城市道路交叉口直行待行区设置技术研究

邱美华，杨福全

(福建农林大学 金山学院，福州 350002)

随着时代的发展和社会的进步，汽车逐渐成为家庭出行的普遍交通工具.随着车辆数的迅速增加，现有的城市交通供给已无法满足日益增长的交通需求.道路交通安全、环境污染和能源消耗等问题也随之而来.信号交叉口作为城市道路的节点，交叉口的通行效率和通行能力直接关系到路网交通流的运行状态[1-2].为了提高交叉口运行效率，目前无论是从工程建设角度还是道路交通管理角度都最大限度的对交叉口进行了优化改善，交通效率的进一步提升遇到了瓶颈.如何合理有效的改善交叉口运行效率，保障道路交通的可持续发展，为此国内提出直行待行区的研究.尚德申[3]等人分析了直行待行区的设置方法和长度，通过实例分析设置直行待行区前后的交通效益，结果表明在交叉口设置直行待行区能够有效减少交叉口延误.左天福[4]等人从延误和通行能力方面对交叉口设置直行待行区前后进行分析.结果表明，合理设置直行待行区可以减少交叉口车辆的平均延误，进一步提高交叉口通行能力.李颖宏[5]等人对直行待行区的设置条件进行研究，结果表明只有在流量比和饱和度较大的情况下才需设置直行待行区.杨明[6]通过静态和动态两种方法分析设置直行待行区前后通行能力的计算公式，并通过模拟计算为待行区的应用提供理论支撑.

本文通过建立设置直行待行区前后的的进口道通行能力模型和交叉口的VISSIM仿真模型，并结合交叉口几何尺寸、优化交叉口信号配时方案进行实例分析，以此来评价设置直行待行区前后的交通效益指标的变化.

1 直行待行区的含义及其设置条件

1.1 直行待行区的含义

直行待行区是指在交叉口的直行进口车道的停止线(第一停车线)前再规划一块区域作为待行区[7-8]，其为由平行的白色虚线边框和最前端的新停止线(第二停车线)组成的一个闭合区域，见图1.当左转绿灯亮时，直行车辆进入待行区内等待，直行绿灯亮时，再继续前进最后通过交叉口.

图1 直行待行区渠划示意图

设置直行待行区既能够增加直行车道的长度，又可充分的利用交叉口的时空资源.在信号交叉口运行的整个过程中可以看出直行车辆先利用上一个绿灯放行阶段进入待行区，以缩短通过交叉口的长度，当直行绿灯亮时，再通过交叉口，从而缩短通过交叉口的时间.在此放行过程中，时间用于交换空间，然后空间用于交换时间，最终起到时间和空间转换的作用.

1.2 直行待行区的设置条件

在交叉口设置直行待行区虽然可以有效地改善交叉口的通行能力并减少交通延误，但不是所有的交叉口都能够设置直行待行区.国内研究学者对多个设有直行待行区的城市交叉口进行深入的分析研究，总结出以下交叉口设置直行待行区的必要条件.

1)交叉口必须是信号控制的方式，而且信号配时方案至少要有四个相位

直行待行区通常设置在大型平面交叉口，该类型的交叉口不同方向的交通量较大，交叉口内部运行状况复杂且冲突严重.所以，为保障交叉口内部通行车辆的通行安全和行车速度，一般采用多个相位的信号控制，使交叉口内部的交通冲突点在时间上进行分离.实践证明，为了及时区分左转车流和反向直行车流形成的冲突，在交叉口设置直行待行区至少需要四个相位的信号控制.

2)交叉口必须设置左转专用进口道

目前，交叉口车辆放行方式分为左转和直行车辆同时放行和单独放行，两者都要求直行交通流和左转交通流的分离，而具有直行待行区的十字路口的交通组织模式是在前一阶段放行时使直行车辆进入交叉口内部，因此直行车辆不能影响前一阶段绿灯放行的车辆的运行.事实上待行区设置后不受直行车流影响的车流只有左转车流.因此，交叉口必须设置左转专用进口道.

3)进口道必须达到足够的直行交通量

直行进口道的交通量没有达到足够的数量，设置待行区会浪费交叉口空间，还会浪费直行相位的有效绿灯时间，直行待行区造成排队中的直行车辆二次停车启动，不但没有提高通行能力，还增加车辆延误，降低交叉口的通行效率[9]，交叉口车辆尾气排放量也随之增加.在左转车道排队的车辆数量过多会影响到相邻直行车道的车辆行驶，所以左转车辆的排队长度是设置左转待行区的关键条件；同理将直行车辆排队长度用作设置直行待行区的关键条件.由于直行车道的距离较长，不会影响车辆在其他相邻车道上的行驶，因此将车辆是否行驶产生二次排队现象作为设置直行待行区的关键条件是比较合理的[10].

图2为直行排队车辆的消散示意图.直行信号灯为红灯时，到达的车辆进行排队，直到红灯结束达到最大队列长度(即：N=qtr).绿灯亮时，排队车辆将穿过停车线队列消散.

图2 排队车辆消散示意图

由图2可以得出：

(1)

(2)

其中：N为直行车辆的最大排队车辆数，pcu；q为直行车辆的到达率，pcu/s；tr为直行相位的红灯时间，s；t损为车辆启动时损失的时间，s；qs为直行车道的饱和流率，pcu/s；Δt为直行排队车辆的完全消散时间，s.

对直行排队车辆的完全消散时间Δt进行分析，判断直行进口道是否需要设置直行待行区，tg表示绿灯时长(s).

当Δt

当Δt=tg时，进口道车辆到达的情况以图2中曲线2表示，在绿灯周期结束时，排队车辆同时消散完成，直行车道的通行能力刚好满足到达的直行车辆的交通需求，车辆不需要两次排队，交叉口处于临界饱和状态.所以把到达的车辆数作为车道设置直行待行区的临界值.

当Δt>tg时，进口道车辆到达的情况以图2中曲线3表示，排队车辆不能在绿灯时段结束时完全消散，直行车道的通行能力无法满足到达车辆的需求，交叉口为过饱和状态，车辆需要两次排队，所以需要设置直行待行区.

2 模型建立

2.1 通行能力模型

该模型采用“停车线法”进行计算通行能力.计算时，将进口道的停车线作为基准面，在有效绿灯时间内，车辆通过进口道的停车线即被视为已经通过交叉口.在设置直行待行区后，分开计算提前通过直行进口道停车线的直行车辆，然后再计入通行能力内，该通行能力计算过程中不包括右转车道的通行能力.交叉口每条进口车道的通行能力取决与有效绿灯时间和饱和车头时距两个参数.本章主要针对交叉口设置直行待行区前后进口道通行能力的变化情况进行分析.

交叉口进口道通行能力计算：

1)不设置直行待行区

(3)

其中：C1为进口道通行能力，pcu/h；ht为饱和车头时距，s/pcu；ge1为不设置直行待行区时直行相位的有效绿灯时间，s；

则：ge1=g-t损+A

(4)

ge左为不设置左转待行区时左转相位的有效绿灯时间，s；

则：ge左=g左-t损+A

(5)

其中：g为直行相位绿灯显示时间，s；g左为左转相位绿灯显示时间，s；t损为车辆启动损失时间，s；A为黄灯时间，s；T为信号周期长度，s；i为直行车道条数；j为左转车道条数.

2)设置直行待行区

根据交通波理论设置直行待行区后，交叉口排队中的车辆在开始启动行驶时，会产生以车辆的畅行速度Vf向后传播的发车波[11-13].并经过LAB/Vf的时间，从第二停车线后的第一辆车启动传到第一停车线后的第一辆车启动[14].考虑到发车波向后传播的时间和排队中第一辆车启动的损失时间，分别计算了两种配时方案下的有效绿灯时间.

根据不同的配时方案，交叉口设置直行待行区后，进口道的通行能力分为以下两种情况：

方案1：周期时长增加，但绿灯的显示时间不改变

(6)

(7)

方案2：周期时长不变，但绿灯的显示时间减少

(8)

(9)

(10)

(11)

ge左为不设置左转待行区时左转相位的有效绿灯时间，s；则见公式(5)

3)通行能力增加值

方案1通行能力增加值为：

(12)

方案2通行能力增加值为：

(13)

其中：ΔC为设置直行待行区后进口道通行能力的增加值，pcu/h.

2.2 VISSIM交通仿真系统模型

VISSIM交通仿真软件已大量运用于交通工程的实际设计工作中，是一款运行稳定且可靠的软件.在交叉口的车道功能、进口道交通量和信号配时方案等各种影响因素相同的条件下，利用VISSIM仿真软件对交叉口设置直行待行区前后进行交通仿真评价，并对两组不同的仿真评价数据结果进行比较和分析.

VISSIM 仿真平台构建步骤：

1)将交叉口底图导入VISSIM 仿真软件中，并设置比例尺寸，根据交叉口底图进行绘制路网.

2)根据对交叉口的交通现状调查所获得的相关数据，确定交叉口每个进口道的车辆构成和期望车速.

3)输入每个进口道的交通流量，并对进口道的车辆进行路径决策和不同方向的流量分配.

4)在将要转弯位置及转弯位置设置减速区使车辆减速，冲突区设置优先让行.

5)设置交叉口机动车道的信号灯控制，在仿真软件中，在原有的信号相位灯组的基础上，增加信号相位灯组，通过设置信号灯的位置来实现直行待行区的设置.

6)设置检测器选择评价参数，进行仿真评价得出相关评价数据，为交叉口设置直行待行区前后状况评价分析提供依据.

仿真平台建立后，为模拟得到交叉口各进口道的通行能力值，将车辆产生器设置为产生车辆，为交叉口的各进口道提供最大交通流量.连续仿真多个小时，且每隔一个小时统计一次数据，从数据中选取最大小时交通量，即作为进口道的小时通行能力.

3 模型验证及案例分析

3.1 交叉口数据调查

交叉口作为道路交通流的集散之地，交通量相对较大，本文选用金榕南路-建新南路-奥体路交叉口的现状进行数据调查分析见图3.

图3 金榕南路-建新南路-奥体路交叉口

1)交叉口几何构造

表1 交叉口进出口车道功能划分

2)交通量

通过实际的现场调查，该交叉口的晚高峰流量相对较大，故选用晚高峰的交通流进行研究分析，晚高峰小时交通量见表2.

表2 晚高峰小时交通量

3) 现状交通组织图

见图4.

图4 未设置直行待行区前交叉口的交通组织图

3.2 交叉口优化方案设计

直行待行区设置在进口车道第一条停车线的前方，直行待行区的长度受到相交道路左转行车轨迹的限制，应在与左转车的冲突点前的一段距离设置直行待行区停车线，由于各个城市的交通流状况不同，应根据不同的交通流特点合理设置这个长度.改善交叉口后的交通组织见图5.

图5 设置直行待行区后交叉口的交通组织图

3.3 优化信号配时方案

1)交叉口相序

交叉口设置直行待行区前后车辆具有不同的放行方式.由于左转车轨迹较长，选用先左转后直行的放行相序，左转行驶方向的最后一辆车不能在直行行驶方向的第一辆车到达之前驶过冲突点，交叉口内会有冲突[15].所以此交叉口选用先直行后左转的放行相序，使得直行行驶方向的最后一辆车可以在左转行驶方向的第一辆车到达之前驶过冲突点，避免出现冲突，具体信号相序见图6、7.

图6 设置直行待行区前交叉口信号相序图

图7 设置直行待行区后交叉口信号相序图

2)信号配时

为保证驾驶员能够知道何时应进入待行区，在信号灯立柱上设置电子显示屏，通过显示屏上的显示字样，提示驾驶员何时进入待行区，该设施对不熟悉有待行区的交叉口的运行特性的驾驶员有很大帮助，结合交叉口现状合理的优化信号配时，具体的交叉口优化相位配时见图8.

选用金榕南路-建新南路-奥体路交叉口进行算例分析，设置直行待行区前后各进口道的配时方案，见表3.

图8 优化后交叉口信号配时

表3 设置直行待行区前后各进口道的配时方案

3.4 模型验证

为了验证所建立的通行能力模型是否可行，现选用金榕南路-建新南路-奥体路交叉口进行模型验证，分别利用通行能力模型及VISSIM仿真模型计算交叉口未设置直行待行区的通行能力值，计算结果见表4，同理计算设置直行待行区后的通行能力值，计算结果见表5.

由表4、5可以看出利用通行能力模型及VISSIM仿真模型计算出的误差率均在10%之内，通行能力模型可靠.两个表格数据显示仿真值普遍比同条件下的计算值小，这是因为仿真软件的运行设置有考虑到车辆之间的相互干扰等因素.

3.5 案例分析

将表3中的相应数据代入式(3)～(13)中，并假设直行待行区内的车辆都是标准汽车,平均车长为5～6 m，排队时两车之间的距离为1～2 m，取，直行与左转车道的车辆饱和车头时距，启动损失的时间取3 s，车辆的畅行速度取40 km/h.计算结果见表6.

表4 未设置直行待行区的通行能力对比分析

表5 设置直行待行区的通行能力对比分析

表6 交叉口设置直行待行区前后各进口道通行能力

待行区的长度及车道数决定待行区内停放的车辆数，也影响到进口道的通行能力.由表6可知，设置直行待行区后使用配时方案1和配时方案2都可使交叉口通行能力增长，且配时方案1总体增加率大于配时方案2，即周期时长增加，但绿灯的显示时间不改变，通行能力的增加值相对较大.

3.6 仿真结果与评价

根据配时方案1，利用VISSIM仿真软件对金榕南路-建新南路-奥体路交叉口设置直行待行区前后进行仿真评价，并导出交通效益指标，仿真结果见表7、8.

通过连续多次仿真，选取其中最大的一组小时通行能力作为进口道的通行能力，从表7中可以看出，各进口的延误有所改善，从表8中可以看出设置直行待行区后，金榕南路-建新南路-奥体路交叉口在各进口道的通行能力有明显提高.

表7 设置直行待行区前后各进口道的延误

表8 设置直行待行区前后各进口道的通行能力

4 结 语

随着机动车保有量持续增加，交叉口的通行能力已无法满足日益增长的交通需求，而城市道路规划完善，空间资源有限.本文充分利用信号交叉口内部的空间资源，以此换取时间资源，提高交叉口通行能力，降低延误.建立通行能力模型和VISSIM仿真模型，以实际交叉口为例，优化待行区和信号配时.利用通行能力公式计算设置直行待行前后的进口道通行能力值，同时用VISSIM仿真软件对交叉口设置直行待行区前后进行仿真数据对比分析，两种方式的结论均证明交叉口设置直行待行区后通行能力明显提高，交叉口的空间资源得到更为充分的利用.