219336221_对称式移位左转交叉口优化设计与仿真

第23卷第3期2023年
6月交　通　工　程
Vol.23No.3
Jun.2023
DOI:10.13986/ki.jote.2023.03.007
对称式移位左转交叉口优化设计与仿真
王满福1,潘福全1,张丽霞1,卢　刚2,杨晓霞1,杨金顺1
(1.青岛理工大学机械与汽车工程学院,青岛　266520;2.青岛市市政工程设计院,青岛　266061)
摘　要:为了解决传统交叉口左转与直行车辆存在的交通冲突问题,提出了1种改进的移位左转交叉口的设置方法.综合考虑对称式移位左转交叉口的运行性能,进一步分析了交叉口预信号与主信号之间的协同控制关系,设计对称式移位左转交叉口的渠化模型,改进双向控制移位左转交叉口的相位方案,构建了计算优化模型,其中包括DLT 专用车道长度,左转车辆存储车道长度㊁左转渐变段长度.运用VISSIM 软件进行仿真,利用石家庄市某交叉口收集的数据进行验证,分别从车辆平均延误㊁停车次数㊁排队长度3个方面对移位左转方案进行效用分析.实验结果表明:采用双向控制的对称式移位左转交叉口与原交叉口相比,排队长度降低57.79%,平均延误降低49.86%,停车次数降低40.14%,提高了交叉口总体通行效率,获得较好的安全效益和通行效益.关键词:交通工程;双向控制;对称式交叉口;移位左转;VISSIM 仿真中图分类号:U 491.2
文献标志码:A
文章编号:2096⁃3432(2023)03⁃044⁃08
收稿日期:2022⁃12⁃20.
基金项目:国家自然科学基金(62003182);山东省自然科学基金(ZR2020MG021)和社会科学研究规划基金(18YJAZH067).作者简介:王满福(1997 ),男,硕士,研究方向为交通控制与管理.E⁃mail:2432456137@.
通讯作者:潘福全(1976 ),男,博士,教授,硕士生导师,研究方向为交通控制与管理.E⁃mail:fuquanpan@.
Optimization Design and Simulation of Symmetrical Displaced⁃Left Intersection
WANG Manfu 1,PAN Fuquan 1,ZHANG Lixia 1,LU Gang 2,YANG Xiaoxia 1,YANG Jinshun 1
(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520,China;
2.Qingdao Municipal Engineering Design Institute,Qingdao 266061,China)
Abstract :In order to solve the traffic conflict between left⁃turn and straight⁃going vehicles at traditional intersections,an improved setting method of displaced left⁃turn intersections was proposed.Considering the performance of the symmetric displace left intersection,further analysis of the intersection signal in
advance and the main signal coordinated control of the relationship between symmetric displace left
intersection highly channelizing design model,and improve the two⁃way control scheme of the phase displace left intersection,build up the relevant calculation optimization model,including the DLT lane length,Left⁃turn vehicles store lane length,and left⁃turn gradient section ing VISSIM software for simulation,using the data collected at an intersection in Shijiazhuang city for verification,respectively from the average vehicle delay,stop times,queuing length of three aspects of the displace⁃left program utility analysis.The experimental results show that:compared with the original intersection,the symmetrical displacing left⁃turn intersection with two⁃way control can reduce the queue length by 57.79%,the average delay by 49.86%,and the number of stops by 40.14%.It can effectively improve the overall traffic efficiency of the intersection,and obtain better safety benefits and traffic benefits.
Key words :traffic engineering;bidirectional control;symmetrical intersection;displaced left⁃turn;vissim simulation
　第3期王满福,等:对称式移位左转交叉口优化设计与仿真
0　引言
由于交叉口左转交通车流的存在,导致交通信号控制难度和车流组织复杂的增加.对于如何合理的组织交叉口左转车辆,提高道路通行效率和行车安全性,成为交通规划领域的热点研究课题.为了解决上述问题,研究者们越来越重视通过对非常规交叉口的设计和信号控制,来提高整体交叉口系统的效率.目前,国内外相继对移位左转的设计进行了一系列理论研究和实践应用.
Qu等[1]通过对美国德克萨斯州圣马科斯的2个DLT交叉口进行考察,研究其安全性能和运行性能,结果表明,DLT并没有增加交叉口的整体碰撞频率,但显著减少左转与直行车辆的交通事故. Jagannathan,R等[2]通过移位左转交叉口和传统交叉口的实验对比分析,分别对3种不同设计配置进行建模,发现DLT交叉口的通行能力㊁平均控制延迟与平均列队长度均优于传统交叉口.Yang等[3]研究饱和交通条件下连续流交叉口的设计方法,建立基于车道的DLT交叉口类型㊁车道标志㊁移位左转车道长度和信号配时的综合优化设计模型.Xian 等[4]在非饱和的交通流量条件下,对改进的移位左转交叉口设计的信号控制方法及性能进行评价. Ahmed等[5]基于高分辨率交通数据进行评估,研究表明,与传统交叉口相比,DLT对许多碰撞类型都有不利的安全影响,但对运营性能可能更有效.巨金鹏等[6]通过结合T型交叉口的实际情况,利用VISSIM微观仿真技术,提出1种基于移位左转的T 型交叉口的优化计算方法.朱腾洲等[7]采用一种联动控制算法来判定移位左转交叉口的几何物理模型的适用条件,并验证其方案的有效性.邓明君等[8]在已有理论的基础上,详细叙述移位左转交叉口的基本概念㊁组成类型以及其优缺点.
移位左转交叉口(Displaced Left⁃Turn Intersections,DLTs)作为1种不同于传统交叉口的新型交叉口类型,能有效实现左转车辆与对向直行车辆的同时放行和无冲突行驶,从而减少信号相位数和车辆冲突.唐一维等[9]利用VISSIM仿真软件,在相同交通流量条件下,将传统交叉口与对称交叉口进行车辆通行效率的对比分析,结论表明,对称交叉口具有提高交叉口通行能力的优势.华雪东等[10]基于纵列式移位左转交叉口类型的设置布局,确定DTL车道长度㊁信号配时等优化方案.张弛宇[11]通过研究移位左转信号控制的设置条件,提出移位左转信号相位相序控制的综合优化方法.
综上所述,虽然指出移位左转交叉口在提高交叉口通行效率㊁降低车均延误上发挥巨大作用,但依然存在着有待解决的问题.上述文献主要是针对传统十字交叉口进行探究,对于对称式交叉口是否适用移位左转类型以及相关渠化设计布局均尚未进行研究.因此,本文结合对称式交叉口和移位左转交叉口的设置参数㊁现状交通流量等因素,提出了一种基于双向控制的对称式移位左转交叉口的设置方法,构建主㊁预信号协同控制的配时方案和移位左转车道长度的计算模型;基于起动波速修正模型,以减少二次停车现象,从而降低车辆平均延误,并且考虑行人和非机动车的安全过街需求,提高交叉口的通行安全性.
1　移位左转交叉口
1.1　移位左转设置方式
移位左转交叉口通过将左转专用车道移至对向出口车道外侧的方法,使得左转车辆提前进入移位左转专用车道,以便在主信号的控制下,实现与同向直行㊁对向直行和对向左转同时放行.若将左转车道移位至对向出口车道最外侧,车辆进行左转时,必然先直行,再左转,容易造成转弯半径小且转弯困难,影响左转车辆的通行效率,同时该种布局方式也会与右转车辆发生冲突[12].
结合移位左转组织方式的特殊性,本文选择将移位左转车道向内平移1车道,可供右转车辆通行而避免增加冲突.其设置方法如图1㊁图2所示
.
图1　改进移位左转交叉口前后对比图
1.2　移位左转交叉口特点
由图1㊁图2可知,与传统交叉口相比,设置对称式移位左转交叉口能减少冲突点和信号相位数量,同时具有以下的特点:①将传统的四相位信号变为三相位,信号周期缩短,绿信比增加;②移位
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年
图2　对称式交叉口设置移位左转前后对比图
左转交叉口只是对车道进行重组,无需进行重大建设改造;③消除左转与直行车辆在主交叉口的冲突数量,能提高驾驶安全性能;④设置移位左转可有效降低车辆的排队长度和等待时间,减少尾气的排放.
1.3　移位左转交叉口设置条件
信号控制交叉口设置移位左转车道是1种新型的交叉口交通组织模式,主要是缓解交叉口左转车辆拥堵.若设置移位左转形式不合理,不仅无法提升通行效率,还将使交叉口运行复杂化.因此,在设置对称式移位左转交叉口时具有一定条件的限制.
1.3.1　信号条件设置
对于移位左转交叉口,需在主信号与预信号之间进行协同控制动态配合.在主交叉口处设置同时控制左转和直行方向的主信号灯,在次交叉口处设置控制进入移位左转车道的预信号灯,两者需协同控制来减少二次停车次数,具体设置位置见图3.通过将左转车辆提前引导至对向出口车道,与直行车辆同时放行,可减少信号相位,则本文采用的相位信号控制方案见表1.
表1　移位左转交叉口相位信号控制表
信号第1相位第2相位第3相位主信号东西直行(g 1)南北直行南北左转(g 2)
东西左转(g 3)
预信号
南北左转进口
(g 4)
--
1.3.2　几何条件设置
移位左转车道需移至相邻出口车道处,故应判
断该交叉口是否适合设置为移位左转类型以及设置车道数量.其车道数量需根据实际交叉口左转车道数量㊁左转机动车到达率以及左转与直行交通量的比例进行设置.研究表明[15],在左转车流量较高
㊁
图3　双向控制的对称式移位左转交叉口渠化设计示意图
左直车流量比例较大条件下,设置为移位左转交叉口可取得理想效果.在上述情况下,移位左转车道数量越多,车辆平均延误越小[16],因此,移位左转专用车道数量的设置条件如下:
n ≤n 3-n 1-n 2
(1)
移位左转车道数n 还受到对向进口右转车道数n 4
与相邻出口车道总数n 5的限制,故应满足条件式(2):
n ≤n 5-n 4
(2)
结合对称式移位左转交叉口示意图,如图4所示,综上所述,得到设置移位左转车道数量的计算式(3):
max n ≤min(n 3-n 1-n 2,n 5-n 4)
(3)
图4　移位左转专用车道数量设置
2　对称式移位左转交叉口车道长度计算
基于上述移位左转交叉口的设置条件以及实际
6
4
　第3期
王满福,等:对称式移位左转交叉口优化设计与仿真情况,为保证车辆可安全行驶通过交叉口,故应构建对称式移位左转交叉口车道长度的计算方法.
2.1　DLT 专用车道长度L 1
车辆进行交叉口左转时需在DLT 专用车道排队,其长度设置影响行车效率和安全性.若长度过长,在1个信号周期内,车辆不能充满整个DLT 车道,造成道路空间资源浪费;若长度过短,容易导致左转排队车辆溢出,在绿灯相位时与其他流向的车辆在渐变段处造成冲突,从而对于提高交叉口的通行效率意义不大.为充分保证DLT 专用车道被利用,故车道长度L 1与1个信号周期内左转小时交通量㊁左转车辆到达数及排队间距等变量因素有关.由于在不同的信号周期内左转车辆数目动态变化,考虑交叉口的行车安全,一般DLT 专用车道长度L 1设置不大于100m [12].本文综合考虑,建立DLT 专用车道长度L 1要满足左转车辆的最大排队长度计算模型:
L 1≥
Q l kh c
nm
(4)
式中,Q l 为南北方向左转车流量(pcu /h);h c 为左转车辆排队的车头间距(m);n 为1h 内信号周期数;m 为交叉口移位左转车道数量;k 为单位周期左转车辆到达不均匀系数,取1.5~2.
2.2　左转渐变段长度L 2
设置左转车辆渐变车道,以便车辆从左转储存车道进入DLT 专用车道.若渐变段长度不合理,则致使驾驶员操作难度增加,车辆行驶缓慢.而左转车辆渐变段长度L 2不受左转交通流量的影响,只需满足车辆的最小转弯半径要求,考虑相邻车道的最小安全车距即可,如图5所示,则L 2应满足[17-18]:
L 2≥2
r 2-(r -s )2;s =
2w 1+w e
2
(5)
式中,r 为最小转弯半径,取值为8m;w 1为1条左转车道宽度,取值为3.5m;w e 为双黄线宽度,取值0.3m;
s 为中间变量.
而左转车辆在渐变道的实际行驶距离为L 4,如
图5所示,应满足式(6):
L 4=
(arcsin
L 22)
r
90°
πr (6)
2.3　左转车辆储存车道长度L 3
左转车辆储存车道长度作为移位左转交叉口设
计的重要部分,若设置长度较短,其他方向车流与左转车流造成行驶干扰.左转车辆在储存车道处停
图5　左转渐变段长度计算图
车,在次交叉口预信号的控制下,行驶进入DLT 专用车道.在左转车辆饱和流率一定的情况下,左转车道储存车道长度L 3的设计长度与设置方向左转小时车流量㊁周期长度和DLT 专用车道数有关,还应满足1个周期内的排队长度,应满足式(7):
L 3≥
Q l Ch s
3600m
(7)
此外,L 1㊁L 2㊁L 3的车道总和,应小于两交叉口之
间的车道长度L (不宜超过600m),即满足式(8)[19]:
L 1+L 2+L 3<L
(8)
图6　对称式移位左转交叉口车道长度计算示意图
3　考虑主、预信号协同控制配时优化模型
3.1　考虑协同控制的相位设计
本文基于双向控制,南㊁北方向设置为移位左转类型,东㊁西方向设置为传统交叉口类型.
在进行移位左转交叉口的相位设计时,需考虑主信号与预信号之间的协同控制,以保证车辆在交叉口安全通过.
左转车辆在预信号绿灯控制下,通过车道引导
7
4
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线驶入DLT 专用车道,随后等待左转,此时东西进口车辆直行,为第1相位.南北进口主信号绿灯启亮,同时放行南北方向左转和直行车辆,为第2相位.等待左转和直行完全清空后,东西进口左转车辆放行,为第3相位,本文相位设计㊁信号配时方案如图7㊁图8所示
.
图7　相位设计方案示意图
图8　信号周期配时方案
在考虑主㊁预信号协同控制时要注意:①保证车辆在交叉口的交通行驶安全,在第3相位结束后,应确保东西进口左转车辆全部通过交叉口,再启动次交叉口预信号绿灯;②为保障南北方向直行车辆的通行效率,预信号绿灯时长应小于第1相位主信号绿灯时长,以避免南北直行车辆与进入DLT 专用车道车辆发生冲突;③在东西方向左转车辆放行前,应保证第2相位中的左转车辆全部顺利通过交叉口,则预信号绿灯有效时长应不大于第2相位的有效绿灯时长;④考虑主㊁预信号绿灯启亮协同控制,应让在次交叉口左转停线处的第1辆车可在主交叉口第2相位绿灯启亮时恰好到达,减少2次停车;⑤为防止黄灯期间车辆与下一相位绿灯启动时的头车发生碰撞,需设置全红时间清空车辆.
3.2　主信号配时方案
根据上述相位设计和信号周期配时方案,确定各相位交通流率比;利用Webster 配时公式,确定以车辆延误最少的最佳信号周期,对交叉口主信号进行配时.
3.3　预信号配时方案
预信号有效绿灯时长的设置,不仅要保证与对向直行车辆不发生冲突,还要使左转储存车辆完全进入DLT 专用车道中.但分析交叉口排队车辆起动的过程中,由于前方车辆刚刚起步,起动波阻塞密度k j 依然很大,故波速基本方程不在适用于此情况[20].因此,基于Greenberg 模型建立起动波速修正模型,如式(9)所示:
u =u m ln (k j /k )
(9)
式中,u m 为最佳车速;k j 为阻塞密度;k 为起动密度;
由交通波基本计算式得:
u ω=
q 2-q 1k 2-k 1=k 2u 2-k 1u 1
k 2k 1
(10)
式中,u ω为起动波速;u 1㊁u 2为不同区间的平均车速;
k i 为状态i (i =1,2)的车流密度.对于起动波,令k 2=k j ,u 1=0,得起动波速修正
模型:
u ω=-k 1u m ln (k j /k )
k j -k
(11)
由于排队车辆在交叉口时起动波的波速,一般
总是很低[20],本文取为u ω=20km /h .
3.3.1　设置提前绿灯启动时间
为确保南北方向左转车辆安全的驶入DLT 专
用车道,避免与第3相位左转车辆发生碰撞,预信号灯需在第2相位开启前提前启动.预信号灯若过早启动,与上一相位驶入此出口道左转车辆产生冲突;若过晚启动,无法保证左转存储车道上的车辆完全清空,导致左转通行能力降低.因此,预信号绿灯的提前启动时间(t 1)为:
t 1=
S u ω+L 1+L 4
u λ
(12)
式中,S 为东西进口左转车辆从停车线到南北出口处线完成转弯的行驶距离(m);u λ为在交叉口中的行驶速度(km /h).
3.3.2　设置绿灯持续时间为保证在预信号绿灯启动时左转存储车道内的
车辆恰好充满DLT 车道,充分利用该车道,需合理设置预信号的绿灯持续时间.预信号绿灯持续时间过短或过长会导致左转通行能力下降或车辆滞留与下一相位的车流造成冲突.因此,要求排队第1辆车到达DLT 专用车道停车线处所需要的时间(t 2)为:
t 2=
L 1+L 2
u ω
(13)
8
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　第3期
王满福,等:对称式移位左转交叉口优化设计与仿真 排队最后一辆车从接收到起动信号到行驶至DLT 专用车道所需要的时间(t 3)为:
t 3=
2L 3+L 4
u ω
(14)综上,预信号的有效持续绿灯时长(g 4)为:
max (t 2,t 3)≤g 4≤(g 1-t 2)
(15)
4　实例验证
本文选取石家庄市建设南大街与仓丰路交叉口为研究对象,建设南大街为南北走向的主干路,仓丰路为东西走向的快速路,现交叉口如图9所示.在实际调查过程中,发现该交叉口机非混行,安全隐患较大,交通秩序混乱,且南北方向直行与左转车流量相对东西方向较大,故在现交叉口的基础上调整设计为双向控制的对称式移位左转交叉口,根据计算式(1)(2)具体渠化示意图如图10所示
.
图9　建设南大街与仓丰路交叉口现状
图10　对称式移位左转交叉口渠化
4.1　交叉口现状分析
对现交叉口的交通流量和信号配时进行统计,调查时间为07:00 09:00,各进口流量及信号配时如表2㊁表3所示.
4.2　交叉口优化设计4.2.1　确定车道长度
根据式(4)(5)(7)及现交叉口车流量状况,可计算得移位左转交叉口各功能车道的具体长度,如表4所示.
4.2.2　确定信号配时
根据实际交叉口流量和Webster 公式,得到主
信号配时方案;由式(14)~(18)计算得到预信号的
表2　交叉口流量表
pcu /h
东进口
西进口南进口
北进口
左直右左直右左直右左直右182
877
144
197
995
278
420
145780
337
1403159
120314701956
1899
表3　信号配时表
s
相位第1相位第2相位第3相位第4相位总周期方向南北直行南北左转东西直行东西左转129
绿灯时长
33
25
35
25
9
4
交　通　工　程2023年
表4　各功能车道长度值
m
功能车道DLT 专用车道长度L 1
左转渐变段长度L 2
左转车辆储存车道长度L 3
长度
60
14
38
有效绿灯时长,同时,设置各相位绿灯安全过街余量为3s,保证行人和非机动车安全过街,优化后信号配时方案见表5.
表5　优化后信号配时方案
s
相位第1相位第2相位第3相位总周期方向东西直行(g 1)南北直行南北左转(g 2)东西左转(g 3)114
绿灯时长3349
20
方向南北左转(g 4)绿灯时长
25
4.2.3　VISSIM 仿真及结果对比分析
为验证本文渠化方案的有效性,分别构建基
于改进后配时方案的原交叉口和移位左转交叉口仿真路网模型,将优化后的交叉口数据和实际观测车速输入VISSIM 中,为了得到更加精确的仿真结果,因而在对比实验中,应保持设置的各项参数恒定.利用VISSIM 中评价功能设置指标检测器分别对各进口的直行㊁左转进行仿真结果数据的输出,以排队长度㊁车均延误㊁停车次数为评价指标,从而得到2种方案的评价对比结果,如图11~图14所示
.
图11　排队长度对比结果
由图11可知,优化后的移位左转交叉口从4相位信号减少为3信号相位,
采用双向控制可保证直
图12　车均延误对比结果
图13　停车次数结果对比
图14　优化结果对比
行和左转车辆同时通过交叉口,故南㊁北方向的排队长度较东㊁西方向有明显的改善.此外,由于第3相位(东西左转)绿灯有效时长的缩短,在一定程度上造成排队长度的增加,但实际效果影响不大,信号控
制方案符合实际情况.
由图12可知,设置移位左转的南北交叉口较传统交叉口来说,直行和左转车辆的平均延误下降率大于70%,是因为采用移位左转方案后,较原配时方案,优化后的第1相位绿灯有效时间减短,第2相
5
　第3期王满福,等:对称式移位左转交叉口优化设计与仿真
位绿灯有效时间增加,且直行与左转车辆同时放行,可大幅度提高南㊁北交叉口的通行能力.
由图13可知,考虑对主㊁预信号进行协同控制配时,使得左转车辆在预信号绿灯的控制下行驶进入DLT专用车道,减少车辆的二次停车,可直接通过交叉口.此外,对于南进口㊁北进口和东进口的停车次数均有明显的下降.
由图14可知,通过对传统现状交叉口与移位左转交叉口的仿真实验数据进行对比,该交叉口在未优化前车辆的排队长度为81.25m,平均延误为
90.08s,停车次数为2.05次,而优化后双向控制的对称式移位左转交叉口车辆的排队长度为34.29m,平均延误为45.17s,停车次数为1.23次,对比分别降低了57.79%㊁49.86%㊁40%.综上可知,本文基于双向控制的对称式移位左转交叉口能有效的提高交叉口的通行能力,降低车均延误,改善车辆的通行效率.
5摇结束语
1)基于双向控制对传统交叉口设置为移位左转类型,并且从几何条件㊁信号配时和适用性条件等方面进行探究,提出了移位左转出口道改进方案.结合单周期内移位左转小时交通量㊁车辆到达数等变量,设计了DLT专用车道长度和左转车辆储存车道长度计算模型,建立的交叉口交通流组织方案,可解决车辆冲突问题.
2)运用Webster公式对主交叉口信号进行配时,考虑预信号配时中提前绿灯启动时间和绿灯持续时间,构建了预信号配时计算公式,设计了对称式移位左转交叉口相位方案,分析了主信号和预信号之间的协同控制关系,建立了对称式移位左转交叉口信号优化配时模型.
3)通过VISSIM建立了对称式移位左转交叉口模型,分别从排队长度㊁车辆平均延误㊁停车次数3个方面进行仿真试验验证,表明设置成对称式移位左转交叉口能改善车辆的运行效率和平均延误.
此外,在今后的研究过程中还应考虑以下几个方面:
本文以标准小汽车为研究对象,在实际中也应考虑公交车,货车等大型车辆对设置DLT专用车道长度和交叉口总体评价的影响效果.同时,还要充分考虑行人和非机动车的安全过街和延误情况.参考文献:
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(下转第56页)
15。