信號控制交叉口的復合動態(tài)車道管理方法

徐洪峰,高霜霜,鄭啟明,章 琨

(大連理工大學 交通運輸學院,遼寧 大連116024)

0 引 言

潮汐是海水在天體引潮力作用下產(chǎn)生的周期性運動。通常采用潮汐交通描述機動車交通需求在空間和時間上的一種分布特征,具體指雙向通行道路區(qū)段的機動車重載方向或信號控制交叉口的機動車重載流向發(fā)生周期性變化的現(xiàn)象。職住分離帶來的以私人交通方式為主導的高強度通勤交通需求是導致城市干道潮汐交通現(xiàn)象的根本原因[1-7]。通常以機動車交通量方向分布系數(shù)作為潮汐交通現(xiàn)象的判定標準[8]。

動態(tài)車道是指能夠周期性變化規(guī)定行車方向的機動車道,主要分為兩類:①道路區(qū)段內(nèi)處于中央位置的動態(tài)連續(xù)車道[9-15],又稱潮汐車道;②信號控制交叉口的動態(tài)進出口車道[16-23],如可變導向車道、逆向可變車道、綜合待行車道等。機動車交通需求高峰時段,動態(tài)車道的規(guī)定行車方向變化為重載方向或流向;機動車交通需求非高峰時段,動態(tài)車道的規(guī)定行車方向恢復至常規(guī)狀態(tài)。動態(tài)車道管理方法可以充分利用道路空間,有效化解固定不變的車道數(shù)配置和車道功能劃分與周期性變化的機動車重載方向或流向之間的矛盾,屬于交通運行組織的高級形式。推廣并創(chuàng)新動態(tài)車道管理方法是最大限度地發(fā)揮城市干道交通服務能力的重要途徑。

現(xiàn)有的動態(tài)連續(xù)車道管理方法和動態(tài)進出口車道管理方法互不兼容。沿干道直行的潮汐車道延伸至交叉口時,必須禁止機動車左轉(zhuǎn)或?qū)⒆筠D(zhuǎn)進口車道設置在潮汐車道的右側(cè),這會給一些道路使用者造成不便,也會帶來衍生的安全和效率問題。無論采用何種動態(tài)進出口車道,均無法與上、下游路段的潮汐車道無縫對接,機動車交通需求高峰時段,難以改變重載方向通行空間資源供給不足、輕載方向通行空間資源供給過剩的基本面。

為了解決上述問題,本文面向干道沿線的信號控制交叉口,在干道相對進出口道范圍內(nèi),從道路空間布局、交通控制設施和規(guī)定行車方向的變化過程等方面,建立一種復合動態(tài)車道管理方法,實現(xiàn)潮汐車道與可變導向車道的和諧共存,深度挖掘干道存量空間資源,高效應對機動車重載方向的周期性變化。

1 道路空間布局

假定:干道為東西走向,相交道路為南北走向;干道雙向的路段車道總數(shù)為6條;沿干道直行的機動車具有潮汐交通現(xiàn)象;干道沿線交叉口的各個進口道均未實施機動車轉(zhuǎn)向限制。

具有左轉(zhuǎn)機動車保護通過功能的信號控制交叉口是城市干道的重要組成部分,有必要對此類交叉口的進口道和出口道做展寬處理,以期實現(xiàn)上游路段與進口道、進口道與出口道、出口道與下游路段的交通服務能力匹配。右側(cè)通行規(guī)則下,前方交叉口左轉(zhuǎn)的機動車習慣靠內(nèi)側(cè)車道行駛,右轉(zhuǎn)的機動車習慣靠外側(cè)車道行駛。左轉(zhuǎn)在內(nèi)、直行居中、右轉(zhuǎn)在外的交叉口進口車道功能劃分方式,不僅符合駕駛員的駕駛習慣,還具有交通沖突少、相位結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點,因此,被廣泛應用于工程實踐。

對于干道沿線具有左轉(zhuǎn)機動車保護通過功能的信號控制交叉口,遵循“展寬進口道、消除下游出口道交通瓶頸、最小化交通沖突、保持相位結(jié)構(gòu)靈活性”的原則,配置路段、進口道和出口道的車道數(shù)并劃分車道功能,如圖1所示。

機動車交通需求非高峰時段,干道雙向的路段車道數(shù)同為3條,進口道做展寬處理,出口車道數(shù)與對向的直行進口車道數(shù)相等,下游路段車道數(shù)與出口車道數(shù)相等。

機動車交通需求高峰時段,干道重載和輕載方向的路段車道數(shù)分別為4條和2條,進口道做展寬處理,出口車道數(shù)與對向的直行進口車道數(shù)相等,下游路段車道數(shù)與出口車道數(shù)相等。

由圖1可知,動態(tài)車道處于路段和進出口道的中央位置。以動態(tài)車道在機動車交通需求非高峰時段的規(guī)定行車方向為基準,分析其規(guī)定行車方向的變化方式,如表1所示。

復合動態(tài)車道管理交叉口的典型道路空間布局如圖2所示。

在一天的不同時段內(nèi),隨著機動車重載方向的變化,路段車道3、4以及進出口車道3的規(guī)定行車方向的起點和終點同時變化;進出口車道4的規(guī)定行車方向的起點可能變化、終點必然變化;進出口車道5的規(guī)定行車方向的起點不變、終點變化。應將路段車道3、4以及進出口車道3、4設置為潮汐車道,施劃潮汐車道線,將進出口車道5設置為可變導向車道,施劃可變導向車道線[24]。

圖1 車道數(shù)配置與車道功能劃分Fig.1 Lane configuration and lane-use assignment

考慮到相交道路的左轉(zhuǎn)機動車駕駛員很難在駛?cè)虢徊婵谥邦A知干道當前的出口車道數(shù),應為相交道路的左轉(zhuǎn)機動車設置路口導向線,無論潮汐車道和可變導向車道的規(guī)定行車方向如何變化,始終將它們引導至干道的常規(guī)出口車道。

根據(jù)東、西兩側(cè)的進出口車道數(shù)以及單條進出口車道的最低寬度要求,應在東、西兩側(cè)人行橫道的中央設置行人過街安全島[25]。考慮到機動車交通需求的非高峰時段遠長于高峰時段,為了在一天的大部分時間內(nèi)保持機動車運行軌跡的平順性,宜在進出口車道3、4之間開辟寬度不小于2 m的實體分隔帶并借此設置行人過街安全島。

隨著潮汐車道和可變導向車道規(guī)定行車方向的變化,會出現(xiàn)同一進口道或出口道的機動車在行人過街安全島兩側(cè)通行的現(xiàn)象,應在實體分隔帶的外部設置反光膜,提醒駕駛員注意實體分隔帶的位置。

2 交通控制設施

在潮汐車道線上設置串聯(lián)的塑料隔離墩(即水馬),剛性分離本向與對向的機動車。潮汐車道和可變導向車道的規(guī)定行車方向的變化過程中,利用拉鏈車(Road zipper)自動變換水馬的位置。

在東、西兩側(cè)進出口道的起始和結(jié)束位置分別安裝可變車道行駛方向標志,提示駕駛員按照各條車道的規(guī)定行車方向行駛[24]。

在人行橫道兩端和行人過街安全島上安裝4組行人信號燈。在行人信號燈桿的上端安裝1組左轉(zhuǎn)方向指示信號燈、1組機動車信號燈。

綜上所述,復合動態(tài)車道管理交叉口的交通控制設施安裝方式如圖3所示。

表1 動態(tài)車道及其規(guī)定行車方向的變化方式Table 1 Dynamic lanes and their directions of travel

圖2 典型的道路空間布局Fig.2 Typical intersection layout

圖3 交通控制設施的安裝方式Fig.3 Installation of traffic control devices

復合動態(tài)車道管理交叉口采用左轉(zhuǎn)在內(nèi)、直行居中、右轉(zhuǎn)在外的進口車道功能劃分方式,可以實施支持左轉(zhuǎn)機動車保護通過和行人同步二次過街的相位顯示順序[26,27],如圖4所示。根據(jù)相對進口道的機動車相位獲得通行權(quán)的先后順序,將上述相位顯示順序分為直行前置、左轉(zhuǎn)前置和直行左轉(zhuǎn)前置。

圖4 備選的相位顯示順序Fig.4 Phase sequence options

3 規(guī)定行車方向的變化過程

隨著機動車交通需求時段的變化,在拉鏈車和可變車道行駛方向標志的協(xié)同作用下,潮汐車道和可變導向車道的規(guī)定行車方向?qū)l(fā)生變化,具體分為以下4種情形:

(1)非高峰時段→高峰時段之東行重載。

(2)高峰時段之東行重載→非高峰時段。

(3)非高峰時段→高峰時段之西行重載。

(4)高峰時段之西行重載→非高峰時段。

不同情形下,拉鏈車與可變車道行駛方向標志的聯(lián)動方式如圖5所示。可以借助先進的技術(shù)手段跟蹤拉鏈車的行進位置和動作,自動調(diào)整可變車道行駛方向標志的圖形顯示。

圖5 拉鏈車與可變車道行駛方向標志的聯(lián)動方式Fig.5 Cooperation of road zipper and changeable lane-use signs

引起可變車道行駛方向標志的圖形顯示變化的交通事件(TEWB-no.和TEEB-no.)包括:

TEWB-1:拉鏈車自東向西行駛至西行＃2可變車道行駛方向標志的上游10～20 m處并臨時停車,停車時間不少于1個信號周期時長。

TEWB-2:拉鏈車自東向西行駛至西行＃2可變車道行駛方向標志的下方。

TEWB-3:拉鏈車自東向西行駛至西行＃1可變車道行駛方向標志的下方。

TEWB-4:拉鏈車自東向西行駛至東行＃1可變車道行駛方向標志的下方。

TEWB-5:拉鏈車自東向西行駛至東行＃2可變車道行駛方向標志的下方。

TEWB-6:拉鏈車自東向西行駛至東行＃2可變車道行駛方向標志的下游10～20 m處并臨時停車,停車時間不少于1個信號周期時長。

TEWB-7:拉鏈車重新啟動并繼續(xù)向西行駛。

TEEB-1:拉鏈車自西向東行駛至東行＃2可變車道行駛方向標志的上游10～20 m處并臨時停車,停車時間不少于1個信號周期時長。

TEEB-2:拉鏈車自西向東行駛至東行＃2可變車道行駛方向標志的下方。

TEEB-3:拉鏈車自西向東行駛至東行＃1可變車道行駛方向標志的下方。

TEEB-4:拉鏈車自西向東行駛至西行＃1可變車道行駛方向標志的下方。

TEEB-5:拉鏈車自西向東行駛至西行＃2可變車道行駛方向標志的下方。

TEEB-6:拉鏈車自西向東行駛至西行＃2可變車道行駛方向標志的下游10～20 m處并臨時停車,停車時間不少于1個信號周期時長。

TEEB-7:拉鏈車重新啟動并繼續(xù)向東行駛。

由于規(guī)定行車方向的變化過程需要耗費一定的時間,從效率的角度考慮,由機動車交通需求非高峰時段向高峰時段的變化過程的啟動時刻應適度早于高峰時段的預計來臨時刻,由機動車交通需求高峰時段向非高峰時段的變化過程的啟動時刻應適度晚于高峰時段的預計結(jié)束時刻。

4 仿真實驗

針對具有潮汐交通現(xiàn)象的城市干道沿線的典型十字形信號控制交叉口,分別實施復合動態(tài)車道管理方法、動態(tài)連續(xù)車道管理方法和靜態(tài)車道管理方法,利用VISSIM 6.0建立仿真實驗環(huán)境,在機動車全感應式信號控制條件下,對比分析機動車交通需求高峰時段內(nèi)不同車道管理方法對于交叉口整體性能的影響,驗證復合動態(tài)車道管理方法的有效性。

采用機動車全感應式信號控制技術(shù)進行仿真實驗的原因有三:其一,動態(tài)車道管理方法并未給交叉口的交通控制設施和信號控制技術(shù)提出本質(zhì)上的變革要求,常規(guī)的交通控制設施和信號控制技術(shù)完全適用于動態(tài)車道管理交叉口;其二,機動車全感應式信號控制技術(shù)能夠監(jiān)測并響應機動車交通需求的短時波動,獲得較預設時間式信號控制技術(shù)更優(yōu)的交叉口整體性能;其三,機動車全感應式信號控制技術(shù)有助于消除非高質(zhì)量的信號配時方案對于交叉口整體性能的干擾,避免誤判動態(tài)車道管理方法的有效性。

4.1 道路空間條件

采用不同車道管理方法的對象交叉口在路幅寬度、交通沖突區(qū)規(guī)模、路段車道總數(shù)、進出口車道總數(shù)以及其他諸多空間設計要素方面具有完全相同的技術(shù)指標,如圖6所示。各個進口道的展寬段長度為50 m、展寬漸變段長度為20 m。干道和相交道路的限制車速為50 km/h。

假定:機動車交通需求高峰時段,沿干道東行是重載方向,沿干道西行是輕載方向,以灰色導向箭頭暗示仿真實驗中潮汐車道和可變導向車道的規(guī)定行車方向;對象交叉口各個進口道的車道功能劃分充分考慮了不同流向的機動車交通需求比例。

對于復合動態(tài)車道管理交叉口和動態(tài)連續(xù)車道管理交叉口,干道重載方向共有5條進口車道(1條左轉(zhuǎn)專用車道、3條直行專用車道、1條直右合用車道),干道輕載方向共有3條進口車道(1條左轉(zhuǎn)專用車道、1條直行專用車道、1條直右合用車道)。

對于靜態(tài)車道管理交叉口,干道重載和輕載方向的進口車道總數(shù)均為4條(1條左轉(zhuǎn)專用車道、2條直行專用車道、1條直右合用車道)。

顯然,無論采用何種車道管理方法,對象交叉口的上游路段與進口道、進口道與出口道、出口道與下游路段均實現(xiàn)了交通服務能力匹配。

圖6 對象交叉口的道路空間布局Fig.6 Test-bed intersection layouts

4.2 交通需求條件

采用隨機抽樣的方式確定高峰時段對象交叉口的機動車交通需求。為了消除標準車輛折算給仿真建模帶來的不便,將機動車的交通構(gòu)成全部定義為標準車輛,即車輛長度小于6 m的小型車。

干道雙向承載的機動車交通量總和的抽樣范圍取2600～3200 pcu/h,單位增量為1 pcu/h。機動車交通量方向分布系數(shù)的抽樣范圍取65%～75%,單位增量為0.1%。西進口(重載方向)左轉(zhuǎn)比例的抽樣范圍取10%～15%,右轉(zhuǎn)比例的抽樣范圍取3%～6%,單位增量均為0.1%。東進口(輕載方向)左轉(zhuǎn)比例的抽樣范圍取20%～25%,右轉(zhuǎn)比例的抽樣范圍取5%～10%,單位增量均為0.1%。

相交道路雙向承載的機動車交通量總和的抽樣范圍取2200～2800 pcu/h,單位增量為1 pcu/h。機動車交通量方向分布系數(shù)的抽樣范圍取40%～60%,單位增量為0.1%。南進口和北進口的左轉(zhuǎn)比例的抽樣范圍取15%～25%,右轉(zhuǎn)比例的抽樣范圍取4%～8%,單位增量均為0.1%。

機動車交通需求的抽樣結(jié)果如表2所示。組1～組5的交通量總和逐漸增大。

表2 機動車交通需求的抽樣結(jié)果Table 2 Sampling results of vehicular demand

4.3 信號控制條件

對象交叉口具有4個左轉(zhuǎn)機動車相位、4個直行機動車相位、4個行人相位。干道及相交道路均采用直行前置的相位顯示順序,如圖7所示。

圖7 對象交叉口的相位顯示順序Fig.7 Phase sequence of test-bed intersections

就動態(tài)連續(xù)車道管理交叉口而言,鑒于東、西兩側(cè)左轉(zhuǎn)專用車道位置的特殊性,不允許出現(xiàn)同一進口的直行與左轉(zhuǎn)機動車相位的搭接狀態(tài)。

為了實施機動車全感應式信號控制,在每條進口車道(含動態(tài)車道)的停止線上游40 m處布設一組交通流數(shù)據(jù)檢測器,自所屬機動車相位的最小綠燈時間結(jié)束時刻至綠燈時間結(jié)束時刻,采用車道獨立檢測方式采集車頭時距數(shù)據(jù)[28]。

滿足下列條件之一時,前置的直行相位獨立切斷綠燈:①該相位達到最小綠燈時間且它的所有檢測器采集的車頭時距先后大于車頭時距閾值;②該相位達到最大綠燈時間。前置直行相位的綠燈結(jié)束后,通行權(quán)傳遞至與其沖突的后置左轉(zhuǎn)相位。由于不允許出現(xiàn)相位搭接狀態(tài),動態(tài)連續(xù)車道管理交叉口的兩個前置直行相位必須同時切斷綠燈,見下文。

滿足下列條件之一時,后置的兩個左轉(zhuǎn)相位同時切斷綠燈:①兩個相位均達到最小綠燈時間且它們的所有檢測器采集的車頭時距先后大于車頭時距閾值;②任意相位達到最大綠燈時間。后置左轉(zhuǎn)相位的綠燈結(jié)束后,通行權(quán)傳遞至相交道路的前置直行相位及其并發(fā)的行人相位。

機動車全感應式信號控制過程中,行人相位的綠燈時間保持不變,其數(shù)值主要取決于并發(fā)機動車相位的最小綠燈時間[29,30]。

其他信號配時參數(shù)如下:直行、左轉(zhuǎn)機動車相位的黃燈時間取3 s,紅燈清空時間取2 s,最小綠燈時間分別取15、10 s,最大綠燈時間取60 s;交通流數(shù)據(jù)檢測器的車頭時距閾值取3 s。對于采用不同車道管理方法的對象交叉口,互為沖突的機動車相位與行人相位的綠燈間隔時間保持不變,由于篇幅所限,不再贅述其取值。

4.4 仿真模型參數(shù)

自由流狀態(tài)下,機動車的最小和最大期望速度分別為48、58 km/h。

Wiedemann 74跟馳模型中,機動車的最小前視和后視距離均為30 m,最大前視和后視距離均為100 m,平均停車間距為1.5 m,期望安全距離的附加部分為2.5 m,期望安全距離的倍數(shù)部分為3.5 m。車道變換模型中,車輛消失前的等待時間為45 s。其他駕駛行為參數(shù)均采用默認值。

針對每個對象交叉口,在每種交通需求條件下進行1組仿真實驗,每組實驗進行7次仿真運行,每次仿真運行選取1個專用隨機數(shù)。單次仿真運行的總時間為4500 s,數(shù)據(jù)采集時段為900～4500 s。

4.5 仿真實驗結(jié)果

每組仿真實驗得到的評價指標值等于該組實驗7次仿真運行輸出的評價指標值的算術(shù)平均。

3種對象交叉口的車均延誤如圖8所示。在所有的機動車交通需求條件下,復合動態(tài)車道管理交叉口的車均延誤始終低于其他交叉口,機動車交通量總和越大,復合動態(tài)車道管理交叉口在車均延誤方面的性能優(yōu)勢越明顯;隨著機動車交通量總和的增加,復合動態(tài)車道管理交叉口的車均延誤增幅平緩,其他交叉口的車均延誤增幅則較為劇烈。由此可見,機動車交通需求高峰時段,與動態(tài)連續(xù)車道管理方法和靜態(tài)車道管理方法相比,復合動態(tài)車道管理方法能夠改善交叉口的整體性能,特別是當交叉口處于臨近飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)時。

圖8 對象交叉口的車均延誤Fig.8 Average vehicle delays of test-bed intersections

3種對象交叉口的干道相對進口道的直行和右轉(zhuǎn)平均排隊長度比值如圖9所示(以輕載方向進口道的平均排隊長度為基準值)。在幾乎所有的機動車交通需求條件下,與其他交叉口相比,復合動態(tài)車道管理交叉口的平均排隊長度比值始終更加接近于1.0;隨著機動車交通量總和的增加,復合動態(tài)車道管理交叉口的平均排隊長度比值小幅變化,其他交叉口的平均排隊長度比值則會出現(xiàn)大幅變化。由此可見,機動車交通需求高峰時段,與動態(tài)連續(xù)車道管理方法和靜態(tài)車道管理方法相比,復合動態(tài)車道管理方法能夠更加均衡地利用干道雙向的道路空間,特別是當交叉口處于臨近飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)時。

圖9 干道相對進口道的直行和右轉(zhuǎn)平均排隊長度比值Fig.9 Ratio of average through/right-turn queue lengths on opposing arterial approaches

5 結(jié)束語

本文提出的復合動態(tài)車道管理方法具備良好的可實施性和廣闊的應用前景。它遵循傳統(tǒng)的交叉口渠化原則,將潮汐車道、可變導向車道和常規(guī)車道組合設置于具有潮汐交通現(xiàn)象的城市干道沿線的信號控制交叉口,支持常規(guī)的交通控制設施和信號控制技術(shù),在拉鏈車和可變車道行駛方向標志的協(xié)同作用下,根據(jù)交通事件自動調(diào)整潮汐車道和可變導向車道的規(guī)定行車方向。機動車交通需求高峰時段的仿真實驗結(jié)果顯示,與動態(tài)連續(xù)車道管理方法和靜態(tài)車道管理方法相比,復合動態(tài)車道管理方法能夠改善交叉口的整體性能,更加均衡地利用干道雙向的道路空間,這種性能優(yōu)勢隨著交叉口機動車交通負荷的提高而愈發(fā)顯著。本團隊的后續(xù)研究工作包括:首先,從技術(shù)上實現(xiàn)拉鏈車行進位置和動作的實時跟蹤以及可變車道行駛方向標志的圖形顯示的自動調(diào)整;其次,與智能交通企業(yè)和交警部門合作,試點實施復合動態(tài)車道管理方法;最后,利用VISSIM構(gòu)建典型干道系統(tǒng)的仿真測試環(huán)境,針對復合動態(tài)車道管理方法對于干道系統(tǒng)整體性能的影響進行全面且深入的仿真測試和分析。

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