基于车辆延误的双向左转车道设置方法

韩高峰

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

服务型道路是城市道路网的重要组成部分,无信号控制交叉口是城市服务型道路主要的交叉口形式,而延误大小与安全水平是评价交叉口服务水平的重要指标。典型十字形交叉口中,为保证所有流向无冲突,需要设置多个相位周期来分流交通,采用让行控制的管理方式可以有效减少交叉口延误水平,但不能解决交通流冲突问题。交叉口交通管理的目的是从时间和空间上将不同方向交通流隔离,实现交通流在交叉口的安全、高效转换,双向左转为城市服务型道路交叉口设计提供一种思路,尤其是结合道路中间渐变段设置双向左转车道,能够节约城区宝贵的道路资源,特别对老城区内原有区间支路的交通改造提升大有裨益。

国内外对平交路口双向左转车道设置已有一定研究。Mccoy等[1]结合城市道路的安全和运营影响,制定了评估双向左转车道效益的方法。AASHTO等[2]指出双向左转车道通常用于在每个方向不超过两条车道的城市道路中,同时速度相对较低且无过大左转交通量的道路。彭永辉[3]等分析城市道路设计中交通量增长带来的问题以及发达国家城市道路管理中双向左转车道的应用经验。袁伟荷[4]等提出实施双向左转车道的方法来改善城乡接合部等路段接入道路较多情况下的道路交通状况。此外,相关规范标准[5]也给出了双向左转车道标线设置图例。这些研究虽然对双向左转的安全性和通行效率进行了分析,但在确定双向左转车道延误评价及工程应用评价方面不够深入。本文针对服务型道路交叉口,分析双向左转车道对运行车辆安全性及通行效率的影响,给出双向左转车道的设置方法,达到降低后期平交口改造的成本的目的。

1 双向左转车道

双向左转车道[6](Two-Way-Left-Turn-Lane)是在道路中央设置的专为两侧左转车辆或有特殊需求的车辆提供转弯场地的专用车道,左转车辆进入车道后,确认对向来车存在充足的可穿插时间情况下,完成车辆左转或掉头,这种交通渠化方式对道路通行优先权重新划分,有效减少交叉口中左转车对直行车辆的干扰。如图1所示,左转车辆进入交叉口前进入左转车道,提前实现不同方向交通流分离,伺机左转,减少前车左转排队引起的候车等待时间。

图1 共用车道与双向左转路径示意图

2 影响因素

(1) 交通管理方式。交叉口处的交通控制方式分为信号控制和非信号控制。信号控制的双向左转控制应结合信号灯相位设置,当左转交通流与直行分离时,宜设置单独的左转相位;非信号控制的车辆在交叉口处左转,此种控制方式存在一定的安全隐患。

(2) 交通状况。交通状况主要涉及交通量、交叉口左转车辆的比例和车速。主路上的交通量及车速会影响交织区的长度,进而决定了车辆左转的位置。交织区过长会增加车辆出行的距离和时间,交织区过短会降低主路车流的安全性及通行效率。当主路交通流饱和度较低时,司机容易大意或低估突发情况的发生诱发事故;当主路交通流饱和度逐渐升高时事故率却随之下降;主路交通流饱和度在0.68附近时,事故率达到最低值;流饱和度增加时,事故发生率增高,车辆之间干扰严重是造成的高事故率是[7]的主要因素。

(3)交通事故。结合国内外应用实例,双向左转车道设置可以明显减少城市双向两车道支路事故发生率,尤其是降低偏置正碰和追尾事故率。主要是将双向两车道道路开辟左转车道后,在车辆进入交叉口之前讲直行车辆和左转车辆分离,左转车辆在交叉口内转向明确,降低驾驶员误判产生的让行决策失误。同时,直行车辆与左转车辆分车道行驶后可以降低车道内的车辆行驶速度差,总体上减少交叉口的冲突点数,并且提高了左转车的行车视距。改造之后交通事故减少是判定双向左转车道设置的评价条件。

(4)道路断面。根据相关研究,采用双向左转的交通流组织方式的道路,应为单幅道路。对于满足设置三车道宽度现状为机非混行双向两车道道路尤为适用,还要考虑交叉口几何尺寸、道路断面及管理方式等因素要满足设置双向左转车道要求。

(5)行车延误。交叉口设置双向左转车道后,路段平均车速虽有降低,但交叉口内车辆分道明确,因左转车辆导致的行车延误减少。对于城市服务型支路,当交叉口间距满足共用渐变段设置条件时,可以在不降低路段车速情况下降低行车延误,改造之后行车延误减少是判定双向左转车道设置的评价条件。

3 基于延误的双向左转车道设置模型

综合行车安全与行车效率才能确定双向左转车道设置的合理性。双向左转车道设置效果评价需要考虑诸多因素,本文运用延误计算模型,同时考虑车辆通行的安全性,结合VISSIM仿真软件进行双向左转车道设置模型的模拟验证。

车辆间车速的离散程度采用车辆的速度方差反映表征。有研究[8]表明,车辆的速度方差越大则安全性能越差。因此,本文采用车速方差作为行车安全的评价指标。延误是反映交通运行效率的指标[9],指车辆额外花费的行程时间,延误越大则交通运行效率越低,本文采用平均车辆延误作为行车效率的评价指标。

3.1 交叉口信号周期确定

国内一般采用韦伯斯特信号配时优化公式,得到最佳信号周期:

C=(1.5L+5)/(1-Y)

(1)

式中:C为平交口信号周期(s)；L为周期内相位总损失时间(s),包含车辆启动时间、黄灯时间等,无时间数据时可取3 s；Y为各相位的最大流量比。

3.2 交叉口车辆延误分析

信号交叉口交通信号控制导致交通流间断,引起的车辆行驶时间损失,导致车辆延误。通过交叉口内多股交通流进行时间上的分离,进而减少交通流在空间上冲突点,实现交通流的安全、高效运行。信号交叉口延误分析是进行信号配时的基础,交叉口车辆延误计算如下式[10]:

(2)

式中：dij为相位i的j进口道车辆的平均延误(s);λi为相位i的绿信比;xij为相位i的j进口方向的饱和度;Pf为平均延误修正系数,推荐缺省值取1;T为分析期(h),推荐缺省值取0.25;K为取决于控制措施的修正系数,推荐缺省值取0.4；I为上游车辆过滤修正系数,推荐缺省值取1;d0为排队车辆的初始延误(s),推荐缺省值取0。

3.3 车辆延误确定

典型十字形交叉口总延误:

d=dl+ds&r

(3)

式中:dl为左转车延误;ds&r为直行及右转车延误[11]。服务型道路交叉口存在左转车与直行车共用车道时,存在前方左转车排队导致后方直行车辆等待的情况,这种路况下交叉口延误应归并计算。

3.4 车辆间车速的离散程度

车速离散程度可用速度方差表征,进行交通流量信息采集后数据处理和仿真软件模拟车辆行驶直接获取方差值是获取车速方差的主要方法。

样本内车辆行驶速度均值:

(4)

车速离散程度用车速方差值表征:

(5)

式中:σ2为车速方差;n为样本数;vi为第i辆车的行驶速度。

车辆行驶速度方差越小,反映车辆之间相对速度越小,则表明安全性相对较高。

3.5 算法设计

求解步骤如图2所示。

图2 求解步骤

Step1.设置双向左转车道的基本条件分析,包括道路条件、交通流特征等相关交通特性分析,如道路条件满足交叉口双向3车道宽度且路中央无固定隔离带。

Step2.现状交通流量数据观测,并对观测数据进行筛选。

Step3.计算Ai=min{di,σi},式中Ai为通行效率综合评价值。

Step4.根据式(1)～式(5)计算调整车道后通行效率综合评价值Ai。

Step5.比较各计算结果,选取通行效率综合评价值Ai最高时的车道布局方案。

4 案例分析

为进一步分析本文提出方法的实用性,以常规十字形交叉口为例,其渠化方案如图1所示。考虑到各道路外侧车道为机非混行车道,将非机动车交通量换算为标准小轿车交通量,同时考虑道路车道宽度、车辆横向干扰等因素对通行能力进行修正,得到双向左转和共用车道两种模式下交叉口各进口道交通参数见表1和表2。

表1 双向左转交叉口各进口道交通参数

表2 共用车道交叉口各进口道交通参数

4.1 行车延误计算

其中修正系数综合横向干扰等因素[12]综合确定,参考取T=0.25,K=0.4,I=1,d0=0,运用式进行交叉口延误计算,同时考虑到行人最短过街时间,最终得双向左转模式下信号灯周期T=54 s,延误d=13.4 s,公用车道模式下信号灯周期T=60 s,延误d=15.1 s。不同相位交通信号示意如图3、图4所示。

图3 双向左转下不同相位交通信号时长(单位：s)

图4 共用车道下不同相位交通信号时长(单位：s)

4.2 交通仿真

结合交叉口渠化及交通组织方案对该路口进行仿真测试,依据仿真结果来评判两种管理方式的使用效果。结合信号配时方案进行信号控制条件下的仿真模拟,双向左转模式下仿真评价结果:车均延误为18.42 s,交叉口整体服务水平为C级。共用车道下仿真评价结果:车均延误为24.26 s,交叉口整体服务水平为D级。

4.3 结果分析

测算结果表明,左转与直行车辆之间的速度差较小,交织区的分合流点实现了空间上的分离,双向左转控制下车均延误值明显小于共用车道控制下的相应值,且速度分布的离散程度更低,安全性提高。从延误和安全角度评价交叉口服务水平,双向左转的渠化模式明显优于共用车道方式。

为了模拟交织区内速度差,在VISSIM仿真中,在进入交叉口前的车道内设置检测器,记录车辆通过标定断面时的速度值,结果表明车辆之间的速度差较小,即安全性相对较高。

5 结束语

本文从行车延误和速度方差角度对交叉口交通渠化方式进行研究,在低流量下,主路可接受间隙较长,共用车道方式在延误水平上相对有优势,但交通安全性较差。当流量达到阈值时,采用双向左转方式可以将交叉口的左转与直行交通流分离,使得交叉口的延误水平降低、安全水平提高。结合相关规范及工作经验,交通流量的小型平交口可设置黄闪灯和路口监控设备,提示驾驶员减速慢行,实时监控交叉口交通状况,减少车辆排队时间,提高交叉口的服务水平;流量达到阈值时,设置双向左转车道,设置路口信号控制设备,提高交叉口的服务水平及安全性,为服务型平交口的渠化管理提供参考。鉴于本人工作经历有限,现阶段研究仅进行特定流量下基于延误和车速方差的不同渠化方式的比选,下阶段研究运用相关交通流理论测算不同渠化方式下交通流阈值的确定,实现交叉口车道方案转换的提前预判。