米榮偉，王文強(qiáng)，趙 琴，盛玉剛

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

1 研究目的及意義

對(duì)于城市道路來(lái)說(shuō)，交叉口是各類(lèi)交通流的集散地，是道路交通的關(guān)鍵[2]。尤其是平面交叉口，占城市交叉口的比例相對(duì)較大，對(duì)城市道路至關(guān)重要。隨著我國(guó)汽車(chē)保有量再創(chuàng)歷史新高，交叉口的交通狀況越來(lái)越差，而左轉(zhuǎn)車(chē)輛中大型車(chē)輛又是交叉口交通管理的重點(diǎn)，在左轉(zhuǎn)車(chē)輛中大型車(chē)輛所占比例對(duì)交叉口的通行效率影響較大。目前，大部分交叉口的車(chē)道組合方式仍然是左直右，只有少數(shù)地區(qū)為了優(yōu)化交叉口服務(wù)水平，將交叉口的車(chē)道組合方式改為直左右等一系列的渠化方式，但是左轉(zhuǎn)車(chē)道的位置卻不能夠輕易改變，改變左轉(zhuǎn)車(chē)道的位置可以增加大型車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑，減少交通事故的發(fā)生[3]。本次研究的主要目的是改變車(chē)道水平位置對(duì)交叉口的安全性、通行能力的影響，以及在不同交通負(fù)荷和大型車(chē)比例下對(duì)交叉口通行效率的影響，并給出適合改變車(chē)道位置的情況。

2 交叉口的數(shù)據(jù)調(diào)查

為保證實(shí)驗(yàn)精度，采用人工計(jì)數(shù)法進(jìn)行交通量調(diào)查，用雷達(dá)測(cè)速儀觀測(cè)交叉口駛?cè)胲?chē)速，用錄像確定轉(zhuǎn)彎軌跡與沖突區(qū)域。調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 交叉口交通調(diào)查數(shù)據(jù)

注：小型客車(chē)速度分布為20～35 km/h，大客車(chē)速度分布為20～30 km/h

3 車(chē)道改變后交叉口整體通行能力分析

3.1 現(xiàn)有通行能力模型

本次研究選用4種交叉口計(jì)算通行能力的方法，分別為HCM2000、HCS軟件計(jì)算、城市道路規(guī)范法、轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)通行能力的影響法。

3.1.1 美國(guó)HCM2000模型

建立在現(xiàn)有規(guī)劃的信號(hào)配時(shí)方案基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)基本飽和流率進(jìn)行折減最終得到飽和流率，飽和流率乘以g/c，得到一個(gè)車(chē)道組的通行能力。

3.1.2 HCS軟件

與HCM理論相同，輸入每個(gè)車(chē)道的車(chē)流量、信號(hào)燈的配時(shí)方案、車(chē)道寬度及大型車(chē)比例等，軟件就會(huì)自動(dòng)得出每個(gè)車(chē)道組的通行能力。

3.1.3 城市道路規(guī)范法

采用《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]計(jì)算設(shè)計(jì)通行能力

(1)

3.1.4 轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)通行能力的影響法

通過(guò)查閱文獻(xiàn)得到轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)左轉(zhuǎn)通行能力的影響模型[5]，該模型假設(shè)車(chē)頭時(shí)距服從正態(tài)分布，從而得到由μ值作為代表的飽和車(chē)頭時(shí)距，并計(jì)算出此時(shí)的飽和流率。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)擬合，得到飽和流率關(guān)于車(chē)道寬度、轉(zhuǎn)彎半徑的近似函數(shù)，即

y=1 580×[1+0.031(W-3)+

0.005 6(R-30)]

2.8≤W≤4，20≤R≤48.

(2)

式中：y為飽和流量，pcu/h；W為車(chē)道寬度，m；R為車(chē)道半徑，m。

3.1.5 估算通行能力計(jì)算

由實(shí)際調(diào)查的信號(hào)配時(shí)，對(duì)不同大型車(chē)比例的車(chē)頭時(shí)距表采用差值法計(jì)算出飽和車(chē)頭時(shí)距ht，利用式(3)可估算出交叉口的通行能力，其值和實(shí)際值較為接近

C=3 600(G/C1)/ht.

(3)

式中：ht為對(duì)應(yīng)飽和車(chē)頭時(shí)距；G為對(duì)應(yīng)車(chē)道綠燈時(shí)間；C1為信號(hào)燈周期時(shí)長(zhǎng)。

3.2 改變車(chē)道后整體通行能力對(duì)比分析

在現(xiàn)有交通條件下，進(jìn)行交叉口左轉(zhuǎn)車(chē)道位置變換，由原始的“左直右”布局調(diào)整為“直左右”布局(見(jiàn)圖1)。將上述4種模型的計(jì)算值與估算通行能力值進(jìn)行匯總，如表2所示。

表2 現(xiàn)有左轉(zhuǎn)車(chē)道通行能力計(jì)算 pcu·h-1

圖1 左轉(zhuǎn)彎車(chē)道位置調(diào)整示意圖

從表2數(shù)據(jù)可以看出，由于HCM和HCS的這兩種模型計(jì)算均建立在“左直右”車(chē)道布局的基礎(chǔ)上，而改變車(chē)道位置前后右轉(zhuǎn)車(chē)道位置沒(méi)有發(fā)生顯著變化，所以在HCM計(jì)算過(guò)程中折減系數(shù)未發(fā)生改變，在計(jì)算直行車(chē)道的通行能力時(shí)尚未加入車(chē)道位置的折減系數(shù)，因此，HCM模型可以近似計(jì)算直行和右轉(zhuǎn)車(chē)道的通行能力。

城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算值偏小，這是因?yàn)樵摲椒ǖ挠?jì)算結(jié)果為設(shè)計(jì)通行能力，還應(yīng)除以V/C值才能得到實(shí)際通行能力值。因此，本研究不采用該方法。

轉(zhuǎn)彎半徑影響法的計(jì)算值與HCS值、估算通行能力值相差不大，且該方法考慮到轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)通行能力的影響[6]，因此，采用該方法計(jì)算左轉(zhuǎn)通行能力。

用HCM法計(jì)算直行和右轉(zhuǎn)車(chē)道的通行能力，用轉(zhuǎn)彎半徑影響法計(jì)算左轉(zhuǎn)車(chē)道的通行能力，將改變車(chē)道布局前后的交叉口通行能力計(jì)算值制成如圖2所示的狀態(tài)。

由圖2可得，車(chē)道改變前后的通行能力沒(méi)有降低也沒(méi)有顯著提升(整體提高0.4%，左轉(zhuǎn)車(chē)道提高了4%)，改變車(chē)道組合方式以后左轉(zhuǎn)車(chē)道不能設(shè)置較為有效的左轉(zhuǎn)待行區(qū)，會(huì)對(duì)小型車(chē)輛的通行能力有小幅度的降低，但左轉(zhuǎn)待行區(qū)的設(shè)置對(duì)大型車(chē)輛的通行能力影響不是很顯著。綜上所述，改變車(chē)道后不會(huì)影響車(chē)道的通行能力。

圖2 車(chē)道改變前后通行能力分析

4 車(chē)道改變后交叉口通行效率分析

目前，影響交叉口通行效率的指標(biāo)主要有延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度和飽和度。本次研究采用延誤作為判斷車(chē)道改變前后的交通效率主要指標(biāo)，在平面信號(hào)交叉口中，影響延誤的因素較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，選用左轉(zhuǎn)比例、大型車(chē)比例、交通負(fù)荷作為本次研究的主要變量，并利用Vissim仿真軟件來(lái)觀察改變車(chē)道前后的交叉口延誤變化情況。

4.1 仿真準(zhǔn)備

對(duì)車(chē)道改變前后的交叉口做出以下假設(shè)條件[7]：該交叉口為獨(dú)立交叉口，不受相鄰交叉口的影響；交叉口僅用于機(jī)動(dòng)車(chē)通行，忽略行人與非機(jī)動(dòng)車(chē)的影響；駕駛?cè)司鶠槔碇邱{駛?cè)耍覚C(jī)動(dòng)車(chē)性能相近；對(duì)改變前后的信號(hào)配時(shí)不做調(diào)整，并選用如圖3所示的信號(hào)配時(shí)[8]。

圖3 交叉口信號(hào)配時(shí)

仿真過(guò)程如圖4、圖5所示，選用Vissim默認(rèn)公交車(chē)模型，其速度分布為20～30 km/h，選用Vissim默認(rèn)小汽車(chē)模型，其速度分布為20～35 km/h。選用節(jié)點(diǎn)，并選擇排隊(duì)長(zhǎng)度、平均延誤時(shí)間、污染排放等參數(shù)作為輸出數(shù)據(jù)。

圖4 改變車(chē)道前

圖5 改變車(chē)道后

由于存在4個(gè)進(jìn)口方向，為突出研究重點(diǎn)，以實(shí)測(cè)流量換算后的標(biāo)準(zhǔn)小客車(chē)(PCU)作為輸入車(chē)輛，對(duì)改變車(chē)道前進(jìn)行初次仿真運(yùn)行，得到各進(jìn)口道延誤時(shí)間，如圖6所示。

由圖6可知，東左轉(zhuǎn)的延誤最高，可達(dá)到平均66.08 s/輛。因此，選用東進(jìn)口作為研究的主要進(jìn)口，其他進(jìn)口方向的研究與此相同。

同時(shí)，在多次仿真模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分別以實(shí)際車(chē)輛數(shù)、PCU車(chē)輛數(shù)作為輸入車(chē)輛來(lái)研究左轉(zhuǎn)比例及大型車(chē)比例帶來(lái)的影響時(shí)，改變車(chē)道前后的延誤差值很小，而當(dāng)輸入車(chē)輛達(dá)到校正流率(校正流率=PCU/PHF)時(shí)，延誤差值有明顯變化。所以，在研究左轉(zhuǎn)比例和大型車(chē)比例的影響時(shí)，選用校正流率作為輸入車(chē)輛數(shù)。

4.2 左轉(zhuǎn)比例對(duì)改變車(chē)道前后交叉口延誤的影響

一般而言，左轉(zhuǎn)的車(chē)輛數(shù)會(huì)對(duì)整個(gè)交叉口的延誤有較大影響，本次研究通過(guò)上述的假設(shè)條件，采用控制變量的方法對(duì)左轉(zhuǎn)比例進(jìn)行研究，進(jìn)口延誤差值按式(4)計(jì)算[9]。

采用校正流率作為輸入車(chē)輛，控制大型車(chē)比例及輸入車(chē)輛總數(shù)不變，左轉(zhuǎn)比例按照10%的遞增速度，從0%增加到100%。記錄每次仿真運(yùn)行得到數(shù)據(jù)，并計(jì)算各進(jìn)口延誤的差值(見(jiàn)圖7)，計(jì)算式為

Δ=t1-t2.

(4)

式中:Δ為各進(jìn)口延誤差值；t1為未改變車(chē)道各進(jìn)口車(chē)道的延誤；t2為改變車(chē)道后各進(jìn)口車(chē)道的延誤。

由圖7可知，在校正流率不變的情況下，左轉(zhuǎn)車(chē)輛比例對(duì)改變車(chē)道前后的延誤沒(méi)有影響。

圖6 各進(jìn)口道車(chē)道延誤

圖7 校正流率下各進(jìn)口道延誤差值

4.3 交通負(fù)荷與大型車(chē)比例對(duì)改變車(chē)道前后交叉口延誤的影響

大型車(chē)由于啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、轉(zhuǎn)彎半徑大，對(duì)整個(gè)左轉(zhuǎn)交通具有重要影響。采用校正流率作為輸入車(chē)輛，控制東進(jìn)口總的車(chē)輛數(shù)以及直行、右轉(zhuǎn)的比例不變，左轉(zhuǎn)比例以1%的增長(zhǎng)速度從0%增加到100%，記錄每次的仿真數(shù)據(jù)，并計(jì)算每次的延誤差值(見(jiàn)圖8)[10]。

圖8 延誤差值

由圖8可知，當(dāng)東左轉(zhuǎn)大型車(chē)比例為0%～38%時(shí)，東左轉(zhuǎn)的延誤減少值在-1 s附近變化；當(dāng)大型車(chē)比例達(dá)39%～60%時(shí)，東左轉(zhuǎn)的延誤有明顯降低，并在4 s附近波動(dòng)變化，以后的變化也相似。

當(dāng)?shù)竭_(dá)交叉口的車(chē)輛數(shù)為校正流率，東左轉(zhuǎn)的大型車(chē)比例達(dá)到39%～60%時(shí)，改變車(chē)道后東左轉(zhuǎn)的平均延誤減少了4.1 s，其余情況如表3所示。

表3 不同大型車(chē)比例下左轉(zhuǎn)延誤減少值

由表3可得，在該交叉口中，當(dāng)?shù)竭_(dá)車(chē)輛數(shù)為校正流率，東進(jìn)口左轉(zhuǎn)的大型車(chē)比例達(dá)到39%以上時(shí)，推薦使用改變后的車(chē)道，左轉(zhuǎn)平均延誤有明顯減少。

交通負(fù)荷對(duì)改變車(chē)道前后交叉口延誤有較大影響，為明確說(shuō)明交通負(fù)荷的程度，本次研究定義參數(shù)X，X為單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)交叉口的實(shí)際車(chē)輛數(shù)與通行能力的比值，并選用該參數(shù)X作為衡量交通負(fù)荷程度的指標(biāo)。

由圖9可知，當(dāng)X值較小(X≤0.5)時(shí)，改變車(chē)道后，交叉口的延誤改變不多，部分進(jìn)口延誤有所增加。當(dāng)X=0.6，且東左轉(zhuǎn)大型車(chē)比例在0%～50%時(shí)，各車(chē)道的延誤均有所減少，但減少的不明顯。當(dāng)X>0.6，東左轉(zhuǎn)大型車(chē)比例>15%時(shí)，東左轉(zhuǎn)延誤有較為明顯的降低；特別是當(dāng)X為0.7、0.9、1.0時(shí)，東左轉(zhuǎn)延誤降低更為明顯。

圖9 不同進(jìn)口道參數(shù)下隨大型車(chē)比例變化的進(jìn)口道延誤變化值

綜上所述，當(dāng)X≥0.6，東左轉(zhuǎn)大型車(chē)比例大于15%時(shí)，推薦改變左轉(zhuǎn)車(chē)道位置，此時(shí)東左轉(zhuǎn)延誤有較大減少。

5 改變車(chē)道布局后交叉口安全性分析

本次采用沖突點(diǎn)與車(chē)輛間的沖突夾角作為評(píng)價(jià)交叉口安全的指標(biāo)[11]。交叉口左轉(zhuǎn)車(chē)輛和右轉(zhuǎn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑各不相同，右轉(zhuǎn)車(chē)輛的行車(chē)路徑近似分為起始直線、起始ES曲線、圓形曲線、終止ES曲線、終止直線5個(gè)部分[12]，左轉(zhuǎn)車(chē)輛的行車(chē)軌跡近似為三次拋物線[13]。在此次研究中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將轉(zhuǎn)彎車(chē)輛的行駛軌跡視為圓弧，用作圖法求解車(chē)輛間的沖突夾角。

在信號(hào)周期的合理控制下，同一時(shí)間段內(nèi)改變車(chē)道前后沖突點(diǎn)的個(gè)數(shù)均為4個(gè)，所以在信號(hào)交叉口改變車(chē)道前后沖突點(diǎn)個(gè)數(shù)不會(huì)發(fā)生顯著變化。由于我國(guó)信號(hào)燈從紅燈到綠燈中間設(shè)置了3 s時(shí)長(zhǎng)的黃燈，這樣有利于消除由于搶燈在同一個(gè)方向駛?cè)虢徊婵诟鞣N車(chē)輛的沖突點(diǎn)個(gè)數(shù)。總而言之，在同一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)改變車(chē)道組合方式不會(huì)對(duì)沖突點(diǎn)個(gè)數(shù)產(chǎn)生顯著影響[14]。

圖10 交叉口行駛軌跡簡(jiǎn)化圖

在信號(hào)燈控制的情況下，各方向的轉(zhuǎn)彎半徑前面已經(jīng)得出，用此轉(zhuǎn)彎半徑作兩個(gè)相交的圓，如圖10所示，AE、BE分別是用北左轉(zhuǎn)與南右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑所作的圓弧，它們交于沖突點(diǎn)E。DF為東右轉(zhuǎn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑，南直行車(chē)輛的行駛軌跡簡(jiǎn)化為一條直線CD，它們交于沖突點(diǎn)D，通過(guò)對(duì)交叉口視頻的分析，結(jié)合車(chē)輛的長(zhǎng)度與寬度，本次研究取離D、E兩點(diǎn)8 m的地方作為兩個(gè)方向車(chē)輛真正發(fā)生沖突的地點(diǎn)，將D、E兩點(diǎn)向后移動(dòng)8 m，與圓弧相交，在此交點(diǎn)做圓弧的切線，分別得到切線1、2、3，則切線1、2的夾角就是北左轉(zhuǎn)與南右轉(zhuǎn)車(chē)輛的沖突角，切線3與CD的夾角就是南直行與東右轉(zhuǎn)車(chē)輛的沖突角。由此就可以得到各個(gè)方向的沖突角，最終結(jié)果如表4所示。

表4 交叉口沖突分析

由表4可以得出在左轉(zhuǎn)車(chē)道改變前后，交叉口的安全水平并沒(méi)有降低，反而有一定提升。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上研究可得出以下結(jié)論：改變車(chē)道位置不會(huì)降低交叉口的安全性、通行能力；交叉口進(jìn)口左轉(zhuǎn)車(chē)輛比例對(duì)改變車(chē)道位置前后的延誤沒(méi)有影響；當(dāng)?shù)竭_(dá)車(chē)輛達(dá)到交叉口通行能力的60%以上，且左轉(zhuǎn)大型車(chē)比例大于15%時(shí)，在相同信號(hào)周期的控制下，改變車(chē)道位置對(duì)延誤值有明顯降低。與之相對(duì)，通過(guò)改變信號(hào)配比來(lái)調(diào)控交叉口的延誤可以節(jié)約部分人力、物力及時(shí)間，有利于發(fā)揮交叉口的最大潛能[15]；在大型車(chē)較多的工廠、碼頭、旅游客運(yùn)中心集散地等地區(qū)附近的交叉口可以考慮改變車(chē)道位置，以此增大左轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑并降低延誤。以上延誤結(jié)論由Vissim仿真所得，和實(shí)際情況存在一定的偏差，有待進(jìn)一步論證。