公路平交路口左转专用道设置阈值的仿真研究＊

秦雅琴 熊 坚 李海琼

（昆明理工大学交通工程学院 昆明 650224）

0 引 言

左转专用道是交叉口的重要组成部分.研究表明：在交通流中，车辆的潜在碰撞随着车辆之间速度方差的增加而增大.由于左转车辆的影响，交叉路口通行效率下降、延误时间增长、废气排放加剧［1］.因此，如果合理设置左转弯车道能够有效地将左转车辆从直行车流中分离出来，则会减小客车流速度方差，并降低追尾事故的发生［2］.当前，国外有关无信号交叉口左转车道设置的研究主要是基于Harmelik的研究，如J.David，P.E.De－Baie和Brian Park，Nicholas J Garber等均以图表的形式对左转车道的设置准则给予了描述［3－4］.国内主要有王京元运用交通流理论、概率论和排队论对无信号交叉口左转车道的设置依据进行了研究［5］，并建立相应的设置准则模型.但在实际应用中，难以确定具体的阈值.本文以一个典型的二级公路3路相交的交叉口为实例，采用交通仿真技术分析确定左转专用道设置阈值的过程，为左转专用道的阈值设置提供具体的定量化方法.

1 交通仿真分析技术及指标

1.1 交通仿真分析技术

交通仿真是复现交通流时间空间变化的技术，它通过建立交通系统的数学模型来分析复杂的交通现象.与传统的交通分析技术相比，交通仿真分析技术具有非常明显的优势：仿真模型对系统内各基本要素的变化规律及相互作用的描述与系统的实际运行过程紧密对应，有利于形成灵活的模型机制；建模的单元是交通系统中最基本的交通要素，如：车辆、车道、信号灯等，因此，交通仿真对实际交通行为的描述更加灵活和准确；交通仿真分析技术可以直观地描述路网动态交通状态，具有准确、直观、灵活方便的特点，是研究复杂道路交通系统的一种有效手段.目前，交通仿真分析技术已经广泛地应用于交通管理系统设计方案、道路几何设计方案的评价分析、交通工程理论研究、道路交通安全分析、新交通技术和新设想的测试等交通工程领域.在仿真工具的选择上，德国PTV公司的VISSIM微观交通仿真软件在实际应用中的有效性和精确性，以及在复杂交通条件下进行交通分析中良好的操作性和实用性［6－7］.本文采用了VISSIM进行交叉口运行性能指标分析，来确定左转专用道的设置阈值.

1.2 分析指标确定

左转车道的设置与否主要分析交叉口的运行效率和安全性，而影响运行效率和安全性的主要指标体现为行程时间、延误（整个交叉口各方向的延误、停车延误）、交通冲突（即停车次数）、各主要车道的平均车速、服务水平等参数.

行程时间是车辆通过设定路段的时间，以此可得到该设定路段的平均车速.速度是描述交通流特性的重要参数，道路设计、交通规划、交通控制与管理、交通设计及道路质量评价等均以速度作为最基本的资料.

延误是反映交通流运行效率的指标.通过对停车延误数据的测定，进而分析服务水平，可以得出车辆在交叉口的运行效率.

交通冲突是指机动车与其他用路者双方，若各按其原来的方向和速度行驶，则一定会发生碰撞事故.但由于其中一方采取了紧急避险措施：或制动，或转向或加速行驶等避免事故发生的事件，交通冲突的发生量要比交通事故多得多.本文中采用停车次数作为反映交通冲突的参数，通过对比停车次数，评价交叉口的安全性能.

2 公路典型平交路口左转弯车道设置阈值的仿真研究

如前所述，针对公路上的平交路口的主路左转弯车道设置阈值的研究，可以从行程时间及速度、延误及服务水平和冲突等方面来确定，但这些指标都根源于交叉口各方向交通流量的多少.将阈值的量纲定义为交通量，从交通量这个最基本的交通因素入手，采用仿真的方法来进行研究确定.下面通过实例利用VISSIM仿真分析软件对二级公路上典型3路相交平面交叉口的左转专用道设置阈值的确定来说明研究分析过程.图1为该平交口网络拓扑结构，其中南北走向为主路，东西走向为支路，为一主路优先、支路车辆让行的无信号丁字型平面交叉口，为双向2车道公路，车道宽为3.5m，但主路在交叉口处进行拓宽，增加一个车道（3.5m）左转或直左混行，方便车流分合.该平交口是二级公路上常见的典型交叉口.

图1 交叉口网络拓扑结构及交通组织

2.1 仿真建模参数设置及标定

利用VISSIM对图1所示路网进行建模.将线型设计CAD图导入仿真软件VISSIM中，并在此基础上建立平交口直左混行和设置左转专用道的两个路网拓扑结构，坡度、路线长度及平曲线半径与设计文件吻合.其它参数如交通量、运行车速等均以二级公路参数为例以反映交叉口的典型性.

影响左转弯车道设置的因素主要包括左转交通量Q左1、本向直行Q直1、对向直行Q直2、支路左转Q左2、车道数等.其中关键的因素是左转交通量、对向交通量、运行车速和对向车道数.综合考虑在此路段，根据二级公路的设计通行能力可以将交通量Q主＝Q左1＋Q直1，分别设置为：300～1 200veh／h区间的交通量，每次仿真的交通量间隔为100veh／h.由于在二级公路上重型车比重较大，当重型车比重增大时，设置左转专用道的阈值会降低，所以交通组成设置为重型车与小客车的比例为1∶1，相应设置重型车、小客车的速度变化范围（为30～80km／h）.主道入口处，直行、左转车道的交通分配比例为Q左1∶Q直1＝2∶3，另外对向直行车道及支路的交通量假设为不变，考虑到二级公路的设计通行能力，分别设置为Q直2＝500veh／h及Q左2＝300veh／h的交通流，各入口重型车和小客车交通组成占比均为50%.其交通组织如图1中箭头所示.在交通冲突区域，采用优先让行规则进行设置，主路和支路左转车的临界间隙采用5.0s［8］，且支路让行主路左转.

2.2 仿真数据采集

由于要考虑左转专用车道设置前后的安全及服务水平情况，仿真实验选取了行程时间、延误、服务水平和冲突（停车次数）这4个参数进行分析，其中行程时间、延误及冲突（停车次数）可从仿真实验直接进行采集，而服务水平则通过延误得到.

行程时间检测区段为2个，其一是主路上左转专用区段，其二是主路直行方向，以获取通过该区段的平均车速.

而延误及冲突的检测则综合考虑整个交叉口的数据，将整个交叉口设置为一个节点，检测该节点内的延误和冲突，节点代码为1（设置左转专用车道的交叉口）、2（仅有直左混行车道的交叉口）.

2.3 仿真结果对比评价

2.3.1 行程时间及平均车速 对节点1和2设置行程时间的检测区域，分别以区段1，2，3，4表示，其中区段1，2分别是有无设置左转专用车道的左转区段；区段3，4是相应的主路直行区段.通过行程时间的检测，可到各区段的平均速度.图2为各区段在不同交通量情况下的速度对比图.

图2 各区段交通量－速度对比图

从图2可以看出，随着交通量的增加，各状态区段的速度总体处于下降的趋势.其中，处于低流量状态（＜600veh／h）时，有左转专用道的速度低于直左混行；当交通量处于中等流量（600～800 veh／h）时，设置左转专用道与否的速度相当；但当交通流处于近饱和流量时，设置左转专用道的速度明显高于直左混行道.

2.3.2 延误及服务水平 延误的检测包含车均停车延误及车均延误，都可用来体现交叉口的通行效率.从图3可以看出，随着交通量的增加，节点1，2的车均延误及车均停车延误均呈上升趋势.当交通量小于600veh／h时，二者差别不大，但当交通量大于600veh／h时，设置了左转专用道的交叉口车均停车延误及车均延误都大大小于直左混行交叉口.反映了此时，设置了左转专用道的交叉口的通行效率较好.

结合图3b）及表1［9］，可知直左混行交叉口在交通量大于600veh／h，服务水平从C级达到E级，而设置左转专用道的交叉口则从B级到达D级，设置左转专用道的服务水平由于直左混行交叉口.但也可以看出，当交通量超过1 000veh／h时，服务水平急剧降低.说明当交通流处于近饱和流量时，设置一个左转专用道亦无法满足交叉口的流量要求.

表1 交叉口服务水平划分标准

图3 节点1，2的交通量－延误对比图

2.3.3 冲突点 采用车均停车次数，即车辆的制动行为来反映交叉口的冲突情况.通过图4看出，车均停车次数随交通量的增加而增多，当交通量小于600veh／h时，设置左转专用车道与否的冲突次数相差不大.但当交通量大于600veh／h时，设置了左转专用道的车均冲突次数大大小于直左混行交叉口.冲突次数越多，表明交叉口存在不安全的隐患越大.同时当交通量大于1 000veh／h时，设置左转专用道交叉口的冲突急剧增加，反映此时应该采取其他交通设计措施来改善该交叉口的安全状况，如增设信号控制、拓宽出口车道等.

图4 节点1，2的交通量－车均停车次数对比

3 结束语

利用VISSIM软件仿真针对二级公路典型平面交叉口设置左转专用车道的流量阈值进行了仿真研究.分别从行程时间、行驶延误、服务水平和冲突等四个方面进行了仿真分析评价，研究表明左转专用道的设置与进口道的交通量相关，并得出该交叉口的流量阈值为600veh／h和1 000 veh／h（该流量阈值采用车辆折算系数［10］折算后分别为900pcu／h和1 500pcu／h），当交通量小于600veh／h时，设置左转专用车道与直左混行的各评价参数差别不大，此时可不设置左转专用车道；当交通量大于1 000veh／h时，设置一个左转专用车道也无法满足交叉口的通行要求，此时可采用其他交通手段，如增设信号控制、拓宽各入口车道等方式来解决.结果表明，运用仿真分析技术针对左转弯车道设置的阈值研究能够为平面交叉口是否设置左转专用车道，在什么情况下设置左转专用道提供一种交通分析方法，做到具体情况具体分析，而不拘泥于某一准则，更符合实际.

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