基于时间效益的借道左转开口位置的选址研究

关昊天 朱婷婷 周源普

摘   要：本文基于借道左转交通组织这一交通管理方式，建立了交通波模型，以交叉口整体延误的时间效益为评价指标，选择兰州市七里河区西津西路和任家庄街交叉口作为研究对象，设计算例，运用VISSIM仿真对借道左转车道不同开口处的延误情况进行分析。结果表明，与传统车道相比，实行借道左转车道的平均延误和排队长度均有下降，其中借道左轉车道的开口位置在40m左右时，交叉口总车均延误效益提升最大，达到了14.25%。上述研究可为城市交通管理部门的交通设计工作提供参考意见。

关键词：借道左转  交通波  时间效益  交通设计  VISSIM

中图分类号：U491                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0159-04

历年来，城市道路中的交叉口都是交通管理人员关注的对象和治理的重点、难点。为此，交通工程领域里的学者，也都研究出一系列缓和交叉口矛盾的新举措，例如钩型转弯[1]、禁止左转[2-3]等交通组织方式。近年来，针对交叉口左转车辆的排队过长问题，各地交警在执法调研过程中通过借鉴吸收国内外的交通管制方式，结合国内混合交通流的实际现状，逐渐摸索出一条适合本地交通特点的新型交通组织方式—“借道左转”。

陈玉建[4]在调研过程中，想到了农田“轮作间种”的办法，提出“借道左转待行”的理念.刘洋[5]等从渠化、排队长度、信号配时说明了借道左转的适用条件，提出了渠化要素、标线、标志及信号灯的规范化设计方法。罗丹丹等人[6]基于车流波动理论和VISSIM软件仿真分析，研究交叉口适宜设置借道左转车道的车流量临界条件，并揭示借道左转车道对交叉口左转车辆运行的影响。Su Peng[7]等人研究了在信号交叉口处逆流左转方式的运行优势。Wu Jiaming[8]等也相继对借道左转的车流运行特性进行了分析研究。陈松等[9]将左转机动车的到达-驶离图式分为8种情况，分别建立每种情况下左转机动车的延误计算方法，建立了交叉口信号控制方案优化模型。

综合来看，国内对于借道左转的交通组织方式整体研究尚处于起步阶段，对设置借道左转车道的合理开口位置缺乏分析。本文基于借道左转交通组织方式，选取合适的开口位置，这对于提高交叉口的交通通行效率、缓解交叉口拥堵问题均具有重要意义。

1  借道左转交通组织方式

借道左转综合利用了空间和时间效率，弥补了现阶段交通组织方式中无法充分利用交叉口空间的弊端，同时尽可能的利用信号交叉口的潜在通行能力。借道左转交通组织方式几何示意图（本文仅选择在东西方向的进口道实行借道左转交通组织方式）如图1所示。

在城市道路中，繁华路段的十字交叉口，由于主路上的左转车流量较多，且交叉口进口道没有再增加左转车道的条件，此时，可以考虑利用临侧的对向车道。在距交叉口停车线一段距离的位置开一个口子，供左转车辆驶入借道左转车道;同时在开口处设置预置信号灯，与交叉口的主信号灯进行联动控制。当开口处的预置信号灯亮起绿灯时，左转车辆可以从开口处驶入借道左转车道，并与传统左转车道的停车线平齐位置停车候行，当交叉口的主信号左转绿灯亮起时，传统左转车道与借道左转车道上的车辆同时获得通行权，实现车辆左转。

一般来讲，主、预信号之间的绿灯启亮与结束之间存在时间差t，主要是为了避免主信号相位结束之后，有左转车流滞留在借道左转车道上，与东西向直行车辆发生冲突，引发交通事故。关于主信号与预置信号灯之间详细的信号配时，文献[9]已经说明，这里不再赘述。

实行借道左转交通组织方式有几个重要的参数：预置信号灯（开口处）距交叉口停车线的合适距离，主、预置信号灯间的时间差，车流的运行速度。这些都对交叉口实现借道左转的运行效率有一定的影响。本文基于借道左转的交通组织方式，在一些学者的研究基础上，探讨预置信号灯的合理位置，并以兰州市某一实际交叉口为例，进行仿真分析，得出结论。

2  模型建立

2.1 交通波模型

我们根据流体力学的基本原理，把车流密度的变化比拟成水波的起伏进而抽象为车流波，当车流因道路或交通状况的改变而引起密度的变化时，在车流中产生车流波的传播。如图2所示，假设一条公路上有两个相邻的不同交通流密度区域（K（1）和K（2））用垂直线来分隔这两种密度，称S为波阵面，并设S的速度为V（W），其中的箭头指示方向为交通流方向。

由交通流量守恒知，在时间t内进入界面S的车数量等于从界S出来的车辆数，用公式表示如下：

由交通工程学知识Q=KV，其中Q表示车流量（pcu/h），V表示车流速度（km/h），将此式代入（1）式化简得：

我们基于上述交通流模型的建立，基于文献[6]对车流波理论的研究，分别给出车流集结波W1和分散波W2的公式：

其中SL表示左转车的饱和流率（pcu/h），K1表示堵塞密度，K2表示上游左转车流的密度，K3表示在交叉口左转车流启动密度，K3表示左转车道数.

实行借道左转组织方式的交叉口，预置信号灯距交叉口停车线的距离l1车流的集结波W1和左转信号相位的等待时间tw有关，用公式（4）表示：

除此之外，预置信号灯和开口位置还有一段距离l2，则开口位置距交叉口处的停车线L为：

2.2 折减系数

另外，由于设置借道左转车道后，势必会对原有车道通行方向的车辆有一定影响，我们引入δ作为实行借道左转交通组织方式后的实施系数，表示车流对增加的延误时间在一定的可接受水平内。

2.3 评价目标

实行借道左转交叉口的整体延误可分为交叉口信号控制延误、车流交织运行延误，从系统最优原理出发，以交叉口整体延误最小为优化目标加权各进口道的延误来构建目标函数，dl表示交叉口整体延误，qA表示进口道高峰小时交通流率，di表示因素i下的延误时间。

3  实例分析

3.1 仿真参数

选定兰州市七里河区西津西路和任家庄街交叉口作为仿真对象，由于该交叉口还没有实行借道左转交通组织，故先对原交通组织方式用VISSIM进行仿真，之后实行借道左转交通组织方式，然后与不同开口位置处的延误指标进行对比分析。表1是该交叉口高峰小时交通流量。

经过实地交通流量调查后，发现该交叉口交通流量较大、车道数较多，有利于借道左转交通组织方式的研究. 经过交通调查，该交叉口东、西进口道的直行、左转车流量较大，对于提升交叉口整体运行效率有较大的潜力，故选用该交叉口的东、西进口道实行借道左转交通组织方式。

3.2 仿真步骤

首先对该交叉口的现状进行模拟仿真，接着我们利用式（5）确定借道左转交通组织方式下，开口处的基本长度进行初次仿真，之后以5为步长，逐步遍歷。选定好模拟随机种子数，并将调查的交通数据量代入仿真场景中。

Step1：仿真参数的选定、校正;

Step2：构建路网，输入调查交通量、信号周期等数据;

Step3：根据式（5）对不同回转开口位置进行仿真实验;

Step4：利用节点评价输出延误指标;

Step5：分析不同借道左转开口位置下的延误情况，对比分析，求得最佳开口位置范围。

3.3 仿真分析

利用上述交通数据量和仿真参数，在VISSIM中利用节点评价输出下面仿真指标.首先得出东、西进口道的借道左转车道，在不同开口处的平均排队长度，如表2，这里传统车道表示为现状下的交通组织方式，数字35m、40m等表示为实行借道左转交通组织方式下、不同开口位置处的距离（下同）。

可以看出（如图3），与传统车道相比，实行借道左转的车道，其平均排队长度整体降低。但是由于交通情况的复杂性，交通流的运行状况会受到不同因素的影响，对于不同开口位置处的平均排队长度的减少规律，还需要做进一步的研究。

从图4可以看出，在实行了借道左转交通组织方式后，东进口的车流延误整体呈下降趋势，在不同的开口位置下对应着不同的延误情况，其借道左转的开口位置大约在40m时，交叉口延误达到最小为47.7s。对于西进口（图4）的延误情况，其规律与东进口大致一样，同样在40m左右，延误情况达到了最小为38.6s。

对于交叉口的整体延误，由于还受到南、北进口延误影响，呈现出的仿真结果如图5，在不同开口处，延误情况均较传统车道的延误情况得到了下降，这对于提升交叉口整体通行效率，均有借鉴的意义。表3为与传统组织方式下比较后，得到的效益提升表（以传统组织方式下的延误为基点），可以看出，车辆延误效益比传统组织方式下提高了10%及其以上，开口位置在40m时，达到14.25%，充分说明了实行借道左转交通组织方式对于提升交叉口通行能力是有效果的。

4  结语

本文针对借道左转交通组织方式，介绍了其适用对象和方法，并以兰州市某交叉口为对象，在进行实际车辆量调查的情况下，运用VISSSIM仿真，将传统交通管理方式与新型管理方式下不同延误指标进行了对比，得到借道左转交通组织方式下，交叉口的延误整体得到了下降，并将开口位置的40m作为最佳开口选址，具有实际的经济效益。但是，在实际操作中，未对非机动车和行人做过多的考虑，得到的结果可能会与实际效果有偏差，这也是本文后续需要研究的地方，但是对于新型的交通组织方式的运用，本文的研究成果不失为交通管理部门提供一个可供参考的意见。

参考文献

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[3] 王殿海，郭伟伟，宋现敏，等.交通控制中展宽段设计与信号配时的优化[J].控制理论与应用，2010，27（12）：1598-1604.

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[5] 刘洋，顾金刚，卢健，等.借道左转交通组织适用条件及管理设施设计研究[J].中国公共安全：学术版，2018（4）：80-86.

[6] 罗丹丹，陈群.借道左转交叉口适用条件与特性分析[J/OL].计算机工程：1-6[2019-03-06].https：//doi.org/10.19678/j.issn.1000-3428.0050895.

[7] Su Peng， Krause C，  Hale D，et al. Operational advantages of contraflow left-turn pockets at signalized intersections[J]. Institute of Transportation Engineers， 2016， 86（7）：44-49.

[8] Wu  Jiaming， Liu Pan， Tian Zong Z，  Xu Chengcheng.  Operational analysis of the  contraflow left-turn lane design at signalized intersections in China[J]. Transportation Research Part C， 2016， 69： 228-241.

[9] 陈松，李显生，王运豪，等.借对向出口车道左转交叉口交通控制方案优化[J].哈尔滨工业大学学报，2018，50（3）：74-82.