基于车道控制的城市主干道路段掉头组织方法

饶 中，刘 远，刘 涛，代 萱

(1.深圳高速公路股份有限公司，深圳 518026；2.长安大学运输工程学院，西安 710061；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710075)

0 引言

主干道作为城市交通的骨架与分区间相互连接的动脉，要求具备行驶速度高、道路干扰小、服务水平高的特点，一般具有道路宽度≥40 m、路段长度≥500 m的特征，并且往往设置绿化带式中央分隔带.由于主干道的道路设施构造和功能特性，弱化了道路两侧的联系，导致路段交通产生了较高的掉头需求.传统掉头组织主要通过在交叉口设置掉头车道，不仅增加了车辆绕行距离，而且降低了交叉口通行能力[1].近年来，在主干道路段实施掉头组织成为城市交通设计发展趋势.已有的路段掉头控制方法，通常采用无信号控制形式将掉头车道设置在紧邻中央分隔带的位置.在中央分隔带宽度较小的情况下，存在掉头车辆行驶不顺畅、与对向直行车辆冲突严重等问题[2].如何降低掉头车辆对直行交通通行安全和效率的影响，成为主干道路段掉头交通组织亟需解决的问题.

国内外学者对交叉口掉头、路段掉头2种城市掉头交通组织方式进行了广泛研究.在系统和全局规划方面，Access Management[3]通过道路重要性、设计速度、交通量、交通运行安全性、交通组织方式、土地使用性质等因素的综合考虑，构建了掉头交通组织的相关技术标准.张宁等[4]借鉴高速公路相关交织理论，提出了远引掉头方式下中央分隔带开口间距模型.陈恺等[5]结合我国道路交通特性，从中央分隔带开口选址与布局、机非分离的交通组织等方面对远引掉头进行了系统规划.Prasanta Bhuyan等[6]通过统计分析印度海得拉巴市4车道、6车道和8车道道路中央分隔带开口的掉头车辆行驶数据，提出了驾驶人对开口尺寸的可接受间隙.在掉头安全性研究方面，Yang Zhao等[7]综合考虑掉头车辆安全、效率与环境的影响，提出了一种考虑多重外部影响的掉头组织多目标分析方法.Olarte等[8]针对无信号控制的乡村公路交叉口，提出了掉头交通安全性及适应性分析方法.沈超群等[9]综合考虑行车安全性及行车效率，研究了远引掉头交通组织对城市路网交通流的影响.

随着道路设施通行潜力挖掘需求不断增加，在掉头交通安全性得到保障后，掉头位置的交通运行效率研究成为当前研究热点[10-13].刘仁文[15]通过车辆到达率和服务率等因素分析，提出了掉头开口的尺寸设计方法.成卫等[16]为分析远引掉头对下游交叉口通行效率的影响，构建了通行能力与车头时距的关系模型.Ben-Edigbe[17]针对路段中央分隔带开口处交通流量的不均匀性，构建了基于动力学和回归理论的路段掉头开口处的通行能力估算模型.此外，部分学者还对掉头交通组织方法进行了探讨.例如张卫华等[18]构建了远引掉头位置计算模型，林陪群等[19]分析了交叉口不同掉头交通组织模式下的整体延误特性.

综上所述，国内外研究内容主要集中于交叉口远引掉头组织的安全性、掉头位置选址和掉头开口间距等方面，较少关注通过掉头空间精细化设计提高掉头交通组织安全和效率方面的研究.鉴于此，本文提出了一种城市主干道路段交通掉头控制方法，以交通流量和道路设施信息为基础，结合车辆掉头轨迹需求，构建城市主干道路段掉头空间设计模型和信号控制模型.

1 空间几何设计方法

1.1 车道数设计

根据不同车型的折算系数，确定上行方向、下行方向的直行交通等效流量与掉头交通等效流量.其计算方法如式(1)所示：

(1)

式中，Edir,str、Edir,tur分别为各行驶方向的直行、掉头交通等效流量(pcu/h)；Fdir,str、Fdir,tur分别为各行驶方向的直行、掉头交通流量(veh/h)；Sdir,str、Ldir,str分别为各行驶方向直行交通的小型车、大型车比例；Sdir,tur、Ldir,tur分别为各行驶方向掉头交通的小型车、大型车比例；λsml、λlrg分别为小型车、大型车的当量小汽车换算系数，且λsml=1，λlrg=2.

考虑到路段内各进口方向直行、掉头交通流量的差异性，从满足掉头交通流量通行需求和提高道路资源利用率角度出发，确定各进口方向的机动车道数，计算方法如式(2)、(3)所示：

(2)

(3)

式中，Nup、Ndown分别为上行方向的机动车道数、下行方向的机动车道数；Nsum为该路段的总机动车道数；Esum为等效流量，且Esum=Eup,str+Eup,tur+Edown,str+Edown,tur.

在各进口方向机动车道数确定的基础上，构建每个进口方向直行车道数和掉头车道数的求解模型，计算方法如式(4)、(5)所示：

(4)

(5)

式中，Ndir,str为上行(下行)方向的直行车道数；Edir,tur为上行(下行)方向的掉头车道数；Ndir为上行(下行)方向的机动车道总数；Edir,str为上行(下行)方向的直行交通等效流量；Edir,tur为上行(下行)方向的掉头交通等效流量.

1.2 车道位置设计

从减少中央分隔带宽度和提高驾驶员行车舒适性的角度出发，结合掉头车辆的交通运行特征，确定各进口方向的掉头车道位置.机动车道从中央分隔带向道路两侧由1开始编号，则上行方向与下行方向起始掉头车道的编号计算方法如式(6)所示：

(6)

式中，N为上行方向和下行方向起始掉头车道的编号；r为机动车的最小转弯半径，且大型车r=1 000、小型车r=600(cm)；d为机动车的车辆宽度，且大型车d=250、小型车d=180(cm)；Lsep为中央分隔带宽度；Lveh为每条机动车道宽度；ceil表示返回大于或者等于指定表达式的最小整数.

1.3 中央分隔带开口尺寸设计

城市主干道中央分隔带开口尺寸应满足设计车辆能顺畅回转.结合我国设计车辆特征，以满足上行方向和下行方向车辆同时掉头为基本要求，提出路段中央分隔带开口尺寸设计方法，计算如式(7)所示：

Ssep=2r+d+ε

(7)

式中，ε为安全行驶距离，且ε=200 cm.

2 交通信号控制模型

在降低掉头车辆与直行车辆的冲突，以及保障行车安全的前提下，构建路段掉头两相位信号控制模型，使得路段综合通行效率最大化.

2.1 掉头交通信号周期值

掉头位置的交通信号周期应以直行、掉头交通的通行延误最小为目标，根据路段交通量和直行交通停车率，进行信号配时设计.计算方法如式(8)、(9)所示：

(8)

(9)

式中，T为路段掉头交通控制的信号周期(s)；ceil表示返回大于或者等于指定表达式的最小整数；Ve为路段车道设计交通量(pcu/h)；α为直行交通停车率.

2.2 相位控制策略

(10)

(11)

3 VISSIM仿真分析

为验证所提城市主干道掉头控制方法的有效性，选取西安市枣园东路(汉城北路—大庆路)为研究对象，使用激光测距仪和AxleLight便携式路侧激光交通调查仪对其道路设施、交通流量进行调查.调查路段为双向8车道，设计速度60 km/h，机动车道宽度3.75 m，非机动车道6.0 m，中央分隔带宽度2 m，路段开口尺寸12 m.原路段掉头交通控制方式如图1所示.调查时间为2018-12-17(星期一)—2018-12-21(星期五)间的高峰时段(07:00—09:00、17:00—19:00).交通运行数据见表1所示.

图1 原路段掉头交通组织示意图

表1 交通运行数据

3.1 仿真建模

直行交通停车率取0.3，根据实测交通数据和所提路段掉头控制方法，利用VISSIM建立道路仿真模型，对不同流量及掉头流量比例下掉头交通运行情况进行仿真，掉头交通组织优化设计仿真参数如表2所示，平面图如图2所示.仿真时长设为4 200 s，选取评价参数中的交通延误和平均排队长度作为评价指标，对每次模拟采用不同的随机因子进行6次独立的仿真实验，最终取所有仿真结果的平均值，以保证仿真结果的稳定性.仿真模型如图3所示.

表2 路段掉头设计参数

图2 优化后路段掉头交通组织示意图

图3 路段掉头交通仿真模型

3.2 仿真结果

考虑到模拟交通流的稳定性与仿真时间有关，剔除0～600 s的运行数据，统计600～4 200 s的仿真结果.依据所提掉头交通组织方法的实施效果仿真评价结果如表3所示.

表3 实施效果的仿真评价结果

由表3结果及图1、2可知，通过所提方法优化掉头交通组织设计，合理调控车辆时空通行路权，减少了掉头车辆与直行车辆之间的相互干扰.

1)在高峰流量高掉头比例下，掉头交通、直行交通流延误相比原路段分别降低了19.8%、11.2%，平均排队长度分别减少了5 m、2 m，降低幅度为31.3%、18.2%.

2)在高峰流量低掉头比例下，掉头交通、直行交通流延误相比原路段分别降低了10.9%、8.7%，平均排队长度分别减少了2 m、1 m，降低幅度为18.2%、14.3%.

3)在平峰流量高掉头比例下，掉头交通、直行交通流延误相比原路段分别降低了9.6%、9.8%，平均排队长度分别减少了1 m、1 m，降低幅度为14.3%、20.0%.

4)在高峰流量低掉头比例下，掉头交通、直行交通流延误相比原路段分别降低了7.0%、8.5%，平均排队长度分别减少了2 m、1 m，降低幅度为40.0%、33.3%.

由此可见，掉头车辆、直行车辆的路段交通延误和排队长度均有所降低，所提城市主干道路段掉头控制方法能有效降低掉头车辆与对向直行车辆的冲突，提高路段通行效率.

4 结束语

针对主干道路段实施掉头组织时，掉头车辆行驶不顺畅、掉头效率低等问题，且对过境交通干扰较大，影响主干路快速通达功能发挥的问题，提出一种城市主干道路段掉头控制方法，研究结论如下：

1)在综合考虑车辆交通运行特征和运行需求的基础上，提出了直行车道、掉头车道数量和位置布设的方法，对路段掉头空间布局进行优化.

2)以掉头交通和直行交通通行延误最小为目标，提出两相位的掉头交通组织信号周期模型，以及相位控制策略，使得综合通行效率最大化.

3)选取西安市枣园东路主干道为研究对象，利用VISSIM对所提方法的实施效果进行仿真验证，结果表明所提方法能显著提高掉头交通运行效率.

面对城市主干道过境交通通行要求的不断提高，以及城市交通运输压力的不断增加，通过所提路段交通掉头组织方法能显著改善车辆时空通行路权，提高交通运行效率，为城市道路设计提供智力指导支持.