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使用微观仿真比较四种非常规路口设计的运营性能
摘要：学术界现已提出了几种作为减轻严重拥挤的路口信号交叉口交通拥堵的非常规交叉路口创新设计。在平均控制延迟和总体路口通行能力方面，这些非常规设计均优于常规路口。但很少有研究比较这些非常规交叉口在不同流量条件下的运营性能。JarvisAutey,TarekSayed，MohamedElEsawey的这项研究评估并比较了以下四种非常规交叉路口方案的运营性能：U形掉头左转交叉口（MUT）、左转专用路提前分离交叉路口（XDL）、直行右转双分离交叉口（USC）和半直行右转双分离交叉口（DXI），并利用微型仿真软件VISSIM用于建模和分析四个非常规交叉口与常规交叉口的对比。结果表明，左转专用路提前分离交叉路口在几乎所有测试的平衡和不平衡流量水平上始终表现出最低的延迟。在大多数情况下，直行右转双分离交叉口和半直行右转双分离交叉口的操作性能都相似，而U形掉头左转交叉口则无法适应高进场量和较大的左转流量。左转专用路提前分离交叉路口的通行能力比常规交叉口高99％，而直行右转双分离交叉口和半直行右转双分离交叉口的通行能力比常规交叉口高50％。这项研究的结果可为根据交叉路口的主要交通状况选择非常规设计提供借鉴。
关键词：微观仿真；交通运营；非常规路口
1.绪论
近年来，交通工程师不断面临交通量不断增长以及信号交叉口相应拥堵带来的挑战。因此，人们对能够容纳大量交叉路口的创新设计产生了极大的兴趣。其中一些创新性的非常规设计已在许多辖区实施，例如密歇根州，佛罗里达州，马里兰州，新泽西州和路易斯安那州的MUT；新泽西州的U形大转弯；奥克兰和马里兰州的XDL；马里兰州和北卡罗来纳州等地区的超级街道中位数（SSM）。其他设计仅通过微观模拟研究，例如USC，DXI和PFI。非常规交叉口的结构和几何形状皆与常规交叉口不同。对比是为了研究平均延误控制和交叉口总体通行能力。安全指标、潜在的驾驶员误解和行人移动在当前的分析中没有考虑，有待于未来的研究。
由于非常规交叉口的新颖性，以及考虑到现场实施的罕见性，微观仿真是目前最适合对其进行评估的工具。交通微观仿真模型作为一种成本效益高、时间效益好的方法，已被许多实践者和研究人员广泛应用，用于在现场部署前测试和评估创新的几何设计和新交通控制的方案。本研究采用微观仿真软件VISSIM（罗伯特博世有限公司，斯图加特费尔巴哈，斯图加特费尔巴哈，德国）对非常规交叉口和对应的常规交叉口进行建模和分析比较。
2.非常规交叉口的运动分析
XDL又称为连续流交叉点（CFI）或位移左转弯（DLT）。XDL的主要概念是，通过将左转车道移向相反的交通方向，并将左路交通交叉到交叉口上游几百英尺的路段，来消除与相对交通流的左转冲突。右转车流被引导绕过主要交叉路口，并合并到交叉口下游的主交通流中。四种方法的左转位移会增加四个额外的次要冲突点。因此，交叉路口左转弯可描述为由一个主要交叉点和四个次要交叉点组成的两相交叉点系统。该方案的创新之处在于，在主交叉路口使用两相信号即可同时进行左转和直行。
USC是一条四向交叉路口，通过交叉口的四个进口道将直行和左转的运动交叉到道路的左侧，从而消除了与相对交通的左转冲突。与交叉路口左转弯交叉点相似，直行和左交叉口会创建四个其他辅助交叉点。通过简单的两相信号配时方案协调所有五个信号，上游信号交叉口交叉点可以使交叉口整体平均延误最小化。
DXI是一种与USC略微类似的非常规交叉口。两种设计之间的唯一区别是，对于四种方法，USC在主交叉路口之前穿越直行车道和左车道，而DXI仅在主要道路的通行道上有直行车道和左车道，因此可以认为是一半的USC。DXI最初是由Chlewicki提出的，被称为同步分相（SSP）交叉路口。Bared等建议使用“DXI”这个名称来描述。在下文中，此设计将被称为DXI。一个DXI交叉口仅对从次要道路左转的相对少量的车辆有作用，因为向左转的车辆必须为对面直行车辆让出路权。DXI的分频器可以放置在主要街道或次要街道上。本文对这两种配置进行了分析，并分别称为“主DXI”和“辅DXI”。
在MUT中，在交叉口处禁止左转，并将其移动到路口之外的中位交叉点。分频器可以位于主要街道，次要街道或同时位于这两者上，具体取决于可用的中位宽度。分频器可以通过两相信号进行信号传输，也可以不进行信号传输。对于主要街道的U形掉头交叉口，从主要道路左转的交通流必须穿过主要交叉路口，然后掉头，最后在次要街道上右转。次要街道的左转交通必须在与主要街道交通流合并的主要十字路口处右转，然后在交叉路口掉头。图1（a–d）分别说明了MUT，XDL，USC和DXI设计的几何配置。
3.已有的结论
联邦高速公路管理局（FHWA）的信号交叉口信息指南将交替交叉口处理分为三类：交叉口重新配置和重新调整处理、间接左转处理和坡度分离处理。间接左转处理包括大U形转弯，MUT，CFI或XDL，象限交叉口和超级街道。关于不同类型的非常规交叉口的性能，存在大量的文献。Jagannathan和Bared利用VISSIM将三种不同的XDL配置与传统配置进行了比较。结果表明，在所有流量条件下，平均延迟的控制均得到了较大的减少。此外，XDL通过的整体交通量显着提高了15％至30％。作者认为，调整交叉路口左转弯中行人行为的信号定时在增加周期长度和平均延迟方面起着主要作用。如果不考虑行人行为，平均延误会低得多。Reid和Hummer利用CORSIM（美国佛罗里达州盖恩斯维尔的麦克马斯特中心）在七个孤立的非常规交叉口和一个类似的常规交叉口之间进行了车流行进时间比较。结果表明，至少在一种情况下，有至少一种非常规方案优于常规交叉口。总的来说，证据支持大部分的交叉口和MUT。Hummer提出了针对大流量左转弯的七种非常规方法。他的讨论包括实施这些替代方法的定性指南。他建议，所讨论的解决方案均不能视为“通用解决方案”，并且在针对任何特定问题时，它们都无法很好地发挥作用。FHWA信息指南和Hummer都建议XDL可能适用于大流量和左转流量的配置。因为在XDL设计中禁止U型掉头，所以不应在高U型掉头的交叉点上落实此配置。
Tabernero和Sayed介绍了USC交叉口设计与常规交叉口的简要比较。他们的分析表明USC有可能适应较大比例的左转行为，同时保持通行交通的可接受运营水平。Sayed等进一步研究并比较了在不同流量情况下USC与类似常规方案的运营性能。他们得出的结论是，在存在以下一种或多种情况的情况下，USC交叉口表现出相当大的潜能：（i）交叉口数量平衡时接近或超过常规交叉口的通行能力；（ii）交通量有些不均衡，但传统的十字路口无法容纳太大的总涌入量；（iii）交叉路口的左转弯交通量很大，导致极大的延误。
Chlewicki将SSP（即DXI）交叉口的性能与使用SIMTRAFFIC（TrafficwareLtd.，SugarLand，TX，USA）的同类常规交叉口的性能进行了比较，同时使用SYNCHRO（TrafficwareLtd.，Sugar）优化了信号相位和交通流分离。他的结果表明，SSP交叉口的性能优于常规交叉口。Bared等使用VISSIM将DXI与在四种流量情况下的传统四路交叉路口进行比较。结果表明，在低流量水平下，两种交叉路口的性能相似，而在高流量水平和左转量较大的情况下，DXI优于常规路口。
Dhatrak等使用VISSIM将XDL与PFI的性能进行了比较。评估标准是两种设计中直行和左转行为的最大服务水平。分析了每种设计的两种配置：全配置和部分配置（即一半的XDL和一半的PFI）。模拟了大范围的交通流量方案，包括平衡环境和不平衡环境。结果表明，两种设计在不同流量条件下的性能非常相似，但与XDL性能相关的改进很小（即直行量和左转量相似）。
Bared和Kaisar使用CORSIM来分析MUT，并在主要道路方向上添加信号控制。他们的报告显示，在平衡流量下，与传统设计相比，U形转弯设计总体交叉路口的总延迟显著降低。
应当指出的是，以往关于非常规交叉口的大多数工作仅涉及孤立的非常规相交。很少有研究工作致力于在协调的交通走廊上放置一系列非常规的交叉路口。Reid和Hummer使用CORSIM来分析具有五个信号交叉口的动脉交通走廊。他们比较了传统的双左转车道（TWLTL）设计和两种替代性的非常规设计：MUT和SSM。结果表明，与TWLTL设计相比，MUT和SSM设计在高峰时段提高了系统运行时间和平均速度。但是，MUT和SSM设计在非高峰时段的运行效果类似于TWLTL。
ElEsawey和Sayed研究了与现有的传统四路交叉口相比，建立具有三个USC的交通走廊的潜在优势。分析表明，对于USC，总的系统延迟比传统配置的早高峰峰值、中午峰值和晚高峰峰值分别降低了19.4％，14.8％和13.6％。类似的，独立USC的平均延误控制也比它的传统替代设计低7.6％至22.9％。
4.方法
4.1.几何设计
所有交叉口的分析均具有以下几何要素：
bull;所有交叉点均为四路交叉口。
bull;每个交叉路口各方向的每个进口道数均相同：两个直行车道，一个左转车道和一个右转车道。
bull;每个左转行为都有一个专用的左转进口道，长度为65m。
bull;在每种设计的四个进口道均中提供了右转专用车道。在所有模型中使用相同的长度创建车道，以便于公平地进行交叉口性能比较。右转专用车道在主要路口上游约230m开始，平行于车道设置，并与主要路口下游230m的直行交通流合并。
分析非常规交叉口的关键设计元素之一是主要道路和次要道路之间的间距。Sayed等研究了从上游信号交叉口到主要交叉口的各种距离，以确定不同交通量下的交叉口最佳几何形状。ElEsawey和Sayed进一步测试了XDL的主要交叉路口和次要交叉路口之间的不同间距。两种设计的结果均表明，增加次要交叉路口和主要交叉路口之间的距离可增加交叉口的通行能力，但在小流量条件下的延误会略有增加。这可以通过交叉口几何形状产生的循环长度限制来解释。随着主要交叉路口和次要交叉路口之间的间距变短，必须缩短可为每个阶段提供的绿色带宽，以提升服务水平。假设损失时间恒定，较长的周期长度将使交叉路口的总损失时间最小化。车辆在交叉路口之间排队的面积减少，也可能导致交叉路口的延误增加，而交叉路口的间距越短，交通量越大。为了与我们先前的研究一致，本研究中使用三种不同的间距来分析DXI设计：140m，175m和210m。根据FHWA信息指南，密歇根州交通运输部建议，放置U形转向交叉口的最佳距离是距主要交叉路口170m至230m。在本研究中，主要交叉口与U形转向交叉口之间的距离选择为200m。
4.2.流量场景
为了能够公平地从一个方面比较DXI和MUT，从另一方面比较以前开发的模型——XDL和USC，本文再次分析了ElEsawey和Sayed中使用的假设流量。这些流量包括平衡和不平衡的流量条件，其中平衡的条件对应于所有四种方法的等流量情况，而不平衡的情况则代表主要、次要交叉情况。另外，为了研究增加左转弯量对交叉路口延误和通行能力的影响，模拟了两种不同水平的左转流量，分别代表了不平衡量情况下总流量的20％和30％。表一总结了本研究中测试的所有设计和流量。
4.3.信号相位和配时调节
不同几何形状的交叉口的信号配时主要基于车辆从次要交叉口到主要交叉口的行驶时间。DXI的循环长度可以通过将次要交叉点和主要交叉点之间的行驶时间乘以四来确定。值得注意的是，要保持协调和进行，所需的循环长度必须取决于其几何形状。因此，对于特定的DXI，始终只有一个最佳周期长度。在平衡的交通量条件下，MUT和DXI的周期长度用简单的渐进概念计算。
ElEsawey和Sayed使用SYNCHRO优化了在不同的平衡和不平衡流量情况下XDL和USC的信号时序。SYNCHRO的处理是迭代式的，因为它可以在调整信号时序的同时计算网络的延迟、队列和车辆停靠点。然后基于这些有效性度量要素为每次迭代分配一个权数，以达到最佳网络信号时序。在这项研究中，SYNCHRO同样用于优化在不平衡情况下DXI和MUT的信号时序和分割。大流量循环模拟时，有U型调头设计的SYNCHRO周期长度过长。为了提高交叉口的性能，通过将周期长度强制在40到150秒之间，可以提高交叉口服务水平。
4.4.交通微仿真模型
无条件交叉口的建模和仿真是使用基于行为的微观仿真软件VISSIM5.10进行的。之所以选择VISSIM，是因为它允许道路网络逐车道开发。就像在现实生活中出现的那样，这对非常规交叉口的构建非常方便。另外，在分析非常规交叉口之前，VISSIM已被广泛使用。在VISSIM中选择了Wiedemann74‐car跟随模型以用于车辆行为，并且通常使用默认的驾驶参数。产生的流量包括2％的重型车辆（HV）。所有交叉口的所有信号均使用预定的信号控制器，黄灯时间为4秒，全红时间为1秒。车道宽度设置为3.5m（不考虑路肩）。所有车辆的目标速度均为50km/h，除转弯时，当乘客用车将速度降低到25km/小时，将重型车辆降低到20km/小时时，在传统的十字路口，左转运动被指定为保护性允许阶段。
行进时间检测器放置在距离主要十字路口相对较远的上游和下游，以更好地捕获十字路口所有运动的延误情况。测得的延迟是一个检测器与另一个检测器之间的传播时间不受阻碍与在信号有效时行进相同距离所需的时间的差。每个模型使用不同的种子编号运行了五次。每次运行总共需要3个小时，其中第一个小时是预运行的，因此不
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