信号交叉口左转车道外置的影响因素仿真研究

曹弋,李辉,李雪彤

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028) *

近年来，随着城市信号交叉口各流向交通负荷的增大与上游并道行驶现象的频繁发生，部分城市的某些交叉口出现了左转车道外置的应用实例.相关研究表明，当交叉口进口道的外侧车道中存在较多左转车或左转公交车时，为了减少这些车辆与直行车的交织现象，可以将左转车道外置[1].也有学者认为，这种有悖于驾驶习惯的交通组织方式，将导致部分粗心驾驶员不按车道行驶，对交叉口的整体运行质量造成不利影响[2].鉴于上述问题，有必要针对左转车道外置的影响因素与影响关系开展定量研究.

目前，国内外对该问题进行了相关研究.在左转车道设置方面，杨晓光[3]较早地提出了将左转车道与右转车道相互置换的设计方法.皮钰鑫[4]借助VISSIM软件，以路段平均行程车速为评价指标，得到了车道功能置换设计方法的适用条件.近年来，蔡晓萌[5]定性分析了左转专用道外置的交通措施及适用条件.李硕等[6]针对分离式双左转车道交叉口，通过VISSIM仿真实验，分析得到了外侧左转车流量、大车率及内外侧车道间距对内侧左转车流延误的影响关系.舒蕾[7]对南京市8组内置和外置左转车道组的车头时距、周期流量、大型车比例进行了比较分析，认为90%的大型车会选择外置左转车道通行.张春生等[8]考虑大型货车转弯半径及客货混行比例等因素，提出了货车专用左转车道外置的几何临界条件.LIU Pan等[9-10]利用二元Logit模型，定量研究了左转车道外置对交叉口通行能力及运行效率的影响.认为驾驶员选择外置左转车道通行的概率，随主线交通量及内侧左转车道排队长度的增加而增加；随上游右侧辅道至该交叉口距离的增加而减少.该规律被WAN Jingjing等[11]以实地调查数据所证实.GUO Yanyong等[12]通过视频检测交通冲突的方法，分析评价了左转车道外置交叉口的安全性.Fitzpatrick Kay等[13]通过对比内置与外置左转车道的饱和流率，给出了双左转车道的几何与交通组成影响因素.在交织特性研究方面，周锐等[14]认为交织流率和交织长度是影响出入口处交通运行的重要因素.陈利霖等[15]，建立了交织车辆跟车换道的二元选择 Logit概率模型.徐艳等[16]建立了交织段服务水平的计算模型，求解得到了满足某一服务水平和交织流量下所需的最小交织段长度.

尽管国内外对左转车道外置的问题进行了一定的研究，但还是以定性分析或特例研究为主.虽然有少量的定量研究，但也只是提出了左转车道外置的影响因素，而对于具体的影响关系与设置的临界条件仍缺少一般性、规律性的定量论证.此外，交织特性研究方面，多侧重于高速公路或城市快速路上的交织段，忽视了交叉口上游的交织影响.鉴于此，本研究基于VISSIM软件，构建不同长度交织段与车道数的进口道仿真模型，通过输入不同的交通运行参数进行仿真实验，对比分析进口道交通延误及其变化规律.研究成果对交叉口左转车道的合理布置、上游路段交织现象的减少及左转车流的有效组织，具有一定的理论指导意义与实际应用价值.

1 情景设定与影响因素甄别

1.1 情景设定

前人研究表明，左转车道外置适用于左转及掉头车辆中，存在较多大型车的情况[6]；同时适用于交叉口交织段中，存在较多由外向内并道左转的情况[4].如图1所示，若采用传统的左转车道内置方案，从路段上游驶入的左转车需要在较短的距离内经过多次车道变换，才能驶入目标车道；若将左转车道外置，只需要进行一次变道.

图1 左转车道内置与外置的车流交织

针对以下三种情景，讨论左转车道外置的影响因素.

(1)两相邻交叉口距离较近，且从上游交叉口汇入外侧车道的车辆中，有较多需要在该交叉口左转或掉头的车辆.

(2)高架桥下桥匝道接入外侧车道，且下桥车辆中有较多需要在该交叉口左转或掉头的车辆.

(3)交叉口上游设有路侧式公交专用道或公交站，且有较多公交车需要在该交叉口左转或掉头.

1.2 影响因素甄别

通过对上述三种情景的初步仿真分析不难发现，当车道数较多时，外侧车道中的左转车需要进行较多次车道变换方能驶入内置的左转车道；当断面的直行车辆数较多时，外侧左转车辆在并道行驶过程中，与直行车的冲突显著增加；当交织段长度较小时，外侧左转车需要在短距离内进行多次车道变换，同样使得交通冲突的几率大为提高.因此将车道数、交织段长度及直行车辆数三个因素作为通用影响因素.考虑到情景(1)与(2)的左转车辆主要为社会车，而情景(3)为公交车，故而选择最外侧车道的左转车辆数与左转大车率分别作为情景(1)、(2)与情景(3)的特定影响因素.

2 交通仿真实验设计

2.1 仿真模型与道路交通参数

利用Vissim构建信号交叉口仿真模型，车道数分别设定为三车道与四车道；左转车道分别设定为内置与外置.因此，车道数与车道功能不同的仿真模型共有4类组合.

仿真实验的交通参数是在新隆街与世纪路交叉口实测数据的基础上，进行趋势外推后选取的，如表1所示.本实验在4类仿真模型中，分别改变交织段长度、左转大车率、左转车流量与直行车流量中的某1项参数，其余各项参数固定为现场实测数据不变，以进口道平均延误为指标，对比分析左转车道内置和外置方案下，不同道路交通因素对延误的定量影响关系与临界条件.每次仿真的有效时长为1 h(从300 s开始至3 900 s结束).考虑到随机因素的影响，每组相同的道路交通条件均进行3次仿真实验.本研究共进行了408次仿真实验.

表1 仿真实验的道路交通参数

2.2 参数标定

VISSIM软件中的参数，其默认值基于国外的交通情况.构建的交通仿真模型，不一定能真实地反映我国交通流的实际情况.因此，需要对软件相关模型的参数进行校正，以保证仿真结果的准确性.

在仿真模型的标定过程中，可调整的参数较多，主要包括：跟驰模型、变道模型、路径决策模型以及其他模型的参数.本研究以实测交通数据为基准，针对VISSIM软件中对仿真输出结果有较大的影响的参数，多次运行交通仿真模型，根据模型的输出结果确定参数的取值，得到的参数校正结果如表2所示.标定后，仿真交通量与实测交通量相关系数达到99.84%，如图2所示.后续的仿真实验，均采用标定后的模型参数进行仿真分析.

表2 仿真实验模型的标定结果

图2 参数标定后的实测值与仿真值

3 影响关系与临界条件

3.1 交织段长度

为了分析交织段长度在4种车道布置方案下，对进口道交通运行状态的影响，将该参数由70 m增加至210 m，每级增加20 m.其他道路交通条件均保持现场实测参数不变，即左转车流量为170 veh/h，左转大车率为11%，直行车流量为527 veh/h，得到了不同交织段长度影响下，4种车道布置方案对应的进口道平均交通延误，如图3所示.

图3 交织段长度对进口道平均交通延误的影响

由图3可知，对于左转车道内置的情况，进口道平均延误随着交织段长度的减小而显著增大.这是因为交织段长度减小后，外侧车道中的左转车需要在短距离内进行多次变道，方能驶入目标转向车道.这一过程既增大了左转车与直行车的冲突数，又增大了左转车的等待时长.而对于外置的左转车道，由于车辆间的交织次数较少，进口道的交通延误整体较小.车道数的不同，虽对交通延误存在一定的影响，但影响程度并不显著.

此外，四车道方案中左转车道内外置拟合曲线交点的横坐标为190 m，三车道为172 m.这说明190 m与172 m分别对应于四车道与三车道方案中，左转车道内外置的临界点，即交织段长度小于临界值时，外置左转车道的交通延误较小，更有优势；反之，常规的内置左转车道更为有利.

3.2 左转车流

外侧车道的左转车流量及其交通组成关系到交织区内车流运行的顺畅程度.在分析左转车流量时，将左转车流量由10 veh/h增加至170 veh/h，每级增加20 veh/h，如图4所示.

图4 左转车流量对进口道平均交通延误的影响

可以看出，四车道方案的进口道平均延误，随左转车流量的增加而增大，当左转车流量在10～90 veh/h之间时，由于交织段内需要变道的左转车较少，与主线车流的交织现象不太严重，左转车流量的增加对进口道延误的影响相对较小；当左转车流量大于90 veh/h时，内置方案的进口道延误相对于外置方案，发生了急剧的增加.这是因为，当外侧车道左转车辆增加到一定程度后，开始有部分的左转车辆在交织段内难以完成变道行为，出现了堵塞现象.当进口道为三车道时，与四车道的方案相比，车辆在交织段需要的变道次数相对较少，内外置方案的交通延误均小于四车道方案，并且，当左转车流量超过130 veh/h后，内置方案的交织段才会产生拥堵，导致进口道延误剧增.

由图4可知，四车道方案中左转车道内外置拟合曲线交点的横坐标为67 veh/h，三车道为89 veh/h.也就是说，67 veh/h与89 veh/h的左转车流量分别是对应于四车道与三车道方案，左转车道内外置的临界点.

在分析左转车流交通组成的影响时，设置仿真模型初始的左转车流量为图5中临界值，然后在4%～20%之间调整左转大车率，其余的道路交通条件均与分析左转车流量的影响时相同，得到了在不同左转大车率影响下，4种车道布置方案对应的进口道延误，如图5所示.

图5 左转大车率对进口道平均交通延误的影响

从图5中可以看出，左转大车率对进口道平均延误的影响规律，与左转车流量的影响具有一定的相似性.不同点表现在，当左转大车率小于8.5%时，不论三车道还是四车道，其左转车道内置与外置的延误差别不大；当左转大车率大于8.5%时，左转车道外置的平均延误均小于内置方案.此外发现，车道数越多，左转大车率的影响程度越显著.

3.3 直行车流

为了分析不同车道布置方案下，直行车流对进口道交通运行状态的影响规律，改变由上游驶入每条直行车道的车流量，将其由150 veh/h增至500 veh/h，每级增加50 veh/h，得到了对应的四组平均延误数据，如图6所示.

图6 直行车流量对进口道平均交通延误的影响

由图6可知，对于左转车道内置的情况，进口道平均延误随着直行车流量的增加而显著上升.这是因为，随着主线车流中直行车辆的增加，直行车流出现可插入间隙的几率减少，外侧左转车并入内道的过程中，等待可插入间隙的时间变长，交通延误随之迅速上升.相对地，当左转车道外置时，交织段内需要变道的车辆数减少，对主线直行车流的影响减小.

由图6中内外置拟合曲线的交点横坐标可知，四车道方案的左转车道内置或外置的临界点为270 veh/h，三车道方案为295 veh/h，当直行车流量小于临界值时，常规的内置方式相对有利；反之，外置左转车道的交通延误较小，更加可取.

4 应用案例

4.1 交通调查与数据整理

选取沈阳市2个设有外置左转车道的交叉口与大连市2个左转车道内置的交叉口，开展交通调查.分别调查其高峰小时交通量和道路几何参数作为仿真建模的基础数据，讨论其左转车道外置的适用性，进口道的交通参数如表3所示.

表3 进口道交通参数

4.2 左转车道布置

依据研究得到的车道数、交织段长度、左转车流量及直行车流量对左转车道外置的影响规律及临界值，结合4个案例的进口道交通参数，分别对其应采用的左转车道布置方式进行分析，判定结果如表4所示.

表4 主要影响因素的临界值及案例实测值

进一步分析可知，只有当三个主要影响因素同时满足外置条件时，如案例1和2，方可采用左转车道外置方案.如若其中一条或一条以上不满足，如案例3和4，则没用充分理由将左转车道外置，需进一步开展仿真延误分析后，方可判定.

4.3 仿真延误分析

为了进一步明确案例3和4的左转车道布置方案并验证案例1和2的左转车道设置位置是否合理，将案例1和2信号交叉口的左转车道改为内置；案例3和4的改为外置，其余交通参数保持不变，针对改变前后的交叉口分别构建Vissim仿真模型，输出进口道1 h平均延误，以获取改变左转车道设置位置前后的延误值.每个模型均使用不同的随机种子仿真三次，得到的交通延误的平均值如表5所示.从表5中选择仿真延误值小的方案，作为左转车道设置位置.信号相位方案及配时参数均采用现场实测数据.

表5 进口道平均交通延误仿真结果

仿真结果表明，案例1和2，左转车道外置方案的进口道平均交通延误远小于内置方案，说明在该进口道将左转车道外置的延误降低效果显著；案例3和4，内置左转车道方案的交通延误相对较小，适合采用常规的左转车道布置方案.由仿真模型得出的左转车道布置方案，均与现实中交叉口的车道布置方案相一致.

5 结论

(1)信号交叉口左转车道外置的主要影响因素包括进口道车道数、上游交织段长度、直行车流量及外侧车道左转车流量或左转大车率.从延误角度来看，左转车道外置适用于进口道车道数较多、上游交织段长度较短、直行车流量较大且外侧车道左转车流量或左转大车率较高的情况;

(2)得到了主要影响因素对左转车道内外置延误的定量影响关系及临界值，并以4个交叉口的实地调查数据作为案例，分析了左转车道内外置的布置条件以及在这些交叉口将左转车道外置的必要性;

(3)左转车道外置存在与长期形成的驾驶习惯不符、必须设置左转专用相位及左转信号时间略长等弊端.

本文主要论述在其他因素不变的情况下，单一影响因素的变化，导致左转车道内外置两种方案的延误变化特征及规律.对于多因素综合影响下的左转车道设置位置的判定，具有一定的局限性.上述问题可在本研究的基础上，通过综合建模分析，进行更深入的探究.