基于可變車道的交叉口左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先方法

陳永恒，李婉寧，吳場(chǎng)建

(吉林大學(xué)交通學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

0 引 言

城市道路交通日益擁擠，道路資源供給與交通需求不平衡問題日益突出，傳統(tǒng)靜態(tài)車道分配不能很好地適應(yīng)車流動(dòng)態(tài)變化，可變車道等動(dòng)態(tài)車道管理技術(shù)能夠有效利用現(xiàn)有道路資源，提高車輛通行效率，但同時(shí)也對(duì)交叉口的交通組織提出更高要求.高峰期間城市主要交叉口經(jīng)常出現(xiàn)左轉(zhuǎn)車道排隊(duì)過長(zhǎng)而超過公交站點(diǎn)，在站點(diǎn)?？康淖筠D(zhuǎn)公交無法順利換道至左轉(zhuǎn)車道，造成車輛擁堵甚至違規(guī)行駛的現(xiàn)象.為解決這一問題，考慮在進(jìn)口道增設(shè)或設(shè)置分離式左轉(zhuǎn)車道，但這需要交叉口擁有足夠的空間資源，對(duì)于空間資源緊張的交叉口難以實(shí)現(xiàn).因此，考慮應(yīng)用動(dòng)態(tài)技術(shù)解決這一矛盾，一方面采用直行和直左合用車道可變方式對(duì)車道進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，另一方面將其與公交預(yù)信號(hào)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先.

在車道動(dòng)態(tài)管理方面，學(xué)者對(duì)常規(guī)可變車道、逆向可變車道等方面進(jìn)行了大量研究.在可變車道控制模型方面，分別從車道分配與信號(hào)控制的最優(yōu)組合、可變標(biāo)志與信號(hào)配時(shí)的協(xié)調(diào)控制及可變車道的感應(yīng)控制3個(gè)角度進(jìn)行研究，Yao[1]以總延誤最小為目標(biāo)，提出優(yōu)化控制方法；在運(yùn)行效率評(píng)價(jià)方面，Zhao[2]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)可變車道交叉口進(jìn)行評(píng)價(jià).逆向可變車道研究成果為：在交叉口渠化設(shè)計(jì)方面，分別從渠化參數(shù)確定，地面標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計(jì)兩個(gè)角度進(jìn)行分析，Liu[3]提出計(jì)算逆向可變車道交叉口間最小距離的方法，Wu[4]對(duì)逆向可變車道的控制模型進(jìn)行了研究；在安全評(píng)價(jià)方面，Zhao[5]對(duì)其交叉口的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估.公交預(yù)信號(hào)的研究，主要從設(shè)置條件、控制策略、渠化模型3 個(gè)角度進(jìn)行探討，賈曉歡[6]對(duì)交叉口設(shè)置公交預(yù)信號(hào)的車道條件及交通量條件進(jìn)行了研究，張斌華[7]基于交通波理論建立了主預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)控制模型，S.IlginGuler[8]探討了公交預(yù)信號(hào)進(jìn)口道的交通組織方法.近年來，將其與動(dòng)態(tài)車道控制相結(jié)合，Zhao[9]對(duì)可變車道的主預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)配時(shí)進(jìn)行了研究.

綜上，動(dòng)態(tài)車道的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)及控制模型等方面均有研究，但動(dòng)態(tài)車道的研究均局限在直行和左轉(zhuǎn)專用屬性之間的變化，很少考慮其他屬性間的切換，缺乏以動(dòng)態(tài)車道為前提實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先方面的研究.因此，本文提出一種在直行與直左合用屬性間切換的可變車道(簡(jiǎn)稱可變公交車道，VBAL)，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先控制.

1 VBAL控制理念

許多交叉口存在對(duì)向進(jìn)口道流量到達(dá)不均的現(xiàn)象，針對(duì)這一問題，研究人員提出直左搭接相位控制方法.然而，采用這種控制方式的交叉口普遍存在左轉(zhuǎn)車道排隊(duì)過長(zhǎng)超過上游公交站點(diǎn)，使左轉(zhuǎn)公交無法正常匯入，即在左轉(zhuǎn)紅燈期間，左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)上溯至公交站點(diǎn)，如圖1(a)所示，使左轉(zhuǎn)公交很難合流匯入左轉(zhuǎn)車道，如圖1(b)所示.此時(shí)一部分駕駛?cè)诉x擇停在相鄰直行車道上尋找間隙匯入左轉(zhuǎn)車道，但會(huì)造成直行車輛延誤；大部分駕駛?cè)酥苯右院苈乃俣锐側(cè)胫毙熊嚨溃鐖D1(c)所示，使其到達(dá)停車線時(shí)，左轉(zhuǎn)綠燈已經(jīng)啟亮，從直行車道違章左轉(zhuǎn)通過交叉口，如圖1(d)所示.

為解決這一問題，現(xiàn)有方法是設(shè)置雙左轉(zhuǎn)車道(DLTL)，以減少左轉(zhuǎn)公交的排隊(duì)長(zhǎng)度，縮短交織區(qū)，但這需要交叉口具有足夠的空間資源，否則會(huì)大大增加直行車輛的延誤.為使左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先，同時(shí)最大限度減少直行車輛延誤的增加，本文提出VBAL控制理念，即將與左轉(zhuǎn)車道相鄰的直行車道變?yōu)閷傩栽谥毙信c直左之間切換的可變車道，供直行車輛和左轉(zhuǎn)公交同時(shí)行駛，同時(shí)在渠化段前設(shè)置一條左轉(zhuǎn)公交預(yù)信號(hào)停車線，通過主預(yù)信號(hào)協(xié)調(diào)控制，使其在綠燈啟亮?xí)r快速通過交叉口，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先.

圖1 左轉(zhuǎn)公交違章行駛過程Fig.1 Process of illegal driving of left-turn bus

1.1 VBAL適用條件

為均衡各類車流間利益，保證其他類型車輛正常通行，實(shí)施VBAL 方案的交叉口應(yīng)滿足以下條件：

(1)交叉口進(jìn)口道應(yīng)有3 條及以上車道，即有專用的直行、右轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)車道；

(2)交叉口停車線與上游公交站點(diǎn)之間應(yīng)有足夠的距離，以滿足VBAL渠化需求；

(3)交叉口飽和度應(yīng)低于0.9；

(4)每周期應(yīng)有數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定的左轉(zhuǎn)公交到達(dá)交叉口.

1.2 渠化設(shè)計(jì)

VBAL渠化設(shè)計(jì)如圖2所示，該交叉口為十字形平面交叉口，進(jìn)口道設(shè)有1條左轉(zhuǎn)車道，1條可變公交車道和n條直行車道，不考慮右轉(zhuǎn)車道，將可變公交車道設(shè)置在左轉(zhuǎn)車道的相鄰車道.VBAL由3 部分組成：陰影區(qū)域?yàn)樽筠D(zhuǎn)公交待行區(qū)，只允許左轉(zhuǎn)公交進(jìn)入；鋸齒狀標(biāo)線部分為可變區(qū)，其屬性在直行和直左之間切換；兩區(qū)域之間的部分為直行車輛換道段.

1.3 相位設(shè)計(jì)

假設(shè)交叉口的原始相位為直左搭接相位，則VBAL相位設(shè)計(jì)為：第1相位，非優(yōu)先車輛直行，此時(shí)預(yù)信號(hào)為左轉(zhuǎn)紅燈；第2 相位，包括左轉(zhuǎn)公交在內(nèi)的所有直左車輛同時(shí)放行，此時(shí)預(yù)信號(hào)為左轉(zhuǎn)綠燈，如圖3(a)所示.具體通行規(guī)則如下：第1 階段，可變區(qū)屬性為直行，直行車輛從直行車道或可變區(qū)通過交叉口，左轉(zhuǎn)社會(huì)車輛進(jìn)入左轉(zhuǎn)車道排隊(duì)，左轉(zhuǎn)公交進(jìn)入待行區(qū)排隊(duì)，如圖3(b)所示；第2階段，可變區(qū)屬性變?yōu)橹弊螅筠D(zhuǎn)公交進(jìn)入可變區(qū)通過交叉口，直行與左轉(zhuǎn)社會(huì)車輛分別從直行及左轉(zhuǎn)車道通過交叉口，如圖3(c)所示；第3階段，直行和左轉(zhuǎn)車輛繼續(xù)通行，當(dāng)待行區(qū)內(nèi)的左轉(zhuǎn)公交全部通過交叉口后，直行車輛可從可變區(qū)通過交叉口，如圖3(d)所示.

圖2 VBAL 渠化示意圖Fig.2 Schematic diagram of VBAL channelization

圖3 VBAL 通行規(guī)則示意圖Fig.3 Schematic diagram of VBAL scheme traffic rules

1.4 控制參數(shù)計(jì)算模型

可變公交車道主信號(hào)綠燈時(shí)間包括直行單獨(dú)放行時(shí)間g及直左同時(shí)放行時(shí)間g2，如圖4所示，配時(shí)計(jì)算采用Webster配時(shí)模型，即

式中：T為周期時(shí)間(s)；λ1為該進(jìn)口道左轉(zhuǎn)流量與交叉口流量比值；λ2為該進(jìn)口道直行流量與交叉口流量比值.

預(yù)信號(hào)配時(shí)包括提前啟亮?xí)r間g1及其持續(xù)綠燈時(shí)間g3，如圖4所示.g1要保證左轉(zhuǎn)公交能在這段時(shí)間內(nèi)到達(dá)主信號(hào)停止線，為防止車輛滯留，應(yīng)為其設(shè)置提前結(jié)束時(shí)間.

式中：l3為可變區(qū)長(zhǎng)度(m)；l2為換道段長(zhǎng)度(m)；vb為公交車的平均車速(m/s)；L為啟動(dòng)損失時(shí)間(s).

圖4 VBAL 信號(hào)配時(shí)圖Fig.4 Signal timing diagram of VBAL scheme

1.5 幾何參數(shù)計(jì)算模型

VBAL的幾何設(shè)計(jì)包括待行區(qū)長(zhǎng)度l1、換道段長(zhǎng)度l2及可變區(qū)長(zhǎng)度l3.可變區(qū)長(zhǎng)度與渠化段長(zhǎng)度保持一致，待行區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)滿足左轉(zhuǎn)公交所需最大排隊(duì)距離.設(shè)左轉(zhuǎn)公交的到達(dá)率服從泊松分布，車頭時(shí)距服從負(fù)指數(shù)分布，每周期到達(dá)和釋放的左轉(zhuǎn)公交數(shù)分別為a和b，則待行區(qū)中有m輛左轉(zhuǎn)公交排隊(duì)的概率Pm[10]為

待行區(qū)中排隊(duì)的左轉(zhuǎn)公交數(shù)不超過M的概率P(m≤M)為

最大排隊(duì)車輛數(shù)M為

待行區(qū)長(zhǎng)度l1為

換道段長(zhǎng)度應(yīng)滿足一輛小汽車的換道距離，則l2[11]為

式中：lb為公交車平均長(zhǎng)度(m)；l為公交車安全停車距離(m)；v為車輛速度(m/s)；θd為車輛期望橫擺角；τ為時(shí)間(s).

2 車均延誤模型建立

2.1 延誤計(jì)算模型

累積曲線圖示法在計(jì)算延誤方面是一種最常用、直觀且有效的方法，故選用該方法以現(xiàn)狀單左轉(zhuǎn)車道(SLTL)方案為基準(zhǔn)，分別計(jì)算VBAL 和DLTL 方案下左轉(zhuǎn)公交及直行車輛的車均延誤變化量.

VBAL與SLTL方案的車輛累積曲線如圖5所示.從圖5(a)可以看出，與SLTL 方案相比，VBAL方案中左轉(zhuǎn)公交的延誤有明顯降低，其車均延誤降低量Db為

式中：db為圖5(a)中陰影面積；T為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)(s)；qb為左轉(zhuǎn)公交到達(dá)率(pcu/h)；SL為左轉(zhuǎn)車道飽和流率(pcu/h)；R為主信號(hào)紅燈時(shí)間(s)；r為當(dāng)主信號(hào)為直行綠燈時(shí)的預(yù)信號(hào)紅燈時(shí)間(s)；Sb為公交專用車道飽和流率(pcu/h).

從圖5(b)可以看出，與SLTL方案相比，VBAL方案中直行車輛延誤有部分增加，其車均延誤增加量Ds為

式中：ds為圖5(b)中陰影面積；qs為直行車輛到達(dá)率(pcu/h)；Ss為直行車道飽和流率(pcu/h)；n為直行車道數(shù).

圖5 VBAL 與SLTL 方案延誤對(duì)比圖Fig.5 Delay comparison diagram of VBAL scheme and SLTL scheme

DLTL 與SLTL 方案的車輛累積曲線如圖6 所示.從圖6(a)可以看出，與SLTL 方案相比，設(shè)置DLTL后左轉(zhuǎn)公交延誤有部分減少，其車均延誤降低量為

式中：為圖6(a)中陰影面積.

從圖6(b)可以看出，與SLTL 方案相比，設(shè)置DLTL后直行車輛延誤有部分增加，其車均延誤增加量

式中：為圖6(b)中陰影面積.

2.2 靈敏度分析

為分析車輛到達(dá)率對(duì)模型的影響，取T=180 s，R=60 s，r=41 s，g1=9 s，g2=70 s，SL=0.3，Ss=0.6，Sb=0.5，左轉(zhuǎn)公交到達(dá)率取0，100，200，300，400，500 pcu/h，直行車輛到達(dá)率取0，800，1 600，2 400，3 200，4 000 pcu/h，得到兩種方案下左轉(zhuǎn)公交及直行車輛延誤變化量折線圖.如圖7 所示，兩種方案下車均延誤降低量均隨左轉(zhuǎn)公交到達(dá)數(shù)遞增，但VBAL 方案中左轉(zhuǎn)公交車均延誤降低量高于DLTL，且左轉(zhuǎn)公交到達(dá)率越高，VBAL 方案的延誤降低量越明顯；如圖8 所示，VBAL 方案的車均延誤增加量低于DLTL，且對(duì)于DLTL方案而言，直行車輛到達(dá)率越高，延誤增加量越明顯，而VBAL 的變化卻趨于平緩.綜上，VBAL 方案比DLTL 方案更具優(yōu)勢(shì)，且到達(dá)的左轉(zhuǎn)公交數(shù)量越多，其優(yōu)勢(shì)越明顯.

圖6 DLTL 與SLTL 方案延誤對(duì)比圖Fig.6 Delay comparison diagram of DLTL scheme and SLTL scheme

3 案例分析

將VBAL、DLTL、SLTL 這3 種方案應(yīng)用于長(zhǎng)沙市芙蓉路—新姚路交叉口進(jìn)行實(shí)例研究.該交叉口為十字形平面交叉口，渠化情況如表1 所示，高峰期流量如表2 所示.高峰期交叉口流量較大，且各方向車輛到達(dá)特性存在差異，故北進(jìn)口采用搭接相位控制，其信號(hào)配時(shí)如圖9所示.

圖7 左轉(zhuǎn)公交延誤降低量對(duì)比圖Fig.7 Comparison chart of left-turn bus delay reduction

圖8 直行車輛延誤增加量對(duì)比圖Fig.8 Comparison chart of delay increase of through vehicle

表1 芙蓉路—新姚路交叉口渠化設(shè)計(jì)匯總Table 1 Summary of channelization design of Furong Road and Xinyao Road intersection

北進(jìn)口信號(hào)控制方式符合本文研究場(chǎng)景，故選擇北進(jìn)口對(duì)3種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)根據(jù)式(1)～式(4)，得到VBAL信號(hào)配時(shí)如圖10所示，其他進(jìn)口信號(hào)配時(shí)保持不變，根據(jù)式(5)～式(9)，得到VBAL待行區(qū)長(zhǎng)度為32 m，換道段長(zhǎng)度為14 m.

3.1 延誤對(duì)比

將上述數(shù)據(jù)輸入延誤模型中進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3 所示.VBAL 方案中，左轉(zhuǎn)公交延誤下降5.43 s，DLTL方案中，僅下降0.03 s；對(duì)直行車輛而言，DLTL 方案中，延誤增加8.18 s，VBAL 方案中，僅增加0.81 s.因此，可以得出，與DLTL 相比，VBAL方案可以有效降低左轉(zhuǎn)公交延誤，同時(shí)最大程度減少直行車輛延誤增加，提高整個(gè)交叉口的通行效率.

圖9 芙蓉路—新姚路交叉口信號(hào)配時(shí)圖Fig.9 Signal timing diagram of Furong Road and Xinyao Road intersection

圖10 VBAL 主預(yù)信號(hào)配時(shí)圖Fig.10 Timing diagram of main signal and pre-signal of VBAL

表2 芙蓉路—新姚路交叉口流量匯總Table 2 Summary of traffic flow at intersection of Furong Road and Xinyao Road

表3 車均延誤變化量對(duì)比Table 3 Comparison of vehicle delay variation

3.2 仿真驗(yàn)證

由于VBAL 的實(shí)施涉及交叉口渠化和信號(hào)配時(shí)的整體調(diào)整，直接在實(shí)際道路中實(shí)施測(cè)試具有較大的難度和風(fēng)險(xiǎn).因此，為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在交叉口的適用性，利用VISSIM4.30 對(duì)3 種方案進(jìn)行仿真對(duì)比；同時(shí)為減少隨機(jī)到達(dá)車流等不確定因素產(chǎn)生的影響，對(duì)每個(gè)方案仿真10次，取平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表4 所示.從延誤指標(biāo)來看，與SLTL 相比，VBAL 與DLTL 方案中左轉(zhuǎn)公交延誤均有大幅下降，且DLTL 延誤更小，但直行車輛延誤與VBAL 方案相比有大幅增加；從排隊(duì)長(zhǎng)度指標(biāo)來看，與DLTL 相比，VBAL 方案中左轉(zhuǎn)車道的排隊(duì)長(zhǎng)度較小，但直行車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度略有增大.綜合這兩個(gè)指標(biāo)，VBAL 方案更具優(yōu)勢(shì).VBAL 方案是一種全新的通行規(guī)則，在實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)有部分駕駛?cè)瞬话匆?guī)定路徑行駛，造成實(shí)際測(cè)試的評(píng)價(jià)指標(biāo)與仿真結(jié)果存在差異，因此在其運(yùn)行初期需要加大宣傳力度，同時(shí)需要交通警察在交叉口指揮車輛通行，使其能夠發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì).

表4 各方案仿真結(jié)果匯總Table 4 Summary of simulation results of each scheme

4 結(jié) 論

本文提出一種新的信號(hào)交叉口公交左轉(zhuǎn)優(yōu)先控制方法，即VBAL控制方法，該方法將可變車道與左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先相結(jié)合，使左轉(zhuǎn)公交優(yōu)先的同時(shí)，最大限度減少直行車輛延誤的增加，提高交叉口的通行效率.結(jié)果表明，本文提出的VBAL方案更具優(yōu)勢(shì)，從延誤對(duì)比及仿真評(píng)價(jià)兩個(gè)角度對(duì)3種方案進(jìn)行實(shí)例分析，證明了VBAL 方案的適用性.VBAL方法中，部分直行車輛會(huì)在待行區(qū)附近進(jìn)行兩次變道，因此該方法在減少左轉(zhuǎn)公交延誤的同時(shí)增加了直行車輛的安全隱患，故在實(shí)際運(yùn)行過程中的通行規(guī)則和設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步完善.