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中国信号交叉口逆向左转车道设计的运行分析
摘要
研究的主要目的是评估一种称为逆流式左转车道（CLL）的非常规左转弯处理对信号交叉口左转车辆运行性能的影响。为此开发了一种分析模型，用于估计采用CLL设计的信号交叉口的左转通行能力。通行能力模型对在中国邯郸市的五个信号交叉口通过六种方法采集的现场数据进行了校准和验证。实地数据分析结果表明，反向左转车道的使用提高了左转运行的能力。然而，考虑到左转车辆到达的时间随机性，反向左转车道的效果也是不稳定的。于是提出了延时分析模型用于估计与CLL设计交点处左转车辆的延误。还提出了优化上游中央分隔带开口位置和预信号绿灯时间间隔的方法。同时进行仿真分析以比较在常规左转车道，CLL和另一种称为“协同设计”的非常规左转弯处理的信号交叉处左转和直行车辆的延误。结果表明，CLL和串联设计均优于传统的左转车道设计;与协同设计相比，CLL设计的左转和直行车辆延误迟较小。
1、介绍
随着私家车拥有量的急剧增长，中国的交叉路口越来越拥挤。已经采用了许多处理措施来提高左转需求量大的信号交叉口的通行能力。 一些处理方法可以被认为是非常规方法，因为它们违反已被广泛接受的规则和规定。迄今为止，使用最广泛的非常规左转处理方法包括U型中央分隔带，壶柄式匝道，超级街道，十字路口，弯道，连续流交叉口设计，平行流交叉口设计，以及最新的协同交叉口设计。这些非常规的左转处理方法中的大多数需要左转车辆重新选取车道，这可能部分地抵消了可以实现的好处。
最近在中国邯郸市的一些信号交叉口实施了一项名为“逆流式左转车道”的左转弯处理方案。使用CLL设计，左转车道设置在与常规左转车道相邻的对向车道中。设计的基本思想是通过动态使用对向的车道为左转车辆提供额外的通行能力。信号交叉口CLL设计的详细布局如图1所示。CLL设置在有左转保护相位和左转交通需求很大的交叉口。中央分隔带开口位置安装在停止线的上游，以允许左转车辆进入逆向左转车道。预信号安装在中央分隔带开口处上游，以控制左转车辆进入逆向左转车道的时间窗。还提供车道标线，以帮助左转车辆驾驶员了解他们应该行驶在哪条车道。
图2显示出了信号相位图和采用CLL设计的信号交叉路口的交通流情况。次路上的主要信号是向次路上的直行车辆发出绿灯信号，这表示为交通流1和5.开始循环。到达主干道交叉路口的左转车辆需要停下来在常规左转车道中等待（参见图2中的交通流2和6）。几秒钟后，主干道上的预信号变绿，允许左转车辆通过上游中央分隔带开口进入CLL（见图2中的交通流9和10）。在主干道的左转弯阶段，CLL中的左转车辆将与传统的左转车道一起放行。请注意，在主干道左转阶段开始之前，预信号灯将变为红色，之后车辆无法进入CLL。目的是确保CLL中的车辆在左转阶段可以完全放行。
预信号的设置位置和时间是影响CLL设计运行的关键因素。事实上，在信号交叉口使用预信号的想法并不新鲜。以前的研究人员已经将预信号用于不同的目的以改善信号交叉口的通行能力。最近提出了一种称为“协同”交叉口设计的非常规左转弯处理方法，其基本概念如图3所示。预信号安装在主信号的上游，并交替给两组车道提供绿灯时间。预信号和主信号之间的区域称为旨在容纳临时排队的“分拣区”。当主信号为红色时，预信号通过给左转车流的绿灯时间，允许左转车辆前进到分拣区域。然后，预信号允许车辆进入排列在左转车辆后方的分拣区域。通过协同设计，左转车辆和直行车辆都可以利用比传统信号交叉口更多的车道。
Guler等人（2016）提出了一种新的概念，它使用预信号和逆向车道在信号交叉口提供公交优先。在主信号的上游沿公交行进方向放置两个预信号。上游预信号在主方向上影响小客车，下游的预信号影响反方向的小客车。通过在相反的车道上禁止客车，公共汽车可以使用反向的车道跳过一部分队列，从而减少客车的延误（Guler等，2016）.Guler等人提出的概念（2016）与本文中提出的CLL设计截然不同。事实上，Guler等人的概念是增加一个专用于公交车的额外车道。目的是以增加小客车的延迟为代价，为巴士提供优先。在采用CLL设计的情况下，在由预信号确定的特定时间窗口内的所有左转车辆可以使用逆向车道。目的是提高左转能力，而不会对其他车辆运行造成重大影响。
图1.CLL设计在信号交叉口的布局
图2.CLL设计信号交叉口相位图
图3.协同交叉口概念
还进行了几项研究，以评估CLL设计的安全性和操作性能。Zhao等人（2013）提出了CLL设计的优化程序，其中包括主信号和预信号的几何设计特性以及主信号和预信号的配时都集成到一个优化问题。同时进行基于VISSIM仿真模型的仿真分析，以评估CLL对整个交叉口的通行能力和延误的影响。数值分析和VISSIM仿真结果表明，CLL设计在交叉口通行能力方面优于传统设计（Zhao 等人，2013）。Zhao等人（2015b）通过使用驾驶模拟器做实验进一步研究了驾驶员如何应对CLL设计交叉口。结果表明，第一次遇到CLL设计时，司机显示出一定的慌乱和犹豫。然而，驾驶员的慌乱可以通过加强驾驶员教育或其他车辆提供的信息来缓解。此外，实验表明，CLL中的正面碰撞的担心可能不是必须的，因为没有驾驶员在预信号下闯红灯。车辆被困在逆向左转车道中的担心也是不必要的，因为只测量到轻微的行驶速度降低，这可以通过协调主要信号和前置信号来解决（Zhao.等人，2015b）。
尽管已经对CLL设计的运行和安全性能进行了若干研究，但仍有研究空白需要解决。 先前研究考虑需要以一致的方式考虑预信号和主信号的配时，与之不同的是，CLL设计概念中的预信号配时不会影响主信号的配时。预信号在交叉路口的绿灯时间开始几秒钟后变绿，在主要街道左转相位开始之前变为红灯。这样做的目的是确保在左转阶段CLL中的车辆能够完全放行。 在这种情况下，最关键的问题是由于左转车辆的随机到达条件下如何优化预信号的配时和位置，以使CLL的效用最大化。 以前的研究还没有解决这个问题。
此外，以前有关CLL设计的研究是基于仿真分析，并在假设条件下进行。可以预见到驾驶员的行为在模拟驾驶环境中可能与现实世界中的行为有显着差异。还需要基于现场数据的额外研究，以帮助交通工程师更好地了解CLL设计在多大程度上影响信号交叉口的左转通行能力。在目前的研究中，开发分析模型用于估计在具有CLL设计的信号交叉处的左转运动的能力。通行能力模型由使用在六个位置收集的现场数据来校准和验证。延误分析模型用于估计CLL设计交叉处的左转车辆的延迟。优化CLL设计的程序用于使左转的通行能力最大化。还进行了仿真分析，以比较在常规左转车道，CLL设计和协同设计的信号交叉处左转和直行车辆的延误。据我们所知，这是第一次使用现场数据来全面评估CLL设计的通行能力。预计研究结果将有助于交通工程师制定出旨在改善交通信号交叉口交通运行的CLL设计指南。
2、通行能力模型的发展
传统左转车道和逆向左转两车道在交叉口的左转车流时空图显示于图四。黑线表示常规左转车道中左转车辆的轨迹，而蓝线表示使用逆向左转车道的左转车辆的轨迹。可以清楚地看出，CLL设计的左转通行的能力由两部分组成：常规左转车道的通行能力和CLL的通行能力。由于在主信号中的绿灯开始之前，前置信号变为红灯，所以CLL设计几乎不影响正常的左转车道中的运行。因此，可以使用“道路通行能力手册”提供的公式近似地估计一个常规左转车道的通行能力：
其中代表常规左转车道的通行能力（veh / h）,表示常规左转车道的左转饱和流量（veh / h / ln），表示主信号前导左转相位的有效绿色时间（s），表示主信号的周期长度。
对于逆向左转车道，容量分析可能更复杂。在实践中，必须在随后的左转相位放行CLL中的车辆。否则，左转车辆将阻挡其他方向的直行车辆，增加了安全和操作的隐患。幸运的是，通过适当地设置分配给主信号的左转相位的绿灯时间，并且通过控制进入CLL的车辆的数量，可以容易地实现左转车辆在CLL的预信号间隙中通过。因此，理论上，当估计CLL设计的交叉口处的左转通行的能力时，进入CLL交叉口的车辆的数量可以是直接当作通行能力。请注意，容量增益表示与常规左转车道设计相比，使用CLL设计实现的左转车辆的额外容量。关键问题是有多少辆车可以进入CLL。该问题的答案需要考虑到许多因素的影响，包括左转车进入CLL的上游中央分隔带开口位置，这决定了左转车辆可以停在停车线与预信号之间的左转专用道的最大停车数（n），在预信号的绿灯终止之前到达交叉路口的左转车辆的总数（K），左转车道的初始队列（I），预信号的有效绿灯时间（ge）和在预信号的控制下进入CLL的车流饱和流量（s）。
图4：CLL设计交叉口左转车流时空图
在一个周期内使用CLL的左转车辆的数量可以用公式（2）。
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方程式 （2）可以进一步表示为：hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;(3)
其中V表示通过CLL的左转车辆的数量。
从公式（2）和（3）很清楚了解到，左转车辆的到达模式可能会严重影响到可以进入CLL的车辆数量。因此，当估计左转的通行能力时，需要仔细考虑左转车辆的到达模式。 在本研究中，假设左转车辆的到达遵循泊松分布。需要注意的是泊松分布已被广泛用于受上游交叉口影响很小的单个交叉口的车辆到达模式（McNeil，1968）。在这种情况下，左转的能力可以估计为：
其中c表示左转的容量，其等于正常左转车道的通行能力加上使用CLL穿过交叉路口的车辆数量（veh / h）。表示Kgt; n 的概率，表示n lt;K lt;n 的可能性。 注意，可以使用泊松分布来估计和。 另外，考虑到采用CLL设计的交点通常遭受较大的左转交通需求，K lt;n一1的可能性可以忽略不计，这表明在大多数情况下， 接近1。
3、延误模型的发展
交叉口的传统左转车道和逆向左转两车道的左转车辆驶入驶出曲线图如图5所示。如前所述，逆向左转车道可视为额外的左转车道，其使用受左转车辆到达方式的影响。如图5所示，只有左转车辆的一部分能够以等于传统左转车道的三倍饱和流量的速率离去。
图5：左转车流的到达驶离模式
在现场观察到一个独特的现象，即使在需求小于容量的情况下，常规左转车道排队的车辆也不会完全放行（参见图5（c））。考虑到预信号在主信号的绿灯时间关闭，剩余队列将在常规车道上排队。与常规左转车道的过饱和状态不同，二次排队在下一周期内不会变长，因为常规左转车道中车辆的存在将使得更多车辆能够在下一个周期中进入CLL并增加车辆吞吐量。这种现象是CLL设计的一个固有特征，它是由左转车随机到达和使用预信号引起的。有关这一现象更详细的讨论将在第5.1节中提供。然而，当估计左转车流的延误时，需要仔细考虑二次排队车辆的延误时间。
左转车辆的总平均延迟由图5中的灰色区域表示。根据图5，可用方程式（8）~（13）来估计CLL设计交叉处左转车流的延误：
hellip;(8)
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其中表示饱和状态下的平均控制延误，表示过饱和状态下的平均控制延误; 表示二次排队经历的平均控制延误; v表示到达流率（veh / h）; h表示饱和车头时距; 表示有效红灯间隔时间; T表示可以在一个周期内放行左转车辆的数量，其可以按公式（4）计算; 表示从左转弯阶段开始直到逆向车道中的最后一个左转车辆通过停车线的时间段; 表示从逆向车道中的最后一辆左转车辆的后端通过停车线的时刻开始，到在常规左转车辆中最后一辆左转车辆的后端穿过停车线为止这一段持续时间。
4、现场数据的收集
在中国邯郸市的五个信号控制交叉口进行了现场数据采集。当选择现场数据采集站点时，应用以下标准：（a）选定的交叉点应为安装有CLL设计且设预定信号的四路交叉口; （b）停车线上游和下游100米内没有公交车站或路侧停车场; （c）选定地点的左转车流需求应该很高。所选交叉路口每个周期左转车辆的平均队长长度应大于8辆。根据“公路通行能力手册”，在每个周期中通常需要一个具有8辆以上车辆的初始队列来估计饱和度（TRB，2010）; （d）交叉路口不在中心商业区; （e）引道坡度水平;（f）到上游信号交叉路口的距离应至少为1000米，使得左转车辆的到达可以被认为是随机的。
需要收集三种类型的数据，包括几何设计特征，信号相位和交通流数据。在现场直接测量了几何设计特征，包括车道配置，车道宽度以及停车线与预信号之间的距离。选定地点的几何设计的一些特征在表1中给出。在所选择的站点中，两个站点都安装有单个CLL，而另外四个站点都安装了双CLL。在现场安装了摄像机来记录数据。随后在实验室进行了视频数据缩减审查。在回顾记录的视频时，记录以下信息：（a）信号配时，包括周期长度，相序，主信号的绿色间隔，绿灯预信号的间隔，主信号的黄灯变化以及预信号的黄灯变化; （b）交通流量特征，包括每个左转车辆的到达时间，左转车辆的初始排队长度，由CLL通过交叉口的车辆数，常规左转车道中车辆驶离的车头时距，在预信号控制下进入CLL交叉口的左转车辆的车头时距 全文共7169字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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