左转展宽车道长度不足的交叉口信号控制研究

张 驰，陈 昕



左转展宽车道长度不足的交叉口信号控制研究

张 驰，陈 昕

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

针对左转展宽车道长度不足时，排队通过交叉口的车辆会溢出展宽段，车辆交织严重，通行效率低的问题，分析车流运行特性，依据车辆消散流率具有的“两阶段性”，提出拆分相位的信号控制方法，并结合一主次干道相交的十字交叉口，具体给出了两种拆分相位的方式。通过VISSIM软件对这一十字交叉口进行仿真，采用一个信号控制周期内车流不间断放行的方法车辆延误急剧增加；采用拆分相位的控制方法使得交叉口车辆平均延误分别降低了41.5%、32%。结果表明，基于车辆消散流率“两阶段性”的拆分相位信号控制法能够降低延误，提高交叉口的通行效率，对左转展宽长度不足的信号控制方法具有借鉴意义。

交叉口信号控制；左转展宽车道；拆分相位；VISSIM仿真

通过拓宽设置左转专用车道，是改善交叉口运行条件、提高交叉口通行能力的一种有效手段。然而，由于道路条件的限制，设置的展宽车道长度往往不足，在车流量较大的情况下，排队通过交叉口的车辆常常会溢出展宽段，车辆交织严重，通行效率降低；在左转交通流量较大的情况下，受到左转专用信号控制的交叉口车辆排队溢出展宽段较为常见，车俩延误更为严重。

关于展宽车道对交叉口车辆运行特性的研究，马艳丽等[1]对信号交叉口展宽车道的车辆运行特性进行了分析，杨晓光等[2]针对交叉口进口道拓宽后形成的短车道，研究了短车道车辆排队阻塞对信号交叉口通行能力的影响。关于含有展宽车道的交叉口交通信号控制的研究，张小龙等[3]对单点过饱和信号交叉口展宽段排队控制进行了研究，建立了考虑进口道存储长度的双目标信号配时参数优化模型；王殿海等[4]提出了信号交叉口展宽长度不受限条件下的展宽段设计方法以及展宽长度受限条件下信号配时的优化方案。国外研究主要集中在交叉口左转车辆的通行能力以及交叉口进口道合流区的交通安全评估方面，Stamatiadis N等[5]运用仿真分析确定了左转专用车道的通行能力，Moon J P等[6]对合流区的交通安全进行了评估。本文在分析道路交叉口左转展宽车道长度不足条件下车流运行特性的基础上，提出一种拆分相位的信号控制方法。

1 左转展宽车道长度不足的车流运行特性

以一主次干道相交的十字形交叉口为例，不考虑右转机动车、非机动车及行人对交通信号控制方案的影响，对交叉口的车流运行特性进行分析。假设东西进口方向含有左转展宽车道，其中进口道长度为，展宽段长度为L，渐变段长度为L，车道数由两条直行车道变为两条直行加一条左转车道，南北方向各有两条直行车道，如图1所示。

图1 交叉口各进口道条数及功能分布

图1所示交叉口（以下称交叉口A）南北方向的排队车辆，通过交叉口时运行特征符合单车道交叉口车辆排队运行特性，车头时距如图2所示。当绿灯亮起时，交叉口进口道前面排队车辆启动损失时间较大，车头时距较长，后面排队车辆通过交叉口的车头时距越来越小，最后趋于稳定，车辆以饱和流率通过交叉口，直至排队车辆全部通过交叉口或者绿灯结束。

对于东西进口方向的车辆，由于左转展宽车道的存在，车辆在进入交叉口前需变换车道，左转、直行车辆交织严重，会在交叉口展宽段后面形成交织区。当交叉口进口道展宽车道长度充足时，排队等候通过交叉口的车辆不会溢出展宽段，符合单车道交叉口排队车辆通过交叉口的特征，排队等待通过交叉口的车辆，会依次高效地通过交叉口。当交叉口进口道展宽车道长度不足时，排队车辆会溢出展宽段，直行、左转车辆交织在一起，相互干扰严重，在展宽车道外排队等候的车辆到达交叉口停车线的行驶时间延长，使得车辆到达率下降，车辆消散流率也随之降低，车辆的消散流率具有明显的“两阶段性”，如图3所示。

图3 车辆消散流率与绿灯显示时间的关系

2 左转展宽车道长度不足拆分相位的信号控制方法

在左转展宽车道长度充足的情况下，对于交叉口A一般采用东西直行、东西左转以及南北直行三相位的信号控制方式，相位图如图4（A）所示。

在左转展宽车道长度不足的情况下，假设交叉口A西进口方向左转车流量较大，导致一个信号周期内左转车辆排队长度超过展宽L。根据展宽车道长度不足的情况下通过交叉口车流率的“两阶段性”中第二阶段消散流率低的特点，将西进口方向车流信号控制的相位进行拆分。拆分相位的具体方法应根据进口道车流量特点进行灵活的选择，本文针对交叉口A，给出两种不同的相位拆分方案，将原来的三相位信号控制拆分为五相位信号控制，如图4（B）、4（C）所示。

（A）常规三相位信号控制相位

（B）拆分相位信号控制相位（方案1）

（C）拆分相位信号控制相位（方案2）

下文对左转展宽车道长度不足的情况，采用一个信号控制周期内车流不间断放行的方法延误急剧增加，采用这两种拆分相位的控制方法使得交叉口车辆平均延误降低进行仿真分析验证。

3 仿真分析验证

以交叉口A西进口道左转车道展宽长度不足为研究对象，对不同数量的左转车辆运用VISSIM仿真软件进行仿真，获取西进口左转、直行车排队长度，找到交叉口A西进口左转展宽车道长度不足的情况。然后，对于这种左转展宽车道长度不足的情况，采用上文提出的两种拆分相位的方法进行仿真，并验证可行性。

根据城市道路交叉口设计规程(CJJ 152-2010)[7]中展宽段长度设置的最低要求，东西进口道长度设为100 m，其中展宽渐变段L设为30 m，展宽段L设为70 m，各进口车道的宽度设为3.25 m，在VISSIM仿真软件对交叉口A进行路网的搭建。

在VISSIM中输入东、西方向直行车辆为1 500 pcu/h，南北直行车辆为500 pcu/h；西左转车辆所占西进口车辆数的比例从10%依次增加，东左转车辆数以排队车辆不溢出展宽段为原则输入即可。信号配时周期时长以Webster最佳周期计算得出，采用图4（A）信号控制相位进行设置，其他仿真参数以Webster仿真参数进行设置，仿真时间设为4 600 s，数据采集时间设为900～4 500 s。西进口左转流量，交叉口A的饱和度及周期时长如表1所示。

表1 西进口左转流量，交叉口A的饱和度以及仿真周期时长

注：当西左转车所占的比例为21%，交叉口饱和度达到0.91，Webster信号配时方法不适用，最佳信号配时周期计算无意义。

按照以上设置参数，依次对西进口不同左转车辆的交叉口运行情况进行仿真，采集西左转、西直行车辆的排队长度、延误以及交叉口车辆整体延误，统计结果如图5、图6所示。从中可以看出，当西进口排队长度超过70 m（西左转车所占的比例超过19%以后），西进口无论是直行车、左转车，还是交叉口的整体延误都急剧增加。仿真分析表明，对于左转展宽专用车道长度不足的交叉口，交通流连续放行的交通信号控制方式不适用。

图5 不同左转车下西进口直行车与左转车的平均队长

对西左转车辆所占该进口道比例为20%的情况，保持交叉口信号周期不变，将三相位信号控制拆分为图4（B）、4（C）所示的五相位的信号控制形式进行仿真。

采用4（B）的信号控制方法，交叉口平均延误由原方案的58.1 s降低为34 s，下降了41.5%；采用4（C）的信号控制方法，交叉口平均延误由原方案的58.1 s降低为39.3 s，下降了32%。具体仿真对比结果如表2所示。

表2 西进口20%左转车下三相位与五相位信号控制方案VISSIM仿真输出数据对比

拆分相位后，一个交通信号控制周期内，含有左转专用车道的进口方向的车辆能够多次获得通行权，缩短了该进口道车辆的排队长度，降低了排队车辆溢出展宽车道可能性以及车辆通过交叉口的延误。

4 结论

在信号交叉口车流量较大的情况下，左转展宽长度不足，导致的延误成为交叉口延误的主要形式。论文分析左转展宽车道不足情况下，排队车辆通行效率具有的“两阶段性”，提出拆分相位的控制方法。仿真分析结果表明，采用拆分相位的信号控制方法能够有效避免排队等候的车辆溢出展宽段，降低车辆延误，对于实行单点控制的交叉口适用性强，提高了交叉口信号控制的精细化水平。

[1] 马艳丽, 高月娥, 冷雪, 等. 信号交叉口展宽车道交通运行特性[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2015, 47(2): 42-45.

[2] 杨晓光, 赵靖, 曾滢, 等. 短车道对信号交叉口通行能力影响研究[J]. 公路交通科技, 2008, 25(12): 151-156.

[3] 张小龙, 成卫, 袁满荣. 单点过饱和信号交叉口展宽段排队控制研究[J]. 公路交通科技, 2015, 32(11): 113-119.

[4] 王殿海, 郭伟伟, 宋现敏, 等. 交通控制中展宽段设计与信号配时的优化[J]. 控制理论与应用, 2010, 27(12): 1598-1604.

[5] Stamatiadis N, Hedges A, Kirk A. A simulation-based approach in determining permitted left-turn capacities[J]. Transportation Research Part C Emerging Technologies, 2015, 55: 486-495.

[6] Moon J P, Reese P E M P, Dunlop Pe J H. Evaluation of Operations and Safety in a Congested Freeway Merging Area with Auxiliary Through Lane[C]//Transportation Research Board 91st Annual Meeting. 2012.

[7] CJJ152-2010. 城市道路交叉口设计规程[S].

责任编校：刘亚兵

Research on Intersection Signal Control of Insufficient Length of Left-turn Widening

ZHANG Chi，CHEN Xin

（Automobile & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

When the vehicles go through the intersection, the vehicle queuing will overflow the broadening section caused by insufficient length of left-turn widening. The efficiency of vehicle traffic is low because vehicles intertwine seriously. For this problem,characteristics of traffic flow are analyzed in accordance with “two-stage”Vehicle dissipation rate. This paper proposes the signal control method of the split phase and puts forward two specific ways of splitting the phase by combining with the intersection of primary and secondary roads. By using the VISSIM software to simulate the intersection, it is verified that the delay of the traffic flow in the signal control cycle of traffic uninterrupted release is increased abruptly. However, by using two ways of split phase control, the average delay of the intersections was reduced by 41.5% and 32% respectively. The results show that the split phase signal control method based on the “two-stage” of the vehicle dissipation flow rate can reduce the delay and improve the pass efficiency of the intersection. This method has a reference value for the signal control method of insufficient length of left-turn extension.

intersection signal control；left-turn widening lane；split phase；VISSIM simulation

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.015

U491

A

1674-3261(2017)04-0277-04

2017-03-16

张驰(1990-)，男，山东济宁人，硕士生。