考虑干线协调控制的信号交叉口左转弯待转区设计方法*

羊 钊 朱仁伟 白雪莲 包丹文

(南京航空航天大学民航学院1) 南京 211106) (江苏省城市规划设计研究院2) 南京 210036)

考虑干线协调控制的信号交叉口左转弯待转区设计方法*

羊 钊1)朱仁伟2)白雪莲1)包丹文1)

(南京航空航天大学民航学院1)南京 211106) (江苏省城市规划设计研究院2)南京 210036)

为权衡信号交叉口左转弯待转区设计对左转车流和直行车流运行效率的影响，根据信号相位设置方式和是否设置左转弯待转区提出六种设计方案，并建立VISSIM仿真模型，采用MAXBAND模型进行干线交通绿波带宽计算.以车均延误最小化为目标，得到不同交通条件下的六种方案比选结果.结果表明，考虑干线协调控制的信号交叉口左转弯待转区设计方法能够有效地协调左转车流与直行车流车均延误之间的矛盾，提高整个交通系统的运行效率.

信号交叉口；左转弯待转区；绿波带宽；车均延误

0 引 言

近年来，许多城市在信号交叉口设置左转弯待转区以提高交叉口左转车流通行能力.左转弯待转区常设置于信号交叉口左转专用进口道停车线前方，以白色虚线为边界[1].以传统四相位信号设计方案为例，当直行绿灯启亮时，左转车流进入待转区等待通行；直行相位结束后，后置左转相位启动，左转车流通过交叉口.

国内外一些学者对左转弯待转区的设置条件进行了一定的研究.王殿海等[2]分析了设置左转弯待转区的几何临界条件，利用累计曲线和交通波理论建立了左转车排队位置模型，应用排队位置模型得出在排队长度约束下的临界流量和极限流量，在此基础上计算得到设置左转弯待转区的左转相位最短绿灯时间和最长红灯时间.另有部分学者分析了左转弯待转区对信号交叉口左转专用进口道通行能力及服务水平的影响.季彦婕等[3]对设置左转弯待转区后的交叉口重新进行信号配时设计，与设置待转区之前相比，新的设计方案将周期时长缩短24%，一个周期内的通行能力由于周期时长的缩短而减小了20.2%.倪颖等[4]根据“停车线法”及交通流波动理论，分别讨论在两种配时方法下，左转弯待转区的设置对交叉口进口道通行能力的影响，结果表明，左转弯待转区的设置可以使得左转专用进口道通行能力提高5～15%.Zhou等[5]根据随机服务系统理论及概率论分析了左转弯待转区的设置对左转直行共用车道通行能力的影响，研究得到，左转弯待转区的设置可以提高直行车流通行能力，同时不会对左转车流通行能力产生负面影响.本文在过去的研究中建立了单一交叉口左转车流通行能力及服务水平计算模型，结果显示，左转弯待转区的设置将显著提高左转专用进口道通行能力，降低左转车流延误[6-7].

然而，现有研究均针对单一信号交叉口左转车流.事实上，左转弯待转区设置不仅对于左转车流运行效能产生影响，对直行车流或路段交通亦会产生影响.如上所述，设置左转弯待转区需要配合设置双向后置左转专用相位，这一要求使得信号交叉口相序设置受到限制.研究表明，在大部分路网特征下，前置-后置左转相位将会使得直行车流绿波带宽最大[8-9].因此，在干线协调控制策略下，设置左转弯待转区在提高左转车流运行效能的同时，可能会对直行车流运行效能产生负面影响，而现有研究尚未从整体角度对设置左转弯待转区的交叉口运行效能进行整体评估.并且，工程实践中，设计者往往根据经验判断是否需要设置左转弯待转区，具有较大的随意性.

针对上述问题，本文提出一种干线协调控制条件下的信号交叉口左转弯待转区设计方法，通过协调左转车流与直行车流运行效率之间的矛盾，选择最优的左转弯待转区设置方式和相位控制策略，从而提高整个交通系统的运行效率.

1 信号交叉口左转弯待转区设置条件及设计方法

1.1 交叉口信号相位和左转弯待转区设计方案

为分析干线协调控制条件下的左转弯待转区设计对左转和直行车流的影响，本文根据信号相位设置方式和是否设置左转弯待转区划分以下六种方案，见图1.

图1 信号相位和左转弯待转区设计方案

1.2 绿波带宽计算

采用MAXBAND模型进行干线交通绿波带宽计算，见图2.方向1交通流从交叉口1驶向交叉口4，方向2交通流从交叉口4驶向交叉口1.模型中，相邻交叉口之间的通行时间和信号配时方案(包括信号周期和相位设计)为输入参数.相邻交叉口之间的通行时间采用交叉口间距与设计速度比值(36 km/h)进行计算.输出参数为相邻交叉口信号灯相位差和绿波带宽.采用整数规划法进行绿波带宽计算，即：

maxb+b′

(1)

s.t.b=b′

(2)

wi+b≤C-ri(i=1,2,…,n)

(3)

(4)

(5)

b,b′≥0

(6)

(7)

图2 干线绿波设计

对于每一种方案，根据VISSIM模拟仿真工具计算路网交通平均延误，在模型中设置节点评价区.以车辆平均延误最小化为目标，选择最优的信号相位控制策略及左转弯待转区设置方案.

2 案例分析

选择南京市龙蟠中路上四个连续的信号交叉口进行数据采集，交叉口基本信息见表1.采用视频录像的方式对实地数据进行记录，将摄像机置于路侧建筑物高层，以确保整个进口道都在观测范围内，合理调整录制视频的角度及位置以提高视频数据的有效性.对四个交叉口12个进口道共计32 h的视频数据进行读取及记录，记录数据包括交叉口信号控制数据和交通流数据两个部分.

表1 交叉口基本信息

交叉口信号控制数据包括交叉口周期时长、交叉口相位差、相位数、各进口道左转及直行绿灯时长，见表2.

表2 交叉口信号控制信息

交通流数据包括交叉口各进口道左转、直行和右转交通流量，见表3.

表3 交叉口流量信息

将道路交通数据代入绿波带宽计算模型，求解得到当前路网及交通流量条件下的最大绿波带宽，见表4.

表4 交叉口流量信息

针对前文提出的六种方案分别建立VISSIM仿真模型，在模型中设置节点评价区，输出参数为：车辆平均延误(s/车辆).分别改变主次路交通流量，可以得到不同交通条件下的六种方案比选结果，见图3.

图3 六种方案比选结果

以车辆总延误最小化为目标，选择最优的信号相位控制策略及左转弯待转区设置方案.在本案例中，方案5(前置-后置左转专用相位，单向设置左转弯待转区)和方案4(前置-后置左转专用相位，无左转弯待转区)为最佳方案，其次为方案3(双向后置左转专用相位，双向设置左转弯待转区).

3 结 束 语

本文提出一种干线协调控制条件下的信号交叉口左转弯待转区设置方法，旨在协调左转车流与直行车流运行效能之间的矛盾，选择最优的左转弯待转区设置方式和相位控制策略，从而提高整个交通系统的运行效率.

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准道路交通标志和标线：GB5768.1-2009[S].北京:中国标准出版社，2009.

[2]王殿海,李丽丽,陈永恒.机动车左转弯待转区设置的临界条件[J].公路交通科技,2009,26(11):132-135.

[3]季彦婕,邓卫,王炜.信号交叉口左转机动车等待区设置方法研究[J].公路交通科技,2006,23(3):135-138.

[4]倪颖,李克平,徐洪峰.信号交叉口机动车左转待转区的设置研究[J].交通设计,2006(12):32-36.

[5]ZHOU Y, ZHUANG H. Traffic performance in signalized intersection with shared lane and left-turn waiting area established[J]. Journal of Transportation Engineering,2012,138:852-862.

[6]YANG Z, LIU P, WANG W, et al. Evaluating the operational impacts of left-turn waiting areas at signalized intersections in China[C]. Transportation Research Record, Transportation Research Board, Washington DC,2012.

[7]YANG Z, LIU P, TIAN Z, et al. Effects of left-turn waiting areas on capacity and level of service of signalized intersections[J]. Journal of Transportation Engineering,2013,139(11):1076-1085.

[8]LI Z, WANG H, HAN L. Selecting leading or lagging left-turn signal phases for coordinated intersections[J]. Transportation Research Record,2002,39(2):475-481.

[9]TIAN Z, MANGAL V, LIU H. Effectiveness of lead-lag phasing on progression bandwidth[J]. Transportation Research Record,2007,44(1):22-27.

The Design of Left-turn Waiting Areas at Signalized Intersections Considering Signal Coordination

YANG Zhao1)ZHU Renwei2)BAI Xuelian1)BAO Danwen1)

(CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)1)(JiangsuInstituteofUrbanPlanningandDesign,Nanjing210036,China)2)

To evaluate the impacts of left-turn waiting areas on the operational performance of the left-turn and through movement at the signalized intersections, six different scenarios are defined according to the type of phase sequence and that whether the left-turn waiting areas are implemented. The VISSIM simulation models are established to evaluate the operational impacts of various designs. The computer program MAXBAND is used to calculate the maximized progression bandwidth. The proposed six scenarios are ranked according to the average control delay of vehicles at the signalized intersections. The design of left-turn waiting areas at signalized intersections considering signal coordination proposed in this paper can effectively balance the trade-off between the performance of left-turn and through traffic, so as to improve the overall system performance.

signalized intersection; left-turn waiting area; progression bandwidth; average control delay

2017-06-03

*国家自然科学基金项目(51608268、51508274)、江苏省自然科学基金项目(BK20150747)资助

U491

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.012

羊钊(1988—)：女，博士，讲师，主要研究领域为交通运输规划与管理