基于车流拥挤检测的“借道左转”自适应智能控制*

初彦龙 辽宁警察学院治安管理系

引言

城市道路交叉口作为城市路网的重要节点，大部分道路交通拥挤发生在道路交叉口处，道路交叉口左转交通流是导致通行效率低下的主要原因。在道路交叉口处，由左转车流所引发的冲突、延误和交通事故最多，左转交通流排队过长影响到了道路交通通行效率，提高道路交叉口左转交通流的通行能力是缓解道路交通拥堵的有效方法。

“借道左转”又名“配道待行左转”，是一种利用对向车道作为左转待转区，提高左转车辆通行能力的信号控制方法。其基本原理和流程是巧妙利用交叉口时间、空间关系，利用出口车道作为左转待转区，在路口相位放行空档期，用特殊设计的左转待转区信号灯控制车辆进入待转区，并合理分配左转信号灯与左转待转区信号灯时间，保证进入到左转待转区的车辆能够放空，从而在保障交通安全的前提下，提高进口左转车辆的通行能力。

在左转相位及配时最大智能化的前提下，在其他相位放行的空档期智能启用“借道左转”能够大大满足左转交通流随机变化的需求。“借道左转”本质就是交通组织的一种形式，是对时空资源的充分灵活利用，随交通流多少智能开启更加优化利用时空资源。

一、常规固定式“借道左转”适用

对于有专用左转车道和专用左转相位的道路交叉口，当道路交叉口由于左转车道有限，左转车流量又较大的时候，左转车辆可以通过利用对向直行车道作为临时左转车道，在对向直行放行之前将所借道路归还的一种左转方式，称其为“借道左转”。“借道左转”能够在道路资源固定的前提下，在不同时间段内对道路资源实现最大利用，大大提高左转车辆通行能力。

道路交叉口左转车辆只有在受保护左转情况下，有专用左转相位，左转车辆与对向直行车辆不在同一相位同时放行，对向直行车道没有直行车辆占用，左转车辆可以借用对向直行车道提高左转通行能力，但在由于道路交叉口几何条件限制，左转车道上左转车流很大，导致左转车辆排队长度过长时，可以考虑设置“借道左转”，左转相位期间临时借用对向车道实现左转，增加左转通行能力，缓解交通拥堵。

（一）常规T型交口固定式“借道左转”

常规T型交叉口通常有三股冲突交通流，T型交叉口信号控制方式通常设置3相位，彻底分离3个冲突点，即3股冲突交通流分别在独立相位放行。如图1所示，B交通流左转放行时，对向直行车流A不予放行，所以左转车辆也可以设置“借道左转”，通过利用对向直行车道空闲的道路资源，设置“借道左转”，提高左转车辆通行效率。

（二）轮流放行的十字道路交叉口“借道左转”

在常规的城市道路交叉口信号控制中，有一部分采用两相位对称放行方式，即道路交叉口对向直行和左转车流同时放行，此时，在同一相位中交叉口的进口车道和出口车道同时被占用，无法提供空闲车道，不能实现“借道左转”。对于城市道路中一些道路交叉口对向进口道错位、进口道存在直行、左转合用车道而无法设置专用左转相位，或者道路交叉口相对方向进口道交通流严重不均匀等情况，采用轮流放行的放行方式，即对一个进口道的直行、左转车流同时放行的控制方式，相位图如图2所示。采用轮流放行控制的道路交叉口，在同一相位中放行的左转和本方向直行车流，对向直行车流是禁行的，所以，对左转车流量较大的情况，同样可以考虑对左转车辆设置“借道左转”的控制方式，实现快速左转，提高左转通行能力。

目前，以上两种常规借道左转在许多城市道路交叉口都有实施，其旨意改善路口交通压力，缓解交通拥堵，提高路口的车辆通行能力。然而其“借道左转”的启用是固定式的，不是根据左转车流的多少智能启用，如果左转交通流排队长度不够长，“借道左转”可以不启用。因此，根据交通流拥挤程度智能开启“借道左转”显得更为必要。

二、交通流拥挤检测

城市道路交通流拥挤检测方法有多种，其原理是通过车辆检测器检测车流量、车辆速度或道路占有率等参数，以路段上车流速度的降低和道路占有率的增加为依据，通过设定的交通流量和占有率的极限阈值来判别交通是否处于拥挤状态。这种鉴别方法是采用连续几个周期时段内，道路占有率超过极限阈值或车流速度均下降到极限阈值以下来判定交通拥挤的。

（一）检测判别原则

交通拥挤的产生是众多因素导致的，由于城市道路中相邻两个道路交叉口之间的交通流的复杂性，结合交通流的时间和空间分布特性，根据交通拥挤条件下车流的运行明显特征，可以选择交通流和占有率这两个重要的检测指标实现对拥挤时间的自动检测。车流的拥挤是复杂的并且可能随时间变化而变化，拥挤程度可以用拥挤、消散、正常三个状态来描述。

当相邻两个道路交叉口上游车辆检测器A的检测交通流量增加，占有率也增加并且下游检测器B的交通流量和占有率均减少，可以判定该路段已经发生交通拥挤事件。但是对于拥挤的具体状态仍然不好判断，如果在车速不变的条件下，车辆数量增加必然导致占有率增加，因此根据单位时间的车辆数量增加量和占有率增加量大小进行对比，可以进一步判断车流在当前这一时间段内是拥挤还是消散。交通流是车流密度与车速的乘积，交通流基本模型为：

其中：q为车流量；k为车流密度；v为车辆平均车速。

道路交叉口路段车辆长度假定为a，检测器宽度为b，占有率λ根据定义可得：

由（1）式可得k=q/v，

λ=(a+b)k，所以k=λ/(a+b)，因此可得q=λv/(a+b)

由（3）式可以得出：在速度不变的情况下，流量q和占有率λ成正比，且变化率相等。如果流量的相对增量小于占有率的相对增量，则能认定车流正处于拥挤形成状态，反之可以认定车流在这一时间内正处于消散状态。

（二）拥挤检测指标选取

通过检测原则不难发现，交通流和占有固然能够判断出交通流是否拥挤，然而在发生交通拥挤时，图3中上游检测器A在单位时间内的占有率增加，可是流量相对减少，速度随之降低，而下游检测器B在单位时间内的流量和占有率都相对减少，速度却几乎不变。所以单纯以交通流量和占有率判断交通是否拥挤还存在缺陷，对交通事件发生的敏感性不是很强，也就不能很好的反映交通事件的发生。占有率的变化通常不能对车流实际运行情况给出响应，还存在受到交通流变化程度的制约情况，不能很准确的判断鉴别拥挤。为了克服这种流量的变化对占有率的制约，用采集到的断面中占有率除以周期内通过的车辆数，得到周期内车辆平均占有率。采用平均占有率指标鉴别交通拥挤事件更加灵敏，更能很好地反映车流的运行特性。

拥挤检测算法需要选择车辆平均占有率λ和道路上下游车辆检测器平均占有率之差△λ作为拥挤检测参数。检测器在相等时间段内采集交通流，[ti-1,ti] 时段记为Ti。 检测器A在Ti内的流量和占有率分别记为qA(i)和λA(i)。检测器B在Ti内的流量和占有率分别记为qB(i)和λB(i)。λA(i)为检测器在第i个周期内检测到的平均占有率；(i)为检测器在第i个周期内检测到的平均占有率。△qA(i)为检测器A第i个周期内流量的相对增量，为检测器A第i个周期内占有率的相对增量，同理可得，△qB(i)为检测器B第i个周期内流量的相对增量。△λB(i)为检测器B第i个周期内占有率的相对增量为上下游检测器检测到的平均占有率的绝对差为上下游车辆检测器检测到的平均占有率的相对差

三、智能启用“借道左转”的逻辑过程

一个采用周期内，车辆持续停在检测器上占有率视为1。道路交通上下游检测器之间交通流发生拥挤的必要条件总结为：

如果上游检测器A检测的交通流量的相对增量小于占有率的相对增量，那么可以认定下游路段在当前周期或者未来的几个周期有可能要出现交通拥挤现象。如果此时，上游检测器和下游检测器的车辆平均占有率的绝对差大于某一设定值x，上游与下游检测器的车辆平均占有率相对差大于某一设定值y，可以认定此时交通流拥挤事件发生。x和y的值需要大量的采样数据分析之后获得，不同城市，不同的道路交叉口以及不同的交通条件都会有所不同，必须结合所研究的路段交通流数据进而确定，从而保证交通流拥挤判断的准确性。

根据上游车辆检测器A当前时段和上一时段的交通量增量和交通占有率增量判断交通流是否到达拥堵警告。如果未达到拥堵警告，不启用“借道左转”信号指示灯；如果达到拥堵警告，进一步判断上下游检测器检测到的平均占有率的绝对差和相对差是否大于设定值，若不大于各自设定值同样不启用“借道左转”信号指示灯，如大于各自设定值，可以确定该路段由于左转车流过大而发生交通拥挤事件，智能开启“借道左转”信号指示灯。同理，根据上游车辆检测器A相邻当前时段和下一时段的交通量增量和交通占有率增量判断交通流是否开始消散。进一步判断上下游检测器检测到的平均占有率的绝对差和相对差是否小于设定值，若大于各自设定值说明交通持续拥挤。在未达到最大绿灯时间之前仍然开启“借道左转”信号灯；若小于设定值可知交通流恢复正常，不启用“借道左转”信号指示灯。

“借道左转”信号灯指示灯根据下游停止线前左转交通流是否拥挤智能启用和停止的逻辑过程如图4所示。

四、拥挤检测下“借道左转”自适应控制实施

“借道左转”的控制方法是一种不用拓宽道路交叉口进口道宽度的创新控制方法，在理论上是可行的，但是，在实际应用中，左转车辆需要在某一时段借用对向直行车道，相当于逆行，存在很大的安全隐患，所以在实际应用中需要考虑一些实际问题，包括静态和动态控制。“借道左转”就是在中心隔离护栏靠近路口的位置设置一个开口，供左转车辆进入对向车道等待左转，分别在入口处设置提示屏和指示标线，相当于多了一条左转车道，变为两条左转车道，高峰期一个信号周期可多通行15～20辆机动车，有效提高路段机动车左转通行能力，缓解路段机动车通行压力。

根据交通流拥挤程度“借道左转”自动开启后需要对动态信号控制做出改变，包括交通信号灯和交通诱导指示灯，提醒排队左转驾驶人及时享用借来的道路。同样当交通流恢复正常后需要关闭“借道左转”信号灯，交通诱导指示需更加醒目提醒驾驶人不能驶入对向车道等待左转。

（一）“借道左转”车道的渠划

对于满足条件的道路交叉口某一方向左转相位，设置“借道左转”的静态控制方式，进口道车道线需要重新施划，利用出口车道的部分车道作为左转车辆借用的通道。在可以借道的起点施划明显的标线，引导车辆驶入所借车道，即原来交叉口实际的出口道，原出口车道只能借出部分车道作为借道左转车道，要预留出部分车道给右转进入该出口道的车辆通行。原来中心双黄线需要修改为单侧虚线，增设左转导向箭头。渠划如图5所示。

当道路交叉口几何形状较大，并且交叉口“借道左转”相位的前一相位放行的车流不是以所借车道为出口车道，也即左转放行前一相位放行的车辆不通过所借车道。此时，可以在临近交叉口中央处同样施划醒目的车道停止线，由于是借来的车道而且是对向行驶，故停止线采用双白虚线，停止线可以与原来左转车道停止线阶梯错位，驶入借道的车辆在等待左转期间尽量不影响其他进口道驶入该方向的车辆，相当于增加一条左转待转车道，当左转信号灯启亮时，原来左转车道车辆和“借道左转”车辆同时左转，提高左转车辆通行能力。

（二）“借道左转”车道的标志

“借道左转”的标志应当配合路面的渠划的标线使用，最好采用动态标志，根据交通流拥挤程度智能提醒驾驶人何时驶入临时借用的左转车道。动态标志需要根据实际情况设置在距离道路交叉口足够的距离，标志要清晰醒目，易于辨识，可以设置成主标志和辅助标志相结合的方式。同时设置“借道左转”动态控制标志，车道信号箭头灯以及倒计时信号灯，并且与原来道路交叉口交通信号灯保持一致。对于设置借道左转等待的道路交叉口所借左转车道和正常左转车道车辆可以同时进入车道等待左转。

（三）“借道左转”智能开启后的信号控制

如果“借道左转”车辆未能顺利通过路口，而占用对向车道，会影响对向直行车辆的正常通行，甚至出现不必要的交通事故，所以实现“借道左转”的道路交叉口交通信号控制一定要在首先保证原车道车辆正常通行的前提下才考虑满足借道左转车辆的需求，充分利用道路资源，利用空间换时间，要以保证行车安全为前提，车辆通过时间要绝对分离，保证足够的行车安全。通过借道左转的交通信号控制，提示驾驶人正确通行。

以大连市长春路-五四路道路交叉口为例，由南向西左转车辆可以根据交通流拥挤程度智能开启“借道左转”信号灯。一个周期内车辆放行按照“借道左转”指示信号灯可以分成三个阶段。其中，白色箭头表示车流有通行权，黑色箭头表示车流禁行，蓝色阴影箭头借道左转车流驶入待转区等待左转。

1. 放行五四路由东向西车辆

“借道左转”信号灯根据长春路南向西交通流拥挤程度智能开启允许借道左转指示灯，车辆可以驶入“借道左转”通道等待转弯但不可以左转，如图6（1）所示。

2. 放行长春路由南向别和由南向西车辆

此阶段车辆可以左转进入五四路，左转车辆根据“借道左转”信号灯指示可以继续驶入“借道左转”通道左转，如图6（2）所示。

“借道左转”信号灯在此阶段结束前会早闭10s～15s变为红灯，左转车辆不允许再进入到“借道左转”通道，以保证位于“借道左转”通道内的车辆清空完毕，为长春路北向直行车辆驶入该车道做准备，如图7（1）所示。

3. 放行长春路南北双向直行车辆

在此阶段由南向西借来的左转车道归还给长春路由北向南直行车道，南行车辆可以把“借道左转”通道作为直行车道正常使用，如图7（2）所示。

“借道左转”的信号灯依据交通流拥挤程度智能开启，但由于可能前一相位放行车辆在出口车道会出现清空滞后，可以根据道路交叉口具体几何形状，“借道左转”信号灯可以设置成较正常左转车道车辆延迟10s～15s时间变绿色，允许车辆进入反向车道借道左转；为了在左转相位结束之前能够彻底清空所借车道，在正常左转结束之前10s，禁止车辆借道左转，不允许车辆继续进入所借车道，并将所借车道归还，作为下一相位的正常出口车道。大连市长春路-五四路道路交叉口“借道左转”车流通行如图7所示，有效地提高该路口车辆的通行效率。

五、结语

“借道左转”的技术在实际应用中能够提高左转车辆的通行效率。根据交通流拥挤程度智能启用“借道左转”，能够克服于左转交通流不固定导致的固定式开启通行效率相对低下的问题，充分发挥工匠精神，进一步充分利用时空资源，智能优化信号控制，提高通行效率，缓解交通拥堵。“借道左转”也存在一些局限性，并非所有的道路交叉口都适用，在实际应用当中需要经过严格的实地考察和分析。