“借道左转”交通管控技术研究及应用

翁章斌, 周晨静, 汤宇皇, 朱安康

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司, 北京 100032；2.北京建筑大学，北京 100032 3.北京千方科技集团有限公司，北京 100089；4.杭州海康威视数字技术股份有限公司，杭州 310000)

最大限度利用信号交叉口时空资源、提升信号交叉口通行能力，是信号交叉口交通组织研究的核心目标.综合车道布局、车流组织、信号控制是进行交叉口组织模式研究的基本手段.当前常见信号交叉口组织模式有两相位直行左转同时放行、三相位控制先直行后左转、四相位控制先直行后左转等，分别适用不同交通流量条件.为更进一步提升交叉口通行能力，交通工程实践人员提出“借道左转”这一新型组织模式，该模式实现了左转车辆的提前排队，充分利用路口道路资源，可减少延误，提高了路口饱和流量的通行速度.为进一步推广技术应用，团队对其技术原理、适用条件、效果分析等做出系统性研究.

1 “借道左转”交通管控技术原理

“借道左转”交通管控模式指在交叉口出口车道设置双向行驶车道，在进口道停止线前设置第2条停止线，并在中央隔离带设置1个出口，通过合理的设置标志标线及预信号灯，引导在路口即将左转的车辆进入出口道设置的双向行驶车道，借用出口车道疏导左转车辆[1-3].对应控制组织形式由当前“先直行后左转”转换为“先左转后直行”.该交通组织模式单个入口设施布局示意如图1所示，具体相位分布如图2所示.

图1 “借道左转”交通管控示意图

图2 单个入口相位分布示意图

与传统组织方式相比，该模式增加了路段信号灯控制左转车流进入双向行驶车道，合理的设置第2条停车线的具体位置是实现该组织模式的关键.如下图3所示，某一进口道的交通流量、前后相邻的两交叉口间距、该进口道公交站的设置情况是影响第1停车线和第2停车线间距的主要因素.

图3 设置第2停车线的主要影响因素

第2停车线的位置设置与进口道交通车流量的大小息息相关.进口道交通车流量与两停车线之间的间距D的关系可通过图4的非线性曲线描述，即：D=f(Q).在一定的交通流量范围内，2条停车线的间距与到达进口道的交通流量呈正相关，流量越大，2条停止线的间距就越大，但间距D的值需保证在一个合理的范围内；如果前后2个交叉口的间距L小于200 m，受到进口道排队长度、交叉口间车辆运行效率等因素的影响，不适宜开展“借道左转”的交通管控措施.交叉口上游若设置有公交站，则公交站点距离进口道第1停止线的距离BL应大于两停止线的间距D.

图4 两停车线间距与交通流量的关系

2条停止线的间距D可称“借道左转”区域长度，间距D的长度由进口道1个周期内各转向所能允许的最大停车排队长度加上车辆实现安全变道所需的安全距离.

(1)

式中，q为在高峰小时内，1个信号周期相应的信号相位内抵达交叉口的车辆数；n为对应某一相位的车道数量；L停为排队过程中前后辆车之间的安全停车间距；L安为车辆变换车道所需要的纵向距离长度，车辆最小转弯半径R以及车辆变道横向移动距离W是影响该长度的关键因素.

L安=R2-(R-W)2

(2)

2 “借道左转”交通管控技术适用条件分析

由“借道左转”交通管控技术原理分析可知该模式对道路条件有一定要求，具体如下：

1)信号交叉口入口道需有足够的空间，上下游交叉口间距宜大于200 m.

2)信号交叉口入口车道应大于等于3车道.

3)适用的交叉口需要满足进口车道数和出口车道数相匹配，且进口车道的渠化展宽少.

4)适用于进口左转交通流量相对较大、左转排队长度过长的交叉口.

5)适用于原发性拥堵点，且下游交叉口能接收上游交叉口的流量.

3 “借道左转”交通管控技术应用效果分析

3.1 实验交叉口选取

依据适用性条件筛选出北京市长椿街-宣武门西大街路口作为实验交叉口进行研究.

3.1.1 实验交叉口几何条件

宣武门西大街与长椿街交叉口为平面十字交叉口，宣武门西大街呈东西走向，长椿街位于交叉口南侧，交叉口北侧是闹市口大街.该路口4个方向的道路横断面形式均为3块板，道路中央设置隔离护栏.东进口道的渠划设计为3直1直右，出口为4车道，进口导向车道长度为60 m；西进口渠划设计为2左4直1右，出口为4车道，进口导向车道长度为60 m；南进口渠划设计为2左2直1右，出口为3车道，进口导向车道长度为60 m；北进口渠划设计为1左2直2右，出口为4车道，进口导向车道长度为45 m.

宣武门西大街：西进口道上游有1处主路入口，距离进口道290 m；东进口道上游有1处辅路入口，距离进口道90 m、东出口道下游有1处辅路入口，距离出口道345 m.

长椿街：北进口道上游有1处主辅路出入口,距离进口道120 m、南进口道上游有1处路侧出入口，距离进口道38 m、南出口道下游有1处主辅路出入口，距离出口道200 m.

3.1.2 实验交叉口控制条件

宣武门西大街与长椿街交叉口的现状采用信号控制，该信号控制共4个信号相位；根据该交叉口管控条件，东进口道左转车辆禁止通行；根据实地调研，该交叉口的信号控制类型为感应式控制，信号配时方案随着交叉口流量的变化而变化；笔者所在团队对该交叉口的信号控制进行调查，并对其中1次信号周期开展分析，该信号周期时长5’15”，每个信号相位黄灯4”，全红4”，见表1.

表1 路口现状信号配时表

3.1.3 实验交叉口流量条件

2015年7月对宣武门西大街与长椿街交叉口进行了为期一周的交通量调查，获取了早高峰(07:00—09:00)、晚高峰(17:00—20:00)该交叉口交通流量数据，参考CJJ37—2012《城市道路工程设计规范》中的车辆换算系数，对该路口的交通量进行折算.该交叉口各进口道的交通流量及排队长度分别见表3、表4.

表2 《城市道路工程设计规范》车辆换算系数

表3 路口交通量统计表 辆

表4 车辆排队统计 辆/周期

3.2 实验交叉口现状运行评价

3.2.1 交通量及通行能力分析

根据以上调查数据分析，宣武门西大街与长椿街交叉口主要交通压力集中在东、西进口道上，没有明显的潮汐现象，无论是早高峰还是晚高峰，交叉口的饱和度均较高；与东西向不同，南、北进口道的交通压力较小，且潮汐现象较为明显.

对现状交叉口的理论通行能力进行了计算[4-5]，并对服务水平进行了估算：

(3)

图5 西进口道交通流量与车辆排队长度分析

通过分析晚高峰期间该交叉口交通流量与车辆排队长度的数据，总结得出该交叉口主要存在以下问题：

西进口道直行相位存在一定的延误，每1个相位实际通过交叉口的车流量小于理论计算值；若1个周期内进口道的排队长度小于实际和理论绿灯通过的车辆数，则可能存在有效绿灯时间的末尾出现无车通过交叉口的现象.

由于西进口道设置左转待行区，存在部分原本在直行车道的车辆在待转区违规排队，导致左转实际绿灯通过交叉口的车辆数大于理论计算值，并且左转排队的车辆数远远大于实际绿灯通过交叉口的车辆数，说明左转的能力供给不能满足左转的交通需求.

根据交叉口的服务水平评价指标[6]，对该路口的服务水平进行划分，交叉口处于不稳定的交通状态，进口道拥挤严重，车辆存在较大的延误，为四级服务水平.

3.2.2 其他交通设施对该交叉口的影响

根据实地调研，主要路段的出入口、公交车站、人行横道、相邻交叉口等对该交叉口基本无影响.

3.3 基于“借道左转”交通管控技术的实验交叉口管控方案设计

通过实地调研分析，宣武门西大街与长椿街交叉口在高峰期间西进口道需要左转的车辆数较多，现有交通设施及信号控制不能提供足够的左转通行能力，导致西进口道左转的车辆在路口处排队，短时间内难以消散，造成车辆延误较大，交通拥堵.

团队针对该交叉口现存的交通问题，对西进口道采用“借道左转”的控制措施，具体设计方案如下：

根据上述两停止线间距D的计算公式，输入西进口道交通流量等条件，计算得出宣武门西大街与长椿街交叉口西进口道两停止线间距D的最佳长度为120 m.西进口道设置4条直行车道，2条左转车道，并“借用”西出口道2车道作为左转车道，设置1条右转车道.

图6 该交叉口设计方案信号相位

为更好地阐明设计方案的信号控制，将位于该交叉口第1条停车线的信号灯定义为“通行信号灯”，借用西出口道靠近中央隔离带的2条车道分别定义为①车道和②车道；将位于第2条停车线前的信号灯定义为“诱导信号灯”，并将第2条停车线前的两条车道定义为①′车道和②′车道.

该交叉口的信号控制仍然采用四相位，与现状的信号控制基本无异，具体相位放行方式如下：

第1相位：

通行信号灯相位1：西进口道全绿；

诱导信号灯相位1：绿灯直行，待行车辆进入2条左转车道，通过交叉口.

第2相位：

通行信号灯相位2：左转信号灯变红，东西向直行信号灯变绿.

诱导信号灯相位2：绿灯直行，待行车辆直行进入2条左转车道，等待左转.

第3相位：

通行信号灯相位3：南北左转绿灯；

诱导信号灯相位3：红灯，车辆位于第2停止线前等待；

第4相位：

通行信号灯相位4：南北直行绿灯；

诱导信号灯相位4：绿灯，等待的车辆分别进入①和②车道.

团队根据经典Webster配时法[7]，计算该信号控制不同相位绿灯时长，该交叉口设计方案的信号周期时长为5′15″，各信号相位时长见表5：

表5 该交叉口设计信号配时表

图7 该交叉口信号配时图

3.4 管控方案仿真评价

1)路口建模

根据实地调研数据，利用VISSIM微观仿真软件建立仿真模型如图8所示[8-9]：

图8 交叉口建模

2)仿真运行

建好的交叉口微观模型开展仿真分析.

图9 交叉口仿真运行

3)输出结果

通过微观仿真模拟，对通过路口的交通量、车距延误、最大排队长度等指标进行前后方案的效果评价.

4)设计优化方案仿真

图10 交叉口设计优化方案

表6 长椿街现状仿真数据

表7 长椿街(设计方案)仿真数据

5)仿真效果评价

表8 该交叉口改造前后方案对比

根据以上分析，本文旨在论证“借道左转”的管控方式能提升交叉口左转通行能力，控制单一变量，前后对比的2个方案除了西进口道左转信号控制不同外，其他条件一致.根据对比结果，该交叉口西进口道通过“借道左转”提升了交叉口的运行效率，对直行车道无优化效果，左转通行能力提升72.2%，能较好的满足该交叉口西进口道左转的交通需求.

4 应用前景与不足

“借道左转”交通管控技术可有效解决交叉口进口车道左转车辆排队过长的问题，将有限的交叉口道路资源高效整合，提高交叉口运行的稳定性，提升交叉口的通行能力.该技术的应用，在配套工程方面主要涉及标志标线等交通工程设施，相对于渠化拓宽等大规模土建施工，改造所需工程量较小，投资相对较低.根据仿真结果，“借道左转”交通管控技术的应用可有效提升交叉口的通行能力，但在实际运营过程中可能存在驾驶行为、驾驶习惯等方面的不确定因素，需要在实践过程中加以关注，尤其是“先直行后左转”转变为“先左转后直行”对于过路行人通行习惯也有较大影响.