信号交叉口设置左转车道交通量研究

信号交叉口设置左转车道交通量研究

设置左转道路是改善交叉口交通状况的有效手段，同时存在几个问题。左转道路的正确配置是非常重要的。目前,国内对左转车道设置依据的研究极少,国外有关左转车道设置的研究主要针对无信号交叉口,广泛应用的依据是Harmelik的研究成果.有关信号交叉口左转车道设置的研究很少,BrianPark和NicholasJGarber等利用计算机模拟进行了初步探讨.HCM2000主要从左转交通量、对向交通量和安全3个方面来考虑左转车道的设置,并建议,在一般情况下,应将设置左转专用车道作为交叉口的标准设计.虽然HCM2000针对信号交叉口做出了规定,但仅从左转交通量来考虑,显然忽略了很多因素,例如左转交通量相同,而对向交通量相差很大,则交叉口的运行状况显然不同.本文将用交通流理论、概率论和排队论对信号交叉口左转车道的设置依据进行深入研究.讨论左转车辆对交叉口运行的影响和左转车道设置的影响因素;对无信号交叉口左转车道的设置进行理论分析;在无信号交叉口左转车道设置讨论的基础上,根据信号交叉口和无信号交叉车辆运行状态的不同,分析信号交叉口左转车道的设置依据.1左转路径配置原理1.1设置左转私家车道左转使交叉口冲突、延误和事故增加,通行能力下降,并使信号配时变得复杂.在交叉口左转相关的冲突有:车辆与车辆、车辆与行人、车辆与自行车的冲突以及自行车与行人、自行车与自行车的冲突.引起左转冲突的原因主要有:对向直行交通、本向直行交通、横穿的车辆和行人.在没有设置左转专用车道的情况下,左直或左直右混行.在通过交叉口的过程中,左转和直行车辆以及对向交通产生复杂的相互作用:左转与对向交通相互干扰,在共用车道内,直行车与转弯车分离、本向左转车对后面跟行的直行车产生阻碍等,如图1.由图1可知,在没有左转专用车道的情况下,左转车对直行造成的延误主要由于左转车等待可穿越的空档致使直行车停车或减速,将因受左转车影响而减速或停车的直行车称为受干扰车辆.受阻或延误的直行车辆的数量取决于左转车辆数和一个信号周期内左转车辆在排队中的位置.直行车辆中受干扰车辆的比例是对向交通量和本向左转比例的函数.比例随着本向左转比例、对向交通量和本向交通量的增加而增加.在本向交通量和左转交通量较低的情况下,后面的直行车辆可变更车道而不必减速,随着交通量的增加,干扰逐渐变得严重,为保证交通的服务,必须控制受干扰车辆的数量或比例,设置左转专用车道.1.2左转车道设置的影响因素左转车道将左转车从直行车道中分离出来,可提高交叉口的安全性、提高交叉口的运行效率、从而道使相位设置更加灵活.同时左转也会带来一些问题,如降低行人过街安全性、提高造价等.左转车道的设置与否主要从交叉口的运行效率和安全性两大方面考虑.考虑的主要因素:本向直行、左转交通量、左转交通量百分比、对向左转、直行、右转交通量、设计和运行车速、车道数以及交通事故等.而其中关键因素是本向交通量(advancing)、左转交通量、对向交通量(opposing)、运行车速和对向车道数,这是本文重点考虑的因素.2u2009等待时间在研究信号交叉口左转车道设置依据前,首先来讨论无信号交叉左转车道的设置依据.根据前面的讨论,左转与直行的作用过程可以利用概率论和排队论的理论进行分析.以双向2车道的道路为例说明,即每个进口道有1股车流.假设车流到达率服从泊松分布,则车头时距服从负指数分布.如果车流到达服从泊松分布,则车头时距服从负指数分布,其概率分布函数为其中,λ表示车辆到达速率(辆/s);t表示车头时距离.对F(t)求导,得其分布密度为一辆左转车到达交叉口时,若没有排队等候的左转车,则左转车获得一个可穿越空档的概率为其中,λo表示对向车辆的到达率(辆/s);tc表示可穿越空档的临界值,即临界间隙.若Vo为小时交通量,则λo=Vo/3600.如果一辆左转车到达交叉口时刚好错过了一个可穿越的空档,则要等待下一个可穿越的空档.两个可穿越空档的间隔时间用T表示,则T是左转车辆等待可穿越空档的时间.根据概率知识,可得平均等待时间.两个连续的可穿越间隙之间都是不可穿越的间隙,可穿越的间隙将不可穿越的间隙随机的分隔开,即平均等待时间等于所有不可穿越间隙的车头时间的总和(称作闭段的全部时间)除以可穿越间隙(称为开段)的个数,所以只要分别求得上述两个变量即可.1h内闭段所包括的全部时间Ts和开段总数nd为用式(5)除以式(6)得T.可见,T是对向交通量Vo和临界间隙tc的函数.另可求得等待时间的方差左转车辆等待穿越对向车流的过程可以用单服务台的排队系统来描述:左转车辆服从到达率为λL的泊松分布,服务时间T可看作是一般分布,即M/G/1模型.其中,服务时间的均值和方差分别如式(4)和式(7).根据排队论可知,服务时间服从一般分布的排队系统的服务强度ρ=λE(T),则无车辆排队等待的概率PnwPnw也表征了本向直行车不受左转车停车干扰的概率.左转车排队或直行车受左转车影响的概率为,可得受排队左转车影响的直行车的均值为其中,Pnw表示没有车辆排队等待的概率;λL表示左转车辆的到达率(辆/s);λT表示本向直行车的到达率(辆/s);表示平均等待时间.如果没有左转专用车道,随着Pnw的增加,直行车的服务水平将降低.联合式(4)和式(8),可将左转车排队概率表示成左转车到达率与对向车流到达率的函数,如式(10)其中,VL表示左转交通量(辆);Vo表示对向交通量(辆).若tc一定,则可求出不同VL和Vo下的Pw.由式(10)可知,在Pw已知的情况下,左转交通量和对向交通量可相互表示,即设左转专用车道的阈值关系式为以上的推导都是基于进口道只有1条车道的情况,即本向受左转影响的车流使用的车道数n=1.当n>1时,只有与左转共用车道上的直行车辆才受到的影响,即左转车停车等待的概率是共用车道上直行车受干扰的概率,而进口道受干扰直行车的概率等于左转车停车等待的概率乘以共用车道直行车占进口道直行车总数的比例.需要分析进口道车道的利用系数.根据HCM2000的研究结果,当进口道的交通量接近于通行能力时,车道的利用系数非常接近1.0,即每条车道基本是被均匀利用的,每条车道的利用系数的差别可以忽略.所以,在这里采用简化的处理,对于多条车道通行的左转车辆数的表达式如下可见式(11)是式(12)的特例,即n=1.在对无信号交叉口左转车辆的运行分析中,只考虑了对向交通量的影响,没有考虑交叉交通量的影响,原因有:①无信号交叉的分析是为信号交叉口分析做基础的,而在信号交叉口中获得绿灯通行权的方向上的车流不受交叉车流的影响,假设无信号交叉口在全部时间内左转车流只受对向交通量影响情况下推导的公式,只要加入绿信比即得到信号交叉口的情况;②tc从一定程度上反应了交叉交通量的影响.3信号交叉口左转道的配置3.1不设置左转专用相位对于信号交叉口,由于受信号灯的控制,车流的运行状态与无信号交叉口不同,所以也不同.研究表明,在无左转专用车道的情况下,设置左转专用相位的效果不理想,所以,在不设置左转专用车道时,一般不设置左转专用相位,下文的讨论也针对无左转专用相位的情况.在信号交叉口,每个方向的车流只有在绿灯期间通行,所以,只有在绿灯期间才能出现可穿越间隙,且可穿越间隙的最大值不能超过绿灯时间g.假设周期时长为C,绿信比为y,则在一个周期内闭段总时间和开段个数分别为则可得信号交叉口的同样可得与无信号交叉口类似,对于多条车道通行的左转车辆数的表达式为在其他参数已知的情况下,由式(17)则可求出不同Pw和Vo下的VL即需要设置左转专用车道的左转交通量的阈值.3.2左转影响车道数的确定要计算左转交通量,首先要确定相关参数.一个交叉口在给定的配时方案下,进口左转车辆影响的车道数n、绿信比γ、对向交通量Vo是可以确定的.受左转影响的直行车停车概率的限值Pw和左转穿越对向车流的临界间隙tc则是需要确定的.3.2.1影响pw安全因素为保证直行车的服务水平,必须对由左转引起的停车比例进行控制,Pw间接反应了交叉口的服务水平.目前广泛应用的Pw的值是Harmelink在1967年给出的.运行车速是影响Pw的主要因素,但考虑到中国交通的实际状况,车流在交叉口受行人和非机动车的干扰较大,运行车速偏低,参照国外情况给出我国Pw的默认建议值,表1.表1受左转影响的直行车停车概率的限值TablelStopprobabilityofthroughvehiclesaffectedbyleft-turnvehicles3.2.2临界间隙的调查与确定临界间隙tc大小对左转穿越对向车流的影响很大,tc增大,说明左转车穿越对向交通流将变得困难,对交通运行的影响加大.交通条件的复杂程度不同,临界间隙也不同.研究表明,tc主要与以下因素有关:车流的运动方向、被穿越车流的车道数、被穿越车流的运行车速、视距、驾驶员特性、车辆性能等.临界间隙可以通过理论模型和实际观测获得.不同交叉口的临界间隙各不相同,在有条件的情况下,建议进行临界间隙的交通调查.根据已有的研究成果,我国城市交叉口左转车临界间隙可采用如下建议值,如表2.为了便于工程应用,可利用式(17)对典型情况进行计算,获得不同情况下设置左转车道的左转交通量的最小限值.其中计算参数的取值为:①Vo为100～800辆/车道,间隔为50辆;②T为60～120s,间隔为10s;③λ为0.2～0.8,间隔为0.1;④Pw取表1中的值;⑤tc取值如表2所示.完整的计算结果见文献.由计算模型式(17)和计算结果得到:①信号交叉口设置左转车道的影响因素主要有对向交通量、进口道车道数、运行车速、周期、绿信比等;②随着运行车速的提高,设置左转车道的左转交通量下降;③设置左转车道的左转交通量随着对向交通量的增加而降低,降低的速率呈递减趋势;④设置左转车道的左转交通量随周期和绿信比的增加而增加,但随着对向交通量的增加,差值变得越来越小;⑤设置左转车道的左转交通量随进口道车道数的增加而增加,但随着对向交通量的增加,差值变得越来越小.信号交叉口左转车道设置准则模型左转车道是交叉口交通设计中最重要的元素之一,其设置的恰当与否对交叉口的运行状况至关重要.本文对信号交叉口左转车道的设置依据进行了研究.在分析了左转与直行车辆的相互作用过程和运行特性的前提下,综合运用概率论、排队论、交通流理论,假设车流到达率服从泊松分布,推导了无信号交叉口左转车道设置左转交通量的阈值表达式.在此基础上,根据信号交叉口与无信号交叉口的不同,建立了信号交叉口左转