T型交叉口借道左轉(zhuǎn)設(shè)置研究

孫 彪

（中國人民公安大學(xué)，北京 100038）

引言

交叉口是城市道路交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，不同流向的交通流在交叉口內(nèi)頻繁地發(fā)生合流、交叉和分流沖突，使交叉口成為路網(wǎng)通行能力的“瓶頸”[1]。在通過交叉口不同流向的交通流中，左轉(zhuǎn)車流是影響交叉口通行能力的重要因素。

為緩解左轉(zhuǎn)車流對交叉口的影響，各地交警在實踐中探索出多種新型交通組織方法。其中 “借道左轉(zhuǎn)”是河北邯鄲交警支隊在實踐中提出的一種通過預(yù)信號控制，利用出口車道為左轉(zhuǎn)車輛提供額外通行能力的新型交通組織方法。該方法后來陸續(xù)在大連、深圳和廣州等城市應(yīng)用，取得了較好的實施效果。國內(nèi)外學(xué)者也對借道左轉(zhuǎn)進行了相關(guān)研究，Jing Zhao[2]對借道左轉(zhuǎn)的運行安全進行了研究，結(jié)果表明在實際應(yīng)用中借道左轉(zhuǎn)對交叉口造成嚴(yán)重安全風(fēng)險的可能性較小。K. Chen[3]針對交通流量波動較大的借道左轉(zhuǎn)交叉口，提出了一種魯棒性信號優(yōu)化方案。羅丹丹[4]基于車流波動理論，對設(shè)置借道左轉(zhuǎn)車流量條件進行了分析研究，陳松[5]提出了借道左轉(zhuǎn)交叉口左轉(zhuǎn)車輛延誤計算模型。閱讀文獻可知，目前有關(guān)借道左轉(zhuǎn)的應(yīng)用和研究主要集中于十字型交叉口，對T型交叉口的研究較少。而在T型交叉口中，左轉(zhuǎn)車流是重要的管控對象。

1 借道左轉(zhuǎn)原理及設(shè)置條件分析

1.1 借道左轉(zhuǎn)基本原理

借道左轉(zhuǎn)的基本原理是利用交叉口時空資源關(guān)系，在相位放行的空檔期，通過動態(tài)的信號控制，將與左轉(zhuǎn)車道相鄰的一條或多條出口車道借用作左轉(zhuǎn)車道，為左轉(zhuǎn)車流提供額外的空間路權(quán)，進而提高交叉口左轉(zhuǎn)車流通行能力。借道左轉(zhuǎn)可以根據(jù)實際的交通與道路條件，單獨設(shè)置在一個進口道上，也可以同時設(shè)置在多個進口道上。

圖1為T型交叉口西進口示例，借道左轉(zhuǎn)設(shè)置與交通運行過程：（1）將與西進口左轉(zhuǎn)車道相鄰的一條出口車道設(shè)置為借道左轉(zhuǎn)車道（即借用的左轉(zhuǎn)車道），在西進口上游中央分隔帶適當(dāng)位置開口，使左轉(zhuǎn)車輛可越過中央分隔帶進入出口車道。（2）在開口處設(shè)置信號燈（稱為預(yù)信號燈），與交叉口處的信號燈（稱為主信號燈）協(xié)調(diào)控制。其中預(yù)信號燈用來分離進入借道左轉(zhuǎn)車道的左轉(zhuǎn)車流與東進口直行車流之間的沖突，主信號燈用來分離北進口左轉(zhuǎn)、西進口左轉(zhuǎn)以及東進口直行車流之間的沖突。（3）當(dāng)預(yù)信號綠燈啟亮?xí)r，左轉(zhuǎn)車輛可進入借道左轉(zhuǎn)車道待行，當(dāng)本方向主信號左轉(zhuǎn)綠燈啟亮?xí)r，借道左轉(zhuǎn)車輛與常規(guī)左轉(zhuǎn)車道車輛同時放行。（4）當(dāng)預(yù)信號紅燈時，左轉(zhuǎn)車輛不能進入借用的左轉(zhuǎn)車道。

圖 1 T型交叉口借道左轉(zhuǎn)

1.2 交叉口借道左轉(zhuǎn)的設(shè)置條件

借道左轉(zhuǎn)交叉口能提高交叉口的通行能力，但并不是所有交叉口都適合設(shè)置借道左轉(zhuǎn)，借道左轉(zhuǎn)設(shè)置需要的條件：（1）交通量條件。左轉(zhuǎn)交通流量較大，在現(xiàn)有渠化設(shè)計基礎(chǔ)上，通過信號配時優(yōu)化后無法滿足左轉(zhuǎn)需求的交叉口，可以考慮采取借道左轉(zhuǎn)設(shè)計。（2）交叉口空間條件。為避免借道左轉(zhuǎn)的車輛，因轉(zhuǎn)彎半徑過小無法正常完成左轉(zhuǎn)，交叉口物理區(qū)要有足夠大的空間。（3）車道數(shù)條件。借道左轉(zhuǎn)車道數(shù)與常規(guī)左轉(zhuǎn)車道數(shù)之和不大于所對應(yīng)的出口車道數(shù)。為滿足相交方向右轉(zhuǎn)車輛通行需求，借道左轉(zhuǎn)所在進口方向的出口車道數(shù)不小于3條。

1.3 交叉口借道左轉(zhuǎn)的交通設(shè)施需求

由于借道左轉(zhuǎn)是非常規(guī)的交通組織方法，與傳統(tǒng)交叉口組織方法有較大差異。因此，需要科學(xué)合理的配以交通標(biāo)志標(biāo)線等交通控制設(shè)施對駕駛?cè)诉M行引導(dǎo)。（1）由于借道車道轉(zhuǎn)彎半徑小于常規(guī)左轉(zhuǎn)車道轉(zhuǎn)彎半徑，左轉(zhuǎn)車流在并行通過交叉口時容易相互干擾。因此，應(yīng)在交叉口內(nèi)部施劃左轉(zhuǎn)導(dǎo)流線，引導(dǎo)左轉(zhuǎn)車輛有序通過交叉口。（2）在中央分隔帶開口處設(shè)置黃色網(wǎng)格線，避免不熟悉路況的駕駛?cè)苏加瞄_口處，影響車輛進入借道車道。（3）在中央分隔帶開口處前方適當(dāng)距離設(shè)置警告標(biāo)志，提示駕駛?cè)藴p速慢行，避免車輛在中央分隔帶開口處突然減速，導(dǎo)致追尾事故發(fā)生。警告標(biāo)志前置距離的確定要充分考慮車輛的行駛速度、駕駛?cè)说臎Q策時間以及操作反應(yīng)時間等因素。

1.4 借道左轉(zhuǎn)相關(guān)參數(shù)條件

1.4.1 中央分隔帶開口長度

車輛由中央分隔帶開口處進入借道左轉(zhuǎn)車道存在一個變道過程，中央分隔帶開口長度直接影響著車輛在變道過程中的安全性和便利性。在變道過程中，開口長度與車輛的轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)，見圖2。由幾何關(guān)系可知，考慮車輛在變道過程的與前、后車的最小安全行駛距離，中央分隔帶開口長度l開應(yīng)滿足：

式中：r—車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑，m；a—轉(zhuǎn)彎車輛寬度，m；b—中央分隔帶寬度，m。

圖 2 中央分隔帶開口長度計算

1.4.2 借道左轉(zhuǎn)車道長度

借道左轉(zhuǎn)車道長度既要滿足左轉(zhuǎn)車輛通行需求，又要保證車輛行駛安全。若設(shè)置過短，則相位綠燈內(nèi)使用借道左轉(zhuǎn)車道通行的車輛就會較少，對交叉口通行能力的提升意義不大。若設(shè)置過長，可能由于借道左轉(zhuǎn)車輛未能及時清空，與下一相位車流相互阻滯。借道左轉(zhuǎn)車道長度與高峰期間左轉(zhuǎn)車輛到達率和交叉口上游功能區(qū)長度等因素有關(guān)。為滿足高峰期間左轉(zhuǎn)車輛排隊長度需求，借道左轉(zhuǎn)車道的長度l借應(yīng)滿足：

式中：q—高峰期間左轉(zhuǎn)車輛到達率，pcu/s；r—左轉(zhuǎn)相位紅燈時長，s；hd—排隊車輛平均車頭間距，m，取6 m；l1—進口道導(dǎo)向車道線長度，m；l2—交叉口上游功能區(qū)長度，m；n0—借道左轉(zhuǎn)車道數(shù)；n1—常規(guī)左轉(zhuǎn)車道數(shù)。

2 借道左轉(zhuǎn)交叉口交通信號控制方案設(shè)計

2.1 設(shè)計思路及流程

在借道左轉(zhuǎn)交叉口中，左轉(zhuǎn)車輛并不是隨時都可以進入借用的出口車道。為不影響其他車流正常通行，保障借道左轉(zhuǎn)交叉口運行安全，需要配合信號燈對左轉(zhuǎn)車輛進入借道左轉(zhuǎn)車道的時間加以控制，因此，借道左轉(zhuǎn)交叉口的信號控制不同于傳統(tǒng)交叉口，需對交叉口信號控制方案特殊設(shè)計。

借道左轉(zhuǎn)交叉口的信號控制方案設(shè)計主要分為三部分：（1）根據(jù)借道左轉(zhuǎn)的應(yīng)用原理對交叉口相位方案進行設(shè)計；（2）結(jié)合設(shè)置借道左轉(zhuǎn)后的交叉口相位和渠化方案，確定交叉口主信號配時參數(shù)；（3）在上述基礎(chǔ)上確定預(yù)信號配時參數(shù)。

2.2 信號相位分析與設(shè)計

在設(shè)置借道左轉(zhuǎn)的交叉口，左轉(zhuǎn)車輛需在本方向左轉(zhuǎn)綠燈啟亮前進入借道左轉(zhuǎn)車道排隊等待，且不與其他方向車流發(fā)生沖突。因此，為滿足這一條件，交叉口在相位相序方案選擇上受到一定限制，T型交叉口借道左轉(zhuǎn)可采取相位相序方案見圖3。

圖 3 相位相序

交通流放行順序：（1）當(dāng)北進口左轉(zhuǎn)車流（相位Φ1）放行時，西進口處的預(yù)信號PW綠燈啟亮，西進口左轉(zhuǎn)車輛可以進入借道左轉(zhuǎn)車道待行，當(dāng)相位Φ2綠燈啟亮，西進口借道左轉(zhuǎn)車道車輛與常規(guī)左轉(zhuǎn)車道車輛同時放行。（2）當(dāng)東西直行車流放行時（相位Φ3），北進口處的預(yù)信號Pn綠燈啟亮，北進口左轉(zhuǎn)車輛可以進入借道左轉(zhuǎn)車道待行。（3）當(dāng)相位Φ1綠燈啟亮，北進口借道左轉(zhuǎn)車道車輛與常規(guī)左轉(zhuǎn)車道車輛同時放行通過交叉口。

2.3 主信號配時參數(shù)的確定

T型交叉口在實施借道左轉(zhuǎn)設(shè)計后，僅左轉(zhuǎn)車流飽和流率發(fā)生變化，對其他車流并未有影響，因此，主信號配時方案可采用經(jīng)典的Webster配時法。

2.3.1 Webster最佳周期長C0

式中：L—周期總損失時間，s；計算：

式中：ls—啟動損失時間，s；Ai—黃燈時間，s；Ii—第i相位末綠燈間隔時間，s；yi—第i相位關(guān)鍵流率比，計算：

式中：qi—第i相位關(guān)鍵車流量，pcu/h；Si—第i相位關(guān)鍵車道組飽和流率，pcu/h。

2.3.2 各相位綠燈時長gi

2.4 預(yù)信號配時參數(shù)的確定

2.4.1 預(yù)信號延遲開啟時間

為避免上一相位末期使用該出口車道的車輛，在剛駛離交叉口、還未到達中央分隔帶開口處時，本進口左轉(zhuǎn)車輛便從開口處駛?cè)虢璧雷筠D(zhuǎn)車道，從而導(dǎo)致兩個流向的車流相互沖突。因此，預(yù)信號綠燈應(yīng)在上一相位結(jié)束后，延遲一段時間開啟，延遲時間t1應(yīng)滿足：

式中：l交—車輛在交叉口內(nèi)的行駛距離，m；v1—車輛通過交叉口的平均速度，m/s；v'1—車輛從進入出口道到駛離中央分隔帶開口處的平均速度，m/s。

2.4.2 預(yù)信號提前關(guān)閉時間

為保證借道左轉(zhuǎn)車道上的車輛，在主信號左轉(zhuǎn)相位綠燈結(jié)束時全部駛離停止線，避免滯留出口道，影響下一相位使用該出口車道的車流正常通行，預(yù)信號綠燈需比主信號綠燈提前一段時間關(guān)閉。提前關(guān)閉時間t2應(yīng)滿足：

式中：v2—車輛由中央分隔帶開口處到駛離停止線行駛的平均速度，m/s。

預(yù)信號綠燈時長gp：

3 北京市阜成路與首都體育館南路交叉口設(shè)計

3.1 交叉口的交通現(xiàn)狀

該交叉口為信號控制T型交叉口，相交道路均為城市主干路，交叉口毗鄰大型醫(yī)院和多所高校，機動車流量大。

3.1.1 交叉口幾何現(xiàn)狀

阜成路為東西向道路，進口道寬13 m，出口道寬12 m。首都體育館南路為北向道路，進口道寬16 m，出口道寬15 m。交叉口現(xiàn)狀車道布局見圖4。

圖 4 交叉口現(xiàn)狀車道布局

3.1.2 現(xiàn)狀交通流量

對交叉口晚高峰時段17∶00—18∶00進行交通數(shù)據(jù)調(diào)查，并依據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ37-2012）中規(guī)定的車輛換算系數(shù)對數(shù)據(jù)進行匯總，得到各方向交通數(shù)據(jù)見表1。

3.1.3 現(xiàn)狀配時方案

表 1 交叉口高峰時段交通流量與飽和流率分布（puc/h）

交叉口現(xiàn)狀采用三相位控制方案，黃燈3 s，全紅2 s，周期時長C=180 s，現(xiàn)狀信號控制方案見圖5。

圖 5 交叉口現(xiàn)狀信號配時

3.2 交叉口借道左轉(zhuǎn)設(shè)計

對交叉口交通現(xiàn)狀進行分析可知，西進口左轉(zhuǎn)流量較大，處于過飽和狀態(tài)，車道條件和交叉口空間條件滿足借道左轉(zhuǎn)設(shè)置條件，北進口左轉(zhuǎn)車流所對應(yīng)的出口道數(shù)不滿足借道左轉(zhuǎn)的設(shè)置條件。因此，考慮在西進口設(shè)置借道左轉(zhuǎn)。結(jié)合《城市道路交叉口設(shè)計規(guī)范》（GB50637-2011）和國內(nèi)學(xué)者對借道左轉(zhuǎn)的研究成果[6-7]，參數(shù)取值：車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑為15 m，車輛通過交叉口的平均速度v1=12 m/s，車輛從進入出口道到駛離中央分隔帶開口處的平均速度v'1=15 m/s，車輛從中央分隔帶開口處到駛離停止線行駛的平均速度v2=10 m/s，對交叉口渠化和信號控制方案進行設(shè)計。得到設(shè)置借道左轉(zhuǎn)后的交叉口渠化方案見圖6，信號控制方案見圖7。

圖 6 設(shè)置借道左轉(zhuǎn)后交叉口幾何渠化

圖 7 設(shè)置借道左轉(zhuǎn)后交叉口信號配時

3.3 仿真分析

利用Vissim仿真軟件對交叉口設(shè)置借道左轉(zhuǎn)前后的運行狀態(tài)進行對比分析，對方案的有效性進行驗證。在Vissim仿真軟件中，通過將借道左轉(zhuǎn)車道與出口車道空間重疊的方式，完成對借道左轉(zhuǎn)的路網(wǎng)建模，最后得到車均延誤指標(biāo)見表2。從仿真結(jié)果可知，西進口設(shè)置借道左轉(zhuǎn)交通組織后，T型交叉口各進口方向車均延誤與現(xiàn)狀方案相比，均有不同程度的下降，其中西進口車均延誤下降最多，交叉口總車均延誤與交叉口現(xiàn)狀方案相比下降35.18 s。

表2 交叉口現(xiàn)狀與設(shè)置借道左轉(zhuǎn)后數(shù)據(jù)對比(s)

4 結(jié)語

借道左轉(zhuǎn)是一種新型的交通組織方式。結(jié)合借道左轉(zhuǎn)的原理和應(yīng)用條件，對T型交叉口設(shè)置借道左轉(zhuǎn)的交通組織方法進行了研究，給出了該方法的實施條件以及信號控制的設(shè)計方法，并將其應(yīng)用于北京市阜成路與首都體育館南路T型交叉口，通過Vissim搭建仿真平臺對方法的實施效果進行了驗證。結(jié)果表明,T型交叉口設(shè)置借道左轉(zhuǎn)后，交叉口車均延誤明顯小于現(xiàn)狀方案車均延誤，說明借道左轉(zhuǎn)交通組織對T型交叉口有很好的實用性和適用性。