曲昭偉，奇興族，陳永恒，陶楚青，白喬文，劉芳宏

(吉林大學(xué)交通學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

0 引言

隨著城市交通擁堵日益嚴(yán)重，常規(guī)交叉口設(shè)計(jì)逐漸無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，尤其是對(duì)于展寬受限的交叉口.因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究非常規(guī)交叉口設(shè)計(jì)來(lái)提高信號(hào)交叉口的通行能力，其中包括Hummer等[1]模擬分析了U型回轉(zhuǎn)交叉口、蝴蝶結(jié)型交叉口設(shè)置的利弊與適用條件；Reid等[2]提出了扇形交叉口的設(shè)計(jì)方法及通行規(guī)則，并與傳統(tǒng)交叉口進(jìn)行了對(duì)比，得出可有效降低交叉口的停車延誤和行程時(shí)間的結(jié)論；Jagannathan等[3]提出了移位左轉(zhuǎn)的交叉口設(shè)計(jì)，并通過(guò)VISSIM仿真驗(yàn)證了移位左轉(zhuǎn)可顯著降低交叉口的平均延誤；Zhao等[4]對(duì)設(shè)置逆向可變車道的交叉口潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析和檢驗(yàn)，但缺乏對(duì)逆向可變車道車流與左轉(zhuǎn)專用車道車流在交叉口發(fā)生沖突的安全評(píng)價(jià)，并且缺少對(duì)預(yù)信號(hào)發(fā)生違規(guī)侵占后產(chǎn)生的影響分析.

逆向可變車道作為一種新型交叉口的通行方式，在進(jìn)口道上游的中央分隔帶設(shè)置開(kāi)口，使左轉(zhuǎn)車輛在左轉(zhuǎn)相位期間駛?cè)雽?duì)向車道完成左轉(zhuǎn)，其設(shè)置方式如圖1所示.逆向可變車道的正常運(yùn)行需要主信號(hào)和預(yù)信號(hào)相互協(xié)調(diào)，信號(hào)配時(shí)如圖2所示.其中，預(yù)信號(hào)的左轉(zhuǎn)相位應(yīng)在相交方向的左轉(zhuǎn)相位結(jié)束后幾秒啟亮，目的是為了防止本向左轉(zhuǎn)車輛與對(duì)向車輛發(fā)生沖突.并且，預(yù)信號(hào)的左轉(zhuǎn)綠燈應(yīng)先于主信號(hào)的左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束，目的是為了防止左轉(zhuǎn)車輛滯留在逆向可變車道內(nèi).

圖1 逆向可變車道幾何特征Fig.1 Geometric characteristics of the reversing variable lane

圖2 逆向可變車道交叉口相位相序Fig.2 Signal control of the reversing variable lane

1 預(yù)信號(hào)紅燈違規(guī)影響分析

但是，將對(duì)向車道作為左轉(zhuǎn)進(jìn)口道有悖于駕駛員的駕駛習(xí)慣，許多駕駛員容易忽視預(yù)信號(hào)的存在從而導(dǎo)致在紅燈期間駛錯(cuò)車道，引發(fā)安全隱患.并且，使用對(duì)向車道作為左轉(zhuǎn)車道會(huì)使交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)車流的轉(zhuǎn)彎半徑和車速降低，在交叉口出口處易受到左轉(zhuǎn)專用車道的車流干擾，從而增大了左轉(zhuǎn)車流的平均延誤.

綜上所述，本文對(duì)逆向可變車道產(chǎn)生紅燈違規(guī)的比例進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并分析預(yù)信號(hào)紅燈違規(guī)后對(duì)向車流的行駛車速與行駛軌跡的變化；分析設(shè)置逆向可變車道后兩股左轉(zhuǎn)車流的釋放特性及在交叉口出口處產(chǎn)生的沖突程度，采用實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)給出設(shè)置逆向可變車道的影響程度，并與常規(guī)雙左轉(zhuǎn)車道進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).

1.1 紅燈違規(guī)

逆向可變車道由中央分隔帶開(kāi)口處的預(yù)信號(hào)和交叉口的主信號(hào)控制，因此，紅燈違規(guī)行為根據(jù)發(fā)生地點(diǎn)的不同可分為3類.如圖3所示，第1類為發(fā)生在預(yù)信號(hào)前的紅燈違規(guī)，第2類為發(fā)生在逆向可變車道停車線前的紅燈違規(guī)，第3類為常規(guī)進(jìn)口道停車線的紅燈違規(guī).

對(duì)于第1類紅燈違規(guī)，預(yù)信號(hào)控制著逆向可變車道的屬性，在不同相位期間使逆向可變車道作為出口道或是左轉(zhuǎn)車道使用，然而，駕駛員可能會(huì)忽視預(yù)信號(hào)從而發(fā)生紅燈違規(guī)行為；對(duì)于第2類，左轉(zhuǎn)車輛在預(yù)信號(hào)綠燈期間駛?cè)肽嫦蚩勺冘嚨篮?，認(rèn)為可以不再受信號(hào)控制隨意的通過(guò)逆向可變車道的停車線，進(jìn)而發(fā)生紅燈違規(guī)行為；第3類則為常規(guī)紅燈違規(guī)行為.本文將第3類作為對(duì)照組，分析設(shè)置逆向可變車道后是否會(huì)導(dǎo)致紅燈違規(guī)比例增加.

調(diào)查地點(diǎn)為濟(jì)南市經(jīng)十路—舜耕路交叉口，分別統(tǒng)計(jì)紅燈期間南北進(jìn)口道3類紅燈違規(guī)行為每周期發(fā)生的次數(shù)，使用逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車輛數(shù)及比例如表1所示，其中逆向可變車道的使用率均低于左轉(zhuǎn)專用車道，這是由于預(yù)信號(hào)的控制方式為先于左轉(zhuǎn)主信號(hào)相位變紅，其目的是為了避免車輛發(fā)生沖突.

圖3 紅燈違規(guī)類型Fig.3 Red-light violation types

由表2可得，被調(diào)查交叉口類型1的紅燈違規(guī)比例明顯高于類型2和類型3，原假設(shè)為發(fā)生類型1與類型3的紅燈違規(guī)比例相同，取顯著性水平α=0.05，檢驗(yàn)結(jié)果顯示類型1與類型3的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)，即逆向可變車道的設(shè)置會(huì)增大預(yù)信號(hào)前的紅燈違規(guī)比例.類型2與類型3的原假設(shè)為發(fā)生類型1與類型3的紅燈違規(guī)比例相同，取顯著性水平α=0.05，檢驗(yàn)結(jié)果顯示類型2與類型3之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＞0.05)，即逆向可變車道的設(shè)置不會(huì)增大主信號(hào)紅燈違規(guī)比例.

表1 被調(diào)查交叉口及左轉(zhuǎn)車輛數(shù)Table 1 Number of measured left-turn vehicles at the surveyed intersections

表2 各類型紅燈違規(guī)卡方檢驗(yàn)Table 2 Chi-Square test of red-light violations

1.2 違規(guī)侵占對(duì)向車道

由于在紅燈期間存在調(diào)頭車輛和左轉(zhuǎn)車輛車頭違規(guī)侵入對(duì)向車道的行為，因此，在逆向可變車道內(nèi)的對(duì)向車輛會(huì)受預(yù)信號(hào)前違規(guī)車輛的影響，行駛軌跡及行駛速度發(fā)生明顯變化.如圖4所示，在預(yù)信號(hào)發(fā)生紅燈違規(guī)后，行駛在逆向可變車道內(nèi)的對(duì)向車輛會(huì)避讓開(kāi)口處的左轉(zhuǎn)或調(diào)頭車輛，從而導(dǎo)致3條出口車道僅行駛2條車流，對(duì)出口道車輛造成延誤.

圖4 對(duì)向車輛行駛軌跡發(fā)生變化Fig.4 Changes to the trajectory of the opposite vehicle

根據(jù)以上對(duì)出口道對(duì)向車輛行駛變化的分析，將設(shè)置預(yù)信號(hào)后逆向可變車道內(nèi)對(duì)向車輛的行駛速度設(shè)為組1，將未設(shè)置預(yù)信號(hào)的常規(guī)出口道車輛的行駛車速設(shè)為組2.組1樣本數(shù)據(jù)獲取地點(diǎn)為經(jīng)十路—舜耕路交叉口北出口道，組2期望數(shù)據(jù)獲取地點(diǎn)為經(jīng)十路—緯一路南出口道，對(duì)這2組行駛車速進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，原假設(shè)為組1與組2的行駛速度無(wú)差異，取顯著性水平α=0.05，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，組1與組2的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p＜0.05)，即設(shè)置逆向可變車道后組1的行駛速度明顯低于正常的行駛速度.

從表3可得設(shè)置預(yù)信號(hào)后出口道車輛的行駛速度低于未設(shè)置預(yù)信號(hào)的同等級(jí)常規(guī)出口道車輛行駛速度的15.31%，卡方檢驗(yàn)也表明這2組行駛速度的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.此外，組1的峰態(tài)系數(shù)高于組2，表明設(shè)置逆向可變車道后的最內(nèi)側(cè)出口道車輛的行駛速度變化較大.因此，在設(shè)置逆向可變車道前應(yīng)給出逆向可變車道作為出口車道時(shí)的限速提示，同時(shí)對(duì)紅燈期間侵占對(duì)向車道的左轉(zhuǎn)輛進(jìn)行警告和懲罰措施，提高出口道車輛行駛的安全性.

表3 行駛速度卡方檢驗(yàn)Table 3 Chi-Square test for the travel speed

2 交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)車流車頭時(shí)距特性分析

通過(guò)預(yù)信號(hào)進(jìn)入逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車流在主信號(hào)綠燈期間與左轉(zhuǎn)專用車道的左轉(zhuǎn)車流同時(shí)駛?cè)虢徊婵?，為了分?股車流在交叉口內(nèi)部相互干擾程度，本文通過(guò)視頻觀察及人工統(tǒng)計(jì)來(lái)收集逆向可變車道和左轉(zhuǎn)專用車道的車流在釋放過(guò)程中3個(gè)位置點(diǎn)(即觀測(cè)點(diǎn)A、觀測(cè)點(diǎn)B和觀測(cè)點(diǎn)C)的車頭時(shí)距，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法來(lái)描述逆向可變車道在交叉口的釋放情況，具體觀測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示.

本文的樣本收集點(diǎn)在濟(jì)南市舜耕路—經(jīng)十路交叉口，該交叉口為典型的逆向可變車道交叉口，其4個(gè)出口道均設(shè)置了1條逆向可變車道，視頻采集了3個(gè)工作日7:30-9:30高峰期間的隨機(jī)樣本.

通過(guò)剔除收集到的不合理的數(shù)據(jù)，包括受上一相位滯留車輛的影響、車輛違規(guī)行駛的影響和釋放末期非飽和數(shù)據(jù)等，以交叉口每周期時(shí)長(zhǎng)為1個(gè)時(shí)距，建立車頭時(shí)距與觀測(cè)點(diǎn)位置和觀測(cè)車輛的關(guān)系圖，如圖6所示，其中逆向可變車道與左轉(zhuǎn)專用車道釋放的左轉(zhuǎn)車流在出口點(diǎn)的平均車頭時(shí)距均大于入口點(diǎn).

逆向可變車道與左轉(zhuǎn)專用車道在3個(gè)位置點(diǎn)的飽和流率與平均車頭時(shí)距之間的關(guān)系如圖7所示.從逆向可變車道與左轉(zhuǎn)專用車道的獨(dú)立分析角度看，逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車輛在3個(gè)位置的飽和流率呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)；而左轉(zhuǎn)專用車道的飽和流率在中間位置為最大值.此外，逆向可變車道與左轉(zhuǎn)專用車道在出口位置的飽和流率均為3個(gè)位置點(diǎn)的最小值.由此可以得出兩股左轉(zhuǎn)車流在出口處存在相互干擾的現(xiàn)象，并且逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車流受干擾程度較大.

圖5 車頭時(shí)距采集點(diǎn)Fig.5 Headway collection location

圖6 各采集點(diǎn)平均車頭時(shí)距變化趨勢(shì)Fig.6 Average headway trends of each collection location

圖7 平均車頭時(shí)距及飽和流率變化趨勢(shì)圖Fig.7 Average headway trends and saturation flow rate of each collection location

3 交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)車流釋放軌跡特性分析

為了能夠有效地反映交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)車流的軌跡狀況，本文選取濟(jì)南市舜耕路—經(jīng)十路交叉口的南進(jìn)口道進(jìn)行高空拍攝，并使用Track Pro軟件提取車輛的時(shí)空軌跡.最終提取了115組逆向可變車道車流與108組左轉(zhuǎn)專用車道車流在出、入口位置及空間軌跡的隨機(jī)樣本數(shù)據(jù).

由于交叉口內(nèi)左轉(zhuǎn)車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡在入口處的導(dǎo)數(shù)接近無(wú)窮大，在出口處的導(dǎo)數(shù)趨近于零，因此，本文分別通過(guò)指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)對(duì)車輛軌跡進(jìn)行擬合，3種函數(shù)的表示形式為

式中：a、b、c、d、m、n、k、p、q和r為以上3種函數(shù)的參數(shù)值.

表4給出了3種函數(shù)的擬合結(jié)果，指數(shù)函數(shù)的R2均值明顯大于二次函數(shù)與冪函數(shù)，表明指數(shù)函數(shù)的擬合效果最優(yōu)，因此本文利用指數(shù)函數(shù)擬合左轉(zhuǎn)車流在交叉口的空間軌跡圖[5]，并給出了出入口左轉(zhuǎn)車輛的位置分布圖，如圖8所示.

表4 左轉(zhuǎn)軌跡擬合結(jié)果Table 4 Result of fitting for left-turning trajectory

圖8 出入口車輛位置分布及空間軌跡圖Fig.8 Entrance and exit of the vehicle location distribution and space trajectory

由圖8可得，逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車流在駛出交叉口時(shí)選擇最內(nèi)側(cè)的出口車道的概率為91%，而左轉(zhuǎn)專用車道的左轉(zhuǎn)車流駛出交叉口時(shí)選擇最內(nèi)側(cè)的出口車道的概率為17%，因此，每周期約有1/5的左轉(zhuǎn)專用車道的車流與逆向可變車道的車流發(fā)生沖突.并且，由于逆向可變車道的車流轉(zhuǎn)彎半徑小于左轉(zhuǎn)專用車道的車流，所以在釋放過(guò)程中車速低于左轉(zhuǎn)專用車道的車流，在出口處發(fā)生減速甚至停車避讓左轉(zhuǎn)專用車道的車流，對(duì)逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車流造成較大的延誤.

4 左轉(zhuǎn)車流釋放過(guò)程安全評(píng)價(jià)

4.1 PET沖突區(qū)域確定

由于逆向可變車道與左轉(zhuǎn)專用車道的2股車流行駛到出口處會(huì)發(fā)生較多的沖突和延誤，因此，本文采用PET(后侵入時(shí)間)[6]來(lái)描述2股車流產(chǎn)生沖突的嚴(yán)重情況，PET沖突區(qū)域由現(xiàn)場(chǎng)觀察及空間軌跡圖確定，由于左轉(zhuǎn)車流在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中不斷調(diào)整軌跡，沖突車輛之間的潛在碰撞位置并不是固定點(diǎn).為了準(zhǔn)確估計(jì)沖突車輛的PET值，選擇圖9所示的區(qū)域?yàn)?股車流的沖突區(qū)域，首先確定車流產(chǎn)生沖突的位置(初始時(shí)刻t0)，然后記錄侵占車輛(即灰色車輛)離開(kāi)沖突點(diǎn)的時(shí)間(t1)和跟隨車輛(即黑色車輛)到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間(t2)，最后計(jì)算t2與t1的差值作為車輛之間匯合沖突的PET值，這個(gè)過(guò)程如圖9所示.

4.2 PET分布值檢驗(yàn)

通過(guò)視頻收集了經(jīng)十路—舜耕路交叉口349個(gè)匯合沖突的PET隨機(jī)樣本數(shù)據(jù)，最大的PET值為5.2 s，最小的PET值為0.6 s.圖10給出了PET值直方圖(左側(cè))和累計(jì)分布曲線(右側(cè)).結(jié)果表明，所有PET值均在最大PET閾值(5.5 s)以下，證實(shí)了信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)車流PET閾值的有效性[7].對(duì)于逆向可變車道在出口處沖突的嚴(yán)重程度，由圖10的累計(jì)分布曲線可得，在大約為23%的曲線百分比處出現(xiàn)第1次拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的PET值為1.5，因此，這個(gè)PET值作為嚴(yán)重沖突的臨界點(diǎn)，即PET＜1.5 s為嚴(yán)重沖突范圍.其余的分類與Souleyrette[7]的類似，將剩余的PET范圍按40%平均分布為輕度沖突和潛在沖突的范圍，最終給出了逆向可變車道與左轉(zhuǎn)專用車道的車流在交叉口出口處的PET值分布表，如表5和表6所示.

圖9 逆向可變車道的PET值區(qū)域確定Fig.9 Estimation of the PET values for the conflicted merging vehicles at RVL

圖10 PET直方圖與累計(jì)分布曲線Fig.10 PET count histogram and accumulative distribution

表5 左轉(zhuǎn)PET嚴(yán)重程度分布Table 5 PET value distributions by severities for the left-turn movement

表6 常規(guī)雙左轉(zhuǎn)PET嚴(yán)重程度分布Table 6 PET value distributions by severities for the left-turn movement

為了分析逆向可變車道的設(shè)置是否對(duì)出口處產(chǎn)生的沖突有顯著影響，采用多路左轉(zhuǎn)進(jìn)行對(duì)比分析[8]，本文將同等級(jí)的經(jīng)十路—緯一路交叉口雙左轉(zhuǎn)車道的左轉(zhuǎn)車流在出口處的PET分布值作為對(duì)照組，通過(guò)卡方檢驗(yàn)來(lái)得出逆向可變車道的設(shè)置是否會(huì)增大左轉(zhuǎn)車流在出口處的沖突程度，原假設(shè)為PET沖突程度不變，取顯著性水平α=0.05，檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示.結(jié)果表明設(shè)置逆向可變車道后左轉(zhuǎn)車流在出口處的沖突程度顯著增大，根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分左轉(zhuǎn)專用車道車流習(xí)慣行駛到最內(nèi)側(cè)的出口道，容易導(dǎo)致逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車流發(fā)生避讓和減速讓行的行為，從而產(chǎn)生更高比例的沖突次數(shù).

表7 逆向可變交叉口與常規(guī)交叉口沖突程度卡方檢驗(yàn)Table 7 Chi-Square test of traffic conflicts between intersections with RVL and without

5 結(jié)論

本文從逆向可變車道的安全角度出發(fā)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：逆向可變車道的設(shè)置不會(huì)增加主信號(hào)紅燈違規(guī)的比例，但是會(huì)增加預(yù)信號(hào)紅燈違規(guī)的比例(高于常規(guī)主信號(hào)1.3%)；違規(guī)侵占的左轉(zhuǎn)車輛會(huì)使行駛在逆向可變車道的對(duì)向車輛的車速發(fā)生明顯的下降(低于正常行駛車速15.31%)；對(duì)逆向可變車道和左轉(zhuǎn)專用車道的2股車流在交叉口內(nèi)3個(gè)位置的車頭時(shí)距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)2股車流在交叉口內(nèi)的行駛軌跡進(jìn)行提取和分析；統(tǒng)計(jì)分析給出了逆向可變車道的左轉(zhuǎn)車流在釋放過(guò)程中的PET沖突程度表，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示逆向可變車道的設(shè)置會(huì)明顯增大左轉(zhuǎn)車流在交叉口出口處的沖突程度.由于影響逆向可變車道正常運(yùn)行的因素較多，今后可對(duì)逆向可變車道的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)一步細(xì)化設(shè)置逆向可變車道對(duì)交叉口正常運(yùn)行的影響.