交叉口待行區設置條件與通行效能分析

胡建偉, 顧金剛

(1.公安部交通管理科學研究所, 江蘇無錫 214151;2.無錫華通智能交通技術開發有限公司, 江蘇無錫 214122)

0 引言

道路交叉口作為城市道路的瓶頸節點,其交通組織與渠化形式將直接影響整條道路的通行狀態[1-2],合理優化局部關鍵節點的空間布局是提升道路服務水平的關鍵所在。 待行區作為一種縮減交叉口幾何面積、緩解進口道排隊溢出的有效交通組織方式,正日益得到交通管理者青睞并被廣泛應用,根據實際管控需求逐漸衍生出左轉待行區、直行待行區與雙待疊加待行區3 種交通組織形式。

國內外專家學者針對機動車待行區的設置條件與方法開展了廣泛研究,Ousama[3]研究論證了左轉專用車道可有效組織進入相應待行區的車流;Ding[4]著重探討了左轉、直行待行區的設置條件與方法;Oppenlander 等[5-6]基于流量、周期、綠信比等參數構建微觀交通仿真模型,研究確定左轉待行區的排隊空間要求;鄧明君[7]提出了基于公交優先的交叉口綜合待行區設計方法并進行實用性驗證;鄭佐雄[8]提出了一種基于層次分析概念的綜合待行區全感應控制策略;李靜[9]結合微觀交通仿真、事故預測模型、尾氣排放模型等方法,建立了交叉口左轉待行區綜合效益評估體系;文獻[10]基于多元復雜場景交通管控需求特征,提出了多維控制目標與指標體系,可為交叉口待行區通行效能分析與測評提供方法支撐。 然而,現有研究尚未考慮從不同維度明確待行區的設置時空要求,缺乏對于待行區實際通行效能的理論分析與驗證,從而導致實施推廣過程中難免存在不同程度的爭議與誤區。

對此,本文面向城市交叉口待行區交通組織需求,研究左轉、直行與綜合待行區的設置條件,基于不同轉向車流消散運行規律圖,分別以“停止線”與“沖突點”為參照系,以左轉待行區為例分析待行區設置前后的通行效能變化情況,并應用VISSIM 軟件進行仿真實現,反映不同綠信比分配狀況下左轉待行區設置前后的通行能力變化情況,從而驗證基于“停止線”與“沖突點”參照系條件下的通行效能理論推導模型的科學性與有效性。

1 設置條件

1.1 空間要求

1.1.1 左轉待行區

為保證待行區的長度和寬度要求,左轉待行區通常設置于有中央分隔帶的交叉口,其設置幾何條件如下。

(1)交叉口進口具備左轉專用車道。

(2)待行車輛與對向直行及待行區需保證一定安全距離。 由于車輛橫向安全距離一般為1 ～2 m,考慮到交叉口內部車速較低且待行區內車輛相對靜止,故最小橫向安全距離可取1 m,即待行區端部與上一相位放行車流軌跡外側應保證1 m 以上安全間距,即如圖1 所示x1≥1 m。 此外,當進口道無非機動車通行或非機動車組織二次過街時,對向待行區之間距離應滿足x2≥1 m;當非機動車跟隨機動車左轉時,應保證4.5 m 以上安全距離,條件受限時不得低于3.5 m。

圖1 左轉待行區設置幾何條件示意圖

(3)為避免車輛行駛不暢、發生側滑等危險,應保證待行區轉彎半徑R≥25 m。

(4)為保證待行區實施效果,左轉待行區蓄車空間應盡可能滿足2 ～3 輛以上標準小汽車停車需要。

(5)設置左轉待行區后,必須滿足交叉口安全視距要求,通常針對設計速度30 km/h 的交叉口要求其識別距離不小于70 m。

1.1.2 直行待行區

直行待行區應用場景相對較少,適用于進口道停止線后置且相交道路路幅較寬的交叉口,其設置幾何條件如下。

(1)交叉口進口具備直行專用車道。

(2)由于直行待行區對向設置互不影響,因此僅需考慮直行待行車輛與上一相位左轉車輛的安全距離。 當直行待行跟隨相交方向左轉車輛通行時應滿足圖2(a)中x1≥1 m,當直行待行跟隨本方向左轉車輛通行時應滿足圖2(b)中x1≥1 m。

圖2 直行待行區設置幾何條件示意圖

(3)為保證待行區實施效果,直行待行區蓄車空間宜滿足2 ～3 輛以上標準小汽車停車需要。

1.1.3 雙待疊加待行區

雙待疊加屬于交叉口新型交通組織方法,其設置幾何形式如圖3 所示,需滿足的空間條件要求如下。

圖3 雙待疊加設置幾何條件示意圖

(1)交叉口進口需同時具備直行與左轉專用車道。

(2)待行區需同時滿足x1≥1 m 和x2≥1 m 的安全距離要求。

(3)交叉口設計左轉半徑不宜小于25 m。

(4)左轉和直行待行區蓄車空間以2 ～3 輛以上標準小汽車為宜。

(5)雙待疊加的設置需滿足安全視距要求,對應于30 km/h 的設計速度其識別距離不得小于70 m。

1.2 時間要求

鑒于相關研究[11-12]對于左轉和直行待行區單獨設置時的時間條件已作出明確界定,本節不再贅述,僅研究確定綜合待行區的設置時間要求如下。

(1)綜合待行區交通組織對象應為信號控制平面交叉口。

(2)交叉口通常為四相位對稱放行信號控制方式。

(3)雙待疊加的進口信號放行相序可以根據實際需要進行選擇,當優先解決左轉車輛長排隊問題時,相序宜選擇先直行后左轉;當優先解決直行車輛長排隊問題時,相序選擇宜先左轉后直行,如圖4 所示。

圖4 不同相序設置條件下的雙待疊加待行區示意圖

2 通行效能

為充分聚焦研究對象,本節以左轉待行區為例展開分析,說明待行區設置前后的通行效能變化特征,直行待行區與雙待疊加待行區的作用原理亦與之相似。 左轉待行區設置的基本思想是充分利用交叉口的時間資源和空間資源,在不影響上一直行相位的基礎上,在紅燈末期合理時間內提前進入交叉口等待或者直接通行,從而充分利用交叉口空間資源,減少左轉相位時間,縮短交叉口信號周期,達到提高交叉口通行能力的目的。 鑒于左轉待行區應用范圍相對廣泛,但實際交通組織效益尚未得到理論證實,因此,有必要進一步量化分析左轉待行區設置前后對于節點通行效率的影響,為實際工程應用實施提供理論依據與指導。

圖5 描述了直行與左轉消散運行規律,其中,左轉相位設置形式為鄰接上一直行相位的放行方式。曲線l1(圖中黃色曲線)為設置左轉待轉區后的左轉車流消散運行狀況,曲線l2(圖中藍色曲線)及其與l1的重合部分為常規放行方式左轉車流的消散運行狀況。 由關系圖分析可知,由曲線l1、l2以及坐標橫軸所包絡的陰影部分面積等同于左轉待行區設置前后的綠燈間隔時差范圍內,左轉車流以飽和流率通過停止線的流量總和,為表述方便,此處不妨定義為“綠燈間隔時差流量”DL。

圖5 左轉待行區設置前后交通流消散運行規律(以停止線為參照系)

結合圖6 所示的左轉待行區設置前后交叉口沖突關系,分別以進口道停止線和交叉口沖突點為參照系,進一步分析給定相位時長條件下左轉待行區設置前后對應的通行能力變化特征。

圖6 左轉待行區設置前后交叉口沖突關系

2.1 以停止線為參照系

若以進口道停止線為參照系進行分析,如圖5所示,則至左轉待轉放行方式頭車啟動時刻,常規放行方式對應時刻點已通過停止線的車流量為:

考慮到待行區內停駛的車輛為左轉待轉通行車流的組成部分,二者消散運行規律形態僅存在一個綠燈間隔時差的偏移量。 因此,問題可簡化為對比綠燈間隔時差流量與左轉待行區可存儲車輛數之間的關系。

定義車輛在交叉口的運行速度為v,排隊車頭間距為lh,則由分析可知左轉待行區可用于排隊的最大左轉車輛數為:

為便于各項指標之間進行量化分析與對比,可定義左轉待行優化目標函數P進行說明,則有:

由式(3)計算結果可知,判斷以停止線為參照系條件下設置左轉待行區的優劣性僅與交叉口車輛運行速度、排隊車頭間距以及左轉飽和流率相關,與待行區長度并無明顯關聯,而設置左轉待行區的通行效益則與其自身長度密切相關。 為進一步量化對比說明,一般條件下,設車輛在交叉口的行駛速度為8 m/s,排隊車輛間距為7 m/pcu,左轉飽和流率為1 650 pcu/h≈0.46 pcu/s,則通過計算可知,當待行區設置長度達到20 m,即待行區近似可容納3 pcu時,單位周期通行能力提升約2 pcu/cycle。 因此,建議對于有條件的交叉口,施劃左轉待行區的車道長度不宜小于20 m。

2.2 以沖突點為參照系

若以沖突點為參照系進行信號配時,常規放行方式條件下,圖6(a)中直行與左轉車流的行程時間需滿足圖5 中對應的時序關系,如式(4)所示。

需要說明的是,上式中,當因交叉口面積較大或左轉停止線后移,致使tT≤lsl+tL時,圖5 中左轉車流啟動時刻t′6將向左偏移,即上一相位直行清場時間與本相位左轉啟動時間存在一定的重疊區間,當式(5)的等式條件剛好能夠滿足時,可使得相位過渡損失時間達到最小。

設置左轉待行區后,相位過渡綠燈間隔時間將進一步延長,對應的左轉車流消散起點較原先向右偏移,對應于圖6(b)中直行與左轉車流的行程時間需滿足的時序關系如式(5)所示。

實際運行過程中,由于待行區停止線距離沖突點較近,因此左轉行程時間t′L≈0,即滿足于相位過渡損失時間最小的臨界條件為t′T=lcT+lsl+rT。

綜上,以沖突點為參照系進行分析的基準時刻點,嚴格來說均為上一直行相位后補償時間的結束點t4,而無論采取何種交通組織方式,左轉車流頭車到達沖突點的時刻均相同,其區別僅在于同等時刻兩種交通組織方式的車流運動狀態稍有差異,即受到啟動波傳遞因素的影響,可用于常規放行方式的車流啟動波傳遞時間將大于左轉待行放行方式,二者差值為tL-t′L,以沖突點為參照系的流率變化差異如圖7 所示。

圖7 左轉待行區設置前后交通流消散運行規律(以沖突點為參照系)

實際信號控制實施過程中,采用信號遲啟控制方式等同于以沖突點為參照系的信號配時設置方式,由以沖突點為參照系的通行能力對比分析結果可知,當左轉飽和流量SL取1 650 pcu/h,綠間隔時差取一般值3 ～4 s,則通過優化目標函數P的公式近似計算可知,采用信號遲啟控制方式能夠使得待行區單位周期通行能力提升約1.7 pcu/cycle。

3 仿真案例

采用微觀仿真軟件VISSIM 建立節點左轉待行區仿真模型,如圖8 所示。 在交叉口渠化設計、信號周期、流量輸入等基本條件均衡不變的前提下,通過改變左轉相位綠信比設置,對比左轉待行區設置前后的通行能力變化情況。 實驗過程中,為確保對比結果的有效性,需保證交叉口流量輸入相對較大,避免左轉相位的綠燈空放現象,因此固定左轉流量輸入為飽和流量1 650 pcu/h,以保證左轉車道時刻保持過飽和交通狀態。 同時,考慮到實際道路交通條件下,左轉信號相位綠信比一般小于0.5,故實驗設計左轉相位綠信比遞增上限為0.5,遞增步長取最小值0.1,實驗仿真輸出結果如圖9 所示。

圖8 節點左轉待行區VISSIM 仿真模型

圖9 左轉待行區設置前后的通行能力隨綠信比變化情況

分析對比可知,左轉待行區設置對于交叉口進口通行能力提升具有相對積極的作用,當左轉相位綠信比小于0.25 時,待行區設置前后通行能力隨著綠信比的增大呈穩步上升趨勢,且待行區設置后實驗仿真結果輸出離散點整體分布處于上方,表明左轉待行區設置對于改善交叉口進口通行效能作用明顯;當左轉相位綠信比大于0.25 時,待行區設置后的通行能力增大幅度趨于離散,呈現一定的不穩定特征,但相對效果仍可表明此時待行區設置對于通行效能提升意義顯著。

4 結論

本研究基于城市大規模道路擴建與進口渠化拓寬的現實背景,論述了設置路口待行區的必要性,提出了設置左轉、直行與綜合待行區的時間與空間條件,基于“停止線”與“沖突點”兩類參照系,運用車流消散運行規律圖,以左轉待行區交通組織方式為代表,分析待行區設置前后的通行效能變化情況,采用微觀仿真軟件VISSIM 構建節點左轉待行區仿真模型,對不同參照系條件下的理論模型計算結果進行驗證。 分析結果表明,對于滿足本研究所提出的時間與空間設置要求的T型、十字或畸形交叉口待行區,通過合理的交通組織與信號管控措施,確保進口道排隊車輛經由待行區停止線時能夠實現不停車通過,可以有效提升交叉口通行效能,實現道路時空緊約束條件下的交叉口內部空間資源高效利用。