連續(xù)流交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車交通組織創(chuàng)新設(shè)計(jì)

宋浪，王健，楊濱毓，安實(shí)

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150090；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

0 引言

連續(xù)流交叉口(Continuous Flow Intersection,CFI)通過將左轉(zhuǎn)車流在交叉口上游提前轉(zhuǎn)入出口車道外側(cè)，以消除主信號交叉口左轉(zhuǎn)和直行沖突，實(shí)現(xiàn)主信號交叉口同一相位放行左轉(zhuǎn)和直行車流，理論上能提升1 倍左右的容量[1]。Pitaksringkarn[2]通過美國馬里蘭州的CFI 實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，CFI相對于傳統(tǒng)交叉口能降低64%的延誤。

考慮到CFI 車輛存在多次停車現(xiàn)象，宋浪等[3]通過重新設(shè)計(jì)信號相位方案，協(xié)調(diào)主預(yù)信號配時(shí)，以減少車輛停車次數(shù)，提升了CFI運(yùn)行效率。為擴(kuò)展CFI 適用場景，Yang 等[4]開發(fā)了針對非對稱設(shè)置CFI 的信號配時(shí)優(yōu)化模型。Sun 等[5]考慮存在相鄰交叉口間距過小不滿足移位左轉(zhuǎn)車道設(shè)置要求的情況，采用令兩個(gè)相鄰交叉口分別把對方作為預(yù)信號交叉口的做法，并給出了交叉口幾何設(shè)計(jì)方案。

CFI 實(shí)地應(yīng)用，解決行人過街問題必不可少。早在2005年，Jagannathan等[6]便針對各種類型CFI，給出了行人過街交通設(shè)施設(shè)計(jì)方案。Coates等[7]基于自適應(yīng)控制思想，實(shí)時(shí)調(diào)整信號相位相序方案，以優(yōu)先保證行人過街。Wang 等[8]設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)行人過街、行人專用相位和穿插式行人過街這3種過街模式。

關(guān)于CFI機(jī)動(dòng)車和行人過街的研究較為普遍，但目前我國僅幾個(gè)路口進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，原因在于CFI機(jī)動(dòng)車交通組織受非機(jī)動(dòng)車的影響較大，而在我國非機(jī)動(dòng)車是一種重要的出行方式[9]。為此，本文通過改進(jìn)CFI幾何布局，在保證機(jī)動(dòng)車通行效益的前提下，解決左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車過街問題，提升CFI機(jī)動(dòng)車通行能力。

1 交通控制分析

1.1 幾何設(shè)計(jì)

CFI幾何布局如圖1所示。在進(jìn)口路段上設(shè)置預(yù)信號交叉口，根據(jù)進(jìn)口方向西、南、東、北分別用WI、SI、EI、NI 表示。將左轉(zhuǎn)車道移動(dòng)到出口車道外側(cè)，稱為“移位左轉(zhuǎn)車道”，用DLT 表示。左轉(zhuǎn)車流在預(yù)信號交叉口提前轉(zhuǎn)入移位左轉(zhuǎn)車道，消除主信號交叉口左轉(zhuǎn)和直行沖突，使得主信號交叉口同時(shí)放行一條道路的左轉(zhuǎn)和直行車流。

1.2 潛在沖突分析

CFI 主信號為兩相位控制，同相位放行一條道路所有流向的機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人，左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車與同相位放行的同向和對向直行機(jī)動(dòng)車皆存在沖突，沖突點(diǎn)如圖1所示，左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車要穿越多條直行機(jī)動(dòng)車道，與直行機(jī)動(dòng)車相互干擾嚴(yán)重，同時(shí)也存在一定的行車安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 常規(guī)設(shè)計(jì)Fig.1 Conventional design

1.3 優(yōu)化控制策略

為解決左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車和直行機(jī)動(dòng)車沖突問題，對交叉口幾何布局優(yōu)化改進(jìn)，如圖2所示。在移位左轉(zhuǎn)車道至出口車道之間靠近主信號一側(cè)的非機(jī)動(dòng)車橫道區(qū)域設(shè)置左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車待行區(qū)，待行區(qū)若不能容納所有左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車停車排隊(duì)，可通過增加移位左轉(zhuǎn)車道至出口車道之間的間距或者將停車線后移兩種方法增加待行區(qū)面積。在主信號交叉口左轉(zhuǎn)車流和直行車流行駛軌跡之間設(shè)置左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車斜道，可采用彩色路面鋪裝，以增加其醒目性。也可不對交叉口進(jìn)行改造，采用兩步過街的方式解決左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車過街問題，如圖3所示。

圖3 兩步過街Fig.3 Two-step crossing

CFI 主信號為兩相位信號控制，分別為東西直行和東西左轉(zhuǎn)的東西組合相位、南北直行和南北左轉(zhuǎn)的南北組合相位，行人和直行非機(jī)動(dòng)車采用與左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車相互尋找間隙穿越的交替穿插的通行方式，信號相位方案如圖4所示。圖4(a)中路口中央轉(zhuǎn)向形狀為主信號放行流向，路段上轉(zhuǎn)向形狀為預(yù)信號放行流向，其轉(zhuǎn)向形狀與圖2中人車運(yùn)行軌跡相同。

圖2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)Fig.2 Innovative design

圖4 相位方案Fig.4 Phase scheme

以西進(jìn)口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車為例介紹創(chuàng)新設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車過街策略：第1 階段，在主信號機(jī)動(dòng)車放行相位為東西組合相位時(shí)，西進(jìn)口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車沿左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車斜道行駛至左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車待行區(qū)等待，西進(jìn)口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車與東西直行機(jī)動(dòng)車不存在沖突；第2 階段，主信號機(jī)動(dòng)車南北組合相位綠燈啟亮，西進(jìn)口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車駛離，實(shí)現(xiàn)整個(gè)左轉(zhuǎn)過程?？紤]到左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車第2 階段與同相位放行的左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車沖突區(qū)域長度僅為所有出口車道寬度和，左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車通過這個(gè)區(qū)域所需時(shí)間較短，且左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車待行區(qū)的左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車已成排隊(duì)狀態(tài)，故可令左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車相位遲起，避免與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車沖突。

2 優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 目標(biāo)條件

2.2 約束條件

2.2.1 相位相序約束

2.2.2 綠燈時(shí)長約束

2.2.3 非機(jī)動(dòng)車清空時(shí)長約束

2.2.4 周期時(shí)長約束

2.2.5 左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車待行區(qū)容量約束

2.2.6 飽和度約束

2.3 模型討論

所構(gòu)建的模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，決策變量包括流量系數(shù)、主預(yù)信號相位綠燈持續(xù)時(shí)長、主預(yù)信號相位綠燈啟亮?xí)r刻、周期時(shí)長的倒數(shù)和選擇設(shè)計(jì)方案的變量。據(jù)式(1)可知，選擇設(shè)計(jì)方案的變量共3種取值組合，可通過列舉將模型轉(zhuǎn)換為非線性規(guī)劃模型。非線性規(guī)劃的求解算法很多，多數(shù)商業(yè)求解器也可求解，本文采用MATLAB求解。

3 案例分析

3.1 參數(shù)輸入

為驗(yàn)證所提創(chuàng)新設(shè)計(jì)的運(yùn)行效益和操作性能，選取圖1 常規(guī)設(shè)計(jì)、圖2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)和圖3 兩步過街進(jìn)行對比分析。交叉口的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示，采用低、高兩種流量場景進(jìn)行驗(yàn)證，如表2所示。

表2 交通需求Table 2 Transportation demand

3.2 結(jié)果分析

采用優(yōu)化模型進(jìn)行信號配時(shí)，配時(shí)結(jié)果如圖5～圖7所示。利用VISSIM 軟件對3 種方案進(jìn)行仿真對比，將VISSIM 仿真參數(shù)校準(zhǔn)為表1 中的值。由于VISSIM 無法直接輸出交叉口通行能力，選取通過車輛數(shù)評價(jià)指標(biāo)來判斷交叉口是否過飽和，改變隨機(jī)種子共仿真10次，選取機(jī)動(dòng)車最大通過量、機(jī)動(dòng)車延誤、非機(jī)動(dòng)車延誤的均值作為評價(jià)指標(biāo)，仿真結(jié)果如圖8～圖10和表3所示。

表3 交叉口仿真結(jié)果對比Table 3 Intersection simulation results comparison

圖5 常規(guī)設(shè)計(jì)配時(shí)結(jié)果Fig.5 Timing results of conventional design

圖7 創(chuàng)新設(shè)計(jì)配時(shí)結(jié)果Fig.7 Timing results of innovative design

圖8 機(jī)動(dòng)車最大通過量仿真對比Fig.8 Simulation comparison of maximum vehicle throughput

圖10 非機(jī)動(dòng)車延誤仿真對比Fig.10 Simulation comparison of non-motor vehicle delay

表1 基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters

圖6 兩步過街配時(shí)結(jié)果Fig.6 Timing results of two-strep crossing

如圖8所示，在低流量下，3 種方案機(jī)動(dòng)車實(shí)際通過數(shù)相同，而在高流量下，常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)車實(shí)際通過量小于兩步過街和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，說明兩步過街和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能夠消除連續(xù)流交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車對直行機(jī)動(dòng)車的干擾，從而提升交叉口通行能力。

如圖9所示，3種方案左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車延誤皆較大，原因是左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車在所遇的3 個(gè)信號燈處皆存在停車，從而導(dǎo)致延誤增加。而直行機(jī)動(dòng)車因主預(yù)信號協(xié)調(diào)控制，保證了其通行效率。從整個(gè)交叉口來看，兩步過街和創(chuàng)新設(shè)計(jì)在低流量場景下分別能夠降低16.93%、15.87%的機(jī)動(dòng)車延誤，而在高流量場景下，分別能夠降低55.58%、57.18%的機(jī)動(dòng)車延誤，說明在常規(guī)設(shè)計(jì)過飽和時(shí)，兩步過街和創(chuàng)新設(shè)計(jì)對連續(xù)流交叉口運(yùn)行效率的改善更為顯著。

圖9 機(jī)動(dòng)車延誤仿真對比Fig.9 Simulation comparison of vehicle delay

如圖10所示，兩步過街和創(chuàng)新設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車延誤大幅增加，原因在于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車存在繞行，會(huì)經(jīng)歷兩次停車，而常規(guī)設(shè)計(jì)在交叉口直接左轉(zhuǎn)，且左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車相對于直行機(jī)動(dòng)車有行駛優(yōu)先權(quán)。3 種方案直行非機(jī)動(dòng)車延誤相差不大。

4 敏感性分析

為進(jìn)一步證明3種方案的適用性，探討直行機(jī)動(dòng)車流量600～1500 pcu?h-1、左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量100～800 pcu?h-1、左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量80～240 輛?h-1對交叉口通行能力的影響。

如圖11所示，3 種方案機(jī)動(dòng)車最大通過量皆隨直行機(jī)動(dòng)車流量的增加先增后減，原因在于，當(dāng)直行機(jī)動(dòng)車流量較低時(shí)，左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車為臨界車流，直行機(jī)動(dòng)車通行處于非飽和狀態(tài)，所以隨著直行機(jī)動(dòng)車流量的增加，交叉口機(jī)動(dòng)車最大通過量也隨之增加；當(dāng)直行機(jī)動(dòng)車流量超過一定值時(shí)，直行機(jī)動(dòng)車為臨界車流，此時(shí)隨著直行機(jī)動(dòng)車流量的增加，交叉口流量系數(shù)減小，導(dǎo)致左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車通過量減小。整體來看，常規(guī)設(shè)計(jì)由于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車和直行機(jī)動(dòng)車存在沖突，不適合直行機(jī)動(dòng)車流量較大的場景。

圖11 直行機(jī)動(dòng)車流量影響分析Fig.11 Influence analysis of straight-going motor vehicles flow

如圖12所示，3種方案機(jī)動(dòng)車最大通過量皆隨左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量的增加先增后減，原因在于，當(dāng)左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量較低時(shí)，直行機(jī)動(dòng)車為臨界車流；當(dāng)左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量超過一定值時(shí)，左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車為臨界車流。整體來看，兩步過街由于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車會(huì)兩次占用直行機(jī)動(dòng)車通行資源，導(dǎo)致左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車通行能力下降，所以不適用左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量較大的場景；創(chuàng)新設(shè)計(jì)由于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車第2階段會(huì)使左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車相位遲起，也不適用左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量較大的場景，但比兩步過街應(yīng)用效果要好。

圖12 左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量影響分析Fig.12 Influence analysis of left-turn motor vehicles flow

如圖13所示，常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)車最大通過量隨著左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量的增加急劇減少，這是由于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車和直行機(jī)動(dòng)車存在沖突導(dǎo)致的。兩步過街機(jī)動(dòng)車最大通過量隨著左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量的增加先保持不變，然后逐漸降低，且降低的幅度會(huì)逐漸增加，原因是左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量較小時(shí)，直行機(jī)動(dòng)車為臨界車流，所以左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量的增加不會(huì)影響機(jī)動(dòng)車最大通過量；由于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車會(huì)兩次經(jīng)過非機(jī)動(dòng)車橫道與左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車存在沖突，當(dāng)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量超過一定值時(shí)，左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車通行能力下降嚴(yán)重，使得左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車為臨界車流，從而降低了交叉口通行能力。創(chuàng)新設(shè)計(jì)由于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車不存在沖突，所以流量的改變不會(huì)對機(jī)動(dòng)車最大通過量造成影響，但由于左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車待行區(qū)存在容量約束，當(dāng)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量較大時(shí)，為保證一個(gè)周期到來的左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車數(shù)量不超過左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車待行區(qū)容量，會(huì)減小信號周期時(shí)長，從而會(huì)略微降低機(jī)動(dòng)車最大通過量。整體來看，創(chuàng)新設(shè)計(jì)在各種流量場景下的適用性均較好。

圖13 左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量影響分析Fig.13 Influence analysis of left-turn non-motor vehicles flow

5 結(jié)論

(1)提出了一種創(chuàng)新的連續(xù)流交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車過街方案，解決了左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車和直行機(jī)動(dòng)車沖突問題。通過案例分析發(fā)現(xiàn)，兩步過街和創(chuàng)新設(shè)計(jì)消除了左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車對直行機(jī)動(dòng)車的干擾，提升了交叉口運(yùn)行效率，且在常規(guī)設(shè)計(jì)過飽和下，擁堵改善效果更佳明顯。

(2)通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)設(shè)計(jì)不適用于直行機(jī)動(dòng)車流量較大的場景，兩步過街和創(chuàng)新設(shè)計(jì)不適用于左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量較大的場景。常規(guī)設(shè)計(jì)和兩步過街機(jī)動(dòng)車通行能力會(huì)隨著左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量的增加大幅減小，而創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)車通行能力受左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車流量的影響較小，在各種流量場景下適用性較好。

(3)所提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)側(cè)向干擾嚴(yán)重，會(huì)對左轉(zhuǎn)車輛的運(yùn)行造成影響，后續(xù)需重點(diǎn)關(guān)注影響其設(shè)置的各種因素，以及實(shí)地應(yīng)用效果。