胡鵬

（湖南警察學院交通管理系，長沙　410138）

一種感應式短右轉車道交通控制方法及實現(xiàn)

胡鵬

（湖南警察學院交通管理系，長沙410138）

0　引言

機動車保有量的迅速增加給城市交通研究者們帶來了巨大挑戰(zhàn)。為更好地應對這些挑戰(zhàn)，相關領域的研究者們孜孜以求，從交通實踐出發(fā)，不斷應用新理論、新方法來保障道路交通的安全、有序和暢通［1］。作為城市交通擁堵主要發(fā)生地的平面交叉口在過去十多年里成為研究者們的主要研究對象，尤其是針對信號交叉口交通控制的相關方法不斷涌現(xiàn)，為交叉口通行能力的提高和城市交通擁堵的緩解發(fā)揮了重要作用［2］。在這其中，平面交叉口直行/右轉交通的組織在過去幾年里得到了持續(xù)的關注［3］。具體地，在當前道路資源無法在短時間內顯著增加的情況下，通過拓寬交叉口進口道道路寬度開辟右轉專用車道已經(jīng)成為平面交叉口通行能力提升改造工作的通用方法。遺憾的是，來自交通管理一線的研究者們在實踐中不斷發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改造后的交叉口直行/右轉相鄰兩車道在交通流量增大時常出現(xiàn)因一條車道（直行/右轉）排隊車輛溢出而導致另一條車道（右轉/直行）被阻擋而引發(fā)交通阻塞的情況。這種情況的頻繁出現(xiàn)從很大程度上降低了交叉口通行效率，造成了交叉口時空資源的浪費，形成交通管理實踐中的短右轉車道問題［4］。

盡管當前有不少研究者從通行能力的角度對短右轉車道的存在及長度進行了一些富有數(shù)理基礎的探討，也形成了一些可供參考的研究成果，但對于如何解決隱藏在短右轉車道背后的交通阻塞問題，少有提及［5］。有鑒于此，本文從短右轉車道交通阻塞形成機理入手，借助交通沖突和交通控制理論，提出一種可供工程實踐參考的短右轉車道交通控制方法，在此基礎上探索一種基于感應式直行/右轉車道交通控制系統(tǒng)，從而在一定程度上緩解短右轉車道的交通阻塞，進而達到提高交叉口通行效率的目的。

1　短右轉車道交通阻塞形成機理

在平面交叉口的交通組織設計中，短右轉車道是指在將道路邊緣局部拓寬以增加專用右轉車道的一種交通組織方案（如圖1a所示），受道路條件限制，此右轉車道長度一般要小于相鄰車道的長度。定義圖中直行車道長度為Ls，右轉車道長度為Lr，那么有0≤Lr≤Ls，Lr=0表示沒有進行拓寬進口道的設計（如圖1b所示），Lr=Ls可以理解為自路段起就增加了一條車道（如圖1c所示）。

圖1　

排隊車輛溢出是指進入交叉口進口道車輛在排隊等候通行的過程中因車輛集聚導致排隊長度超過進口道長度的情況。對于上圖所示短右轉車道而言，一條車道排隊車輛溢出就會造成相鄰車道通行被阻擋，定義直行車輛排隊長度Qs和右轉車輛排隊長度Qr，以排隊長度為觀察目標描述直行/右轉車道運行狀態(tài)如下：

（1）直行車道溢出阻塞右轉通行Qr≤Lr，Qs≤Ls

直行車輛排隊數(shù)目過多導致排隊溢出，右轉車道通行正常，此時右轉車輛受到阻擋，待直行車輛放行時，右轉車輛方能通行（如圖2a所示，圖中黑色小車為右轉車輛，白色為直行車輛，下同），由于直行車輛常需等候直行綠燈信號，所以這種阻塞發(fā)生的頻率最高；

（2）右轉車道溢出阻塞直行Qr≥Lr，Qs≥Ls

右轉車輛排隊數(shù)目過多導致排隊溢出，直行車道通行正常，此時直行車輛受到阻擋，待右轉車道清空或恢復正常通行時，直行車輛方能通行（如圖2b所示），普通交叉口長采用右轉常綠的交通控制策略，這種阻塞情況的發(fā)生常與非機動車的直行、行人過街等對右轉車輛的沖突密切相關；

（3）直行/右轉車道均溢出Qr≥Lr，Qs≥Ls

直行/右轉車輛排隊數(shù)目均已經(jīng)超過進口道長度，直行/右轉車輛相互阻塞的情況將持續(xù)發(fā)生，整個交叉口也面臨擁堵（如圖2c所示），此時的交叉口處于嚴重的過飽和狀態(tài)；

圖2　

（4）直行/右轉車道均沒有溢出，相鄰車道通行互無干擾Qr＜Lr，Qs＜Ls

此時屬于交通流量較小的狀態(tài)，直行/右轉車輛的通行均未受到影響（如圖2d所示）。

對于狀態(tài)4，直行、右轉車輛互不干擾，有序通行，是一種相對理想的運行狀態(tài)；狀態(tài)3描述的是交叉口的一種過飽和狀態(tài)，對于此種過飽和狀態(tài)的研究將在后續(xù)的研究中予以討論；不難看出，狀態(tài)1、2描述的是因一條車道排隊長度溢出從而導致相鄰車道通行到阻塞的情況。短右轉車道交通控制的目標在于通過恰當?shù)目刂撇呗越鉀Q因當前車道排隊數(shù)目過多造成相鄰車道通行受阻，通行能力降低的問題。

2　借道直行的交通控制策略

為保證交叉口出口道通行能力的最大化，常采用右轉常綠的交通控制方式。因為平面交叉口不同方向直行、左轉交通流的相互沖突，所以直行、左轉車輛通過紅綠信號燈從時間上將他們之間的交通從沖突予以分離，以保證交通安全。因此，狀態(tài)2中右轉車輛排隊溢出問題的解決以右轉常綠的交通控制方式為基礎，以減少行人、非機動車過街對右轉交通的干擾為保障，確保右轉車輛行駛的順暢。

與右轉交通采用常綠交通控制方式不同，直行交通必須受紅綠信號燈的控制。當直行交通需求超過直行方向上通行能力時，狀態(tài)1中所描述的交通阻塞就會發(fā)生。從交通控制角度來看，提高信號交叉口某一方向通行能力的常用措施包括兩種，增加車道數(shù)目和增加相應相位的綠燈時長，這里我們重點考慮車道數(shù)目增加的可能性。實踐中常出現(xiàn)右轉車道空閑，直行車道排隊溢出的情況，一定程度上造成了交叉口面積的浪費，從最優(yōu)控制的角度，空閑的右轉車道應該被用于直行車輛的通行。受車輛待駛區(qū)設置的啟發(fā)，右轉車道在沒有右轉車輛通行的情況下，允許直行車輛的借道通行，以提高直行方向上的通行能力，減少直行車道排隊溢出發(fā)生的幾率，形成短右轉車道借道直行的交通控制方法，算法描述如下：

①檢測右轉車道內是否有車輛通行，沒有車輛進入下一步；

②直行綠燈時，直行車輛借右轉車道直行；

③直行綠燈結束，直行車輛禁止進入右轉車道。

3　感應式短右轉車道控制系統(tǒng)設計

以提高交叉口右轉車道利用效率，減少短右轉車道交通阻塞發(fā)生機率為目標的感應式交通控制系統(tǒng)由車輛信息采集子系統(tǒng)、交通信號子系統(tǒng)、借道直行交通控制子系統(tǒng)三部分組成，各子系統(tǒng)功能分析如下：

（1）車輛信息采集子系統(tǒng)

通過感應線圈或者視頻采集右轉車道中車輛數(shù)目、速度等信息，并將這些信息送至借道直行交通控制子系統(tǒng)。

（2）交通信號子系統(tǒng)

交通信號子系統(tǒng)包括為實現(xiàn)借道通行的法定交通標志、標線及信號燈，該系統(tǒng)要向直行車輛傳遞出準確的通行信號；受機動車駛入待駛區(qū)信號燈的啟發(fā)，設計借道直行信號燈如下，綠燈亮時，指示直行車輛借道直行，如圖3所示。為了保證借道直行駕駛行為處于相關法律法規(guī)框架之內，交通工程設計上右轉車道改為可變車道，如圖4所示。

圖3　借道直行信號燈　

圖4　借道直行車道設置

（3）借道直行交通控制子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心部分。從交通控制角度來看，借道直行信號時長必須保證進入車道的所有車輛在綠燈時間內全部通過停止線，以避免直行車輛在直行信號紅燈在右轉車道內等候而影響右轉車輛通行，同時又需要考慮提前啟動避免直行綠燈實踐的浪費。基于個體駕駛行為差異的借道直行交通控制子系統(tǒng)應具備在線學習能力，以實現(xiàn)借道直行時長的動態(tài)調整，更好適應通行的需要。

4　系統(tǒng)有效性分析

為進一步分析文中所提方法的有效性，以平面交叉口直行右轉車道為研究對象建立仿真平臺，從車輛排隊長度的動態(tài)變化來比較分析兩種控制方法下通行效率。出于便于比較的目的，實驗中每個周期內交通需求近似為線性函數(shù)，直行車道初始排隊長度取5pcu，直行車道長度8pcu，右轉車道長度取5pcu，相位周期時長取80秒，直行綠燈時長設置為32秒，借道通行時長與直行綠燈時長相同，單車道消散流量按經(jīng)驗取值1400pcu/h。同一周期內，直行排隊車輛溢出時右轉車輛被阻擋的概率確定為50%。實際上，直行/右轉交通需求應該為若干相對獨立的隨機過程，而直行右轉車輛到達共用車道的情況符合更復雜的分布情況，對于這種更一般的形式，將在后續(xù)的研究工作中進行討論。不同方向上交通需求如圖5（a）所示。

從圖5（b）可以看到，在流量過飽和的情況下，由于右轉常綠的交通組織措施，右轉車道排隊長度增加速度要明顯小于直行車道排隊長度增加的速率，此時直行排隊溢出的阻塞情況呈常發(fā)態(tài)勢。圖5（c）所示是文中所提控制方法下排隊長度變化曲線，直行車輛借道通行策略實施后通行能力得到了提高，右轉排隊車輛數(shù)目不斷減少，而直行車輛排隊數(shù)目增加速度要明顯小于常規(guī)控制方案。值得注意的是，上述實驗只是簡單驗證所提策略的有效性，所以對實驗中的參數(shù)進行了簡化處理。

圖5　

5　結語

以短右轉車道直行/右轉交通流的組織運行為研究對象，從短右轉車道中直行/右轉車輛排隊溢出誘發(fā)交通阻塞機理入手，通過直行車輛借右轉車道直行的交通組織方法，以車道中車輛數(shù)目的實時感應為基礎，實現(xiàn)常綠右轉交通組織下直行/右轉交通的時空分離，提高了車道的利用率，達到提高交叉口通行能力、緩解交通擁堵的目標。后續(xù)的研究工作將關注于基于借道直行車輛運動軌跡的智能控制，另外右轉過程中直行非機動車與右轉車輛之間的交通沖突也是需要進一步研究的內容。

［1］姜曉睿，田亞，蔣莉等．城市道路交通數(shù)據(jù)可視分析綜述［J］．中國圖象圖形學報，2015，20（4）：454-467.

［2］劉偉，肖文彬，高顯鵬．交叉口流線動態(tài)控制的優(yōu)化配時模型研究［J］．公路交通科技，2015，32（4）：124-129.

［3］宗二凱，邵長橋．信號交叉口直右共用車道通行能力研究［J］．交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2011，11（6）：62-67.

［4］ZongZ.Tian，Ning Wu．A probabilistic model for signalized intersection capacity with a short-right-turn lane［J］．Journal of Transportation Engineering，2006，132（3）：205-212.

［5］馬萬經(jīng)，陸艷，安琨等．短車道信號控制交叉口通行能力概率模型［J］．同濟大學學報：自然科學版，2012，40（11）：1641-1646.

Short Right Turn Lane；Inductive Control；Right Turn on Red

An Inductive Control Method for Short Right Turn Lane

HU Peng

（The Traffic Management Department of Hunan Police Academy，Changsha Hunan 410138）

1007-1423（2015）26-0031-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.008

胡鵬（1984-），男，湖南臨澧人，碩士，講師，研究方向為智能交通管理

2015-08-18

2015-09-16

針對交通管理實踐中經(jīng)常出現(xiàn)因右轉車道長度限制導致車輛排隊溢出誘發(fā)交通阻塞的問題，結合交通沖突理論和交通控制理論相關成果，提出一種短右轉車道交通控制方法。通過右轉常綠信號保證右轉交通流的暢通，右轉車道無車占用的情況下，直行車輛在直行綠燈時允許借右轉車道直行，從而達到提高交叉口通行能力的目的。

短右轉車道；感應控制系統(tǒng)；右轉常綠

湖南警察學院科研項目（No.2013YB25）

In order to solve the queue blockage with short right turn lane，proposes a traffic control method for short right turn lane based on traffic conflict theory and control theory.In this method，the vehicles with turn right demand have priority of passage by right turn on red.When the right turn lane without occupied by the vehicle，the straight vehicle will be allowed through the intersection by the right lane within green time.The capacity of intersection has been improved by this method.