T型交叉口借道左转设置研究

孙 彪

（中国人民公安大学，北京 100038）

引言

交叉口是城市道路交通网络的节点，不同流向的交通流在交叉口内频繁地发生合流、交叉和分流冲突，使交叉口成为路网通行能力的“瓶颈”[1]。在通过交叉口不同流向的交通流中，左转车流是影响交叉口通行能力的重要因素。

为缓解左转车流对交叉口的影响，各地交警在实践中探索出多种新型交通组织方法。其中 “借道左转”是河北邯郸交警支队在实践中提出的一种通过预信号控制，利用出口车道为左转车辆提供额外通行能力的新型交通组织方法。该方法后来陆续在大连、深圳和广州等城市应用，取得了较好的实施效果。国内外学者也对借道左转进行了相关研究，Jing Zhao[2]对借道左转的运行安全进行了研究，结果表明在实际应用中借道左转对交叉口造成严重安全风险的可能性较小。K. Chen[3]针对交通流量波动较大的借道左转交叉口，提出了一种鲁棒性信号优化方案。罗丹丹[4]基于车流波动理论，对设置借道左转车流量条件进行了分析研究，陈松[5]提出了借道左转交叉口左转车辆延误计算模型。阅读文献可知，目前有关借道左转的应用和研究主要集中于十字型交叉口，对T型交叉口的研究较少。而在T型交叉口中，左转车流是重要的管控对象。

1 借道左转原理及设置条件分析

1.1 借道左转基本原理

借道左转的基本原理是利用交叉口时空资源关系，在相位放行的空档期，通过动态的信号控制，将与左转车道相邻的一条或多条出口车道借用作左转车道，为左转车流提供额外的空间路权，进而提高交叉口左转车流通行能力。借道左转可以根据实际的交通与道路条件，单独设置在一个进口道上，也可以同时设置在多个进口道上。

图1为T型交叉口西进口示例，借道左转设置与交通运行过程：（1）将与西进口左转车道相邻的一条出口车道设置为借道左转车道（即借用的左转车道），在西进口上游中央分隔带适当位置开口，使左转车辆可越过中央分隔带进入出口车道。（2）在开口处设置信号灯（称为预信号灯），与交叉口处的信号灯（称为主信号灯）协调控制。其中预信号灯用来分离进入借道左转车道的左转车流与东进口直行车流之间的冲突，主信号灯用来分离北进口左转、西进口左转以及东进口直行车流之间的冲突。（3）当预信号绿灯启亮时，左转车辆可进入借道左转车道待行，当本方向主信号左转绿灯启亮时，借道左转车辆与常规左转车道车辆同时放行。（4）当预信号红灯时，左转车辆不能进入借用的左转车道。

图 1 T型交叉口借道左转

1.2 交叉口借道左转的设置条件

借道左转交叉口能提高交叉口的通行能力，但并不是所有交叉口都适合设置借道左转，借道左转设置需要的条件：（1）交通量条件。左转交通流量较大，在现有渠化设计基础上，通过信号配时优化后无法满足左转需求的交叉口，可以考虑采取借道左转设计。（2）交叉口空间条件。为避免借道左转的车辆，因转弯半径过小无法正常完成左转，交叉口物理区要有足够大的空间。（3）车道数条件。借道左转车道数与常规左转车道数之和不大于所对应的出口车道数。为满足相交方向右转车辆通行需求，借道左转所在进口方向的出口车道数不小于3条。

1.3 交叉口借道左转的交通设施需求

由于借道左转是非常规的交通组织方法，与传统交叉口组织方法有较大差异。因此，需要科学合理的配以交通标志标线等交通控制设施对驾驶人进行引导。（1）由于借道车道转弯半径小于常规左转车道转弯半径，左转车流在并行通过交叉口时容易相互干扰。因此，应在交叉口内部施划左转导流线，引导左转车辆有序通过交叉口。（2）在中央分隔带开口处设置黄色网格线，避免不熟悉路况的驾驶人占用开口处，影响车辆进入借道车道。（3）在中央分隔带开口处前方适当距离设置警告标志，提示驾驶人减速慢行，避免车辆在中央分隔带开口处突然减速，导致追尾事故发生。警告标志前置距离的确定要充分考虑车辆的行驶速度、驾驶人的决策时间以及操作反应时间等因素。

1.4 借道左转相关参数条件

1.4.1 中央分隔带开口长度

车辆由中央分隔带开口处进入借道左转车道存在一个变道过程，中央分隔带开口长度直接影响着车辆在变道过程中的安全性和便利性。在变道过程中，开口长度与车辆的转弯半径有关，见图2。由几何关系可知，考虑车辆在变道过程的与前、后车的最小安全行驶距离，中央分隔带开口长度l开应满足：

式中：r—车辆最小转弯半径，m；a—转弯车辆宽度，m；b—中央分隔带宽度，m。

图 2 中央分隔带开口长度计算

1.4.2 借道左转车道长度

借道左转车道长度既要满足左转车辆通行需求，又要保证车辆行驶安全。若设置过短，则相位绿灯内使用借道左转车道通行的车辆就会较少，对交叉口通行能力的提升意义不大。若设置过长，可能由于借道左转车辆未能及时清空，与下一相位车流相互阻滞。借道左转车道长度与高峰期间左转车辆到达率和交叉口上游功能区长度等因素有关。为满足高峰期间左转车辆排队长度需求，借道左转车道的长度l借应满足：

式中：q—高峰期间左转车辆到达率，pcu/s；r—左转相位红灯时长，s；hd—排队车辆平均车头间距，m，取6 m；l1—进口道导向车道线长度，m；l2—交叉口上游功能区长度，m；n0—借道左转车道数；n1—常规左转车道数。

2 借道左转交叉口交通信号控制方案设计

2.1 设计思路及流程

在借道左转交叉口中，左转车辆并不是随时都可以进入借用的出口车道。为不影响其他车流正常通行，保障借道左转交叉口运行安全，需要配合信号灯对左转车辆进入借道左转车道的时间加以控制，因此，借道左转交叉口的信号控制不同于传统交叉口，需对交叉口信号控制方案特殊设计。

借道左转交叉口的信号控制方案设计主要分为三部分：（1）根据借道左转的应用原理对交叉口相位方案进行设计；（2）结合设置借道左转后的交叉口相位和渠化方案，确定交叉口主信号配时参数；（3）在上述基础上确定预信号配时参数。

2.2 信号相位分析与设计

在设置借道左转的交叉口，左转车辆需在本方向左转绿灯启亮前进入借道左转车道排队等待，且不与其他方向车流发生冲突。因此，为满足这一条件，交叉口在相位相序方案选择上受到一定限制，T型交叉口借道左转可采取相位相序方案见图3。

图 3 相位相序

交通流放行顺序：（1）当北进口左转车流（相位Φ1）放行时，西进口处的预信号PW绿灯启亮，西进口左转车辆可以进入借道左转车道待行，当相位Φ2绿灯启亮，西进口借道左转车道车辆与常规左转车道车辆同时放行。（2）当东西直行车流放行时（相位Φ3），北进口处的预信号Pn绿灯启亮，北进口左转车辆可以进入借道左转车道待行。（3）当相位Φ1绿灯启亮，北进口借道左转车道车辆与常规左转车道车辆同时放行通过交叉口。

2.3 主信号配时参数的确定

T型交叉口在实施借道左转设计后，仅左转车流饱和流率发生变化，对其他车流并未有影响，因此，主信号配时方案可采用经典的Webster配时法。

2.3.1 Webster最佳周期长C0

式中：L—周期总损失时间，s；计算：

式中：ls—启动损失时间，s；Ai—黄灯时间，s；Ii—第i相位末绿灯间隔时间，s；yi—第i相位关键流率比，计算：

式中：qi—第i相位关键车流量，pcu/h；Si—第i相位关键车道组饱和流率，pcu/h。

2.3.2 各相位绿灯时长gi

2.4 预信号配时参数的确定

2.4.1 预信号延迟开启时间

为避免上一相位末期使用该出口车道的车辆，在刚驶离交叉口、还未到达中央分隔带开口处时，本进口左转车辆便从开口处驶入借道左转车道，从而导致两个流向的车流相互冲突。因此，预信号绿灯应在上一相位结束后，延迟一段时间开启，延迟时间t1应满足：

式中：l交—车辆在交叉口内的行驶距离，m；v1—车辆通过交叉口的平均速度，m/s；v'1—车辆从进入出口道到驶离中央分隔带开口处的平均速度，m/s。

2.4.2 预信号提前关闭时间

为保证借道左转车道上的车辆，在主信号左转相位绿灯结束时全部驶离停止线，避免滞留出口道，影响下一相位使用该出口车道的车流正常通行，预信号绿灯需比主信号绿灯提前一段时间关闭。提前关闭时间t2应满足：

式中：v2—车辆由中央分隔带开口处到驶离停止线行驶的平均速度，m/s。

预信号绿灯时长gp：

3 北京市阜成路与首都体育馆南路交叉口设计

3.1 交叉口的交通现状

该交叉口为信号控制T型交叉口，相交道路均为城市主干路，交叉口毗邻大型医院和多所高校，机动车流量大。

3.1.1 交叉口几何现状

阜成路为东西向道路，进口道宽13 m，出口道宽12 m。首都体育馆南路为北向道路，进口道宽16 m，出口道宽15 m。交叉口现状车道布局见图4。

图 4 交叉口现状车道布局

3.1.2 现状交通流量

对交叉口晚高峰时段17∶00—18∶00进行交通数据调查，并依据《城市道路工程设计规范》（CJJ37-2012）中规定的车辆换算系数对数据进行汇总，得到各方向交通数据见表1。

3.1.3 现状配时方案

表 1 交叉口高峰时段交通流量与饱和流率分布（puc/h）

交叉口现状采用三相位控制方案，黄灯3 s，全红2 s，周期时长C=180 s，现状信号控制方案见图5。

图 5 交叉口现状信号配时

3.2 交叉口借道左转设计

对交叉口交通现状进行分析可知，西进口左转流量较大，处于过饱和状态，车道条件和交叉口空间条件满足借道左转设置条件，北进口左转车流所对应的出口道数不满足借道左转的设置条件。因此，考虑在西进口设置借道左转。结合《城市道路交叉口设计规范》（GB50637-2011）和国内学者对借道左转的研究成果[6-7]，参数取值：车辆最小转弯半径为15 m，车辆通过交叉口的平均速度v1=12 m/s，车辆从进入出口道到驶离中央分隔带开口处的平均速度v'1=15 m/s，车辆从中央分隔带开口处到驶离停止线行驶的平均速度v2=10 m/s，对交叉口渠化和信号控制方案进行设计。得到设置借道左转后的交叉口渠化方案见图6，信号控制方案见图7。

图 6 设置借道左转后交叉口几何渠化

图 7 设置借道左转后交叉口信号配时

3.3 仿真分析

利用Vissim仿真软件对交叉口设置借道左转前后的运行状态进行对比分析，对方案的有效性进行验证。在Vissim仿真软件中，通过将借道左转车道与出口车道空间重叠的方式，完成对借道左转的路网建模，最后得到车均延误指标见表2。从仿真结果可知，西进口设置借道左转交通组织后，T型交叉口各进口方向车均延误与现状方案相比，均有不同程度的下降，其中西进口车均延误下降最多，交叉口总车均延误与交叉口现状方案相比下降35.18 s。

表2 交叉口现状与设置借道左转后数据对比(s)

4 结语

借道左转是一种新型的交通组织方式。结合借道左转的原理和应用条件，对T型交叉口设置借道左转的交通组织方法进行了研究，给出了该方法的实施条件以及信号控制的设计方法，并将其应用于北京市阜成路与首都体育馆南路T型交叉口，通过Vissim搭建仿真平台对方法的实施效果进行了验证。结果表明,T型交叉口设置借道左转后，交叉口车均延误明显小于现状方案车均延误，说明借道左转交通组织对T型交叉口有很好的实用性和适用性。