信号交叉口逆向可变车道交通效益分析

胡尚尚 ，王晓青 ，魏福禄 *，蔡正干 ，武肖艳

（1：山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255000；2：淄博市公安局交通警察支队高新区大队，山东 淄博 255000）

0 引言

随着机动车保有量的快速增长，道路资源也越发显得不足，道路资源在时空上利用率不高，形成交通拥堵。对于有些城市交叉口存在早晚高峰段交通流分布不均衡现象，为避免道路资源的浪费，提出在交叉口进口道设置逆向可变车道，以缓解交通拥堵[1]。

逆向可变车道适用于交叉口时空资源利用不足的情况，对于逆向可变车道的设计研究中，慈玉生等[2]提出了一种基于感应控制的逆向可变车道，通过设计参数进行延误分析以此进行方案的设计。通过仿真表明，在流量较低时感应控制能够取得较好的效益，在流量较高时，感应控制下的车辆延误趋于定时控制。

徐建闽等[3]提出了一种基于逆向可变车道的交叉口公交左转优先方法，通过仿真发现，在不影响其他车辆的前提下，减少了左转公交车的延误，提升公交车的通行效率，提升了城市公共交通的服务水平。

曲昭伟等[4]运用概率统计及视频处理技术分析了设置逆向可变车道的左转车流在交叉口内的释放特性及其空间轨迹特点，通过对冲突点检测分析，逆向可变车道的设置会增大交叉口内部左转车流之间的干扰程度，对逆向可变车道的安全性进行分析评价，有助于提升逆向可变车道的安全性。

Q.Ma 等[5]通过视频检测对可变车道进行控制，基于相应检测器的视频检测可以实时获得交通流的特征，确定可变车道的方向，以提升交叉路口的通行能力。

通过VISSIM 软件上的仿真，验证了与原控制方法相比，该方法可以提高出行能力，减少交通拥堵。

逆向可变车道要更好的体现出它的优点，就需要与交叉口的信号控制进行协调。

刘伟等[6]以相位有效绿灯时间、饱和度和逆向可变车道长度为约束条件，运用NSGA-Ⅱ双目标优化算法，建立交叉口控制延误时间最小、交叉口通行能力最大的双目标函数控制模型。

实验表明，该方法能够较好的提高交叉口通行能力，降低控制延误。

孙锋等[7]对交叉口逆向可变车道的通行能力进行分析，提出了该类交叉口进口道左转车道组通行能力和饱和流量的计算方法，在保证安全的前提下提出了一种逆向可变车道与信号协同优化的方法，通过实验分析，该方法取得了较好的成果。

刘怡等[8]通过定量分析逆向可变车道下交通流的变化，建立分阶段消散流率模型，优化相位相序，建立可变车道预信号配时参数模型，依据流率时变规律对Webster 最佳周期及绿信比算法进行修正，通过仿真实验表明改进的Webster 配时模型可有效适应设置逆向可变车道的信号交叉口配时。

J.W.Wang 等[9]将可变车道的思路与现实生活结合在一起，用来解决现实生活中的其他拥堵问题，他们为了使可变车道的实时诱导技术和自主化、智能化技术，与应急疏散的方案进行结合，提出了1个双层规划模型。

逆向可变车道的研究是解决当下道路交通资源稀缺，且利用率不足的一种新思想、新方法。目前对交叉口逆向可变车道的研究多集中于逆向可变车道设置条件及信号协同方面，对于逆向可变车道的安全及交通效益的专题研究较少，本文以逆向可变车道的交通效益进行研究分析，在不考虑信号协同控制的情况下，对逆向可变车道的优势进行阐述分析。

1 逆向可变车道的设置条件

逆向可变车道的设置需要考虑到城市交叉口处的信号控制、交通量、道路条件等方面，并不是所有的交叉口都适合设置逆向可变车道。因此逆向可变车道的设置需要满足如下方面。

1）交叉口必须为具有信号控制的城市平面交叉口

交叉口分为平面交叉口和立体交叉口。立体交叉口因其道路没有在一个平面上相交，使其交通运行方案十分复杂，设置逆向可变车道后会使其复杂情况加重，不利于车辆的运行和通行能力的提高；而未设置信号灯控制的交叉口，其车辆运行具有随机性，而逆向可变车道的根本是借用同向出口道左转，所以在设置逆向可变车道后，逆向可变车道上左转车辆容易与对向车流发生冲突，增加交通事故发生的机率，不利于交通安全和通行能力的提高。所以设置逆向可变车道的交叉口是要有信号灯控制的平面交叉口。

2）具有左转专用车道及左转专用相位

设置逆向可变车道的基本前提是需要有左转专用的车道来承载左转车辆的运行；设置左转专用相位是避免逆向可变车道上的左转车辆与同1 周期内对向直行车辆间的冲突，造成交通事故的发生。

3）出口道要有1 条车道供相邻进口右转车辆行驶

设置逆向可变车道进口的出口道要有1 条车道供相邻进口右转车辆行驶，避免相交道路进口的右转车辆右转进入该车道时与左转车辆发生冲突。

4）进口道左转车道交通量较大，道路资源求大于供

进口道左转车道交通量较大，道路资源求大于供是设置逆向可变车道的必要条件，也是设置逆向可变车道的意义所在。如果进口道左转车道交通量小，服务水平高，设置逆向可变车道就毫无意义。进口道左转车道道路资源利用紧张且左转交通量较大主要表现为：在同一周期内左转车辆排队长度过长，排队长度超过直行车辆排队长度，甚至接近上一个路口交叉口；部分左转车辆经历2 次及其以上停车，1 个信号周期的左转车辆全部通过交叉口需要2 个乃至2 个以上信号周期。

2 交通效益评价指标

道路交叉口逆向可变车道的设置作为一种新型的城市交通组织方法，对缓解城市道路交通拥堵，合理利用道路资源具有十分重要的意义。逆向可变车道的效益就需要通过相应的交通指标进行反映。

本文在不考虑信号交叉口处交通信号控制改变的条件下，对该交叉口设置逆向可变车道前后的交通效益进行评价，从定量的角度选取逆向可变车道在交叉口处的通行能力、车辆延误及排队长度3个角度衡量逆向可变车道所产生的交通效益。

2.1 通行能力分析

逆向可变车道是设置在出口的车道，对该方向进口道的通行能力没有影响，由于占用了出口道的车道，所以进口道的左转车道数量增加，进口左转车辆的通行能力增加了。在理想状态下，逆向可变车道的通行能力与专用左转车道的通行能力是一样的。由于逆向可变车道的设置是为了解决交通潮汐现象，避免因为时空造成道路资源的浪费，所以对逆向可变车道进口道的交通流影响较小，在此不进行考虑。

1）停车线法计算通行能力[10]

①一条专用直行车道的设计通行能力为：

式中：T周为信号周期时间，s，一般采用 60 s～90 s，亦有用到 120 s；t绿为每一个周期内的绿灯时间，s；t损为车辆从发动到启动损失的时间，s；t间为前后2 辆车连续通过停车线的时距的平均值，s。

②一条左转专用车道的通行能力为：

式中：n 为 1 个周期内允许左转弯的车辆数；t黄绿为1 个周期内所有左转专用相位中除去红灯时间的其他灯色时间之和，s；V左为左转车辆的行驶速度，m/s；a 为左转车辆的平均加速度，m/s2；t左为左转车辆通过停止线的车头时距，s。

③逆向可变车道下的通行能力

逆向可变车道改变的是左转车辆的通行能力，在理想状态下，会增加1 条专用左转车道的通行能力，但由于逆向左转车道的设置都在原有道路条件下进行了改变，车辆行驶环境会受到一些影响。所以新增加的左转车道的通行能力为：

式中：ε 为干扰因子，取值为[0，1]，ε=1 即为理想状态，ε 取值可以通过测量出口道车辆行驶速度衰减百分比进行确定取值。

2.2 车辆延误分析

车辆延误常使用 Webster 模型法[11]，Webster 延误模型由3 部分延误组成，均匀延误、随机延误和排队延误。其模型如下所示：

式中：d 为各车道每辆车的平均信号控制延误；du为均匀延误，即车辆均匀到达所产生的延误；dr为随机延误，即车辆随机到达并引起超饱和周期所产生的附加延误；dc为初始排队延误，即上一时段留下的初始排队车辆对后续车辆影响所产生的附加延误；c为信号周期长，s；参数 λ，x，T，Q，k 分别为车道绿信比，车道饱和度，分析时段持续时长，车道通行能力，上一时段积余的车辆数。

2.3 排队长度分析

对逆向可变车道的排队长度是指在0 个周期，专用左转相位启动之时，专用左转车道上排队车辆的长度。通过逆向可变车道设置前后，左转车流的平均排队长度、最大排队长度、排队车辆数及停车率等参数对排队长度进行分析[12]。通过对这些参数进行比较来评价逆向可变车道设置的交通效益。

3 仿真分析

本文选取某城市平面信号控制交叉口进行逆向可变车道效益评价，通过VISSM 进行仿真，验证逆向可变车道设置前后该交叉口的交通效益。

1）交叉口交通组织分析

图1 为该信号交叉口设置逆向可变车道前的交通组织图；图2 为该信号交叉口设置逆向可变车道后的交通组织图；图3 为南进口逆向可变车道设置细节图；表1 为该信号交叉口信号相位分配情况。由该交叉口的交通组织图可以看出，南进口具有专用左转车道及左转信号相位，出口道为3 车道，满足1 条车道供相邻进口右转车辆行驶要求，其道路条件及信号控制方式具备设置逆向可变车道的条件。

2）交通流调查

通过对该交叉口早晚高峰及2 个平峰时段的交通流量进行调查发现，见表2。在早晚高峰时期，南进口及北进口的直行及左转流量存在明显的潮汐现象，满足设置逆向可变车道的交通量条件。如果不设置逆向可变车道，不仅造成道路资源的浪费，还会形成交通拥堵，极大程度上影响该交叉口处的通行效率，设置逆向可变车道，不仅能够物尽其用，还能缓解交通拥堵，提升道路服务水平。

3）逆向可变车道仿真效果分析

本次选择该交叉口晚高峰时期，通过VISSM 仿真平台对该交叉口逆向可变车道设置前后进行效益评价。

如图4（a）所示是逆向可变车道设置前的左转车辆交通仿真情况，如图4（b）所示是逆向可变车道设置后的左转车辆交通仿真情况。图4 中左转车辆都处于刚放行状态，由图4 中仿真对比可知，在同1个路口，相同车流量时，逆向可变车道设置后左转车辆的排队长度明显小于未设置逆向可变车道时左转车辆的排队长度。

表1 信号交叉口的信号相位分配

表2 该交叉口流量调查 pcu

4）逆向可变车道交通效益分析

由表3 的数据可知，将设有逆向可变车道的南进口平均排队长度、最大排队长度、停车次数、平均停车时间等相关数据单独列出，将未设置逆向可变车道和设置逆向可变车道后的数据进行对比，结果如图5～图6 所示。

由图5～图6 的平均排队长度、最大排队长度、停车次数、平均停车时间等相关交通指标数据对比可知，逆向可变车道设置后南进口的左转车辆排队长度和车辆延误有了明显的下降，平均排队长度较未设置逆向可变车道前下降了46.34%，停车次数较未设置逆向可变车道前下降了25.00%，逆向可变车道设置后的车辆平均延误较未设置逆向可变车道前下降了16.61%，逆向可变车道设置后的平均停车时间较未设置逆向可变车道前下降了18.92%。

表3 逆向可变车道交通效益参数分析

通过VISSIM 仿真，对该交叉口晚高峰南进口通行能力进行仿真效果对比，见表4。

表4 该交叉口晚高峰通行能力对比 pcu/h

由表4 可知，逆向可变车道设置后该交叉口南进口左转车辆和直行的通行能力有了明显上升，在增加左转车道通行能力的基础上，未减少直行车道的通行能力。其中逆向可变车道设置后左转通行能力较未设置逆向可变车道前上升了26.00%。

综上所述，在同等交通条件下，逆向可变车道的设置使交叉口通行能力提升26.00%，平均排队长度下降46.34%，最大排队长度降低39.42%，车辆停车次数减少25.00%，平均延误降低16.61%，平均停车时间减少18.92%。逆向可变车道的设置起到了充分发挥道路潜力，提高左转通行能力的作用。

4 结论

本文将交叉口的通行能力、排队长度及交通延误作为逆向可变车道的交通效益评价指标，通过VISSIM 仿真，分析设置逆向可变车道缓解交叉口时空资源紧张的实际效益。研究发现，逆向可变车道的设置对提升交叉口的效益指标具有极其重要的作用。本文在不考虑信号协调控制的条件下，对逆向可变车道交通效益分析进行了研究，建立了逆向可变车道运行效果的评价方法。但由于逆向可变车道要取得更优效果就需要与信号控制方式进行协调，所以关于信号协调控制对逆向可变车道交通效益的影响，有待进一步研究。