移位左转交叉口研究进展

邓明君,朱腾洲

(华东交通大学交通运输与物流学院，南昌 330013)

随着经济的不断发展，人们的生活水平不断提高，小汽车保有量在逐年攀升，机动化出行比例不断增大，造成城市拥堵愈加严重。交叉口作为城市交通网络的节点，承担着来自各个方向的交通压力，减少交叉口处产生的交通冲突是提高交叉口通行能力的有效措施。交叉口冲突包括左转弯交通冲突、右转弯交通冲突和穿越交通冲突三种情况，其中左转弯产生的冲突点最多且造成的影响最严重，如何合理组织左转车流，减少交叉口冲突点，提高交叉口的通行效率显得尤为重要。

消除交叉口处左转交通流产生冲突点的典型方法有禁左[1-2]、设置环岛[3-4]、利用街道实现连续右转[5]、远引式(U形)左转[6-7]、采用涡轮式交叉口[8]、借对向出口道[9-10]等实现左转，这些方法虽然能够减少交叉口处由左转车流产生的交通冲突，但有些建设需要占用较大面积，且会产生车辆的绕行，造成资源浪费和环境污染。

移位左转交叉口(displaced left-turn intersection，DLT)，作为一种非常规的交通流组织方式在墨西哥首次应用，随后在美国相继研究并得到实施。近些年中国学者对移位左转进行了研究，首次在深圳应用。通过研究及实施现状可以发现，移位左转这一交通流组织方法应用得当则可以提高交叉口通行效率。

现对中外移位左转的研究及实施现状进行总结概述，对研究的突破点与不足进行相关分析，以期为移位左转交叉口的后期研究与实践提供参考与借鉴。

1 基本概念与实施历程

1.1 基本概念

移位左转，顾名思义，将交叉口处左转车道进行转移，将道路断面重组。移位左转主要包括两种类型：一种是连续流交叉口(continuous flow intersection，CFI)，是移位左转的一种典型类型，将左转车道进口端转移至同方向出口车道左侧，在同一相位实现相对方向的左转与直行车辆同时通行；另一种是平行流交叉口(parallel flow intersection，PFI)，是移位左转的一个变化类型，将左转车道出口端转移至出口端方向的进口车道右侧，可以实现四个方向的左转同时通行。这两种类型都是在主交叉口、主信号灯上游设置次交叉口及预信号，增加相关指引标志与标线，减少了信号相位数，提高了绿信比，从而增加交叉口的通行效率。具体设计图如图1所示。

图1 移位左转交叉口分类Fig.1 Displaced left-turn intersection classification

由于平行流交叉口(PFI)对交叉口相交道路的等级要求比连续流交叉口(CFI)更高，实施不多，研究也较少，只针对连续流交叉口进行综述，下文中出现的移位左转交叉口均指连续流交叉口(CFI)。

1.1.1 分类

移位左转交叉口适用于三路交叉(T形交叉口)和四路交叉(十字形交叉口)，不适用于多路交叉口，因为移位左转会使多路交叉口交通组织更加复杂，加剧交通拥堵。十字形移位左转交叉口又可分为双向控制和四向控制。另外根据设置移位左转的同方向是否单独设置右转出口车道，又可将移位左转交叉口细分为7种，分类图如图2所示，以十字形对称移位左转交叉口为例，设计图如图3所示。

图2 移位左转交叉口详细分类Fig.2 Detailed classification of displaced left-turn intersections

有研究[11]表明，一个四向控制移位左转交叉口相比常规交叉口，平均延误可减少30%～40%，通行能力提高10%～25%；一个双向控制移位左转交叉口相比常规交叉口，平均延误同样减少30%～40%，通行能力提高10%～20%。另外，交叉口四个方向的交通流本身是不平衡的，双向控制比四向控制建设费用要低，对相交道路要求也较低，因此现实中，双向控制移位左转交叉口比四向控制移位左转交叉口应用更加广泛。

1.1.2 优缺点

图3 十字形对称移位左转交叉口设计Fig.3 Design of symmetrical displaced left-turn intersection

移位左转交叉口能够有效消除交叉口处直行车流与左转车流的冲突点，减少主信号的信号相位，提高主交叉口处的通行能力。但此方法也存在一定的局限性，对周边道路有要求，具体优缺点如下：优点：①消除主交叉口处直行车流与左转车流的冲突点；②减少了信号相位数，提高了直行和左转车辆的绿信比；③提高了交叉口的通行能力；④对道路及交叉口不需要重大建设改造，建设费用少。缺点：①增加了左转车辆停车次数及延误；②增加了慢行过街时间，可能出现慢行交通流混乱的局面，因此该方式适用于慢行较少的交叉口；③无法满足车辆掉头需求；④增设更多的信号灯组；⑤易使驾驶人员和行人产生误解。

1.2 实施历程及效果

移位左转交叉口最早在美国与墨西哥发展，20世纪80年代中期墨西哥修建了第一个移位左转交叉口[12]，1987年美国的Francisco等[13]申请专利并于1991年获得批准，同年为布鲁克林的一处原本为3 000万美元的隧道项目设计为移位左转设计，节省了2 400万美元的建筑费用。基于布鲁克林的研究实验，1995年道林大学在国家航空运输中心的入口处建造了一个移位左转实验版交叉口。21世纪以来，移位左转交叉口在美国的应用更加广泛，相继在华盛顿州、路易斯安那州、犹他州、密西西比州等多处建立了移位左转交叉口，其中路易斯安那州的巴吞鲁日航空高速公路和锡根路/舍伍德森林大道交叉口在2007年被国家高速公路质量合作组织(NPHQ)选为国家成就奖金奖得主[14]。实践证明，移位左转交叉口在车均延误降低、通行能力提高、事故数减少、建设费用方面都取了很好的效果。

中国关于移位左转交叉口的研究始于2006年钱红波[15]对新型T形信号控制交叉口交通设计与交通控制方法的改进，首次提出了移位左转的概念，但未对此方法进行命名。中国关于移位左转的实施始于2017年10月，在深圳的彩田-福华交叉口首次试用[16]，将彩田路南北双方向进行了移位左转，实现了南北向直行车辆与左转车辆同时放行，将原有四相位控制转变为三相位控制。通过数据采集分析，南进口的排队长度缩短215 m，东进口的排队长度缩短160 m，路口总通过流量由4 218 辆/h提升至5 441 辆/h，其中最拥堵的南进口通行效率提升达57.6%。同时，由于通行相位的减少，将原有180 s的信号周期缩短为140 s，各方向等待红灯的时间都大幅减少，交叉口平均延误降低了24.1%。2018年7月30日，深圳在红荔-华富路口实施了第二个移位左转交叉口，车辆排队长度明显缩短，通行能力得到大大提升。2018年9月，湖北省武汉市中南路-傅家坡交叉口正式开工建设为移位左转交叉口。

2 设计优化

设计优化是移位左转交叉口能运行畅通的前提，设计包括交叉口类型、标志标线、左转储存车道长度、主次交叉口之间的距离、转弯半径等一系列细节尺寸问题。文献[17-18]简要介绍了移位左转交叉口的组织设计和控制等。主要从三个方面具体展开，包括标志标线设计、左转储存车道长度设计及其他几何尺寸的优化设计。

2.1 标志标线设计

移位左转交叉口作为一种新型非常规的交通组织形式，车流的运行状况不同于常规交叉口，尤其是在次交叉口处需要引导左转车辆进入对向车道左侧，因此对标志标线的研究非常重要。

Inman[19]利用驾驶模拟器对移位左转交叉口的最佳标志标线所在位置及驾驶员第一次遇到此类交叉口能够正确驾驶的程度进行探究实验，标志放置方式分别为门架式、道路中段和右侧地面悬挂式、仅道路右侧地面悬挂式，标线实验测左转弯终端的最佳停车线位置，实验结论得出三种标志设置位置实施效果相同，所有指定停车线的处理方法同样有效，选取的101名参与者除5人因模拟器症状未能完成驾驶测验，其余参与者在第一次面对移位左转交叉口时均没有表现出困惑。由于移位左转交叉口造成了行人过街时间和距离较长，为了提高行人过街的安全性，Ramanujan等[20]和Coates等[21]设计了几种典型的移位左转交叉口的行人过街形式，并进行了灵活的信号控制。结果表明，该设计及控制方法可以在降低车辆延误的同时改善行人的舒适性。

如今已建成的移位左转交叉口标志标线大多根据设计者和实践者的经验设计，关于移位左转交叉口标志标线的研究较少，缺少系统的理论，如何合理设计尚未标准化，有待进一步研究形成规范。

2.2 左转储存车道长度设计

左转储存车道长度是移位左转交叉口的一个重要尺寸，它将直接决定左转车的蓄车能力，合适长度的左转储存车道既能防止车辆的溢出，同时又能使左转车达到最好的通行效果。

Tanwanichkul等[22]探究了移位左转在泰国的应用，由于泰国是靠左行驶，故移位左转演变成“移位右转”，通过VISSIM仿真分析三种长度(短、中、长)的主、次交叉口之间距离对于移位左转交叉口运行效果的影响，给出了左转车辆：直行车辆：右转车辆为1∶3∶2的情况下，其他各种尺寸限制的情况下右转车道储存长度。该研究得到的最优车道储存长度是在特定的交通情境中，并不具有普适性，为了找寻普适性模型，Carroll等[23]在探究几何设计对移位左转交叉口运行影响的基础上，通过分析犹他州的多个移位左转交叉口设计方法，基于信号配时以数学关系给出了一个精确确定左转储存车道长度的方法。钱萍等[24]研究了移位左转交叉口左转车道交通适用条件，利用M/M/1排队论理论，在考虑信号周期的基础上确定左转车辆排队长度的限值，确定了给定交通条件下左转储存车道的长度。

2.3 其他几何尺寸设计

为促进信息交流，在美国运输部赞助下印发的Alternative intersection/interchange:informational report (AIIR)[25]介绍了美国对于移位左转交叉口的实施情况，从几何设计注意事项、评估管理事项、交通信号设计、标志标线设计、慢性及公共交通适应性、安全性能、建设成本、施工顺序、适用性等多方面介绍了移位左转交叉口。结合以往研究及实施案例，给出了左转储存车道长度、中央分隔带宽度、转弯半径及主信号交叉口与对向直行车道相交角度等一系列细节方面的建议尺寸，但并无论证。

另外Sun等[26]基于移位左转交叉口的思想，提出了当相邻交叉口距离较近时的一种改进移位左转交叉口的设计方法(CFI-lite)，它将上游交叉口设置为次交叉口，也可满足直行车辆和左转车辆同时通过交叉口，达到提高通行能力的效果；华雪东等[27]在常规纵列式交叉口[28]的基础上，提出设置移位左转的纵列式交叉口设计，建立了车道标志及渠化、移位左转车道长度、整理区长度、信号配时方案一体化确定的优化模型，得到移位左转的纵列式交叉口更适合左转比例较小的情况。

综上，研究者对于标志标线设计、左转储存车道长度设计及其他几何尺寸设计的研究都较少，没有形成规范、系统的理论，且没有充分考虑到行人和非机动车的过街情况。对于移位左转这一交通组织方式，车道划分及车道长度(尤其左转储存车道长度)的尺寸确定尤其重要，尺寸的设计优化影响着交通顺畅度与安全性。因此，在考虑行人和非机动车的前提下建立一套整体的设计优化模型是目前急需解决的问题。

3 信号控制

合理的信号控制方案是提高交叉口通行效率、降低延误的有效方式，任何一个交叉口的信号控制方案都影响着整条道路的运行状态，决定着交通的拥堵程度。对于移位左转这一新型交通组织方式，对其进行信号控制研究更是成为热点。纵观目前的研究，信号配时的方法有直接利用软件进行信号配时、通过各种变量关系建立机理模型，另外还有对非机动车及非对称移位左转交叉口进行信号控制的研究。

3.1 软件法

Synchro是进行交通信号配时与优化的理想工具，具有分析通行能力和进行自适应信号控制仿真等功能，如文献[29-30]在研究中直接应用 Synchro 软件实现。Dhatrak等[31]给出了四向控制移位左转交叉口和双向控制移位左转交叉口的信号相位相序图，以及在交通流均衡及不均衡状态下的信号配时情况。

3.2 建模法

另有专家学者希望通过建模的方式来寻找移位左转交叉口的最佳信号控制模型。Jagannathan等[32]提出的信号优化模型以交叉口延误最小为目标函数，约束条件有次交叉口处等待左转的车辆延误、向主交叉口行驶的左转车辆的延误、在主交叉口处等待的左转车辆延误、直行车辆延误、所有车辆停车次数、行人绿灯时间，通过求解器WinQSB建立模型并进行求解。但此模型没有考虑到主次交叉口之间的距离、排队长度对信号控制的影响。基于此，You等[33]以车辆延误和停车次数最少为目标函数，以主交叉口和次交叉口排队长度不超过可用车道空间为约束，建立了移位左转交叉口信号配时协调优化模型，用以优化相序方案、周期长度、相位持续时间和相位差，并将模型计算结果的最小周期、通行能力和平均延误与传统交叉口进行敏感性分析。然而，此研究仅给出了该模型的初步评价结果，未评估该模型在各种交通需求、转弯比例和道路条件下的有效性。

为寻求更精准的移位左转配时方法，Suh等[34]利用VISSIM仿真比较了两种信号配时方法：一种是使交叉口延误最小的蒙特卡罗方法，另一种是利用枚举法使通行带宽最大化的方法，将两种信号控制模型应用到交通均衡及不均衡时的移位左转交叉口场景中，结果表明蒙特卡罗法可以为给定的交通需求提供近似最优的参数选择范围且更具灵活性。需要指出的是此研究是基于有限数据的分析，数据是来自两个简化的交通场景，所提出的方法不能应用于所有可能的参数组合，也不能保证得到使延误最小的信号配时的全局解。常云涛等[35]将直行和左转车流的停车时间作为延误时间，以延误最小作为目标函数，以周期时长、主次信号相位差决定的排队长度作为约束条件，建立了一个具有普适性的信号配时优化模型，采用等步距枚举法进行求解，确定最小车均延误值，同时输出其他最优参数。但在对模型进行验证时，仅针对某个具体交叉口，没有体现出普适性，验证结果也具有偶然性。

3.3 其他方面信号优化

针对移位左转交叉口主信号处左转非机动车与直行机动车的冲突，赵靖等[36]提出了一种左转非机动车优化设计方法，该线性优化模型以机动车通过量最大为优化目标，考虑了信号相位相序、周期时长、绿灯时长等约束条件，经案例验证，该模型能够在保障非机动车通行安全的基础上提高机动车通行能力。但在实际应用中，该模型不能根据不同时段交叉口交通需求的波动性来做出相应调整；针对非对称移位左转交叉口几何特征，Yang等[37]建立了两种信号控制模型。第一个模型为两步优化模型，第一步确定周期长度、相位相序和绿灯时长，第二步进行主次交叉口相位差的优化。第二个模型以次交叉口通行能力和总绿带宽度最大为目标函数，采用混合整数线性规划方法对所有信号控制变量进行优化。实例验证结果证明所提出的两种模型都能够提高交叉口效率，并防止排队车辆溢出。另外还将两种模型的性能与Synchro 7.1产生的信号控制模型比较，发现两种模型的均优于Synchro产生的信号控制方案，且模型一在防止排队溢出方面更有效，模型二在信号相位设计上更具灵活性。但此模型未考虑不同的交通需求，也未在不同的交通需求场景中进行验证。

综上，大部分研究都是基于信号配时软件来确定移位左转交叉口的信号控制方案，现有研究仍未找到具有普适性的模型，研究中没有完全考虑所有交通场景，所得模型都具有一定的局限性。确定移位左转交叉口的信号控制方案仍然是一个重大的挑战。

4 综合优化设计

综合优化设计是指移位左转交叉口几何尺寸结合信号配时建立一个统一的模型，能够在精确的确定几何尺寸的同时进行信号配时的优化，使移位左转交叉口更加高效的运行。

在交叉口规划阶段，Yang等[38]考虑到延误与最大排队长度与车道长度的比率高度相关，分析了四向控制移位左转交叉口的四种排队类型(主交叉口直行、左转车辆排队，次交叉口直行、左转车辆排队)，得到了每一种队列的计算方法，结合信号配时建立了模型，并进行了Shapiro-Wilk正态性检验和Chow模型稳定性的检验。程名等[39]以交叉口车均延误最小为目标函数，以进口道车道数量、功能为变量，假设各进口道每条相同功能的车道流量是相等的，考虑信号配时的条件下，建立了移位左转交叉口方案优化模型。这两个模型都有一定的局限性，文献[38]以排队长度为切入点，但并不能保证延误是最小的，文献[39]以延误为切入点，但假设条件使该模型的应用更加局限。

在前人研究基础上，Zhao等[40-41]在2015年和2016年分别提出了一种基于车道的移位左转交叉口综合设计优化模型和一个考虑路面标线设计、主次交叉口之间距离和信号时间的综合优化模型，前者的目标函数是交叉口通过的流量最大、次交叉口储备容量最大和加权平均带宽最大，后者的目标函数是交叉口储备通行能力最大化，两个模型的约束条件基本一致(交通流量，主、次交叉口车道、主、次交叉口信号配时、最大带宽、移位左转车道长度、可接受的服务水平)。两个模型都选择分支定界法进行求解，前者设定左转储存车道的取值范围及步长使非线性函数转化为线性规划问题，后者则设定周期长度的取值范围及步长求解，最终得到最优参数如车道分配、左转弯位移车道长度和信号时间等。蒋贤才等[42]针对有右转出口道双向控制移位左转交叉口，以机动车车均延误最小为优化目标，以主预信号配时、移位左转车道长度、路段左转车储存段车道长度为约束条件建立模型。以上研究模型均为静态模型，需要预先输入确定的数据比如交通流量，未考虑交通需求和交通量随时间的变化，而且未考虑相邻交叉口之间的约束条件及直行车与左转车交通量之间的比例关系，不具有鲁棒性。

较多学者在综合优化设计方面提出了自己的见解并建立了相关模型，这些模型通过验证也都有显著效果，但都具有局限性。模型均为静态模型，未完全考虑移位左转的特有性质和不断随时间变化的交通流，也未考虑相邻交叉口之间的约束条件，且模型不具有鲁棒性。

5 效果评价

5.1 延误、通行能力效果评价

对移位左转交叉口进行效果评价，可以更直观地看出移位左转交叉口与常规交叉口对比产生的效益。Li等[43]和Vedagiri等[44]分别对马里兰州和印度的一处T形移位左转交叉口进行设计并仿真，仿真结果显示移位左转交叉口车均延误显著降低。文献[45-49]等也都对移位左转交叉口进行了几何、信号等方面的控制并对其进行评价，研究结果也都表明移位左转比常规交叉口通行效率更高。大部分专家学者通过仿真来研究两种交叉口在不同的交通流量下运行效果，如表1所示。

表1 不同交通量下常规交叉口与移位左转交叉口对比研究Table 1 Comparative study on conventional intersection and DLT under different traffic volume

评价效果研究较为全面的有Jagannathan等[32]分析了三种不同情况的移位左转几何设计构型(有右转出口车道四向控制移位左转十字形交叉口、有右转出口车道双向控制移位左转十字形交叉口、无右转单向控制移位左转T形交叉口)，利用VISSIM仿真得到，三种类型的延误、平均排队长度比传统交叉口均有不同程度的降低，通行能力均得到了提高，在饱和流条件下比非饱和流条件下效果更加显著；林翰等[56]分别研究了主次交叉口之间的距离、左转车流量对移位左转交叉口通行效率的影响，以直行车均延误和左转车均延误作为评价指标，通过VISSIM建模仿真比较了传统交叉口和移位左转交叉口，实验结果得到移位左转适用于直行车流量较大、左转车流量相对不大的交叉口，并且移位左转在未饱和的交叉口发挥的作用更加明显。可以看出，两位研究者的结论是不一致的，因此关于移位左转交叉口更适用于饱和还是未饱和交叉口还有待进一步研究。

另外，Dhatrak等[31]利用VISSIM仿真，研究了DLT和PFI在三种不同交通量下(四向控制平衡流、四向控制非平衡流、双向控制非平衡流)的运行性能。赵靖等[57]、Wang等[58]对移位左转交叉口行人过街所产生的延误进行分析，分别建立了三种过街方式(传统行人过街模式延误、行人专用相位过街模式延误、穿插式行人过街模式延误)的延误模型，利用VISSIM对模型的准确性进行检验得到三种方式的适用条件。

从以上可看出，研究者对于移位左转的延误、通行能力的效果评价大都是利用VISSIM仿真模型，其余分析也是利用别的仿真软件，没有针对移位左转特有性质进行特定的建模来进行评价。直到2018年，于丰泉[59]分别用基于HCS+通行能力的分析评估方法以及基于微观交通仿真的方法分别对彩田路-福华路移位左转交叉口的服务水平、QL比等评价指标进行了分析评估，对比评价结果具有一致性，为连续流交叉口的设计以及分析评估提供了借鉴。

5.2 其他参数评价

除了对移位左转交叉口通行能力及延误的评价，其他专家学者也从别的方面评价了DLT。Reid等[60]选取了美国弗吉尼亚州和北卡罗来纳州五个高容量且常规设计的十字形交叉口进行移位左转设计，对高峰期流量和非高峰期流量用CORSIM模型仿真比较了行程时间与总时间的比率；范筱洁[61]采用运行分析法的主流分析方法，利用Synchro 6.0仿真软件模拟交叉口运行情况，得出了移位左转交叉口交通流总量范围及各流向交通量比例范围。Park等[62]利用交通视频、INTEGRATION和VISSIM软件对移位左转交叉口驾驶行为、安全性、运行效率及量化环境影响方面进行评价分析。Yang等[38]计算了移位左转交叉口主、次交叉口直行、左转车辆排队长度并评价分析。

综上，专家学者在评估移位左转交叉口的效果方面从未停止脚步，但大多基于仿真评价DLT在各种几何构型、各种交通需求场景中的运行效率，还有对行人延误的评价、安全性、对环境影响的评价，不管从哪一个方面，移位左转交叉口都体现出了自身的优越性。但是，针对移位左转特有属性进行综合建模分析评价的研究还未曾出现，将成为未来研究的重点。

6 现状研究不足与展望

近年来中外专家学者对移位左转交叉口的理论研究和实践方面都取得了丰硕成果，在信号控制研究、设计优化研究及效果分析上，都体现出了移位左转交通组织方式相对于常规交叉口及其他非常规交叉口的优越性。在实践方面也可以看到，移位左转交叉口已经从开始的美国逐步向各个国家发展，中国目前也有三例移位左转交叉口，且都有效减少了交叉口延误，提高了整体通行效率。

回顾现有研究，也存在着不足，通过不足以确定未来的研究方向，具体表现为以下五个方面：①研究者对于标志标线、左转储存车道长度等几何尺寸的相关研究较少，未形成规范的、系统的、标准化的移位左转交叉口设计方法，且设计未充分考虑行人及非机动车的过街情况，为使移位左转交叉口能够广泛使用，后续将在设计方面研究以期形成一套完备的设计模型；②信号控制方面没有考虑各种交通场景，没有发掘出具有普适性的信号配时方案，后续研究将考虑移位左转交叉口的实时信号控制，并且充分考虑行人和驾驶员等人为因素的影响；③对于一个常规交叉口是否适合移位左转这一交通组织方法即移位左转交叉口的适用条件，并没有相关研究及一套完备的模型来进行验证，如有些研究表明移位左转交叉口适用于左转流量较小的交叉口，有些研究则否定这一观点，认为移位左转适用于左转流量较大且交叉口饱和度较大的交叉口，后续将着重从流量方面研究移位左转交叉口的适用性；④在确定某个交叉口可以设计为移位左转交叉口时，综合考虑设计及信号控制等各种因素，研究将建立一套完备且具有普适性的模型，目前研究模型均为静态模型，未考虑到流量的实时变化性，后续将考虑交通的动态性这一特性构建模型，使交叉口通行能力达到最大化；⑤没有评价移位左转实施效果的机理模型，现有评价基本都是基于仿真软件来进行，这也将成为未来研究的重点。

7 结论

总结了移位左转交叉口在设计优化、信号控制、综合设计优化及效果评价四个方面的研究成果，以及中外的实施效果。整体来看，中国的研究及实践都晚于国外，但近几年中国研究及实践成果较多，发展较快。针对现有研究成果，提出每一个研究中存在的不足并给出建议，这也将成为未来移位左转交叉口的研究方向，以期为后续研究和实践应用提供参考和借鉴。