信號交叉口左轉車道外置的影響因素仿真研究

曹弋,李輝,李雪彤

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028) *

近年來，隨著城市信號交叉口各流向交通負荷的增大與上游并道行駛現象的頻繁發生，部分城市的某些交叉口出現了左轉車道外置的應用實例.相關研究表明，當交叉口進口道的外側車道中存在較多左轉車或左轉公交車時，為了減少這些車輛與直行車的交織現象，可以將左轉車道外置[1].也有學者認為，這種有悖于駕駛習慣的交通組織方式，將導致部分粗心駕駛員不按車道行駛，對交叉口的整體運行質量造成不利影響[2].鑒于上述問題，有必要針對左轉車道外置的影響因素與影響關系開展定量研究.

目前，國內外對該問題進行了相關研究.在左轉車道設置方面，楊曉光[3]較早地提出了將左轉車道與右轉車道相互置換的設計方法.皮鈺鑫[4]借助VISSIM軟件，以路段平均行程車速為評價指標，得到了車道功能置換設計方法的適用條件.近年來，蔡曉萌[5]定性分析了左轉專用道外置的交通措施及適用條件.李碩等[6]針對分離式雙左轉車道交叉口，通過VISSIM仿真實驗，分析得到了外側左轉車流量、大車率及內外側車道間距對內側左轉車流延誤的影響關系.舒蕾[7]對南京市8組內置和外置左轉車道組的車頭時距、周期流量、大型車比例進行了比較分析，認為90%的大型車會選擇外置左轉車道通行.張春生等[8]考慮大型貨車轉彎半徑及客貨混行比例等因素，提出了貨車專用左轉車道外置的幾何臨界條件.LIU Pan等[9-10]利用二元Logit模型，定量研究了左轉車道外置對交叉口通行能力及運行效率的影響.認為駕駛員選擇外置左轉車道通行的概率，隨主線交通量及內側左轉車道排隊長度的增加而增加；隨上游右側輔道至該交叉口距離的增加而減少.該規律被WAN Jingjing等[11]以實地調查數據所證實.GUO Yanyong等[12]通過視頻檢測交通沖突的方法，分析評價了左轉車道外置交叉口的安全性.Fitzpatrick Kay等[13]通過對比內置與外置左轉車道的飽和流率，給出了雙左轉車道的幾何與交通組成影響因素.在交織特性研究方面，周銳等[14]認為交織流率和交織長度是影響出入口處交通運行的重要因素.陳利霖等[15]，建立了交織車輛跟車換道的二元選擇 Logit概率模型.徐艷等[16]建立了交織段服務水平的計算模型，求解得到了滿足某一服務水平和交織流量下所需的最小交織段長度.

盡管國內外對左轉車道外置的問題進行了一定的研究，但還是以定性分析或特例研究為主.雖然有少量的定量研究，但也只是提出了左轉車道外置的影響因素，而對于具體的影響關系與設置的臨界條件仍缺少一般性、規律性的定量論證.此外，交織特性研究方面，多側重于高速公路或城市快速路上的交織段，忽視了交叉口上游的交織影響.鑒于此，本研究基于VISSIM軟件，構建不同長度交織段與車道數的進口道仿真模型，通過輸入不同的交通運行參數進行仿真實驗，對比分析進口道交通延誤及其變化規律.研究成果對交叉口左轉車道的合理布置、上游路段交織現象的減少及左轉車流的有效組織，具有一定的理論指導意義與實際應用價值.

1 情景設定與影響因素甄別

1.1 情景設定

前人研究表明，左轉車道外置適用于左轉及掉頭車輛中，存在較多大型車的情況[6]；同時適用于交叉口交織段中，存在較多由外向內并道左轉的情況[4].如圖1所示，若采用傳統的左轉車道內置方案，從路段上游駛入的左轉車需要在較短的距離內經過多次車道變換，才能駛入目標車道；若將左轉車道外置，只需要進行一次變道.

圖1 左轉車道內置與外置的車流交織

針對以下三種情景，討論左轉車道外置的影響因素.

(1)兩相鄰交叉口距離較近，且從上游交叉口匯入外側車道的車輛中，有較多需要在該交叉口左轉或掉頭的車輛.

(2)高架橋下橋匝道接入外側車道，且下橋車輛中有較多需要在該交叉口左轉或掉頭的車輛.

(3)交叉口上游設有路側式公交專用道或公交站，且有較多公交車需要在該交叉口左轉或掉頭.

1.2 影響因素甄別

通過對上述三種情景的初步仿真分析不難發現，當車道數較多時，外側車道中的左轉車需要進行較多次車道變換方能駛入內置的左轉車道；當斷面的直行車輛數較多時，外側左轉車輛在并道行駛過程中，與直行車的沖突顯著增加；當交織段長度較小時，外側左轉車需要在短距離內進行多次車道變換，同樣使得交通沖突的幾率大為提高.因此將車道數、交織段長度及直行車輛數三個因素作為通用影響因素.考慮到情景(1)與(2)的左轉車輛主要為社會車，而情景(3)為公交車，故而選擇最外側車道的左轉車輛數與左轉大車率分別作為情景(1)、(2)與情景(3)的特定影響因素.

2 交通仿真實驗設計

2.1 仿真模型與道路交通參數

利用Vissim構建信號交叉口仿真模型，車道數分別設定為三車道與四車道；左轉車道分別設定為內置與外置.因此，車道數與車道功能不同的仿真模型共有4類組合.

仿真實驗的交通參數是在新隆街與世紀路交叉口實測數據的基礎上，進行趨勢外推后選取的，如表1所示.本實驗在4類仿真模型中，分別改變交織段長度、左轉大車率、左轉車流量與直行車流量中的某1項參數，其余各項參數固定為現場實測數據不變，以進口道平均延誤為指標，對比分析左轉車道內置和外置方案下，不同道路交通因素對延誤的定量影響關系與臨界條件.每次仿真的有效時長為1 h(從300 s開始至3 900 s結束).考慮到隨機因素的影響，每組相同的道路交通條件均進行3次仿真實驗.本研究共進行了408次仿真實驗.

表1 仿真實驗的道路交通參數

2.2 參數標定

VISSIM軟件中的參數，其默認值基于國外的交通情況.構建的交通仿真模型，不一定能真實地反映我國交通流的實際情況.因此，需要對軟件相關模型的參數進行校正，以保證仿真結果的準確性.

在仿真模型的標定過程中，可調整的參數較多，主要包括：跟馳模型、變道模型、路徑決策模型以及其他模型的參數.本研究以實測交通數據為基準，針對VISSIM軟件中對仿真輸出結果有較大的影響的參數，多次運行交通仿真模型，根據模型的輸出結果確定參數的取值，得到的參數校正結果如表2所示.標定后，仿真交通量與實測交通量相關系數達到99.84%，如圖2所示.后續的仿真實驗，均采用標定后的模型參數進行仿真分析.

表2 仿真實驗模型的標定結果

圖2 參數標定后的實測值與仿真值

3 影響關系與臨界條件

3.1 交織段長度

為了分析交織段長度在4種車道布置方案下，對進口道交通運行狀態的影響，將該參數由70 m增加至210 m，每級增加20 m.其他道路交通條件均保持現場實測參數不變，即左轉車流量為170 veh/h，左轉大車率為11%，直行車流量為527 veh/h，得到了不同交織段長度影響下，4種車道布置方案對應的進口道平均交通延誤，如圖3所示.

圖3 交織段長度對進口道平均交通延誤的影響

由圖3可知，對于左轉車道內置的情況，進口道平均延誤隨著交織段長度的減小而顯著增大.這是因為交織段長度減小后，外側車道中的左轉車需要在短距離內進行多次變道，方能駛入目標轉向車道.這一過程既增大了左轉車與直行車的沖突數，又增大了左轉車的等待時長.而對于外置的左轉車道，由于車輛間的交織次數較少，進口道的交通延誤整體較小.車道數的不同，雖對交通延誤存在一定的影響，但影響程度并不顯著.

此外，四車道方案中左轉車道內外置擬合曲線交點的橫坐標為190 m，三車道為172 m.這說明190 m與172 m分別對應于四車道與三車道方案中，左轉車道內外置的臨界點，即交織段長度小于臨界值時，外置左轉車道的交通延誤較小，更有優勢；反之，常規的內置左轉車道更為有利.

3.2 左轉車流

外側車道的左轉車流量及其交通組成關系到交織區內車流運行的順暢程度.在分析左轉車流量時，將左轉車流量由10 veh/h增加至170 veh/h，每級增加20 veh/h，如圖4所示.

圖4 左轉車流量對進口道平均交通延誤的影響

可以看出，四車道方案的進口道平均延誤，隨左轉車流量的增加而增大，當左轉車流量在10～90 veh/h之間時，由于交織段內需要變道的左轉車較少，與主線車流的交織現象不太嚴重，左轉車流量的增加對進口道延誤的影響相對較小；當左轉車流量大于90 veh/h時，內置方案的進口道延誤相對于外置方案，發生了急劇的增加.這是因為，當外側車道左轉車輛增加到一定程度后，開始有部分的左轉車輛在交織段內難以完成變道行為，出現了堵塞現象.當進口道為三車道時，與四車道的方案相比，車輛在交織段需要的變道次數相對較少，內外置方案的交通延誤均小于四車道方案，并且，當左轉車流量超過130 veh/h后，內置方案的交織段才會產生擁堵，導致進口道延誤劇增.

由圖4可知，四車道方案中左轉車道內外置擬合曲線交點的橫坐標為67 veh/h，三車道為89 veh/h.也就是說，67 veh/h與89 veh/h的左轉車流量分別是對應于四車道與三車道方案，左轉車道內外置的臨界點.

在分析左轉車流交通組成的影響時，設置仿真模型初始的左轉車流量為圖5中臨界值，然后在4%～20%之間調整左轉大車率，其余的道路交通條件均與分析左轉車流量的影響時相同，得到了在不同左轉大車率影響下，4種車道布置方案對應的進口道延誤，如圖5所示.

圖5 左轉大車率對進口道平均交通延誤的影響

從圖5中可以看出，左轉大車率對進口道平均延誤的影響規律，與左轉車流量的影響具有一定的相似性.不同點表現在，當左轉大車率小于8.5%時，不論三車道還是四車道，其左轉車道內置與外置的延誤差別不大；當左轉大車率大于8.5%時，左轉車道外置的平均延誤均小于內置方案.此外發現，車道數越多，左轉大車率的影響程度越顯著.

3.3 直行車流

為了分析不同車道布置方案下，直行車流對進口道交通運行狀態的影響規律，改變由上游駛入每條直行車道的車流量，將其由150 veh/h增至500 veh/h，每級增加50 veh/h，得到了對應的四組平均延誤數據，如圖6所示.

圖6 直行車流量對進口道平均交通延誤的影響

由圖6可知，對于左轉車道內置的情況，進口道平均延誤隨著直行車流量的增加而顯著上升.這是因為，隨著主線車流中直行車輛的增加，直行車流出現可插入間隙的幾率減少，外側左轉車并入內道的過程中，等待可插入間隙的時間變長，交通延誤隨之迅速上升.相對地，當左轉車道外置時，交織段內需要變道的車輛數減少，對主線直行車流的影響減小.

由圖6中內外置擬合曲線的交點橫坐標可知，四車道方案的左轉車道內置或外置的臨界點為270 veh/h，三車道方案為295 veh/h，當直行車流量小于臨界值時，常規的內置方式相對有利；反之，外置左轉車道的交通延誤較小，更加可取.

4 應用案例

4.1 交通調查與數據整理

選取沈陽市2個設有外置左轉車道的交叉口與大連市2個左轉車道內置的交叉口，開展交通調查.分別調查其高峰小時交通量和道路幾何參數作為仿真建模的基礎數據，討論其左轉車道外置的適用性，進口道的交通參數如表3所示.

表3 進口道交通參數

4.2 左轉車道布置

依據研究得到的車道數、交織段長度、左轉車流量及直行車流量對左轉車道外置的影響規律及臨界值，結合4個案例的進口道交通參數，分別對其應采用的左轉車道布置方式進行分析，判定結果如表4所示.

表4 主要影響因素的臨界值及案例實測值

進一步分析可知，只有當三個主要影響因素同時滿足外置條件時，如案例1和2，方可采用左轉車道外置方案.如若其中一條或一條以上不滿足，如案例3和4，則沒用充分理由將左轉車道外置，需進一步開展仿真延誤分析后，方可判定.

4.3 仿真延誤分析

為了進一步明確案例3和4的左轉車道布置方案并驗證案例1和2的左轉車道設置位置是否合理，將案例1和2信號交叉口的左轉車道改為內置；案例3和4的改為外置，其余交通參數保持不變，針對改變前后的交叉口分別構建Vissim仿真模型，輸出進口道1 h平均延誤，以獲取改變左轉車道設置位置前后的延誤值.每個模型均使用不同的隨機種子仿真三次，得到的交通延誤的平均值如表5所示.從表5中選擇仿真延誤值小的方案，作為左轉車道設置位置.信號相位方案及配時參數均采用現場實測數據.

表5 進口道平均交通延誤仿真結果

仿真結果表明，案例1和2，左轉車道外置方案的進口道平均交通延誤遠小于內置方案，說明在該進口道將左轉車道外置的延誤降低效果顯著；案例3和4，內置左轉車道方案的交通延誤相對較小，適合采用常規的左轉車道布置方案.由仿真模型得出的左轉車道布置方案，均與現實中交叉口的車道布置方案相一致.

5 結論

(1)信號交叉口左轉車道外置的主要影響因素包括進口道車道數、上游交織段長度、直行車流量及外側車道左轉車流量或左轉大車率.從延誤角度來看，左轉車道外置適用于進口道車道數較多、上游交織段長度較短、直行車流量較大且外側車道左轉車流量或左轉大車率較高的情況;

(2)得到了主要影響因素對左轉車道內外置延誤的定量影響關系及臨界值，并以4個交叉口的實地調查數據作為案例，分析了左轉車道內外置的布置條件以及在這些交叉口將左轉車道外置的必要性;

(3)左轉車道外置存在與長期形成的駕駛習慣不符、必須設置左轉專用相位及左轉信號時間略長等弊端.

本文主要論述在其他因素不變的情況下，單一影響因素的變化，導致左轉車道內外置兩種方案的延誤變化特征及規律.對于多因素綜合影響下的左轉車道設置位置的判定，具有一定的局限性.上述問題可在本研究的基礎上，通過綜合建模分析，進行更深入的探究.