移位左转交叉口渠化与信号配时优化模型

朱然博 徐良杰 李 福 陈国俊

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北文理学院汽车与交通工程学院2) 襄阳 441053)

0 引 言

随着中国城市化水平与机动化水平的不断增加，城市道路平面交叉口成为制约整个城市路网系统的关键节点，其中左转车流与对向直行车流间的冲突是制约平面交叉口通行能力的关键.为解决这一痛点，学者们提出了一些非常规的交叉口[1]，其中移位左转(continuous flow intersection，CFI)设计交通干扰小、效益高、车均延误较普通交叉口降低大于50%[2-3]，是当前研究的热点方向.

Tanwanichkul等[4-5]通过VISSIM仿真对比分析了不同交通流量下常规路口与各类移位左转交叉口在通行能力、饱和度与总延误等方面的差异.在信号控制模型方面，You等[6-12]基于移位左转交叉口特性，分别从交叉口空间渠化设计、交通组织设计与信号控制优化设计这三方面进行研究，构建出相应的移位左转交叉口一体化优化模型，发现移位左转交叉口能够明显提高交叉口的通行能力，具有明显的优势和广泛的应用前景.在移位左转交叉口的优化研究方面，蒋贤才等[13]采用把移位左转车道向内偏移一个车道的方式来避免右转车辆对左转车辆的影响，通过对比分析改进前后的车均延误与最大通行能力，验证该方案的有效性.Yang等[14]基于非对称移位左转的几何特性，建立了两种信号优化模型，通过对比两种模型的仿真结果，发现模型1在减少交叉口排队长度方面表现更好，模型2在设计阶段更为灵活简便.基于移位左转交叉口的有效性与独特性，Park等[15]从驾驶员行为、安全性和操作效率方面对移位左转交叉口进行评价，发现移位左转交叉口可以改善驾驶员操作、节省汽车染料、减少车辆排放.而张新泰[16]从自动驾驶这一新兴角度，提出了移位左转交叉口自动驾驶避撞控制策略，进而优化车辆在交叉口的速度与加速度.

综上，移位左转在降低交叉口延误，提高交叉口通行能力等方面具有较高的效益，但目前移位左转的渠化与信号控制模型都较为复杂，不够简洁直观.该方案也会使得左转车辆分别在路段与主交叉口分别停车，严重影响驾驶员的驾驶舒适性.因此，文中基于现有的单点交叉口信号控制模型，结合移位左转交叉口的独特性，通过优化调整预信号启亮时间，建立了主、预信号协同控制的移位左转交叉口信号优化模型，以减少左转车流的二次停车现象，进一步降低左转车流延误，提高交叉口通行能力.

1 移位左转交叉口渠化模型

1.1 移位左转交叉口渠化方法

移位左转交叉口将左转车道移至对向出口道外侧，左转车辆在路段交叉口处变道驶入移位左转储存道，在主信号的控制下，与同向直行、对向直行和左转车辆一起通过交叉口，其具体渠化设计见图1.

图1 移位左转交叉口

此方案可以有效减少交叉口内冲突点个数，减少信号相位个数，从而降低车均延误，提高交叉口通行能力.但我国交叉口内的右转车辆可直接驶入出口道的外侧车道，不受信号控制，而移位左转将左转车道移至出口道外侧，占用了右转车辆的通行空间，使左转车辆与右转车辆产生冲突，因此本文通过拓宽设置了移位左转车道的出口道，使得右转车辆在空间上与左转车辆分隔，进而避免冲突发生，具体渠化方案见图2.其中①～③为车辆行驶路线编号.

图2 移位左转交叉口渠化方案与运行组织

1)出口道拓宽方案 出口道拓宽由展宽渐变段与展宽段组成.展宽渐变段lzd根据GB50647—2011《城市道路交叉口规范》进行计算，展宽段lzc需根据移位左转储存道长度l1进行计算：为保证南北方向的左转车辆与东西方向的右转车辆在空间上不产生冲突，展宽段的长度lzc应等于移位左转储存道长度l1，即：lzc=l1.

2)移位左转储存道长度l1计算 左转车辆在路段预信号控制下进入移位左转储存道，因而移位左转储存道的长度与预信号有效绿灯时长有关，且移位左转储存道的长度一般不大于100 m.因此l1应满足

(1)

式中：g4为预信号的绿灯有效时长；td为车辆平均启动延误；v1为车队左转的平均速度；v2为车辆左转的平均速度.

由于资金扶持始终是农村扶贫的中心环节，中国在扶贫资金管理方面的试验和创新较多。财政扶贫资金管理方面的创新主要有：第一，地区间财政扶贫资金分配由模糊分配改为主要按要素法进行分配；第二，财政扶贫资金实行专户管理、报账制；第三，建立财政扶贫资金监测信息系统对资金进行监管；第四，建立财政扶贫资金绩效考评机制和资金分配、使用公开公示制度；第五，建立审计、财政、业务部门、社会舆论等各方面参与的多元化监管机制。

3)路段左转变道长度l2计算 左转车辆在信号控制下由路段停车线处变道驶入移位左转储存道，该路程的纵向长度即为路段左转车辆变道长度，见图3.其表达式为

图3 长度计算图

(2)

式中：r为车辆最小转弯半径；W1为一条车道的宽度；We为双黄线宽度；s为几何计算的中间变量.

4)路段左转行驶路径长度l3计算 左转车辆由路段停车线驶入移位左转储存道的路程长为l3，由两段相等的圆弧组成，则有

(3)

5)交通组织方案 在图2的交叉口中，南北出口道设置移位左转车道，东西方向不设置移位左转车道，与常规交叉口一致.首先，南北方向的左转车辆根据预信号提示，由路段停车线变道驶入移位左转储存道等待主交叉口绿灯放行.当南北直行绿灯启亮时，左转车辆沿路径①驶出交叉口，直行车辆沿路径②向左偏移2个车道驶入相应的出口道，同时避开对向左转车辆；然后在路段交叉口处向右偏移2个车道恢复正常，东西方向的右转车辆沿路径③驶入右转专用道，不受信号控制，从而避免与南北方向的左转车辆产生冲突.该方案在不影响右转车辆行驶的同时，保证了移位左转车辆的运行效率，但该方案需拓宽出口道，且直行车辆需向交叉口中心偏移，因此此类交通组织方案适用于双向四车道及以上且交叉口面积较大的道路，车道数越多，行人越少，左转与直行车流运行就越流畅，交叉口改善效果就越明显，因此针对慢行交通，建议采用人行天桥或地下通道的方式辅助过街，减少慢行交通对于移位左转方案的影响.

2 考虑协同控制的移位左转信控优化模型

2.1 相位相序设计

文中以南北方向设置移位左转，东西方向与常规交叉口一致为例，进行相位相序设计.考虑到路段交叉口预信号与主交叉口信号的协同控制，南北左转的绿灯启亮时间需接着路段交叉口左转的启亮时间，使移位左转车辆可以在预信号启亮时连续通过路段交叉口与主交叉口，因此东西直行信号为第1相位，南北直行与左转信号为第2相位，东西左转信号为第3相位，当第3相位绿灯结束时，南北左转车辆需在路段交叉口处等待东西左转车辆全部驶离路段交叉口，从而使得南北左转车辆可以安全驶入移位左转储存道，因此路段预信号绿灯启亮时间较第1相位绿灯启亮时间需延迟t1s.相位相序与信号配时设计方案见图4～5.

图5 信号配时设计方案

2.2 信号控制优化模型

2.2.1各相位有效绿时分配

根据已绘制的相位相序与信号控制图，确定各相位的关键流率比：考虑到相位1东西直行车辆的绿灯时间也是预信号左转车辆从路段停车线驶入移位左转储存道的绿灯时间，因此相位1的关键流率比需同时考虑东西直行与南北左转车流量；相位2为南北直行加左转，因此关键流率比需同时考虑南北直行与左转车流量；相位3为东西左转，因此关键流率比仅需考虑东西左转车流量，具体函数为

(4)

(5)

(6)

因此，信号周期时长为

(7)

各相位的有效绿灯时长为

(8)

2.2.2考虑协同控制的预信号约束条件

为保障第2相位南北方向的左转车辆全部安全通过交叉口，预信号的有效绿灯时长应不大于主交叉口的第2相位有效绿灯时长；第1相位为东西直行信号，此时也是路段交叉口左转信号，且相位1的关键流率比计算过程中也考虑了南北左转车流量，因此预信号的有效绿灯时长应不大于主交叉口第1相位的有效绿灯时长；为保障路段交叉口的运行安全，应确保上一相位东西左转车辆顺利驶过路段交叉口后，再开启南北路段交叉口处预信号的绿灯，使南北左转车辆可以顺利进入移位左转储存道内，因此预信号的绿灯启亮时间应延迟至东西左转的最后一辆车驶离路段交叉口时；为提高交叉口的运行效率，可将路段交叉口预信号绿灯启亮时间与主交叉口第2相位绿灯启亮时间协同控制，使南北第一辆左转车辆从路段交叉口行驶至主交叉口停车线时，第2相位的绿灯同时启亮，进而缓解移位左转方案中左转车辆的二次停车现象，同时进一步降低左转车辆的延误.上述条件为

g4≤g2

(9)

g4≤g1

(10)

(11)

(12)

由式(9)～(12)可得预信号的绿灯启亮延迟时间t1与有效绿灯时长g4的计算公式

(13)

g4=min(g1,g2)

(14)

式中：v3为车辆直行的平均速度；L1为第1相位的信号损失时间；v4为左转车辆在移位左转储存道内直行的平均速度；

3 仿真评价

以武汉市团结大道与仁和路交叉口为例开展对比分析.原交叉口几何条件与高峰小时交通量见图6和表1，信号配时采用四相位控制.针对上述实际观测量对交叉口进行移位左转设计，具体渠化方案见图7.西进口道设置为一条左转专用车道、一条直行车道和一条右转专用车道，东进口道设置为一条左转专用车道、两条直行车道和一条右转专用车道，南进口道与北进口道设置为两条移位左转车道、一条直行车道和一条直右车道.

图6 团结大道与仁和路交叉口

表1 交通流量调查表 单位：pcu/h

图7 移位左转渠化方案

针对上述渠化方案，分别构建交叉口现状信号控制方案(方案1)与考虑协同控制的移位左转信号优化控制方案(方案2)，结合VISSIM仿真验证优化方案的实际效果.在VISSIM中保持输入的各项参数不变，以各方向进口道的直行与左转车均延误、最大通行能力和车均停车次数为评价指标，得到2种信号控制方案下的仿真结果，见图8.

图8 不同因素的对比

由图8a)可知:在高峰小时交通流量下，方案2大多数方向的车均延误较方案1均有下降；西、南、北进口左转的车均延误下降比率均大于50%，是因为这三个方向的左转车流量较大，均大于400 pcu/h，且采用移位左转方案后，南北方向的左转车道数较原交叉口增加一条，西、南、北有效绿灯持续时间也较原信号配时长；但东西直行车辆的车均延误下降比率很低，方案2西进口直行车均延误甚至大于方案1，是因为在移位左转渠化方案中，考虑到东西右转车流量较大，因此将东西进口道中的一条直右车道改成了右转专用道，导致直行车道数减少，西进口延误反而上升，而东进口车道数较西进口多，采用右转专用道的同时保证了直行车流的通行能力，进而降低车均延误.

由图8b)可知:方案2的交叉口总车均停车次数较方案1下降了38%，是因为文中采用主、预信号协调控制策略使得移位左转车辆在预信号控制下进入移位左转储存车道后，无需进行二次停车，可直接通过交叉口；此外，各方向进口道的车均停车次数也较为均衡，基本保持在0.7～0.9次，驾驶舒适性较原交叉口有一定提升.

由图8c)可知:方案2的交叉口总平均排队长度较方案1下降了69%，是因为方案2相较于方案1，相位数从来原来的四相位减少为三相位，周期时长也有所下降，且南北方向的左转车辆与直行车辆可以同时通过交叉口.此外，方案2各方向进口道的平均排队长度较为均衡，信号控制方案较为理想.

由图8d)可知:方案2的交叉口总通行能力较方案1提升较低，是因为在计算交叉口总通行能力时，仅考虑了直行与左转车道，未考虑右转专用道，而在移位左转渠化方案中，东西进口道中的一条直右车道改成了右转专用道，因此导致东西直行车道的通行能力大幅下降，分别为-22%和-59%；同时，北进口直行的通行能力也下降了14%，是因为北进口道中的一条直行车道被改成了移位左转车道，且绿信比在改善前后变化不大；但东、西、南、北左转与南向直行的通行能力提升比率均大于40%，是因为这5个车道组所对应的绿信比有所提高，且南北的左转车道数由1条增加至2条，因此改善效果明显.

综上，方案2较方案1可降低车均延误61%，车均停车次数38%，车道平均排队长度69%，提高通行能力9%.在道路通行能力方面，方案2在未考虑2条右转专用道的情况下，其交叉口总通行能力仍比方案1高，若将2条右转专用道的通行能力加入交叉口总通行能力中，方案2交叉口总通行能力的提升比率将上升至64%，这充分说明文中提出的方案可以有效地降低交叉口车均延误，提高交叉口通行能力，进一步改善交叉口运行效率.

4 结 论

1)分析了移位左转交叉口特性，提出了移位左转出口道拓宽方案，结合移位左转储存道长度设计了计算模型，建立了交通流组织方案，解决了左转车辆与右转车辆的冲突问题.

2)基于单点交叉口信号控制模型与最佳信号周期模型，设计了移位左转交叉口相位相序，分析了预信号与主信号之间的协同控制关系，建立了移位左转交叉口信号配时优化模型.

3)分别从车均延误、车均停车次数和通行能力3个方面进行实例分析，结果表明移位左转方案能够有效降低车均延误，提高交叉口通行能力，改善交叉口运行效率.

4)未考虑4个方向均设置移位左转车道的情况，同时，大型车比例和右转车流量对移位左转交叉口设置效果的影响也有待进一步研究.