大型车占比例较高的左转车道改进方案分析

米荣伟，王文强，赵 琴，盛玉刚

(南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037)

1 研究目的及意义

对于城市道路来说，交叉口是各类交通流的集散地，是道路交通的关键[2]。尤其是平面交叉口，占城市交叉口的比例相对较大，对城市道路至关重要。随着我国汽车保有量再创历史新高，交叉口的交通状况越来越差，而左转车辆中大型车辆又是交叉口交通管理的重点，在左转车辆中大型车辆所占比例对交叉口的通行效率影响较大。目前，大部分交叉口的车道组合方式仍然是左直右，只有少数地区为了优化交叉口服务水平，将交叉口的车道组合方式改为直左右等一系列的渠化方式，但是左转车道的位置却不能够轻易改变，改变左转车道的位置可以增加大型车辆的转弯半径，减少交通事故的发生[3]。本次研究的主要目的是改变车道水平位置对交叉口的安全性、通行能力的影响，以及在不同交通负荷和大型车比例下对交叉口通行效率的影响，并给出适合改变车道位置的情况。

2 交叉口的数据调查

为保证实验精度，采用人工计数法进行交通量调查，用雷达测速仪观测交叉口驶入车速，用录像确定转弯轨迹与冲突区域。调查数据如表1所示。

表1 交叉口交通调查数据

注：小型客车速度分布为20～35 km/h，大客车速度分布为20～30 km/h

3 车道改变后交叉口整体通行能力分析

3.1 现有通行能力模型

本次研究选用4种交叉口计算通行能力的方法，分别为HCM2000、HCS软件计算、城市道路规范法、转弯半径对通行能力的影响法。

3.1.1 美国HCM2000模型

建立在现有规划的信号配时方案基础上，通过对基本饱和流率进行折减最终得到饱和流率，饱和流率乘以g/c，得到一个车道组的通行能力。

3.1.2 HCS软件

与HCM理论相同，输入每个车道的车流量、信号灯的配时方案、车道宽度及大型车比例等，软件就会自动得出每个车道组的通行能力。

3.1.3 城市道路规范法

采用《城市道路工程设计规范》[4]计算设计通行能力

(1)

3.1.4 转弯半径对通行能力的影响法

通过查阅文献得到转弯半径对左转通行能力的影响模型[5]，该模型假设车头时距服从正态分布，从而得到由μ值作为代表的饱和车头时距，并计算出此时的饱和流率。通过大量的数据拟合，得到饱和流率关于车道宽度、转弯半径的近似函数，即

y=1 580×[1+0.031(W-3)+

0.005 6(R-30)]

2.8≤W≤4，20≤R≤48.

(2)

式中：y为饱和流量，pcu/h；W为车道宽度，m；R为车道半径，m。

3.1.5 估算通行能力计算

由实际调查的信号配时，对不同大型车比例的车头时距表采用差值法计算出饱和车头时距ht，利用式(3)可估算出交叉口的通行能力，其值和实际值较为接近

C=3 600(G/C1)/ht.

(3)

式中：ht为对应饱和车头时距；G为对应车道绿灯时间；C1为信号灯周期时长。

3.2 改变车道后整体通行能力对比分析

在现有交通条件下，进行交叉口左转车道位置变换，由原始的“左直右”布局调整为“直左右”布局(见图1)。将上述4种模型的计算值与估算通行能力值进行汇总，如表2所示。

表2 现有左转车道通行能力计算 pcu·h-1

图1 左转弯车道位置调整示意图

从表2数据可以看出，由于HCM和HCS的这两种模型计算均建立在“左直右”车道布局的基础上，而改变车道位置前后右转车道位置没有发生显著变化，所以在HCM计算过程中折减系数未发生改变，在计算直行车道的通行能力时尚未加入车道位置的折减系数，因此，HCM模型可以近似计算直行和右转车道的通行能力。

城市道路工程设计规范的计算值偏小，这是因为该方法的计算结果为设计通行能力，还应除以V/C值才能得到实际通行能力值。因此，本研究不采用该方法。

转弯半径影响法的计算值与HCS值、估算通行能力值相差不大，且该方法考虑到转弯半径对通行能力的影响[6]，因此，采用该方法计算左转通行能力。

用HCM法计算直行和右转车道的通行能力，用转弯半径影响法计算左转车道的通行能力，将改变车道布局前后的交叉口通行能力计算值制成如图2所示的状态。

由图2可得，车道改变前后的通行能力没有降低也没有显著提升(整体提高0.4%，左转车道提高了4%)，改变车道组合方式以后左转车道不能设置较为有效的左转待行区，会对小型车辆的通行能力有小幅度的降低，但左转待行区的设置对大型车辆的通行能力影响不是很显著。综上所述，改变车道后不会影响车道的通行能力。

图2 车道改变前后通行能力分析

4 车道改变后交叉口通行效率分析

目前，影响交叉口通行效率的指标主要有延误、排队长度和饱和度。本次研究采用延误作为判断车道改变前后的交通效率主要指标，在平面信号交叉口中，影响延误的因素较为复杂，为简化问题，选用左转比例、大型车比例、交通负荷作为本次研究的主要变量，并利用Vissim仿真软件来观察改变车道前后的交叉口延误变化情况。

4.1 仿真准备

对车道改变前后的交叉口做出以下假设条件[7]：该交叉口为独立交叉口，不受相邻交叉口的影响；交叉口仅用于机动车通行，忽略行人与非机动车的影响；驾驶人均为理智驾驶人，且机动车性能相近；对改变前后的信号配时不做调整，并选用如图3所示的信号配时[8]。

图3 交叉口信号配时

仿真过程如图4、图5所示，选用Vissim默认公交车模型，其速度分布为20～30 km/h，选用Vissim默认小汽车模型，其速度分布为20～35 km/h。选用节点，并选择排队长度、平均延误时间、污染排放等参数作为输出数据。

图4 改变车道前

图5 改变车道后

由于存在4个进口方向，为突出研究重点，以实测流量换算后的标准小客车(PCU)作为输入车辆，对改变车道前进行初次仿真运行，得到各进口道延误时间，如图6所示。

由图6可知，东左转的延误最高，可达到平均66.08 s/辆。因此，选用东进口作为研究的主要进口，其他进口方向的研究与此相同。

同时，在多次仿真模拟中发现，当分别以实际车辆数、PCU车辆数作为输入车辆来研究左转比例及大型车比例带来的影响时，改变车道前后的延误差值很小，而当输入车辆达到校正流率(校正流率=PCU/PHF)时，延误差值有明显变化。所以，在研究左转比例和大型车比例的影响时，选用校正流率作为输入车辆数。

4.2 左转比例对改变车道前后交叉口延误的影响

一般而言，左转的车辆数会对整个交叉口的延误有较大影响，本次研究通过上述的假设条件，采用控制变量的方法对左转比例进行研究，进口延误差值按式(4)计算[9]。

采用校正流率作为输入车辆，控制大型车比例及输入车辆总数不变，左转比例按照10%的递增速度，从0%增加到100%。记录每次仿真运行得到数据，并计算各进口延误的差值(见图7)，计算式为

Δ=t1-t2.

(4)

式中:Δ为各进口延误差值；t1为未改变车道各进口车道的延误；t2为改变车道后各进口车道的延误。

由图7可知，在校正流率不变的情况下，左转车辆比例对改变车道前后的延误没有影响。

图6 各进口道车道延误

图7 校正流率下各进口道延误差值

4.3 交通负荷与大型车比例对改变车道前后交叉口延误的影响

大型车由于启动时间长、转弯半径大，对整个左转交通具有重要影响。采用校正流率作为输入车辆，控制东进口总的车辆数以及直行、右转的比例不变，左转比例以1%的增长速度从0%增加到100%，记录每次的仿真数据，并计算每次的延误差值(见图8)[10]。

图8 延误差值

由图8可知，当东左转大型车比例为0%～38%时，东左转的延误减少值在-1 s附近变化；当大型车比例达39%～60%时，东左转的延误有明显降低，并在4 s附近波动变化，以后的变化也相似。

当到达交叉口的车辆数为校正流率，东左转的大型车比例达到39%～60%时，改变车道后东左转的平均延误减少了4.1 s，其余情况如表3所示。

表3 不同大型车比例下左转延误减少值

由表3可得，在该交叉口中，当到达车辆数为校正流率，东进口左转的大型车比例达到39%以上时，推荐使用改变后的车道，左转平均延误有明显减少。

交通负荷对改变车道前后交叉口延误有较大影响，为明确说明交通负荷的程度，本次研究定义参数X，X为单位时间内到达交叉口的实际车辆数与通行能力的比值，并选用该参数X作为衡量交通负荷程度的指标。

由图9可知，当X值较小(X≤0.5)时，改变车道后，交叉口的延误改变不多，部分进口延误有所增加。当X=0.6，且东左转大型车比例在0%～50%时，各车道的延误均有所减少，但减少的不明显。当X>0.6，东左转大型车比例>15%时，东左转延误有较为明显的降低；特别是当X为0.7、0.9、1.0时，东左转延误降低更为明显。

图9 不同进口道参数下随大型车比例变化的进口道延误变化值

综上所述，当X≥0.6，东左转大型车比例大于15%时，推荐改变左转车道位置，此时东左转延误有较大减少。

5 改变车道布局后交叉口安全性分析

本次采用冲突点与车辆间的冲突夹角作为评价交叉口安全的指标[11]。交叉口左转车辆和右转车辆的转弯半径各不相同，右转车辆的行车路径近似分为起始直线、起始ES曲线、圆形曲线、终止ES曲线、终止直线5个部分[12]，左转车辆的行车轨迹近似为三次抛物线[13]。在此次研究中为了简化计算，将转弯车辆的行驶轨迹视为圆弧，用作图法求解车辆间的冲突夹角。

在信号周期的合理控制下，同一时间段内改变车道前后冲突点的个数均为4个，所以在信号交叉口改变车道前后冲突点个数不会发生显著变化。由于我国信号灯从红灯到绿灯中间设置了3 s时长的黄灯，这样有利于消除由于抢灯在同一个方向驶入交叉口各种车辆的冲突点个数。总而言之，在同一个信号周期内改变车道组合方式不会对冲突点个数产生显著影响[14]。

图10 交叉口行驶轨迹简化图

在信号灯控制的情况下，各方向的转弯半径前面已经得出，用此转弯半径作两个相交的圆，如图10所示，AE、BE分别是用北左转与南右转的转弯半径所作的圆弧，它们交于冲突点E。DF为东右转车辆的转弯半径，南直行车辆的行驶轨迹简化为一条直线CD，它们交于冲突点D，通过对交叉口视频的分析，结合车辆的长度与宽度，本次研究取离D、E两点8 m的地方作为两个方向车辆真正发生冲突的地点，将D、E两点向后移动8 m，与圆弧相交，在此交点做圆弧的切线，分别得到切线1、2、3，则切线1、2的夹角就是北左转与南右转车辆的冲突角，切线3与CD的夹角就是南直行与东右转车辆的冲突角。由此就可以得到各个方向的冲突角，最终结果如表4所示。

表4 交叉口冲突分析

由表4可以得出在左转车道改变前后，交叉口的安全水平并没有降低，反而有一定提升。

6 结 语

通过以上研究可得出以下结论：改变车道位置不会降低交叉口的安全性、通行能力；交叉口进口左转车辆比例对改变车道位置前后的延误没有影响；当到达车辆达到交叉口通行能力的60%以上，且左转大型车比例大于15%时，在相同信号周期的控制下，改变车道位置对延误值有明显降低。与之相对，通过改变信号配比来调控交叉口的延误可以节约部分人力、物力及时间，有利于发挥交叉口的最大潜能[15]；在大型车较多的工厂、码头、旅游客运中心集散地等地区附近的交叉口可以考虑改变车道位置，以此增大左转的转弯半径并降低延误。以上延误结论由Vissim仿真所得，和实际情况存在一定的偏差，有待进一步论证。