城市道路交叉口直行待行區設置技術研究

邱美華，楊福全

(福建農林大學 金山學院，福州 350002)

隨著時代的發展和社會的進步，汽車逐漸成為家庭出行的普遍交通工具.隨著車輛數的迅速增加，現有的城市交通供給已無法滿足日益增長的交通需求.道路交通安全、環境污染和能源消耗等問題也隨之而來.信號交叉口作為城市道路的節點，交叉口的通行效率和通行能力直接關系到路網交通流的運行狀態[1-2].為了提高交叉口運行效率，目前無論是從工程建設角度還是道路交通管理角度都最大限度的對交叉口進行了優化改善，交通效率的進一步提升遇到了瓶頸.如何合理有效的改善交叉口運行效率，保障道路交通的可持續發展，為此國內提出直行待行區的研究.尚德申[3]等人分析了直行待行區的設置方法和長度，通過實例分析設置直行待行區前后的交通效益，結果表明在交叉口設置直行待行區能夠有效減少交叉口延誤.左天福[4]等人從延誤和通行能力方面對交叉口設置直行待行區前后進行分析.結果表明，合理設置直行待行區可以減少交叉口車輛的平均延誤，進一步提高交叉口通行能力.李穎宏[5]等人對直行待行區的設置條件進行研究，結果表明只有在流量比和飽和度較大的情況下才需設置直行待行區.楊明[6]通過靜態和動態兩種方法分析設置直行待行區前后通行能力的計算公式，并通過模擬計算為待行區的應用提供理論支撐.

本文通過建立設置直行待行區前后的的進口道通行能力模型和交叉口的VISSIM仿真模型，并結合交叉口幾何尺寸、優化交叉口信號配時方案進行實例分析，以此來評價設置直行待行區前后的交通效益指標的變化.

1 直行待行區的含義及其設置條件

1.1 直行待行區的含義

直行待行區是指在交叉口的直行進口車道的停止線(第一停車線)前再規劃一塊區域作為待行區[7-8]，其為由平行的白色虛線邊框和最前端的新停止線(第二停車線)組成的一個閉合區域，見圖1.當左轉綠燈亮時，直行車輛進入待行區內等待，直行綠燈亮時，再繼續前進最后通過交叉口.

圖1 直行待行區渠劃示意圖

設置直行待行區既能夠增加直行車道的長度，又可充分的利用交叉口的時空資源.在信號交叉口運行的整個過程中可以看出直行車輛先利用上一個綠燈放行階段進入待行區，以縮短通過交叉口的長度，當直行綠燈亮時，再通過交叉口，從而縮短通過交叉口的時間.在此放行過程中，時間用于交換空間，然后空間用于交換時間，最終起到時間和空間轉換的作用.

1.2 直行待行區的設置條件

在交叉口設置直行待行區雖然可以有效地改善交叉口的通行能力并減少交通延誤，但不是所有的交叉口都能夠設置直行待行區.國內研究學者對多個設有直行待行區的城市交叉口進行深入的分析研究，總結出以下交叉口設置直行待行區的必要條件.

1)交叉口必須是信號控制的方式，而且信號配時方案至少要有四個相位

直行待行區通常設置在大型平面交叉口，該類型的交叉口不同方向的交通量較大，交叉口內部運行狀況復雜且沖突嚴重.所以，為保障交叉口內部通行車輛的通行安全和行車速度，一般采用多個相位的信號控制，使交叉口內部的交通沖突點在時間上進行分離.實踐證明，為了及時區分左轉車流和反向直行車流形成的沖突，在交叉口設置直行待行區至少需要四個相位的信號控制.

2)交叉口必須設置左轉專用進口道

目前，交叉口車輛放行方式分為左轉和直行車輛同時放行和單獨放行，兩者都要求直行交通流和左轉交通流的分離，而具有直行待行區的十字路口的交通組織模式是在前一階段放行時使直行車輛進入交叉口內部，因此直行車輛不能影響前一階段綠燈放行的車輛的運行.事實上待行區設置后不受直行車流影響的車流只有左轉車流.因此，交叉口必須設置左轉專用進口道.

3)進口道必須達到足夠的直行交通量

直行進口道的交通量沒有達到足夠的數量，設置待行區會浪費交叉口空間，還會浪費直行相位的有效綠燈時間，直行待行區造成排隊中的直行車輛二次停車啟動，不但沒有提高通行能力，還增加車輛延誤，降低交叉口的通行效率[9]，交叉口車輛尾氣排放量也隨之增加.在左轉車道排隊的車輛數量過多會影響到相鄰直行車道的車輛行駛，所以左轉車輛的排隊長度是設置左轉待行區的關鍵條件；同理將直行車輛排隊長度用作設置直行待行區的關鍵條件.由于直行車道的距離較長，不會影響車輛在其他相鄰車道上的行駛，因此將車輛是否行駛產生二次排隊現象作為設置直行待行區的關鍵條件是比較合理的[10].

圖2為直行排隊車輛的消散示意圖.直行信號燈為紅燈時，到達的車輛進行排隊，直到紅燈結束達到最大隊列長度(即：N=qtr).綠燈亮時，排隊車輛將穿過停車線隊列消散.

圖2 排隊車輛消散示意圖

由圖2可以得出：

(1)

(2)

其中：N為直行車輛的最大排隊車輛數，pcu；q為直行車輛的到達率，pcu/s；tr為直行相位的紅燈時間，s；t損為車輛啟動時損失的時間，s；qs為直行車道的飽和流率，pcu/s；Δt為直行排隊車輛的完全消散時間，s.

對直行排隊車輛的完全消散時間Δt進行分析，判斷直行進口道是否需要設置直行待行區，tg表示綠燈時長(s).

當Δt

當Δt=tg時，進口道車輛到達的情況以圖2中曲線2表示，在綠燈周期結束時，排隊車輛同時消散完成，直行車道的通行能力剛好滿足到達的直行車輛的交通需求，車輛不需要兩次排隊，交叉口處于臨界飽和狀態.所以把到達的車輛數作為車道設置直行待行區的臨界值.

當Δt>tg時，進口道車輛到達的情況以圖2中曲線3表示，排隊車輛不能在綠燈時段結束時完全消散，直行車道的通行能力無法滿足到達車輛的需求，交叉口為過飽和狀態，車輛需要兩次排隊，所以需要設置直行待行區.

2 模型建立

2.1 通行能力模型

該模型采用“停車線法”進行計算通行能力.計算時，將進口道的停車線作為基準面，在有效綠燈時間內，車輛通過進口道的停車線即被視為已經通過交叉口.在設置直行待行區后，分開計算提前通過直行進口道停車線的直行車輛，然后再計入通行能力內，該通行能力計算過程中不包括右轉車道的通行能力.交叉口每條進口車道的通行能力取決與有效綠燈時間和飽和車頭時距兩個參數.本章主要針對交叉口設置直行待行區前后進口道通行能力的變化情況進行分析.

交叉口進口道通行能力計算：

1)不設置直行待行區

(3)

其中：C1為進口道通行能力，pcu/h；ht為飽和車頭時距，s/pcu；ge1為不設置直行待行區時直行相位的有效綠燈時間，s；

則：ge1=g-t損+A

(4)

ge左為不設置左轉待行區時左轉相位的有效綠燈時間，s；

則：ge左=g左-t損+A

(5)

其中：g為直行相位綠燈顯示時間，s；g左為左轉相位綠燈顯示時間，s；t損為車輛啟動損失時間，s；A為黃燈時間，s；T為信號周期長度，s；i為直行車道條數；j為左轉車道條數.

2)設置直行待行區

根據交通波理論設置直行待行區后，交叉口排隊中的車輛在開始啟動行駛時，會產生以車輛的暢行速度Vf向后傳播的發車波[11-13].并經過LAB/Vf的時間，從第二停車線后的第一輛車啟動傳到第一停車線后的第一輛車啟動[14].考慮到發車波向后傳播的時間和排隊中第一輛車啟動的損失時間，分別計算了兩種配時方案下的有效綠燈時間.

根據不同的配時方案，交叉口設置直行待行區后，進口道的通行能力分為以下兩種情況：

方案1：周期時長增加，但綠燈的顯示時間不改變

(6)

(7)

方案2：周期時長不變，但綠燈的顯示時間減少

(8)

(9)

(10)

(11)

ge左為不設置左轉待行區時左轉相位的有效綠燈時間，s；則見公式(5)

3)通行能力增加值

方案1通行能力增加值為：

(12)

方案2通行能力增加值為：

(13)

其中：ΔC為設置直行待行區后進口道通行能力的增加值，pcu/h.

2.2 VISSIM交通仿真系統模型

VISSIM交通仿真軟件已大量運用于交通工程的實際設計工作中，是一款運行穩定且可靠的軟件.在交叉口的車道功能、進口道交通量和信號配時方案等各種影響因素相同的條件下，利用VISSIM仿真軟件對交叉口設置直行待行區前后進行交通仿真評價，并對兩組不同的仿真評價數據結果進行比較和分析.

VISSIM 仿真平臺構建步驟：

1)將交叉口底圖導入VISSIM 仿真軟件中，并設置比例尺寸，根據交叉口底圖進行繪制路網.

2)根據對交叉口的交通現狀調查所獲得的相關數據，確定交叉口每個進口道的車輛構成和期望車速.

3)輸入每個進口道的交通流量，并對進口道的車輛進行路徑決策和不同方向的流量分配.

4)在將要轉彎位置及轉彎位置設置減速區使車輛減速，沖突區設置優先讓行.

5)設置交叉口機動車道的信號燈控制，在仿真軟件中，在原有的信號相位燈組的基礎上，增加信號相位燈組，通過設置信號燈的位置來實現直行待行區的設置.

6)設置檢測器選擇評價參數，進行仿真評價得出相關評價數據，為交叉口設置直行待行區前后狀況評價分析提供依據.

仿真平臺建立后，為模擬得到交叉口各進口道的通行能力值，將車輛產生器設置為產生車輛，為交叉口的各進口道提供最大交通流量.連續仿真多個小時，且每隔一個小時統計一次數據，從數據中選取最大小時交通量，即作為進口道的小時通行能力.

3 模型驗證及案例分析

3.1 交叉口數據調查

交叉口作為道路交通流的集散之地，交通量相對較大，本文選用金榕南路-建新南路-奧體路交叉口的現狀進行數據調查分析見圖3.

圖3 金榕南路-建新南路-奧體路交叉口

1)交叉口幾何構造

表1 交叉口進出口車道功能劃分

2)交通量

通過實際的現場調查，該交叉口的晚高峰流量相對較大，故選用晚高峰的交通流進行研究分析，晚高峰小時交通量見表2.

表2 晚高峰小時交通量

3) 現狀交通組織圖

見圖4.

圖4 未設置直行待行區前交叉口的交通組織圖

3.2 交叉口優化方案設計

直行待行區設置在進口車道第一條停車線的前方，直行待行區的長度受到相交道路左轉行車軌跡的限制，應在與左轉車的沖突點前的一段距離設置直行待行區停車線，由于各個城市的交通流狀況不同，應根據不同的交通流特點合理設置這個長度.改善交叉口后的交通組織見圖5.

圖5 設置直行待行區后交叉口的交通組織圖

3.3 優化信號配時方案

1)交叉口相序

交叉口設置直行待行區前后車輛具有不同的放行方式.由于左轉車軌跡較長，選用先左轉后直行的放行相序，左轉行駛方向的最后一輛車不能在直行行駛方向的第一輛車到達之前駛過沖突點，交叉口內會有沖突[15].所以此交叉口選用先直行后左轉的放行相序，使得直行行駛方向的最后一輛車可以在左轉行駛方向的第一輛車到達之前駛過沖突點，避免出現沖突，具體信號相序見圖6、7.

圖6 設置直行待行區前交叉口信號相序圖

圖7 設置直行待行區后交叉口信號相序圖

2)信號配時

為保證駕駛員能夠知道何時應進入待行區，在信號燈立柱上設置電子顯示屏，通過顯示屏上的顯示字樣，提示駕駛員何時進入待行區，該設施對不熟悉有待行區的交叉口的運行特性的駕駛員有很大幫助，結合交叉口現狀合理的優化信號配時，具體的交叉口優化相位配時見圖8.

選用金榕南路-建新南路-奧體路交叉口進行算例分析，設置直行待行區前后各進口道的配時方案，見表3.

圖8 優化后交叉口信號配時

表3 設置直行待行區前后各進口道的配時方案

3.4 模型驗證

為了驗證所建立的通行能力模型是否可行，現選用金榕南路-建新南路-奧體路交叉口進行模型驗證，分別利用通行能力模型及VISSIM仿真模型計算交叉口未設置直行待行區的通行能力值，計算結果見表4，同理計算設置直行待行區后的通行能力值，計算結果見表5.

由表4、5可以看出利用通行能力模型及VISSIM仿真模型計算出的誤差率均在10%之內，通行能力模型可靠.兩個表格數據顯示仿真值普遍比同條件下的計算值小，這是因為仿真軟件的運行設置有考慮到車輛之間的相互干擾等因素.

3.5 案例分析

將表3中的相應數據代入式(3)～(13)中，并假設直行待行區內的車輛都是標準汽車,平均車長為5～6 m，排隊時兩車之間的距離為1～2 m，取，直行與左轉車道的車輛飽和車頭時距，啟動損失的時間取3 s，車輛的暢行速度取40 km/h.計算結果見表6.

表4 未設置直行待行區的通行能力對比分析

表5 設置直行待行區的通行能力對比分析

表6 交叉口設置直行待行區前后各進口道通行能力

待行區的長度及車道數決定待行區內停放的車輛數，也影響到進口道的通行能力.由表6可知，設置直行待行區后使用配時方案1和配時方案2都可使交叉口通行能力增長，且配時方案1總體增加率大于配時方案2，即周期時長增加，但綠燈的顯示時間不改變，通行能力的增加值相對較大.

3.6 仿真結果與評價

根據配時方案1，利用VISSIM仿真軟件對金榕南路-建新南路-奧體路交叉口設置直行待行區前后進行仿真評價，并導出交通效益指標，仿真結果見表7、8.

通過連續多次仿真，選取其中最大的一組小時通行能力作為進口道的通行能力，從表7中可以看出，各進口的延誤有所改善，從表8中可以看出設置直行待行區后，金榕南路-建新南路-奧體路交叉口在各進口道的通行能力有明顯提高.

表7 設置直行待行區前后各進口道的延誤

表8 設置直行待行區前后各進口道的通行能力

4 結 語

隨著機動車保有量持續增加，交叉口的通行能力已無法滿足日益增長的交通需求，而城市道路規劃完善，空間資源有限.本文充分利用信號交叉口內部的空間資源，以此換取時間資源，提高交叉口通行能力，降低延誤.建立通行能力模型和VISSIM仿真模型，以實際交叉口為例，優化待行區和信號配時.利用通行能力公式計算設置直行待行前后的進口道通行能力值，同時用VISSIM仿真軟件對交叉口設置直行待行區前后進行仿真數據對比分析，兩種方式的結論均證明交叉口設置直行待行區后通行能力明顯提高，交叉口的空間資源得到更為充分的利用.