基于VISSIM的遠引調(diào)頭組織效果研究

邱美華，葉麗敏，胡愛秀，施 群，謝長沙

(福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院， 福州 350002)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市交通呈疾速增長的趨勢，這也導(dǎo)致城市道路交通問題日益嚴重.研究發(fā)現(xiàn)，交通問題主要集中在交叉口，交通堵塞問題在交叉口尤為突出，這些問題直接導(dǎo)致城市路網(wǎng)的通行能力降低.過去對于交通堵塞問題通常是通過擴建道路規(guī)模來滿足交通量的增加，然而道路的規(guī)模是不可能無限擴張的，通過新建道路的方式是無法從根本上解決問題.因此交通工程研究的方向轉(zhuǎn)移到提高路網(wǎng)的利用率上[1-3].遠引調(diào)頭可以使左轉(zhuǎn)車流分流成路口右轉(zhuǎn)以及路段直行掉頭的車流，將某路段超負荷的交通流分擔(dān)到其他通行能力較強的路段上，從而達到降低路口的延誤時間、平衡路口延誤與路段延誤的目的[4-5].由此可見遠引調(diào)頭技術(shù)是一種成本低、見效快的交通管理與交通控制措施，可以有效緩解交通擁堵問題，改善交通運行狀況及安全狀況.目前，遠引調(diào)頭主要有兩種方式：車輛遠引到下游中央路段開口調(diào)頭、車輛遠引到下游信號交叉口調(diào)頭[6-7].研究每種遠引調(diào)頭方式的交通效果具有十分重要的實用意義.

1 車輛遠引到下游中央路段開口調(diào)頭的交通效果

遠引調(diào)頭組織方式往往需要根據(jù)道路的實際狀況來選擇， 當有較長中央分隔帶存在時，可在中央分隔的合適位置設(shè)置調(diào)頭開口[8].現(xiàn)在不考慮車輛變道的情況下，對遠引到下游路段開口處調(diào)頭的交通組織效果進行研究.

1.1 車輛運行過程沖突分析

如圖1所示在下游中央分隔帶開口處調(diào)頭車輛，其運行過程可以分為四個階段.

1—在路口停車線停車等待穿插時機；2—等待可插車間隙時機，駛?cè)牒狭鬈嚵?，行駛到中央分隔帶開口處；3—等待對向直行車流有可插車間隙的出現(xiàn)；4—提速到和主路直行車流車速一致，與主路直行的車流完全匯合

由圖2分析可知，行駛的車輛在運行過程中會產(chǎn)生兩個沖突:沖突①為由車輛穿插到主路時與外側(cè)的直行的車流匯合產(chǎn)生的合流沖突；沖突②為由車輛向主路移動時與對向直行的車流產(chǎn)生的合流沖突.見圖2.

圖2 車輛下游中央路段開口調(diào)頭沖突圖Figure 2 Conflict diagram of vehicle making a U-turn at the opening section of downstream central divider

1.2 行程時間模型

通過車輛運行過程分析，用下列公式表示車輛的行程時間：

TTRU1=tru1+tru2+tru3+tru4

(1)

其中：TTRU1為行程時間(s)；tru1為在支路停車線等待合流間隙出現(xiàn)的時間(s)；tru2為穿插完成到行駛至中央分隔帶開口處的時間(s)；tru3為在完成tru2后停車等待對向車流中有合流間隙出現(xiàn)的時間(s)；tru4為完成穿插行至直接左轉(zhuǎn)過程結(jié)束位置的時間(s).

2 車輛遠引到下游信號交叉口調(diào)頭的交通效果

遠引調(diào)頭組織方式主要是在不允許支路交叉口的車流左轉(zhuǎn)駛?cè)胫髀返那樾蜗略O(shè)計的一種交通組織方式[9-10].現(xiàn)在不考慮車輛變道的情況下，對遠引到下游信號交叉口處調(diào)頭的交通組織效果進行研究.現(xiàn)介紹兩種形式下遠引到下游信號交叉口處調(diào)頭的方式.

2.1 車輛運行過程分析

如圖3所示. 在設(shè)有專門的左轉(zhuǎn)相位條件下，車輛行駛到信號交叉口位置，根據(jù)信號控制完成調(diào)頭過程.這個過程可以分為四個過程.

如圖4所示在該過程中出現(xiàn)的延誤主要是在支路處停車等待，等到主路出現(xiàn)可插車間隙的時間和在停車線等待左轉(zhuǎn)相位綠燈時間以及調(diào)頭處等待對向主路出現(xiàn)可插車的間隙的時間.下游信號交叉口設(shè)置有左轉(zhuǎn)專用相位，車流產(chǎn)生了合流沖突①，如圖4所示.

1—等待穿插到主路的可插車間隙；2—行駛到主路并在專用車道停車等待；3—等待左傳專用相位綠燈開啟；4—轉(zhuǎn)彎加速至對向直行車流的車速.

沒有設(shè)置專門的左轉(zhuǎn)專用相位的情況下，它的行駛過程可以分為 2 個階段，如圖5所示.

圖4 車輛下游左轉(zhuǎn)專用相位信號交叉口調(diào)頭沖突圖Figure 4 Conflict diagram of U-turn at the downstream intersection with special phase signal for turning left

圖5 車輛在下游信號交叉口(無左轉(zhuǎn)專用相位)調(diào)頭過程圖Figure 5 Process diagram of U-turn at the downstream signalized intersection (exclusive left-turn phase)

其中：A為支路路口停車線等到主路滿足可插車間隙時機后，右轉(zhuǎn)行駛到靠近內(nèi)側(cè)車道，并行駛到信號交叉口的停車線前進行停車等待；B為信號開啟時，根據(jù)對向車流安全距離下實現(xiàn)調(diào)頭轉(zhuǎn)彎，緊接著把速度控制到和匯入的車流速度相同，完成匯合.

從圖5分析得出，在上述信號配時控制下調(diào)頭車輛在運行過程中會遇到①和②兩個沖突，①發(fā)生在A階段，并且由行為主體和穿插客體之間產(chǎn)生的合流沖突；沖突②產(chǎn)生于B階段，由行為主體和對向合流客體之間產(chǎn)生合流沖突.

至此，幾種遠引調(diào)頭組織方式的安全性比較結(jié)果如表1所示.

表1 遠引調(diào)頭方式的沖突匯總比較Table 1 Comparison of conflicts in far lead U-turn mode

從表1中可以看到實施遠引調(diào)頭組織方式的沖突點少，在有左轉(zhuǎn)相位的下游信號交叉口完成調(diào)頭轉(zhuǎn)彎僅產(chǎn)生一個沖突點.故遠引調(diào)頭的組織方式可以減少沖突，但不足之處是行駛長度增加，使交叉口和路段交通流運行狀況變得復(fù)雜，這就要求設(shè)計者在選擇時要充分因地制宜，綜合評價其運行效果后才可以實施.

2.2 行程時間模型

由車輛運行過程分析可知，可以用下列公式表示有專用左轉(zhuǎn)相位情況下車輛的行程時間：

TTRU=tRU1+tRU2+tRU3+tRU4

(2)

TDRU=tRU1+tRU2

(3)

(4)

其中：TTRU為行程的時間(s)；tRU1為車輛等待合流間隙出現(xiàn)的時間(s)；tRU2為車輛等待左轉(zhuǎn)綠燈的時間(s)；tRU3為車輛行駛到信號控制位置的時間(s)；tRU4為左轉(zhuǎn)綠燈開啟時車輛轉(zhuǎn)彎行駛到支路口位置的時間(s)；l為車輛匯入主路前位置到下游信號控制位置的最短距離(m)；Vr為匯入的主路的車速(m/s).

由上述公式可得到車輛的平均延誤由和兩部分組成，平均行程時間由tRU1和tRU2兩部分再加上路段的行駛的時間.

因為車輛遠引到下游交叉口對下游交叉口甚至整個路網(wǎng)的通行效率影響較大，所以本論文將重點研究車輛遠引到下游信號交叉口調(diào)頭的交通效果，對于車輛遠引到下游中央路段開口調(diào)頭的交通效果將在課題的后續(xù)研究中進行.

3 基于VISSIM的仿真效果分析

3.1 交通數(shù)據(jù)調(diào)查與分析

調(diào)查地點：福州金洲南路與亭洲路、鳳岡路交匯路段.

道路基本情況：金洲南路為雙向8車道，亭洲路為雙向4車道(兩條非機動車道).主路最高車速為50 km/h，亭洲路到信號交叉口距離262 m.

金洲南路-鳳岡路交叉口信號配時：周期時長140 s，交叉口直左轉(zhuǎn)綠燈41 s，黃燈3 s；

交通量情況：交通量調(diào)查采用晚高峰小時交通量，調(diào)查數(shù)據(jù)如圖6、7所示.

3.2 方案設(shè)計

采用控制變量法對兩種方案進行模擬仿真，具體如下：

1)保持鳳岡路的交通流量穩(wěn)定，調(diào)節(jié)金洲南路的交通流量大小.

2)設(shè)定金洲南路的交通流量為常數(shù)，調(diào)節(jié)鳳岡路的交通流量大小.

通過比較兩種方案的評價指標，分析各方案的交通效果.

3.2.1 路網(wǎng)的設(shè)計

路網(wǎng)設(shè)計主要包括以下幾個方面：道路實際情況，交通量組成，實施的方案，信號控制以及一些參數(shù)指標等.

1)交通量組成

根據(jù)輸出結(jié)果的需要，采用的交通量分成幾組類型.

2)道路的結(jié)構(gòu)

主路金洲南路為雙向8車道，次路鳳岡路為雙向6車道，支路亭洲路為雙向4車道.車道寬度3 m，中央設(shè)有2 m寬綠化帶.

3)交通組織方案

相同的道路現(xiàn)狀和預(yù)設(shè)交通量，不同的是交通流的組織形式，即直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭的兩種方式.

4)信號配時

下游信號配時設(shè)有專用的左轉(zhuǎn)固定配時相位.

圖6 交通流量情況Figure 6 Traffic flow

圖7 調(diào)查地點衛(wèi)星圖Figure 7 Satellite image of the survey site

3.2.2 仿真運行及評價指標

研究對仿真方案的設(shè)計采取3 600 s的仿真步長，仿真運行周期選取3 600 s.主要是對直接左轉(zhuǎn)和遠引到下游信號交叉口兩種典型組織方式進行仿真比較，將路網(wǎng)中車輛的平均延誤、平均行程時間設(shè)定為需要輸出的評價指標.

3.3 方案比較

方案A：設(shè)定鳳岡路的車流量為150輛/h，改變主路金洲南路的車流量.

1)交通量配置

亭洲路車流量150輛/h，金洲南路車流取200～1 600輛/h，并且左轉(zhuǎn)占13%，直行50%，右轉(zhuǎn)37%；鳳岡路車流滿足左轉(zhuǎn)占13%，直行占50%，右轉(zhuǎn)占37%；選用延誤和行程時間進行評價.

2)信號配時圖如圖8所示.

圖8 信號配時圖Figure 8 Signal timing diagram

方案B：金洲南路車流設(shè)定為1 000 輛/h，設(shè)計不同的鳳岡路車流量.

1)交通量配置

亭洲路車流量150輛/h，金洲南路車流量1 000輛/h，并且左轉(zhuǎn)占13%，直行50%，右轉(zhuǎn)37%；鳳岡路車流量設(shè)計為70～170輛/h，并且滿足左轉(zhuǎn)占13%，直行50%，右轉(zhuǎn) 37%，仿真實驗選用延誤和行程時間進行評價.

2)信號配時采用固定配時，如圖9所示. 仿真過程圖及各方案下的效果評價數(shù)據(jù)如下：

如圖10所示，當金洲南路車流量小于1 200輛/h時，直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭兩種組織形式對路網(wǎng)的車流總量影響并不大.但當金洲南路車流量大于1 200輛/h時，亭洲路采用遠引調(diào)頭的方式對路網(wǎng)的車流總量影響較大.即主路車流小于1 200輛/h且次路車流不大時，支路采用遠引調(diào)頭的效果較好.

圖9 仿真過程圖Figure 9 Simulation diagram

圖10 方案A下路網(wǎng)的車流量對比圖Figure 10 Traffic flow comparison diagram of road network under Scheme A

如圖11所示，當金洲南路車流量小于1 200輛/h時，直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭兩種組織形式對路網(wǎng)的平均延誤影響并不大.但當金洲南路車流量大于1 200輛/h時，亭洲路采用遠引調(diào)頭的方式對路網(wǎng)的平均延誤影響較大.即主路車流小于1 200輛/h且次路車流不大時，支路采用遠引調(diào)頭的效果較好.

圖11 方案A下路網(wǎng)的平均延誤對比圖Figure 11 Comparison of average delay of road network under Scheme A

如圖12所示，當金洲南路車流量小于1 200輛/h時，直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭兩種組織形式對路網(wǎng)的平均停車延誤影響并不大.但當金洲南路車流量大于1 200輛/h時，亭洲路采用遠引調(diào)頭的方式對路網(wǎng)的平均停車延誤影響較大.即主路車流小于1 200輛/h且次路車流不大時，支路采用遠引調(diào)頭的效果較好.

如圖13所示，當金洲南路車流量小于1 200輛/h時，直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭兩種組織形式對路網(wǎng)的平均排隊長度影響并不大.但當金洲南路車流量大于1 200輛/h時，亭洲路采用遠引調(diào)頭的方式對路網(wǎng)的平均排隊長度影響較大.即主路車流小于1 200輛/h且次路車流不大時，支路采用遠引調(diào)頭的效果較好.

圖12 方案A下路網(wǎng)的平均停車延誤對比圖Figure 12 Comparison of average parking delay of road network under Scheme A

圖13 方案A下路網(wǎng)的平均排隊長度對比圖Figure 13 Comparison of average queue length of road network under Scheme A

如圖14所示，當金洲南路車流量小于1 200輛/h時，直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭兩種組織形式對路網(wǎng)的平均停車次數(shù)影響并不大.但當金洲南路車流量大于1 200輛/h時，亭洲路采用遠引調(diào)頭的方式對路網(wǎng)的平均停車次數(shù)影響較大.即主路車流小于1 200輛/h且次路車流不大時，支路采用遠引調(diào)頭的效果較好.

圖14 方案A下路網(wǎng)的平均停車次數(shù)(次)Figure 14 Average stopping times of road network under Scheme A (times)

如表2所示，當鳳岡路車流量小于120輛/h時，直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭兩種組織形式對路網(wǎng)的平均延誤影響并不大.但當鳳岡路車流量大于120輛/h時，亭洲路采用遠引調(diào)頭的方式對路網(wǎng)的平均延誤影響較大.即主路車流較大且支路車流不大于120輛/h時，支路采用遠引調(diào)頭的效果較好.

表2 方案B下路網(wǎng)的平均延誤(s)Table 2 Average Delay of road network under Scheme B (s)

如表3所示，當鳳岡路車流量小于120輛/h時，直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭兩種組織形式對路網(wǎng)的平均停車延誤影響并不大.但當鳳岡路車流量大于120輛/h時，亭洲路采用遠引調(diào)頭的方式對路網(wǎng)的平均停車延誤影響較大.即主路車流較大且支路車流不大于120輛/h時，支路采用遠引調(diào)頭的效果較好.

表3 方案B下路網(wǎng)的平均停車延誤(s)Table 3 Average parking delay of road network under Scheme B (s)

4 結(jié) 語

遠引調(diào)頭作為交通組織的一種疏導(dǎo)形式，在很大程度上改善了左轉(zhuǎn)交通流的沖突，提高了交叉口的通行能力.本文介紹遠引調(diào)頭組織方式的理論體系及相關(guān)模型，并基于VISSIM交通仿真軟件利用模型數(shù)據(jù)反映遠引調(diào)頭組織方式的交通運行機理，模擬直接左轉(zhuǎn)和遠引調(diào)頭方式的交通效果，最后對仿真效果進行分析研究.研究對遠引調(diào)頭組織方式的實施有較大的實踐指導(dǎo)意義.還可以在以下幾個方面進行深入研究：

1)對在路段進行左轉(zhuǎn)調(diào)頭的組織效果進行深入分析，后續(xù)將系統(tǒng)對其進行研究；2)在實際的遠引調(diào)頭組織工作中，允許左轉(zhuǎn)車在調(diào)頭交叉口的停車線后的虛線處調(diào)頭，此時左轉(zhuǎn)調(diào)頭車輛不受信號控制的影響.雖然一般情況下，直接調(diào)頭車輛較少，但后續(xù)研究可以將其加以考慮，以確保研究成果的精度，也使得研究成果更具指導(dǎo)意義.