基于交通拥堵指数的禁左交通组织研究*

徐建闽 邹 磊

(华南理工大学土木与交通学院 广州 510640)

0 引 言

实施禁左交通组织策略，是充分利用路网资源的宏观体现，合理的禁左交通组织，可以缓解交通拥堵，同时也会存在将原有的拥堵点转移到其他地方的情况，所以需要从点和线两个层次评价禁左交通组织对缓解交通拥堵是否有效.

张红军[1]通过分析交叉口车流冲突问题，得出左转车流是交叉口问题的关键，在理论分析的基础上建立双层规划模型，利用VISSIM和TransCAD进行模型仿真求解，选取城市老城区进行禁左案例研究.龙科军等[2-3]分析了禁左后交叉口的延误与通行能力的变化特征，将交叉口是否禁左作为决策变量，车辆在路网上行驶时间最小为目标，建立一定区域网络交叉口禁左交通组织优化的双层规划模型，利用遗传算法对模型进行求解.陈伟利等[4]通过模型分析，认为交叉口饱和度、路网密度和左转车流所占的比例是影响交通流的重要因素，并分析了禁左对这些指标的影响.Hashim等[5]从点和线两个层次进行交通改善方法的研究，通过仿真分析得出主路交通流量能够显著影响左转车辆的平均延误.Chowdhury[6]利用交通仿真软件对交叉口禁左进行仿真实验，对无信号交叉口是否禁左进行分析.

现有的禁左交通组织研究，大部分是通过分析左转交通流禁限后行车延误，交叉口饱和度等指标的变化，方案效果评价指标过于单一，方案有效性评价具有事后性.本文选取交通工程学中常见的多个交通拥堵评价指标，通过建立多指标拥堵指数计算方法，选取一条城市典型干道，利用拥堵指数对多种禁左方案的改善效果进行评价，选择最优的方案进行案例实施.

1 多层次交通拥堵指数计算模型

1.1 评价指标体系确定

交通拥堵的严重程度是交通工程理论中多个评价指标的实质体现，美国《公路通行能力手册》通常的评价指标包括饱和度、平均延误；排队论的评价指标包括排队长度、车道占有率；大多数驾乘人员还会关注速度和停车次数.参考已有研究，本文通过调查选择饱和度、延误、停车次数、排队长度、速度作为道路拥堵评价指标，建立道路交通拥堵指数计算方法.

1.2 拥堵指数模型建立

本文采用问卷调查的方法调查了四级、乘客、行人以及交通管理人员对饱和度、延误、停车次数、排队长度、速度五个拥堵评价在发生交通拥堵时对评价指标的关注程度，共收回300份问卷.不同人群对指标关注程度见表1.

表1 拥堵评价指标问卷调查结果 %

拥堵评价是多层次，多目标的，这种特性与数学中的层次分析法类似.因此，本文选择层次分析法作为拥堵指数计算模型的求解方法.

由于各评价指标之间的量纲不一致，在进行模型求解前对指标进行去量纲统一处理.

1) 交叉口进口道平均饱和度Y1=Q/C0.实际流量与饱和流率的比值.

2) 进口道速度效率指数Y2=V/Vi，车辆通过交叉口的自由流速度与实际速度的比值.

3) 信号交叉口二次停车率Y3，一个周期内停车两次或两次以上的车辆数与该周期内通过交叉口车辆总数的比值.

4) 进口道排队长度比Y4，指交叉口排队长度与交叉口到下一交叉口的距离之比.

5) 相对延误率Y5，延误时间与总行程时间的比值.

各群体与评价指标之间的层次关系见图1.

图1 拥堵指数、群体与评价指标之间的层次结构

根据拥堵评价的多层次、多目标性，利用层次分析法，经过建立拥堵指数评判集、建立拥堵指数指标权重集、相对权重计算、一致性检验四个步骤求解得到单一交叉口拥堵指数计算方法.

根据不同的群体对交通拥堵评价的差异性，将人群划分为四个子集Z={Z1，Z2，Z3，Z4}，其中，Z1～Z4分别代表司机、乘客、路人、交通管理人员的评价.不同出行者对拥堵的评价指标的重视程度也不相同.因此，子集Zl～Z4又可以划分为不同的下一级子集Xi={X1，X2，X3，X4，X5}，X1～X5分别代表每个出行者相对应的二级评价指标，即饱和度、速度效率指数、二次停车率、排队长度、相对延误率.

1) 建立评判集 结合调查以及专家评价法，城市路网交通拥堵分为五级：V={Vl，V2，V3，V4，V5}={通畅，一般，轻微拥堵，中度拥堵，严重拥堵}={0.25，0.4，0.6，0.75，0.85}[7].

2) 建立权重集

①构造判断矩阵 采用专家系统法，将交叉口各子层因素(评价指标)对上一层因素(不同出行者)的重要性程度来进行1～9标度，并成对比较重要程度，得出判断矩阵[8].不同出行者评价的比重不同，其中司机的比重最大，交通管理人员次之，乘客第三，行人最后.通过指标之间的两两比较得到判断矩阵见表2

表2 判断矩阵表

②相对权重计算 本文采用根法确定相对权重，计算公式为

(1)

③一致性检验 需要对评价指标之间的相容性进行误差分析.假设相容性指标为C.I.，有：

(2)

式中：n为判断矩阵的维数.

假设一致性指标为R.I.，则一致性比列为

(3)

若C.R.<1，认为判断矩阵中各指标具有很好的相容性.

通过计算和一致性检验，得到单一交叉口交通拥堵指数计算方法为

0.25Y3+0.12Y4+0.33Y5

(4)

在城市道路中，研究区域内的交通拥堵指数，取研究区域内所有交叉口拥堵指数的平均值，即

(5)

式中：i，n取正整数；n为研究范围内的交叉口数目.

2 禁左交通组织方法研究

对一些左转与直行车流有明显区别的交叉口，可考虑左转禁限的方式，取消信号控制交叉口左转车道和左转信号相位，通过绕行实现原来的左转需求，充分利用路网资源.禁左交通组织对路网条件具有一定的要求，同时也存在多种禁左车流的组织方式[9-10].

2.1 禁左交通组织实施条件

对信号控制交叉口实施禁左交通组织，具有缓解交通拥堵的作用，但是对路网条件也有一定的要求.根据相关研究，为确保禁左措施的有效性，需满足以下条件[11-12]：

1) 路网条件 禁左区域的路网布局和功能要相互匹配.所以，在进行禁左交通组织方案设计时要分析路网条件，如自由式、带状、放射环路网不适合禁左，棋盘式路网比较适合进行禁左管理.

2) 交叉口条件 实施禁左管理后，绕行车辆经过的交叉口通行能力不能过小，避免因通行能力不足，造成新的交通拥堵点.实施禁左后，原交叉进口道车道功能要做相应的更改.

3) 道路条件 禁左后原来的左转车流绕行路段的距离不宜过长，交叉口之间的距离不宜过大.600～800 m是司机比较能接受的绕行距离，1 200 m是绕行距离上限.绕行路径要保证左转车流的顺畅行驶.

4) 对各方向流量的要求 实施禁左管理必须是左转交通流与直行交通流有明显差异，左转流量占直行流量的10%～20%为宜.当左转车流量占直行车流量的一半时，不易采取禁左管理措施.

2.2 禁左后左转交通流组织方式

不同的路网条件，原有左转车辆禁左后具有不同的绕行方式，根据国内外文献及案例，具有街巷绕行、右转回绕、直行回绕、提前左转绕行四种车流绕行方式，见图2～5[13-15].

1) 街巷绕行式 需要左转的车辆首先直行通过目标交叉口，然后在相邻交叉口连续三次右转回到目标交叉口，最后直行即可按照期望的方向行驶.由于是通过右转实现原左转车辆的行驶需求，对其他交叉口的干扰较小.

图2 街巷绕行示意图

2) 直行回绕式 需要左转的车辆在目标交叉口先直行，在下游交叉口或路中掉头开口处掉头，回到目标交叉口，最后右转回到目标方向.该绕行方式会对对象的车流造成一定的干扰，可通过信号配时降低干扰.

图3 直行回绕示意图

3) 右转回绕式 有左转需求的车辆在目标交叉口先掉头，在右转后的道路上寻找机会掉头回到目标交叉口，最后直行即可回到原来期望的行驶方向.该绕行方式对掉头后的直行车道有一定的要求，若掉头后的直行车道饱和度较高，右转回绕式会加剧直行车道的交通压力.

4) 提前绕行式 若对目标交叉口实施禁左，原左转车辆需要在上游交叉口提前右转，连续通过两次左转回到目标交叉口，最后直行回到原来期望的行驶方向.该方式会增大绕行过程中左转交叉口的交通压力，在实际中采用较少.

图5 提前绕行示意图

2.3 基于拥堵指数的禁左交通流组织方式选择

考虑对区域内一些交叉口禁左时，常用的手段是通过实地调研路网交通条件，从宏观上决定禁左交通流的组织方式，这种手段通常只考虑到道路基础条件，未完全考虑车辆改变行驶路径后对整个路网交通拥堵造成的影响.本文基于交通拥堵指数计算模型，在进行禁左交通组织方案设计时，利用vissim仿真软件，通过仿真未禁左、街巷绕行、直行回绕、右转回绕和提前绕行多种交通组织方案，得到交叉口进口道平均饱和度、进口道速度效率指数、信号交叉口二次停车率、进口道排队长度比、相对延误率五个评价指标，根据式(1)～(2)计算研究区域内的交通拥堵指数，选取拥堵指数最低对应的绕行方式作为禁左交通组织的左转交通流绕行方式.

3 算 例

为了验证将拥堵指数计算方法用于禁左交通组织方案选择的依据，本文依托实际项目，选择中山市兴中道作为案例，通过vissim仿真，基于拥堵指数进行方案选择，结合落地实施后的互联网数据，验证将拥堵指数计算方法用于禁左方案选择的有效性.

中山市兴中道共包含五个信号控制交叉口，根据流量分析，其中两个路口满足禁左的条件，具体禁左的路口及仿真区域见图6.

图6 禁左仿真区域图

结合禁左交叉口周边的路网条件，通过vissim仿真评价，各方案对应的路网评价指标及拥堵指数见表3.

表3 禁左方案仿真结果

由于两个交叉口的南北进口均禁左，按照禁左的绕行方式，存在较多的组合，因此在实际仿真中，采用控制变量的思想，一次仅改变一个交叉口一个进口的绕行方式，通过仿真结果找到最佳绕行方式组合，没有把所有的绕行方案都仿真，这样可以有效的减少仿真的工作量，上表中各方案对应的绕行方式如下：

方案一交叉口1北进口街巷绕行式、南进口街巷绕行式；交叉口2北进口街巷绕行式，南进口街巷绕行式.

方案二交叉口1北进口直行回绕式、南进口街巷绕行式；交叉口2北进口街巷绕行式，南进口街巷绕行式.

方案三交叉口1北进口直行回绕式、南进口直行回绕式；交叉口2北进口街巷绕行式，南进口街巷绕行式.

方案四交叉口1北进口街巷绕行式、南进口直行回绕式；交叉口2北进口街巷绕行式，南进口街巷绕行式.

方案五交叉口1北进口街巷绕行式、南进口直行回绕式；交叉口2北进口街巷绕行式，南进口直行回绕式.

方案六交叉口1北进口街巷绕行式、南进口直行回绕式；交叉口2北进口直行回绕式，南进口街巷绕行式.

方案七交叉口1北进口街巷绕行式、南进口直行回绕式；交叉口2北进口直行回绕式，南进口直行回绕式.

通过仿真结果对比可知，方案四是最佳方案，即交叉口1北进口街巷绕行式、南进口直行回绕式；交叉口2北进口街巷绕行式，南进口街巷绕行式.

项目结合算例得出的结果，对方案四进行落地实施，并持续一个月的实际路况观察，解决了原来因路段距离短引起的交叉口排队溢出问题，结合高德互联网评价数据，优化前的交通运行指数是1.43，方案实施后的交通运行指数是1.31，降低了8.4%.

4 结 束 语

现有关于禁左交通组织方案设计较多的重点在于一个点或者一条线上，禁左后原左转车辆的路径选择较多凭借经验决定，再利用仿真验证点或线的交通拥堵是否有改善.本文引入拥堵指数计算的方法，综合考虑由点禁左后对点周围路网的影响.同时利用控制变量的思想，仿真多种潜在方案，选择路网平均拥堵指数最小的方案作为最优方案，并落地实施，通过实际项目验证方法的有效性.本文的这种方法为交通管理部门和交通组织方案设计者提供一种理论依据，避免了方案落地实施后效果不明显，再恢复现状的情况.