对于交叉口几何设计，改善措施“增大转弯半径”的事故折减系数是18%。因此，在交叉口渠化中增加左转和掉头车道的转弯半径可提高交叉口的安全性。

2.2交通冲突

城市交叉口处不同方向的车辆相互穿行会形成交叉，从而可能导致发生碰撞，碰撞点即为冲突点，冲突点越多，对于交叉口的交通安全和通行能力的影响就越大。从冲突点的严重性分析可知，冲突点对交叉口的安全影响远远大于合流点和分流。

考虑相交道路主路为双向六车道，次路为双向四车道，交叉口采用3相位信号控制，常规交通渠化与将左转掉头车道右置时的交通冲突数目见表3。

在用地紧张的城市信号交叉口，通过将掉头车道右置，使交叉口掉头在空间上成为可能。同时，在信号控制作用下，即使增加掉头，交通冲突类型及其数目没有变化。因此，在提高主线直行交通运行效率的同时，满足了掉头需求，且安全性能得到了保障。

3实例分析

3.1交叉口基本状况

南京理工大学2号门是1个T形交叉口(见图1)，选取07:00～09:00时和17:00～19:00时作为调查时间段，最终得出的平均车流量，见图1。从交叉口车流量可以看出主干道车流量很大，而且主要为直行车辆，南进口道为南京理工大学，车流量小，对于主干道影响不大；而且由现场调查可以发现，由于西进口道为城市主干道，其掉头车辆中公交车占有很大的比例。

图1　南京理工大学2号门交叉口示意图(单位：辆)

3.2交通仿真

3.2.1仿真流程

对于2种不同的交通渠化设计方案，其仿真流程见图2。利用Vissim仿真软件对2种不同的交通渠化设计进行建模，对其转弯、变道、停车和启动等状况下的车辆行驶参数、信号参数进行校准，使其能够真实的反应交通流的运行状况，最终仿真输出包含车辆速度、加速度等信息的轨迹文件[7]，通过将运行3 600 s的输出轨迹文件导入到SSAM软件，根据车辆运行的情景设定参数，设定TTC=1.5 s，PET=5.00 s，追尾冲突极限角度为30°，交叉冲突角度为85°，运算分析得到TTC，PET，maxS，DeltaS，maxD等指标[8]。其中：TTC为冲突发生的时间;PET为前车通过某个位置后与后车通过同一位置时的时间差;maxS为整个冲突过程中2辆车的速度的最大值，DeltaS为驾驶人采取避险措施瞬间2辆车的相对速度;maxD为冲突过程中后车的加(减)速度。通过对于现状与常规情况两种渠化设计下的数据从冲突类型与冲突严重程度的空间位置进行分析。

图2　SSAM仿真工作流程图

3.2.2冲突类型、数量及严重性分析

冲突类型分为交叉、追尾、车道变换，而不同的冲突类型所带来的严重程度也是不相同的，交叉冲突的严重程度远远大于追尾和车道变换的严重程度，所以从交通冲突类型入手，统计各仿真指标见表4。

1) 现状与常规渠化设计下的追尾冲突的数量较多，所占比例较大，分别为65.4%，60.7%。

2) 现状情况下的将掉头车道右置的冲突数量明显比按常规渠化设计的冲突数量减少，追尾、车道变换冲突分别减少了46.5%，59.7%。

表4　现状与常规渠化设计的冲突类型特征

3) 现状情况下的将掉头车道右置的相对速度比常规渠化设计的相对速度高，但是由于在交叉口车辆速度有所降低，所以对于交叉口安全影响不大。

4)TTC值随着车辆的行驶速度与相对速度的增大而减小，如交叉冲突通常发生在左转弯车辆与对向直行车辆之间的冲突，速度高，相对速度较大，TTC值偏小；而交叉口追尾冲突车辆之间速度低，相对速度较小，TTC值偏大。所以，当TTC值偏小时，其冲突的严重程度越高。由表4可知，将掉头车道右置造成的追尾、车道变换冲突的平均TTC值比常规渠化下的增加了60.3%,28.6%，由此可以说明将掉头车道右置的渠化设计所产生的冲突比常规渠化的严重程度低。

3.2.3冲突严重程度的空间位置分析

1) 现状与常规渠化设计下分别占冲突总数的65.4%，60.7%，主要分布在交叉口停车线与红灯期间最大排队长度处之间(见图3、图4)。由于在红灯排队期间，车辆之间的间距较近，当车辆重新启动时，容易发生追尾冲突。

2) 常规交通渠化设计下的冲突数量较多，而转弯掉头车辆大多为大型车辆，转弯半径较大且转弯速度较低，影响后面车辆的行驶速度，造成大量交通延误；现状情况下将掉头车道右置后，由于为左转掉头车辆设置了单独保护相位且转弯半径得到拓宽，冲突数量得到了有效的控制(见图3)。

图3　现状交通渠化设计下的冲突位置分布

图4　常规交通渠化设计下的冲突位置分布

3) 交叉口冲突位置所带来的严重程度是不相同的，越接近于交叉口影响范围所造成的严重程度越大。从现状与常规交通渠化设计下的冲突位置的分布图可以明显的看出，在常规交通渠化设计下的交叉口冲突主要集中在掉头车辆车道，掉头车道不仅使车辆通行效率降低，而且也大大增加车辆追尾的几率。所以将掉头车道右置时，现状交通渠化设计明显降低了交通冲突。

通过现状与常规交通渠化设计下的交通冲突类型以及冲突空间位置分析，可以得出：城市信号交叉口将掉头车道右置时，不仅降低交叉口的交通冲突数量，而且冲突发生的空间位置也偏离了交叉口影响范围，冲突的严重程度得到了降低，提高了交叉口的通行能力和安全性能。

4结束语

笔者提出在城市信号交叉口特殊情况下将掉头车道右置，从掉头车道右置的适应性和安全性两方面进行分析，运用Vissim和SSAM软件对所选的案例进行仿真，然后从冲突类型和冲突空间位置两方面对将掉头车道右置的交通渠化进行安全性能分析，分析得出将掉头车道右置后交叉口追尾、车道变换冲突分别减少了46.5%，59.7%。结论表明，特殊情况下的城市信号交叉口将掉头车道右置时，其交叉口所造成的冲突数目明显减少，而且冲突的严重程度也得到了明显降低，由此城市信号交叉口的安全性能得到了提高，通行能力也明显改善了。

本文研究的不足主要在于对掉头车道右置的适应性分析中，对于交叉口的交通组成状况只是进行定性分析，没有从具体数值进行分析，具体的数值定量需要对大量交叉口的数据进行筛选和分析。对于本文后续的工作我们需要对于交叉口车道的标志标线进行规划，在掉头车道右置的交叉口需要设置明显的标志标线提醒驾驶员，防止驾驶员行驶错车道。

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