章立輝　唐小軍

(大連理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院　大連　116024)

U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引在干線感應(yīng)協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用研究

章立輝唐小軍

(大連理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院大連116024)

摘要：考慮交叉口交通需求的不確定性問題，以實施感應(yīng)協(xié)調(diào)控制的城市干線為研究主體，分析干線交叉口左轉(zhuǎn)交通流利用左轉(zhuǎn)專用相位和U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引2種方式實現(xiàn)左轉(zhuǎn)的運(yùn)行效果.應(yīng)用Synchro進(jìn)行單個交叉口信號優(yōu)化配時，基于帶寬最大化的干線感應(yīng)協(xié)調(diào)魯棒配時方法確定最佳相位差.利用Sim traffic進(jìn)行微觀仿真，算例分析表明：U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引能夠明顯降低交叉口進(jìn)口道平均延誤和95th排隊長度；各交叉口服務(wù)水平顯著提高；干線運(yùn)行指標(biāo)，如系統(tǒng)平均延誤、平均速度均有所改善.對不同比例左轉(zhuǎn)流量對進(jìn)口道平均延誤的影響分析可知，U型左轉(zhuǎn)方案對左轉(zhuǎn)流量的變化造成的延誤變化不是很敏感.

關(guān)鍵詞：交通工程；U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引；感應(yīng)協(xié)調(diào)；魯棒配時；微觀仿真

章立輝(1984- )：男，講師，博士，主要研究領(lǐng)域為交通信號配時優(yōu)化、交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、路網(wǎng)可靠度、高速公路控制等

0引言

城市干道是城市交通運(yùn)輸?shù)膭用}，提高干道的通行能力對城市的運(yùn)轉(zhuǎn)有著舉足輕重的作用.干線平交口作為干線通行能力的瓶頸，其中的左轉(zhuǎn)交通流是交叉口中產(chǎn)生交通沖突點(diǎn)最多的交通流，對交叉口的運(yùn)行效率及通行安全有極大的影響.因此，對左轉(zhuǎn)車流進(jìn)行合理的管理與組織，是提高干線通行能力的措施之一.左轉(zhuǎn)車流的傳統(tǒng)控制方法包括許可左轉(zhuǎn)、保護(hù)/許可左轉(zhuǎn)、保護(hù)左轉(zhuǎn).“禁左”是對平交口左轉(zhuǎn)交通流的另一種組織方式.實行“禁左”后，消除了左轉(zhuǎn)車流產(chǎn)生的沖突點(diǎn)，提高了平交口的通行效率與安全.

U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引是平交口實行“禁左”后的左轉(zhuǎn)方式之一，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究.張寧等[1]基于TSIS仿真軟件，提出了借鑒國外相關(guān)規(guī)范以及結(jié)合臨近路口配時設(shè)計的遠(yuǎn)引調(diào)頭選址規(guī)劃優(yōu)化方法.郭宏偉等[2]以NaSch模型為基礎(chǔ)，建立了城市道路U型轉(zhuǎn)向路段交通流模型，并通過數(shù)值模擬對轉(zhuǎn)向交通流特性進(jìn)行分析.翟京等[3]基于VISSIM微觀仿真，以真實交叉口為例，對比分析了左轉(zhuǎn)保護(hù)相位和U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引設(shè)計方案的實施效果.Liu等[4-5]通過對采集的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評價了多車道道路的U-turn運(yùn)行效果，如道路延誤、行程時間，并提出了U型港灣通行能力的評估步驟.Zheng等[6]利用Synchro和Sim Traffic軟件包開發(fā)了評估U-turn對信號控制交叉口服務(wù)水平影響的評估步驟.值得注意的是，如上所述的研究均是以單個交叉口或路段為研究對象，未考慮實施“禁左”后相鄰交叉口的交通運(yùn)行狀況.

另有一些學(xué)者對實行“禁左”的干線交叉口群進(jìn)行了相關(guān)分析.馬萬經(jīng)等[7]以交叉口群總延誤最小為目標(biāo)，提出了交叉口群左轉(zhuǎn)相位組合優(yōu)化模型，并在其模型中考慮了公交車流為直行的條件下，禁止擁擠交叉口左轉(zhuǎn)車流帶來的公交優(yōu)先效益.文獻(xiàn)[8-9]首先對真實干道交叉口左轉(zhuǎn)交通流進(jìn)行左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引組織，然后對干道進(jìn)行協(xié)調(diào)控制配時，以評估其運(yùn)行效果.Reid等[10]利用Synchro配時軟件、TSIS仿真軟件對比分析了干線走廊分別采用雙向左轉(zhuǎn)車道(TWLTL)、中央分隔帶左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引(MUT)、超寬街道(SSM)3種左轉(zhuǎn)彎形式的運(yùn)行效果.然而上述研究均假設(shè)信號控制時段內(nèi)交通流是恒定的，這顯然與現(xiàn)實交通需求實時變化的特性不符.因此，上述研究應(yīng)用于實際中可能很難獲得理想控制效果.

為了能在一定程度上更好的適應(yīng)交通需求的不確定性，本文以感應(yīng)協(xié)調(diào)控制干線為研究對象.采用交叉口進(jìn)口道平均延誤、95th排隊長度，以及整個路網(wǎng)系統(tǒng)的平均延誤、平均速度作為指標(biāo)，對比分析干線交叉口分別采用左轉(zhuǎn)專用相位和U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引兩種控制方式.

1U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引交通組織形式

對左轉(zhuǎn)交通流采用“中央分隔帶U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引”的方式最早是由美國密歇根州交通部于1960年首次提出.如今，此方案已得到廣泛運(yùn)用，如美國的佛羅里達(dá)州、新墨西哥州、歐洲國家和中國.

1.1U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引(median U-turn crossover)

左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引是平交口四類非傳統(tǒng)設(shè)計方案之一，主要包括中央分隔帶U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引、蝴蝶領(lǐng)結(jié)型、超寬街道三種形式.本文的研究對象為中央分隔帶U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引.中央分隔帶U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引又稱為“Michigan U-Turn”或“Michigan Lefts”.其一般形式見圖1.

圖1　U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引交通流運(yùn)行軌跡

主干道左轉(zhuǎn)車流運(yùn)行軌跡：先隨直行車流在綠燈啟亮后通過交叉口到達(dá)下游U型港灣進(jìn)行U型轉(zhuǎn)彎，然后利用對向車流的可穿插間隙匯入對向車流，最后直行回到交叉口再右轉(zhuǎn)進(jìn)入相交道路實現(xiàn)左轉(zhuǎn).即“先直行，后右轉(zhuǎn)”.

支路左轉(zhuǎn)車流運(yùn)行軌跡：先在交叉口處右轉(zhuǎn)到達(dá)主干道下游U型港灣，實現(xiàn)U型轉(zhuǎn)彎，然后利用主干道對向車流的可穿插間隙匯入對向車流，再直行通過交叉口實現(xiàn)左轉(zhuǎn).即“先右轉(zhuǎn)，后直行”.

1.2U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引交叉口信號相位控制

當(dāng)平交口主次道路均采用左轉(zhuǎn)專用相位控制左轉(zhuǎn)車流時，信號控制需采用四相位.而四相位信號控制會增加損失時間，從而降低了交叉口通行能力.實行U型左轉(zhuǎn)方案后，機(jī)動車四相位控制簡化為兩相位控制，減少了損失時間，可增加通行能力.兩種設(shè)計方案下，機(jī)動車可能的信號相位控制方案見圖2.

圖2　機(jī)動車信號控制方案

1.3U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引方案評價

平交口實行左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引后，消除了交叉口內(nèi)所有左轉(zhuǎn)車輛產(chǎn)生的沖突點(diǎn)，提高了平交口的通行安全，減少了交通事故的發(fā)生率；由于交叉口采用兩相位控制，減少了損失時間，可增加主干道的通行能力及直行車輛運(yùn)行的連續(xù)性等.

但是該方案會增加左轉(zhuǎn)車輛的繞行距離、停車次數(shù)和延誤；容易使駕駛員產(chǎn)生迷惑，尤其是外地駕駛員；左轉(zhuǎn)車輛換道時會在一定程度上影響干道直行車輛的行駛速度；對道路及中央分隔帶的寬度要求較大，適用路段有限，同時也需要設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)識，增加了成本等.

顯然，對干道實行U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引的設(shè)計方案優(yōu)缺點(diǎn)并存，因此設(shè)置時應(yīng)詳細(xì)考察交通與地理條件，及其帶來的社會效益.

已有的研究表明：合理的U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引設(shè)置方案能夠降低22%的事故率；減少20%～30%，甚至60%的平均延誤；同時可以增加20%～50%的通行能力[11].但絕大多數(shù)研究僅考慮單個非傳統(tǒng)交叉口或者實施“禁左”的干道預(yù)設(shè)時間協(xié)調(diào)控制，忽略了交叉口群間的協(xié)調(diào)以及交通需求的不確定性問題.本文同時考慮這兩個問題，將U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引設(shè)計方案運(yùn)用于干線感應(yīng)協(xié)調(diào)控制中，以分析其適用性.

2數(shù)值算例

2.1算例路網(wǎng)數(shù)據(jù)

對如圖3所示的干道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算例分析.該干道具有3個交叉口，為雙向8車道，采用中央分隔帶隔離.在本文的研究中，U型港灣均設(shè)置于道路中段.針對左轉(zhuǎn)專用相位(以下簡稱方案1)與U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引(以下簡稱方案2)兩種設(shè)計方案，首先利用Synchro進(jìn)行單個交叉口信號配時方案優(yōu)化，然后運(yùn)用基于帶寬最大化的干線感應(yīng)協(xié)調(diào)魯棒配時方法計算最佳相位差，最后用Sim Traffic進(jìn)行仿真分析.各交叉口原始流量數(shù)據(jù)及實行“禁左”后引起的交通流轉(zhuǎn)移流量數(shù)據(jù)見圖3.

圖3　算例路網(wǎng)數(shù)據(jù)(單位：pcu/h)

2.2相位差計算

相位差是干線協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵參數(shù).對于感應(yīng)控制信號燈，由于存在“提前返綠”的問題，導(dǎo)致協(xié)調(diào)相位(本文中為東西直行相位)的綠燈起亮(結(jié)束)時刻不固定，因此合理地設(shè)置相位差就成為實施干線感應(yīng)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵所在.Husch等[12]優(yōu)化路網(wǎng)相位差是基于最小化或近似最小化延誤，同時其在進(jìn)行感應(yīng)控制配時優(yōu)化時，并未考慮交通需求的不確定性問題.與此不同，本文采用Zhang等[13]建立的基于最大化帶寬的干線感應(yīng)協(xié)調(diào)魯棒配時方法計算相位差.利用Synchro進(jìn)行單個信號交叉口配時優(yōu)化.對于方案1，協(xié)調(diào)相位均值分別為周期的51.1%，50%，45.6%；對于方案2，協(xié)調(diào)相位均值分別為周期的52.7%，54.5%，49%.考慮交通需求的不確定性，各相位的綠燈時長在不同周期內(nèi)可能不同，假設(shè)兩種方案中協(xié)調(diào)相位的紅燈時間服從獨(dú)立截斷正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)差均為周期的5%.置信度選擇0.90，場景數(shù)設(shè)置為500.利用通用數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)(GAMS)進(jìn)行求解[14]，計算結(jié)果見表1.

表1　相位差方案 　/s

*表內(nèi)所示相位差為相對相位差

3路網(wǎng)仿真分析

運(yùn)用Synchro軟件建立路網(wǎng)，并用Sim Traffic對2種方案分別進(jìn)行仿真，選取交叉口各進(jìn)口道平均延誤、95th排隊長度作為對比指標(biāo)進(jìn)行分析.仿真結(jié)果見表2～3.

表2表明,相比于方案1，方案2能夠顯著降低進(jìn)口道直行車輛的平均延誤.2種方案下，本文對進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車輛實行許可右轉(zhuǎn).在干道直行車輛綠燈期間，由于在感應(yīng)協(xié)調(diào)控制方式下，消散車輛是以車隊形式離開交叉口，上游來車又以車隊形式駛向下游，支路右轉(zhuǎn)車輛難以獲得理想?yún)R入間隙，勢必造成右轉(zhuǎn)車輛排隊和延誤.從仿真結(jié)果也可明顯看出，盡管干線車流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于支路車流量，但支路右轉(zhuǎn)車輛的平均延誤和95th排隊長度卻普遍大于干道右轉(zhuǎn)車輛.

表2　各交叉口進(jìn)口道平均延誤　s/pcu

表3　各交叉口進(jìn)口道95th排隊長度　/m

分析表3可知：方案2下，直行進(jìn)口道95th排隊長度顯著降低.由于干道左轉(zhuǎn)車輛被引流至右轉(zhuǎn)車道，使得主干道右轉(zhuǎn)進(jìn)口道95th排隊長度有所增加.值得注意是，Synchro輸出的排隊長度值可能比其他仿真軟件大，因為它包括了排隊清空期間的到達(dá)車輛.因此，實際排隊長度可能普遍小于表3的統(tǒng)計值.

盡管在方案2下，主干道進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車輛的平均延誤、排隊長度略有所增加，但是這種增加帶來的負(fù)面效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直行進(jìn)口道這兩項指標(biāo)降低帶來的社會效益.

對比2種方案下路網(wǎng)平均延誤、平均車速，可知方案2的各項指標(biāo)均優(yōu)于方案1.其中平均延誤減少77%，平均車速提高50%，整個路網(wǎng)性能指標(biāo)也降低了10.8%.在本文研究中，由于對U-turn港灣實行減速讓行控制方式，因此可能會增加路段U型轉(zhuǎn)彎車輛的停車次數(shù).從表4也可看出，方案2的平均停車次數(shù)要稍大于方案1.分析兩種方案下交叉口飽和度，結(jié)果顯示方案2下的交叉口具有更低的飽和度，說明交叉口具有更高的儲備通行能力，即提高了交叉口的通行能力.因此，在處理相同交通流量時，左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引方案下的交叉口服務(wù)水平可能會有較大的改善.飽和度對比見圖4.

表4　系統(tǒng)性能指標(biāo)比較

圖4　各交叉口飽和度比較

考慮到干道不同比例左轉(zhuǎn)車流量在2種設(shè)計方案下對交叉口平均延誤的不同影響，設(shè)置支路交通流量保持恒定，干道單向直行交通流量由1 500 pcu/h以100 pcu/h為步距增加至2 100 pcu/h，右轉(zhuǎn)車流量設(shè)定為恒定值300 pcu/h，左轉(zhuǎn)車流量分別為直行流量的10%,15%,20%3種情形.仿真結(jié)果見圖5(以交叉口1為例).

由圖5可見，方案1在3種比例下的平均延誤遠(yuǎn)大于方案2，幾乎均在2.5倍以上.且左轉(zhuǎn)車流比例越高，兩種方案的延誤比值越大.同時，隨著左轉(zhuǎn)車流量的增加，方案1的平均延誤增加地更明顯，即對左轉(zhuǎn)車流量變化更敏感，尤其是當(dāng)流量增加到1 900 pcu/h以后.因此就駕駛員感知的延誤而言，駕駛員顯然更容易接受U型左轉(zhuǎn)設(shè)計方案.當(dāng)然，隨著左轉(zhuǎn)車流量的增加，對干道直行車輛的干擾越大，使得行駛速度不穩(wěn)定，這可能會降低協(xié)調(diào)控制的效率，即使得獲得的實際帶寬減少.

圖5　不同左轉(zhuǎn)車流量下的交叉口平均延誤比值

4結(jié)束語

本文考慮交叉口交通需求的不確定性問題，以感應(yīng)協(xié)調(diào)控制干道為研究主體，分析了干道左轉(zhuǎn)交通流在左轉(zhuǎn)專用相位和U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引兩種控制方式下的運(yùn)行效果.針對本文算例而言，研究結(jié)果表明：U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引能夠明顯降低交叉口進(jìn)口道平均延誤和95th排隊長度，提高交叉口通行能力，各系統(tǒng)評價指標(biāo)均有所改善，且其對左轉(zhuǎn)流量變化帶來的延誤變化并不是很敏感，駕駛員也更愿意接受.因此，根據(jù)合適的地理、交通條件將U型左轉(zhuǎn)遠(yuǎn)引應(yīng)用于干線感應(yīng)協(xié)調(diào)控制中是可行的.

本文研究中的U型港灣均設(shè)置于路段中部，今后將在本文研究基礎(chǔ)上考慮U型港灣最佳選址位置，以利于車輛的通行安全及提高通行效率.

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中圖法分類號：U491.4

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.015

收稿日期：2014-11-19

Applicationof Median U-Turn Crossover on
Coordinated Actuated Controlled Arterials

ZHANG LihuiTANG Xiaojun

(SchoolofTransportationandLogistics,

DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)

Abstract：Concerned uncertainty of traffic volume of intersection，regarded coordinated actuated controlled arterials as the research objective, the paper analyzed the operational effects of exclusive left-turn and U-turn for left-turn flow at intersections along an arterial.Synchro was used to optimize signal timing plans for each intersection, then robust coordination timing method for arterial applied to calculate the optimal offsets. Sim traffic was applied to conduct simulation, the last results show that: U-turn can reduce average delay and 95thqueue length of approaches significantly as well as improve the level of service of intersections, average speed and reduce average delay of whole network. By analyzing the effects of left turns with different ratios on average delay, it was conclude that U-turn is not very sensitive to the changed delay caused by different ratios of left turns.

Key words：traffic engineering; U-turn; actuated coordination; robust timing; micro-simulation