張化中，鄒志寧，俞山川，王小軍，楊寶寶

(1.廣東平興高速公路有限公司，廣州 510623；2.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣州 510623；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 自動(dòng)駕駛技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，重慶 400067)

近年來(lái)，在我國(guó)深圳、邯鄲、濟(jì)南等城市逐步試點(diǎn)應(yīng)用了借用出口車(chē)道左轉(zhuǎn)、串聯(lián)交叉口、連續(xù)流交叉口等非常規(guī)交叉口[1]，以提升交叉口運(yùn)行效率。這類(lèi)交叉口由于某些特殊的設(shè)計(jì)違反了已被廣泛接受的駕駛規(guī)則，因此稱(chēng)為非常規(guī)交叉口。與傳統(tǒng)的左轉(zhuǎn)待行區(qū)[2]、可變導(dǎo)向車(chē)道[3]、環(huán)形交叉口[4]和綜合待行區(qū)[5-6]等設(shè)計(jì)方案相比，非常規(guī)交叉口在容量提升、降低延誤等方面優(yōu)勢(shì)明顯。常規(guī)交叉口由于左轉(zhuǎn)和直行存在沖突，使得每一相位只能使用部分車(chē)道，降低了交叉口的通行能力，而非常規(guī)交叉口很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

借用出口車(chē)道左轉(zhuǎn)交叉口[7]在我國(guó)應(yīng)用較為普遍，如圖1(a)所示。通過(guò)動(dòng)態(tài)使用出口車(chē)道以提升交叉口左轉(zhuǎn)通行能力，但并沒(méi)有減少信號(hào)相位數(shù)，同時(shí)受左轉(zhuǎn)比例和相位時(shí)長(zhǎng)限制，通行能力的提升幅度并不大。串聯(lián)交叉口[8]也稱(chēng)為排陣式交叉口，如圖1(b)所示。通過(guò)車(chē)輛在進(jìn)口道重新排隊(duì)，使得每一相位使用進(jìn)口道所有車(chē)道，以提升交叉口通行能力，但所有車(chē)輛都存在2次停車(chē)現(xiàn)象。連續(xù)流交叉口[9]屬于移位左轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的一種，如圖1(c)所示。通過(guò)在進(jìn)口道路段上設(shè)置預(yù)信號(hào)交叉口，使得左轉(zhuǎn)車(chē)流提前轉(zhuǎn)入對(duì)向出口車(chē)道外側(cè)，實(shí)現(xiàn)主信號(hào)交叉口同時(shí)放行左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)車(chē)流，但左轉(zhuǎn)車(chē)流存在多次停車(chē)現(xiàn)象。

為此，本文探討一種新型的非常規(guī)交叉口，即平行流交叉口的設(shè)計(jì)方案。平行流交叉口于2007年由Parsons[10-11]提出，如圖1(d)所示,屬于移位左轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的一種，理論上可提升相對(duì)于常規(guī)交叉口1倍左右的容量[1]。然而Parsons平行流交叉口存在多次停車(chē)問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，安實(shí)等[12]在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，提出了左轉(zhuǎn)左置、左轉(zhuǎn)中置和左轉(zhuǎn)右置的平行流交叉口。研究發(fā)現(xiàn)，左轉(zhuǎn)右置的平行流交叉口車(chē)輛停車(chē)次數(shù)更少，通行效率更優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步給出了人車(chē)搭接相位的行人過(guò)街模式，解決了行人過(guò)街問(wèn)題[13]。Zhao等[14]基于車(chē)道控制的方法，將平行流交叉口和連續(xù)流交叉口進(jìn)行組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)景。Li等[15]通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，平行流交叉口在高流量場(chǎng)景下具有良好的性能，且容量提升和延誤降低是一個(gè)相互促進(jìn)的過(guò)程。

(a)借用出口車(chē)道左轉(zhuǎn)交叉口

盡管已有研究表明平行流交叉口通行效益良好，但對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)尚未進(jìn)行詳細(xì)探討，給出的信號(hào)配時(shí)模型也較為復(fù)雜。為使平行流交叉口更符合實(shí)際工程應(yīng)用需要，本文深入探討平行流交叉口的信號(hào)配時(shí)方案，以提升平行流交叉口的實(shí)際通行效益。

1 平行流交叉口設(shè)計(jì)方法

1.1 幾何設(shè)計(jì)

考慮到左轉(zhuǎn)右置方案相對(duì)于左轉(zhuǎn)左置、左轉(zhuǎn)中置2種方案能減少1次左轉(zhuǎn)車(chē)輛停車(chē)[12]，本文選取左轉(zhuǎn)右置的平行流交叉口進(jìn)行研究，其幾何設(shè)計(jì)如圖2所示。將左轉(zhuǎn)車(chē)道移動(dòng)到直行車(chē)道右側(cè)，稱(chēng)為左轉(zhuǎn)右置。在進(jìn)口道路段上設(shè)置預(yù)信號(hào)交叉口，將對(duì)向一部分出口車(chē)道偏移到直行車(chē)道和左轉(zhuǎn)車(chē)道之間，稱(chēng)為移位左轉(zhuǎn)車(chē)道。將西、南、東、北進(jìn)口道上的預(yù)信號(hào)交叉口編號(hào)為PW、PS、PE、PN，將主信號(hào)交叉口編號(hào)為M。直行車(chē)輛在主預(yù)信號(hào)交叉口行駛的車(chē)道數(shù)應(yīng)相同，左轉(zhuǎn)車(chē)輛在主預(yù)信號(hào)交叉口行駛的車(chē)道數(shù)也應(yīng)相同。

舉例說(shuō)明平行流交叉口車(chē)輛運(yùn)行規(guī)則，如圖2所示。西進(jìn)口直行車(chē)輛經(jīng)預(yù)信號(hào)交叉口PW駛?cè)脒M(jìn)口直行車(chē)道，在主信號(hào)交叉口M駛?cè)氤隹谲?chē)道，實(shí)現(xiàn)整個(gè)直行過(guò)程。南進(jìn)口左轉(zhuǎn)車(chē)輛經(jīng)左轉(zhuǎn)車(chē)道，在主信號(hào)交叉口M駛?cè)胂掠我莆蛔筠D(zhuǎn)車(chē)道，在預(yù)信號(hào)交叉口PW處駛?cè)雽?duì)向出口車(chē)道，實(shí)現(xiàn)整個(gè)左轉(zhuǎn)過(guò)程。右轉(zhuǎn)車(chē)輛在交叉口直接右轉(zhuǎn)。

圖2 平行流交叉口幾何設(shè)計(jì)示意

1.2 信號(hào)控制方案

分析上述平行流交叉口的運(yùn)行規(guī)則可知，主信號(hào)交叉口M為兩相位信號(hào)控制方案，分別為東西直行和南北左轉(zhuǎn)組成的組合通行相位、南北直行和東西左轉(zhuǎn)組成的組合通行相位，左轉(zhuǎn)車(chē)輛通過(guò)移位左轉(zhuǎn)車(chē)道避免了與直行車(chē)輛的沖突。預(yù)信號(hào)交叉口也為兩相位信號(hào)控制，具體相位方案如圖3所示。預(yù)信號(hào)第一相位為直行車(chē)輛經(jīng)預(yù)信號(hào)交叉口駛?cè)脒M(jìn)口直行車(chē)道，預(yù)信號(hào)第二相位為移位左轉(zhuǎn)車(chē)道上的車(chē)流駛?cè)雽?duì)向出口車(chē)道，線(xiàn)框里面的左轉(zhuǎn)表示移位左轉(zhuǎn)車(chē)道的車(chē)流是由主信號(hào)交叉口信號(hào)燈上一相位放行的左轉(zhuǎn)車(chē)流組成。

圖3 平行流交叉口相位方案

1.3 控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1)主預(yù)信號(hào)各相位關(guān)系

城市交叉口直行流向通常是交通主要流向，因此，為保證直行通行效率，主信號(hào)東西直行相位時(shí)長(zhǎng)相等，主信號(hào)南北直行相位時(shí)長(zhǎng)相等，如式(1)所示，直行車(chē)流在主預(yù)信號(hào)的相位時(shí)長(zhǎng)相等，如式(2)所示。

(1)

(2)

以南進(jìn)口左轉(zhuǎn)舉例說(shuō)明，如式(3)推導(dǎo)過(guò)程可知，南進(jìn)口左轉(zhuǎn)有效綠燈時(shí)長(zhǎng)不大于所有進(jìn)口直行有效綠燈時(shí)長(zhǎng)最小值，最終所有進(jìn)口左轉(zhuǎn)有效綠燈時(shí)長(zhǎng)通過(guò)式(3)計(jì)算?？紤]到平行流交叉口為一條道路放行直行車(chē)流、另一條道路放行左轉(zhuǎn)車(chē)流的組合通行相位，故需設(shè)置左轉(zhuǎn)遲起相位，如式(4)所示。

(3)

(4)

2)臨界車(chē)流確定

車(chē)道組流量比為某流向車(chē)流的實(shí)際流量與飽和流量之比，在一定程度上表征了道路的擁擠情況。其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：yij為i進(jìn)口j流向車(chē)道組流量比；j=l,s分別表示左轉(zhuǎn)、直行；qij為i進(jìn)口j流向設(shè)計(jì)交通量，pcu/h；sij為i進(jìn)口j流向車(chē)道組飽和流量，pcu/h。

(6)

式中：Qij為i進(jìn)口j流向高峰小時(shí)交通量，pcu/h；PHF為高峰小時(shí)系數(shù)。

臨界車(chē)道組流量比為某一信號(hào)相位中車(chē)道組流量比的最大值，是進(jìn)行交叉口信號(hào)配時(shí)的一個(gè)重要依據(jù)。因平行流交叉口為一條道路放行直行車(chē)流、另一條道路放行左轉(zhuǎn)車(chē)流的組合通行相位，若簡(jiǎn)單采用所有放行流向車(chē)道組流量比的最大值作為臨界車(chē)道組流量比，由式(3)和式(8)可知，顯然是不可行的。為此，一個(gè)周期內(nèi)所有信號(hào)相位臨界車(chē)道組流量比之和可通過(guò)式(9)計(jì)算。

(7)

(8)

Y=(max{yEW,s,max{yEW,l,ySN,l}}+max{ySN,s,max{yEW,l,ySN,l}})

(9)

式中：yi(i+2)j為i進(jìn)口與i+2進(jìn)口的j流向車(chē)流的臨界車(chē)道組流量比；Y為一個(gè)周期內(nèi)所有信號(hào)相位臨界車(chē)道組流量比之和；t0為一個(gè)周期總的損失時(shí)間，s。

3)信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)

采用式(10)計(jì)算信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，可保證一個(gè)周期到達(dá)的車(chē)輛恰好全部被放行。

(10)

4)主預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)關(guān)系

為避免直行車(chē)輛二次停車(chē)，提升平行流交叉口的通行效益，主預(yù)信號(hào)直行相位綠燈啟亮?xí)r間差應(yīng)滿(mǎn)足公式(11)。

(11)

5)移位左轉(zhuǎn)車(chē)道長(zhǎng)度

移位左轉(zhuǎn)車(chē)道是供主信號(hào)交叉口到來(lái)的左轉(zhuǎn)車(chē)輛停車(chē)排隊(duì)，其長(zhǎng)度由一個(gè)周期內(nèi)左轉(zhuǎn)車(chē)流的排隊(duì)長(zhǎng)度決定，具體計(jì)算公式如下：

(12)

6)預(yù)信號(hào)交叉口長(zhǎng)度

預(yù)信號(hào)交叉口最小長(zhǎng)度要能保證車(chē)流安全變道，其值為直行車(chē)流與左轉(zhuǎn)車(chē)流變道所需長(zhǎng)度的最大值。因此預(yù)信號(hào)交叉口長(zhǎng)度需滿(mǎn)足下列條件：

(13)

7)相位時(shí)長(zhǎng)限制

信號(hào)控制周期時(shí)長(zhǎng)和相位時(shí)長(zhǎng)應(yīng)有最大、最小值限制，如下：

Cmin≤C≤Cmax

(14)

(15)

(16)

式中：Cmin、Cmax分別為周期時(shí)長(zhǎng)最小、最大值，s；gmin、gmax分別為相位時(shí)長(zhǎng)最小、最大值，s。

2 應(yīng)用示例

2.1 構(gòu)建仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用虛擬結(jié)點(diǎn)的方法，即將移位左轉(zhuǎn)車(chē)道用虛擬結(jié)點(diǎn)和路段表示，構(gòu)建如圖4所示的平行流交叉口VISSIM仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以西進(jìn)口為例，主信號(hào)交叉口M在結(jié)點(diǎn)5處設(shè)置，預(yù)信號(hào)交叉口PW在結(jié)點(diǎn)7處設(shè)置。路段5-8-7為移位左轉(zhuǎn)車(chē)道，設(shè)置在節(jié)點(diǎn)7處的預(yù)信號(hào)燈PW對(duì)來(lái)自移位左轉(zhuǎn)車(chē)道上游結(jié)點(diǎn)5的左轉(zhuǎn)車(chē)流進(jìn)行控制，同樣設(shè)置在節(jié)點(diǎn)7處的信號(hào)燈PW對(duì)來(lái)自上游結(jié)點(diǎn)1的直行車(chē)流進(jìn)行控制。右轉(zhuǎn)車(chē)流不受預(yù)信號(hào)燈PW控制，即圖中路段1-9-5。

圖4 平行流交叉口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 仿真參數(shù)確定

選取如圖2所示的平行流交叉口和常規(guī)交叉口進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證平行流交叉口通行效益，各進(jìn)口直行車(chē)道數(shù)為2條、左轉(zhuǎn)車(chē)道數(shù)為1條。為避免右轉(zhuǎn)車(chē)輛干擾，設(shè)置右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道。相位損失時(shí)間4 s，移位左轉(zhuǎn)車(chē)道長(zhǎng)度100 m，預(yù)信號(hào)交叉口長(zhǎng)度30 m，車(chē)輛行駛速度50 km/h，車(chē)道飽和流率1 500 pcu/h，高峰小時(shí)系數(shù)0.75。為更直觀比較2種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，選取如表1所示的3種流量輸入方案。根據(jù)本文信號(hào)控制參數(shù)的確定方法，得到平行流交叉口和常規(guī)交叉口的信號(hào)配時(shí)結(jié)果，如表2所示。

表1 流量輸入方案 pcu/h

表2 信號(hào)配時(shí)結(jié)果 s

2.3 仿真結(jié)果分析

采用VISSIM微觀仿真軟件驗(yàn)證，改變隨機(jī)種子共仿真10次以免隨機(jī)因素的影響，將VISSIM路網(wǎng)飽和流率校正為1 500 pcu/h，采用車(chē)輛最大通過(guò)量、車(chē)均延誤、車(chē)均停車(chē)次數(shù)等指標(biāo)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖5和表3所示。

由圖5和表3可知，在中低流量場(chǎng)景下，常規(guī)交叉口和平行流交叉口的通行能力皆能滿(mǎn)足交通需求。而在高流量場(chǎng)景下，常規(guī)交叉口已處于過(guò)飽和狀態(tài)，但平行流交叉口仍處于非飽和狀態(tài)，表明平行流交叉口能提升交叉口通行能力，可有效緩解交叉口擁堵。交叉口效益改善方面，平行流交叉口相對(duì)于常規(guī)交叉口，在低、中、高流量場(chǎng)景下，車(chē)均延誤分別降低了45.63%、57.42%、75.55%，車(chē)均停車(chē)次數(shù)分別降低了7.5%、11.49%、48.10%，明顯改善了交叉口通行效益，且當(dāng)常規(guī)交叉口處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，采用平行流交叉口效益更優(yōu)。平行流交叉口各流向車(chē)均延誤和車(chē)均停車(chē)次數(shù)的變化規(guī)律如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知，由于本文對(duì)主預(yù)信號(hào)相位進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以保證直行車(chē)流通行效益，使得直行車(chē)流不存在二次停車(chē)現(xiàn)象，降低了直行車(chē)流的車(chē)均延誤和車(chē)均停車(chē)次數(shù)。盡管左轉(zhuǎn)車(chē)流部分車(chē)輛存在二次停車(chē)，使得左轉(zhuǎn)車(chē)流車(chē)均停車(chē)次數(shù)高于常規(guī)交叉口，但車(chē)均延誤卻有明顯降低。整體來(lái)看，平行流交叉口相對(duì)于常規(guī)交叉口，在通行能力提升、延誤降低和停車(chē)次數(shù)減少方面優(yōu)勢(shì)明顯。

(a)低流量

(a)低流量

表3 交叉口仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1)探討了平行流交叉口信號(hào)相位方案，構(gòu)建了基于臨界車(chē)流、主預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)、移位左轉(zhuǎn)車(chē)道長(zhǎng)度、預(yù)信號(hào)交叉口長(zhǎng)度的信號(hào)配時(shí)模型，并基于VISSIM仿真進(jìn)行了通行效益評(píng)價(jià)，使其更加符合實(shí)際交通運(yùn)行需要。

2)通過(guò)與常規(guī)交叉口對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，平行流交叉口在延誤降低、停車(chē)次數(shù)減少方面優(yōu)勢(shì)明顯，在低、中、高3種流量場(chǎng)景下分別降低了45.63%、57.42%、75.55%的車(chē)均延誤和7.5%、11.49%、48.10%的車(chē)均停車(chē)次數(shù)。

3)研究成果可為平行流交叉口設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，推動(dòng)平行流交叉口在我國(guó)的工程應(yīng)用，從而緩解城市交通擁堵。