李邦蘭

（河南警察學(xué)院智能交通實驗室，河南 鄭州 450046）

近年來，隨著機(jī)動車保有量激增，城市交叉口交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。左轉(zhuǎn)車流是導(dǎo)致交通沖突的關(guān)鍵因素，很多學(xué)者對左轉(zhuǎn)等待區(qū)的安全性和提高交叉口通行能力等方面進(jìn)行了研究。孫冰清 等[1]根據(jù)最短綠燈間隔計算左轉(zhuǎn)等待區(qū)長度的臨界值，并通過實例分析，得出設(shè)置左轉(zhuǎn)等待區(qū)能夠有效提高交叉口行車效率。宗二凱等[2]以飽和流率法為基礎(chǔ)，建立了設(shè)有等待區(qū)的左轉(zhuǎn)車道通行能力模型，量化了等待區(qū)的設(shè)置對左轉(zhuǎn)車道通行能力的影響。倪穎等[3]結(jié)合交通流波動理論，討論在不同配時方法下，左轉(zhuǎn)等待區(qū)的設(shè)置對交叉口進(jìn)口道通行能力的影響，得出不同信號配時方法、車道功能劃分、車道數(shù)及左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)的等待車輛數(shù)與進(jìn)口道通行能力及左轉(zhuǎn)車停車次數(shù)之間的關(guān)系。Dong 等[4]提出了一種評估信號交叉口左轉(zhuǎn)等候區(qū)影響的模型，考慮了包括交通運(yùn)營安全性、環(huán)境影響和燃料消耗多種性能指標(biāo)，收集了中國南京33 個站點數(shù)據(jù)，開發(fā)了Vissim 仿真模型，以評估信號交叉口左轉(zhuǎn)等候區(qū)的運(yùn)營和環(huán)境影響。Ma 等[5]針對左轉(zhuǎn)運(yùn)動的空間和時間處理的不同組合提出了一系列左轉(zhuǎn)等待區(qū)設(shè)計模式，如具有受保護(hù)的左轉(zhuǎn)相位的專用左轉(zhuǎn)車道、具有允許的左轉(zhuǎn)相位的專用左轉(zhuǎn)車道、共享的左轉(zhuǎn)車道，并允許左轉(zhuǎn)移相等，使用VISSIM 軟件驗證了所提出的通行能力模型的準(zhǔn)確性。Jiang 等[6]采用交通沖突技術(shù)，比較有和無左轉(zhuǎn)等待區(qū)的交叉口之間沖突類型的差異，并開發(fā)嚴(yán)重性模型以識別左轉(zhuǎn)彎沖突的影響因素。李小帥等[7]討論了設(shè)置機(jī)動車等待區(qū)對通行能力的影響，并通過VISSIM 軟件對實例進(jìn)行仿真，研究結(jié)果表明設(shè)置等待區(qū)域后，交叉口通行能力提升了17.4%，平均延誤降低了26.1%。李靜等[8]結(jié)合微觀交通仿真技術(shù)、道路交通事故預(yù)測模型、尾氣排放模型、機(jī)動車噪聲排放等，分別對信號交叉口有左轉(zhuǎn)等待區(qū)和無左轉(zhuǎn)等待區(qū)進(jìn)行了動態(tài)交通仿真，結(jié)果表明設(shè)置左轉(zhuǎn)等待區(qū)后交叉口平均綜合成本下降了近25%。

以上學(xué)者的研究主要集中在設(shè)置左轉(zhuǎn)等待區(qū)對交叉口的影響方面。但是，設(shè)置左轉(zhuǎn)等待區(qū)一般要求交叉口規(guī)模較大、有專用左轉(zhuǎn)車道及保護(hù)型左轉(zhuǎn)相位等條件，某些小型交叉口并不符合設(shè)置條件，且設(shè)置左轉(zhuǎn)等待區(qū)后會導(dǎo)致左轉(zhuǎn)車輛二次停車，增加燃油消耗。因此，通過設(shè)置合理的時間提前啟動左轉(zhuǎn)相位，使左轉(zhuǎn)車輛能夠提前啟動并到達(dá)沖突點，即不與上一相位車輛發(fā)生沖突，也不需要停車等待即可安全通過沖突點，這種方法稱為虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)。這種方法類似于左轉(zhuǎn)等待區(qū)，可以使左轉(zhuǎn)車輛提前啟動，并且不需要二次停車，可以充分利用通行時間，提高交叉口運(yùn)行效率，降低行車延誤，并且該方法也不需要對路口進(jìn)行重新改造，能適應(yīng)各種類型的交叉口，具有一定的實用價值。

1 虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)的設(shè)置方法

某一相位通行過程是在綠燈時間內(nèi)正常通過交叉口，在黃燈時間內(nèi)通行分兩部分，前一部分時間用于黃燈啟亮后繼續(xù)有車輛通過停車線的時間，后一部分時間用于最后一輛車從停車線到達(dá)交叉口沖突點并順利通過沖突點，稱為清空時間[9]。虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)是通過利用對向直行車輛黃燈時間中部分時間，要保證左轉(zhuǎn)第一輛車到達(dá)沖突點時，直行最后一輛車剛好通過沖突點，即充分利用上一相位黃燈時間，使左轉(zhuǎn)車輛提前啟動，到達(dá)沖突點并順利通過。虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)設(shè)置的基本條件是：1）交叉口幾何條件受限，不適宜設(shè)置左轉(zhuǎn)等待區(qū)；2）交叉口具有獨立的左轉(zhuǎn)專用車道；3）具有獨立左轉(zhuǎn)專用信號相位。

假設(shè)交叉口幾何設(shè)計如圖1 所示，研究南進(jìn)口直行車輛和北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛之間的沖突，南進(jìn)口直行車輛從停車線到?jīng)_突點的距離為LT，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)車輛從停車線到?jīng)_突點的距離為LZ，車輛自身的長度為Lc，南進(jìn)口直行方向黃燈結(jié)束時間點為TZ，在黃燈最后時刻最后一輛車通過停車線的速度為VTn，則車輛到達(dá)沖突點的時間點為TT，時間為tT，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)方向車輛第一輛車啟動至沖突點加速度為aZ，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)相位啟動時刻為T2，第一輛車到達(dá)沖突點的時刻為TZ，時間為tZ，則：

式中l(wèi)1是指駕駛員反應(yīng)時間。

虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)設(shè)置的關(guān)鍵是直行方向最后一輛車到達(dá)沖突點的時刻小于與左轉(zhuǎn)車輛到達(dá)沖突點的時刻，即：

分3 種情況討論。

1）若T1?T2＜0，即南進(jìn)口直行方向車輛所需清空時間較長，左轉(zhuǎn)車輛比直行車輛先到達(dá)沖突點，車流會產(chǎn)生沖突，引起交通安全問題，為了避免沖突產(chǎn)生，則不適合設(shè)置虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)。

2）若T1?T2＞0，即南進(jìn)口直行方向車輛清空時間較短，優(yōu)先到達(dá)沖突點，可以有效避免沖突，則左轉(zhuǎn)相位提前啟動時間為，若 Δt≥3 s，則基于安全因素及為了避免居民出行直觀誤解，取值為3s，即虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)設(shè)置時間為Δt=。

3）若T1?T2=0，即南進(jìn)口直行方向車輛所需清空時間與北進(jìn)口左轉(zhuǎn)方向車輛到達(dá)沖突點的時間相等，為了避免沖突產(chǎn)生，則不適合設(shè)置虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)。

2 虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)對交叉口通行能力及延誤的影響

2.1 虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)對交叉口通行能力的影響

信號交叉口通行能力計算方法有4 種：飽和流率模型、城市道路設(shè)計規(guī)范、停車線法、沖突點法。袁晶矜等[10]對這4 種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行研究。為了對比分析設(shè)置虛擬等待區(qū)前后左轉(zhuǎn)車道通行能力的增加值，本文采取飽和流率模型法。依據(jù)飽和流率模型[11]，交叉口通行能力的計算方法如式（8）所示，一條左轉(zhuǎn)車道的通行能力為

式中：Ci為 一個車道組i的通行能力；Si為車道組i的飽和流率；λi為 綠信比，λi=，gi為 相位i綠燈時間，T為周期時間。

則設(shè)置了虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)后，左轉(zhuǎn)車道通過能力變化值為

交叉口通行能力變化值為

2.2 虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)對交叉口延誤的影響

信號交叉口的延誤分為固定延誤和隨機(jī)延誤，固定延誤是車輛到達(dá)交叉口由于信號控制引起的均衡延誤，隨機(jī)延誤是由于各信號周期車輛達(dá)到率不一致而產(chǎn)生的附加延誤，在此不考慮隨機(jī)延誤。根據(jù)信號交叉口穩(wěn)態(tài)延誤模型[12]，可知信號交叉口一個周期內(nèi)車輛的平均延誤時間為

式中：d為車輛的平均延誤；c為信號周期時長；λ為綠信比；y為流量比。

設(shè)置虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)后左轉(zhuǎn)相位延誤變化值為

交叉口延誤變化值為

3 案例分析

本文選取南陽市鎮(zhèn)平縣健康路與工業(yè)路交叉口為例進(jìn)行仿真驗證，對健康路與工業(yè)路交叉口進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，調(diào)查時間為工作日早高峰時間（7:00—9:00），具體情況如下。

3.1 現(xiàn)狀

3.1.1 交叉口幾何設(shè)計

健康路與工業(yè)路交叉口為十字形交叉口，橫斷面設(shè)計為一幅路，東西進(jìn)口為雙向四車道，南北方向為雙向六車道，在交叉口處利用對向車道進(jìn)行拓寬，增加一條左轉(zhuǎn)專用車道，東西進(jìn)口設(shè)置1 條直行車道，1 條左轉(zhuǎn)車道，1 條右轉(zhuǎn)車道，南北進(jìn)口設(shè)置2 條直行車道，1 條右轉(zhuǎn)車道，1 條左轉(zhuǎn)車道，車道寬度3.5 m。交叉口渠化如圖2 所示。

圖2 健康路與工業(yè)路交叉口渠化圖

3.1.2 信號配時方案

通過現(xiàn)場調(diào)查，該交叉口信號配時方案為典型四相位信號配時，第一相位為東西直行，綠燈時長26 s，第二相位為東西左轉(zhuǎn)，綠燈時長為16 s，第三相位為南北直行，綠燈時長為36 s，第四相位為南北左轉(zhuǎn)，綠燈時長為20 s，黃燈時長為3 s，周期為110 s，如表1 所示。

3.1.3 交通流量

通過現(xiàn)場流量調(diào)查，交叉口早高峰流量如表2所示。

表2 健康路與工業(yè)路早高峰流量調(diào)查表

3.2 仿真設(shè)計

本文采用Vissim 仿真軟件進(jìn)行仿真。通過測量可得出，交叉口左轉(zhuǎn)車輛到達(dá)沖突點的距離為11.5 m，直行車輛到達(dá)沖突點的距為16 m，車身長度取值為標(biāo)準(zhǔn)小汽車長度4.75 m，直行最后一輛車通過停車線的速度為40 km/h，左轉(zhuǎn)第一輛車通過停車線的加速度為2.0 m/s2[13]，駕駛員反應(yīng)時間為1.5 s[14]。

計算直行車輛到達(dá)沖突點的時間為：tT==1.87 s，左轉(zhuǎn)車輛到達(dá)沖突點的時間為：tZ=+1.5=4.89 s，滿足情況（2）T1?T2＞0，則取虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)設(shè)置時長為=3.02 s，大于黃燈時間，則取為3 s。

進(jìn)行仿真時設(shè)置虛擬等待區(qū)的信號配時方案為：第一相位為東西直行，綠燈時長26 s，第二相位為東西左轉(zhuǎn)，綠燈時長為19 s，第三相位為南北直行，綠燈時長為36 s，第四相位為南北左轉(zhuǎn)，綠燈時長為23 s，黃燈時長為3 s，周期為110 s，信號配時圖如圖3 所示。

圖3 設(shè)置虛擬等待區(qū)信號配時方案圖

3.3 仿真分析

通過設(shè)置延誤測量、車輛行程時間、排隊計數(shù)器、數(shù)據(jù)采集點4 種檢測器，收集得到未設(shè)置和設(shè)置虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)的交叉口各進(jìn)口道的延誤以及左轉(zhuǎn)車道的延誤，如表3 所示，通行能力如表4 所示，排隊長度、行程時間如表5 所示。

表3 交叉口及左轉(zhuǎn)延誤

表4 交叉口及左轉(zhuǎn)通行能力

從表3 可以看出，通過設(shè)置虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)后，交叉口延誤及左轉(zhuǎn)車輛延誤均有所下降，交叉口延誤降低14.31 s，降低了4.9%，左轉(zhuǎn)車流延誤降低14.3 s，降低了9.1%，與公式（13）計算得到的交叉口延誤降低值11.47 s 相差較小，說明仿真結(jié)果可信度較高。南北方向進(jìn)口道延誤降低幅度比東西方向進(jìn)口道延誤降低幅度大，且隨著左轉(zhuǎn)車流量的增加，延誤降低幅度較大。從表4 可以看出，通過設(shè)置虛擬等待區(qū)后，交叉口通行能力有所提升，交叉口通行能力增加159 輛/h，通行能力提升了3.1%，左轉(zhuǎn)車道通行能力增加159 輛/h，通行能力提升了13.6%，與式（10）計算得到的通行能力增加值169 輛/h 相差較小，且左轉(zhuǎn)車流量越大，通行能力增加值越大。從表5 可以看出，通過設(shè)置虛擬等待區(qū)后，左轉(zhuǎn)車道排隊長度、行程時間有所下降，且南北進(jìn)口道降低幅度比東西進(jìn)口道降低幅度大，且左轉(zhuǎn)車流量越大，排隊長度和行程時間降低幅度越大。這說明設(shè)置的虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)有效，且對于車流量較大的小型交叉口效果較好。

表5 左轉(zhuǎn)車輛排隊長度及行程時間

4 結(jié)論

本文主要研究在某些小型交叉口，由于幾何條件的限制不能設(shè)置左轉(zhuǎn)等待區(qū)，為了提高交叉口運(yùn)行效率而設(shè)置虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)。首先分析了虛擬等待區(qū)的設(shè)置條件，建立了虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)的時間設(shè)置模型，分析了虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)對通行能力及延誤的影響，并通過實際案例進(jìn)行仿真分析，通過研究可以得到以下結(jié)論。

1）通過分析上一相位最后一輛車通過交叉口的時間與左轉(zhuǎn)第一輛車到達(dá)交叉口時間之間的關(guān)系，建立了虛擬等待區(qū)的設(shè)置時間模型Δt=，若 Δt大于黃燈時間3 s，考慮到安全因素及為了避免出行者的直觀誤解，取值為3 s。

2）設(shè)置的虛擬左轉(zhuǎn)等待區(qū)有效，且對于左轉(zhuǎn)車流量較大的小型交叉口效果較好，同時受限于安全因素及出行者直觀誤解的影響，交叉口運(yùn)行效率提升效果有限。

3）在仿真案例中設(shè)置虛擬等待區(qū)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)置虛擬等待區(qū)交叉口延誤降低了4.9%，左轉(zhuǎn)車道延誤降低了9.1%，交叉口通行能力提升了3.1%，左轉(zhuǎn)車道通行能力提升了13.6%。