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具有双左转车道的信号交叉口的最佳掉头位置

摘要：信号交叉口掉头中间开口的位置可能会对交叉口性能产生重要影响。但是在这个问题上的研究很少，特别是在具有双左转车道的信号交叉路口。本研究分析了在具有双左转车道的信号交叉口处掉头和左转车流的相互干扰。根据左转需求建立了基于Wardrop平衡原理的车道选择模型，同时建立了双左转车道的饱和流速模型，以定量评估其利用率。这项研究还提出了U形掉头中间开口设计的指导，以最大程度地增加双左转掉头车道的饱和流速。本研究通过仿真对提出的模型进行了验证，然后通过案例分析比较优化前后的交叉路口性能。案例研究结果表明，如果掉头位置发生变化，则双左转掉头车道的饱和流量也将有很大变化。作者表明可能存在高达77.47%的差异，与 U 型掉头中间开口的当前位置相比，最佳位置的饱和流速可提高7.63%。

引言

在中国，交通系统不断面临新的挑战，以满足日益增长的人口及日益增长的出行需求。随着交叉路口的交通拥堵持续加剧，驾驶员面临的风险和延误也随之增加。因此，为了改善道路安全并减少交通延误，城市管理部门和交通工程师一直在努力开发新的解决方案。针对拥塞管理这一复杂问题提出的一种解决方案是交叉口中位掉头处理（MUTIT）[1]。过去几年，MUTIT已在发达国家的许多城市中广泛实施，目前在中国也受到欢迎。

中国正在广泛采用不可穿越的中央分隔带设计，以避免与左转交通产生交叉引起的安全问题。在此方案中，需要从车道或支路直接左转的车辆，通过确保其先在路段的下游中间开口处或相邻信号交叉路口掉头（RTUT），然后再右转实现间接左转。当掉头开口位于路段上时，掉头车辆必须等待冲突流的间隙才能进行掉头。但是随着冲突流量的增加，可接受的间隙数变少。在这种情况下，因为冲突的交通流在主干道中的速度相对较高[2，3]，中位开口处的掉头运动变得非常复杂且具有风险。因此，在中国的城市道路上，下游交叉口的掉头需求越来越多，因为信号控制可以分离掉头和同时发生的其他方向交通流之间的冲突。在此设计方案下，掉头开口应位于信号交叉口中，掉头车辆始终与​​左转车辆共享内部车道。当左转和掉头车流占比很高时，还需要一个专用的左转车道来应对这种高交通负荷的需求。根据我们在淄博市信号交叉口的调查，由于受到掉头中间开口位置的影响，共享车道上的左转和掉头车流之间经常存在相互干扰。因此，掉头开口的最佳位置是一个关键因素，可以提高具有U型转弯中间开口的信号交叉口的通行效率。

目前，大量文献着眼于如何提高RTUT设计的安全性能，以替代直接从多车道快速路左转的交通设计 [1，4，5]。同时，一些学者研究了RTUT设计的交通特性，包括等待时间和考虑掉头车辆在中央开口处合并的临界间隙等因素[6-8]。这些研究工作在设计最佳掉头位置方面取得了重大进展。研究人员运用Hadersrsquo;公式建立了一种模型来估计中间开口处的掉头通行能力。他们发现中间开口处的开口宽度极大地影响了这种能力[5，9]。Zhou等开发了一种操作模型来确定中位掉头的最佳位置，以最大程度地减少掉头交通的平均延误[10]。Zhao等提出了一种基于车道的优化模型来设计中位掉头交叉口。他们的隔离式信号交叉口管理策略整合了车道标记，其中包括冲突点和主要交叉路口之间的距离以及信号配时[11]。其他研究也研究了如何优化信号交叉口掉头交通流量。Liu等分析了掉头交通对信号交叉口左转饱和流量的影响[12]。Carter等研究了信号交叉口掉头的操作和安全性能[13]。这些研究工作表明，左转车道上左转饱和流量的损失将导致掉头车流占比的增加。但是以前分析单左转车道的容量如何影响掉头中位开口的性能的工作有限。而且考虑到双左转车道的影响的研究更有限。这导致的具有双左转车道的信号交叉口的掉头中间开口设计缺乏适当设计指南。

因此，如图1和2所示。在图1和图2中，我们打算将研究重点放在具有双左转车道和左转专用相位的信号交叉口上。本文的其余部分安排如下：在第2节中，我们分析了双左转车道上左转交通和掉头交通之间的相互干扰。在第3节中，基于Wardrop平衡原理，我们为左转驾驶员开发了一个车道选择模型。然后在第4节中，我们提出了双向左转车道的饱和流速模型，以评估其利用效率。在第5节中，我们建议并提出优化程序，通过最大化双左转弯通道的饱和流速来指导掉头中位开口的设计。在第6节中，我们通过仿真验证了双左转车道的饱和流速模型，然后提出了一个案例研究，以比较优化前后交叉路口掉头中位开口设计的性能。在第7节中，我们介绍了这项研究的结论，总结我们的所做的具体贡献。

信号交叉口左转和掉头交通之间的相互干扰

左转和掉头车辆共享的车道的操作特性非常复杂。这种复杂性是由左转和掉头车流之间的相互干扰引起的，而这种干扰由掉头中间开口位置和掉头交通量确定。这种干扰导致车道中车辆的延误和时间的损失。基于造成时间损失的不同原因，干扰可分为两类：（i）由于掉头运动而阻止左转运动，以及（ii）由于左转运动而阻止了掉头运动。在以下部分中，我们将分析由这两种类型的冲突导致的时间损失。

掉头交通对左转交通的阻止作用

在本文中，掉头的开口应位于交叉口进口道停止区。此外出于安全考虑，交通规则应禁止在进口道改变车道。因此，左转的车辆不能通过改变车道来超越前方停止掉头的车辆。图3表示由等待左转或掉头的车辆共享车道的情况。我们可以看到，当掉头车辆停在掉头中间开口处时，车道上有一个空闲空间。在这种情况下，掉头车辆成为队列中第一个在中间掉头开口处等待的车辆。当左转和掉头的绿灯信号启动时，后续的左转车辆必须在排队时制动，等待第一个掉头的车辆离开。相反，第一辆掉头车辆会直到最后一辆对向车辆通过冲突点C才启动通过。因此，此设计造成的时间损失将从交通信号变为绿色开始并持续到对向车道上的最后一辆车通过冲突点 C 结束。此损失时间可以使用以下公式计算：

（1）

等式（1）表明，损失时间可能根据在共享车道上的L₃ L区间中排队的左转车辆的数量而变化。因此，由于是一个可以在0〜- x ′ 范围内的变量，因此可能出现许多不同的情况。这里使用等式（2）计算x ′ ：

（2）

左转交通对掉头交通的阻止作用

在图2所示的信号控制方案中，在第7阶段掉头和直行的信号变为绿色。但是，如图4所示，掉头车辆被排队的左转车辆阻挡而不能通过中间开口位置。这意味着掉头信号为绿色时的剩余时间未被利用。如果在阶段7 的时刻t _b处掉头车道中间开口被阻塞，则可以使用等式（3）计算由于阻塞而造成的时间损失：

（3）

损失的时间是一个随机变量，因为阻塞时刻是由车辆到达分布决定的。因此，必须通过分析左转车辆的行驶时间来研究每种情况发生的可能性。从图4中可以看到，当掉头车道中间开口被阻塞时，共有k辆左转车辆在共享车道排队。k的值可以使用等式（4）计算：

（4）

表1 相关参数及评估结果

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