摘要
由于机动车数量的增加导致的交通拥堵，已经成了城市首要解决问题之一，特别是早晚高峰的时候。因此提高道路交叉口的通行效率对解决拥堵很有必要，车道功能规划与信号配时设计会直接影响交叉口的通行效率。其中有些交叉路口出现潮汐现象，早高峰和晚高峰时，左转车辆比直行车辆多，平峰的时候左转车辆较少，导致只有一条左转车道的路口出现各转向车辆不均衡，可变导向车道的诞生，对这类交叉口通行效率的提升有显著作用，它可以根据各转向的交流量需求对其车道功能进行调整，使得交叉口的道路资源得到最大化利用，伴随着车道功能的变化，该交叉口的通行效率有所提高。
使用所选取某个信号交叉口的实测数据并利用PTV VISSIM进行仿真模拟，研究对某个下降交叉口左转流量较大的现状研究中，设置可变导向车道对信号交叉口的通行能力的影响以及通行效率等交通评价指标对比。以广州市某信号交叉口为例，提出针对左转车流量较大的现状优化方案。
关键词：可变导向车道，交通拥堵，VISSIM仿真
Abstract
Traffic congestion caused by the increase of the number of motor vehicles has become one of the most important problems in the city, especially in the morning and evening rush hours. Therefore, it is necessary to improve the traffic efficiency of the intersection to solve the congestion. The lane function planning and signal timing design will directly affect the traffic efficiency of the intersection. In some intersections, there are tides. In the early peak and late peak, there are more left turning vehicles than straight traffic, and there are fewer left turning vehicles in the flat peak. As a result, there are only one left turning lane at the intersection with unbalanced turning vehicles. The birth of variable guide Lane plays a significant role in improving the traffic efficiency of such intersections[1]. It can be based on the demand of each turning traffic volume With the adjustment of lane function, the road resources of the intersection are maximized. With the change of lane function, the traffic efficiency of the intersection is improved.
Using the measured data of a signalized intersection and using PTV VISSIM to simulate, this paper studies the impact of variable guide Lane on the capacity of signalized intersection and the comparison of traffic evaluation indexes, such as traffic efficiency, in the current situation of large left turn flow at a descending intersection. Taking a signal intersection in Guangzhou as an example, this paper proposes an optimization scheme for the current situation of large left turn traffic flow.
Keywords: Variable guide Lane,Traffic congestion, VISSIM simulation
1 前言
1. 1研究背景与意义
1.1.1研究背景
随着现代社会的高速发展和生活水平的提高，拥有机动车的居民逐渐增加，随着机动车保有量一直增长，给城市交通网络带来了巨大的交通压力。城市化水平速度稳定上升，居民生活水平也稳定上升，居民的出行方式、强度和结构特征也有所变化。目前许多城市都是在原有的基础上不断发展，旧城区的人口和工作地点的密度都较高，导致中心城区产生了巨大的交通需求。在早期的城市基础建设中，由于资金和建设能力都有限，政府对道路建设仅满足于当时的交通需求。随着人们的出行需求逐渐增加，早期的道路建设已经远远不能满足现在的交通需求了，然而中心城区的土地资源有限大大限制了道路建设升级和改造，导致使得中心城区内部矛盾越来越突显。
降低道路交通负荷能力是解决道路交通拥挤的直接体现，可以通过道路交通信号系统管理和道路交通建设两个方面进行研究。道路交通建设是解决道路交通负荷过大的直接方法，通过对原有道路进行扩张或者改造升级，加快道路的通行效率，从而降低交通负荷，但是道路交通建设的建设周期较长且施工范围大，会产生原本已经较大负荷的道路因为施工围蔽从而加大该道路的负荷能力。
道路交通信号系统管理是一种技术管理，它主要负责管理交通流，通过对交通流的管控以及合理的引流，让交通流重新均匀分布在各个路段上，均匀交通负荷，缓解交通压力
随着人们上下班出行方式的改变，越来越多人选择使用机动车出行，中心城区内的交通流的潮汐现象逐渐呈现。从而提出了可变车道这个想法。
1.1.2研究意义
如何让某个信号交叉口在有限的土地资源里设置可变导向车道，并且根据高峰交通流量的变化，对车道功能的转换，引导车流能够高效又快速地通过该信号交叉口。对信号交叉口设置可变导向车道，最主要就是在交通流量分布不均衡的情况下，对道路功能资源进行重新分配，从而提高交通道路的利用率。对左转车流量大的信号交叉口能够有效地提升该信号交叉口的通行效率以及降低抢道引发的安全隐患。随着交通的快速递增，在信号交叉口设置可变导向车道对有限的空间资源进行整合优化，对缓解交通需求带来的压力有着有效性的帮助。
通过对实地某个信号交叉口的可变导向车道的研究，能够进一步地了解可变导向车道在信号交叉口是如何设置的，对比设置可变导向车道前后的信号交叉口运行效率和安全性，分析可变导向车道对信号交叉口的利与弊，对往后可变导向车道实际应用者有着具体案例的借鉴意义[2]。Rimiller等也通过研宄发现，并非所有情况下左转车道都能有效地减少事故数，譬如，与非信号交叉口相比，信号交叉口的左转车道设置对减少事故的有效性显著降低[3]。
1. 2研究现状
目前可变车道技术的研究方向分为两种：路段可变车道与交叉口可变车道，主要从设置形态、控制方式等地方着手研究[4]。
（1）路段可变车道现状研究
现在城市道路里的路段可变车道名称叫做“潮汐车道”。以广州市海珠桥为例，通过分析早晚高峰的潮汐现象车流分布等原因，将原本的一向一车道与一向两车道不对等的车道数改为，各向一车道中间为潮汐车道，通过提前改变路口信号灯清空车道的方式，让高峰期间车流较大的一向具备两车道行驶。它主要解决在有限的土地资源中，早晚高峰南北或者东西对向交通流不平衡。大多为双向两车道加中间一条潮汐车道。在早晚高峰前夕，通过信号控制的方式，改变通行方向，使高峰车流方向具备两车道通行，大大减轻道路的交通负荷，也将道路利用率有所提高，可以极大程度上缓解了高峰拥堵情况。
（2）交叉口可变车道现状研究
现在城市道路里的交叉口可变车道名称叫做“可变导向车道”。以广州市黄埔区开创大道与科学大道T字路口为例，在高峰期间东进口的左转与直行车流量出现不平衡的情况，根据实际情况，将原本的三条直行专用车道与两条左转专用车道改为内侧两条左转专用车道、外侧两条直行专用车道以及中间一条可变导向车道。通过高峰前夕更改LED屏幕上的车道功能，实现了高峰期间车流量较大的转向具备三车道通行。它主要解决在有限的土地资源中，早晚高峰同向道路的不同方向交通流不平衡。较多为路口具有左转专用车道与直行专用车道加中间一条可变导向车道。在早晚高峰前夕，通过改变道路功能，使高峰车流流向拥有多一条通行车道，从而大大降低路口的交通负荷，将道路利用率达到最大化。
1.2.1研究目的
本论文通过分析国内外研究现状的基础上，对广州市某个信号交叉口设置可变导向车道可行性研究，并对其进行交通效果评价，是否能够提高该信号交叉口的通行能力，研究目的有以下方面：
第一，通过对该信号交叉口道路的渠化条件和信号配时方案两方面进行分析，该信号交叉口路口是否具备设置可变导向车道的条件，若可以，设置完可变导向车道可以一定程度上提升该信号交叉口的通行能力。
第二，通过利用微观仿真模型，对实施可变导向车道的信号交叉口进行仿真评价，结合一系列的参数、指标分析该可变导向车道是否可以提升当前路段路口的通行效率。
第三，现行实施的可变导向车道的信号交叉口包括了LED显示屏显示以及调整信号灯控制的方式，在考虑可变导向车道的信号交叉口是否在空间以及时间上令到该信号交叉口进口的通行能力上升和延误下降的问题上，则通过Vissim,建立模型，仿真后利用相关数据判断分析是否存在该问题。
1.2.2研究内容及框架
通过微观仿真软件对一个可变导向车道的信号交叉口进行仿真与评价，结合仿真结果论证新设置可变导向车道的信号交叉口的通行效率是否提升。
根据国内外的可变导向车道相关优化理论进行研究，对研究路段：城市一个可变导向车道的信号交叉口的相关信息（包括该信号交叉口优化前的基础信息图、该信号交叉口优化前的信号控制信息、该信号交叉口优化前的评价指标等方面）进行调查分析，得出初步研究方案。
根据现场的调查结合有关的可变导向车道的运行评价理论进行分析，考虑该路口是否具备设置可变导向车道的条件，如何设置可变导向车道，是否需要对该路口重新进行配时，运用微观交通仿真软件Vissim综合上述的相关信息进行建模以及相关的参数、交通信号控制设置。
通过Vissim对可变导向车道信号交叉口的建模以及一系列的参数指标设置,对该线路进行仿真，并在仿真后得出延误时间、 排队长度、停车次数、停车率、服务水平以及路段饱和度六个仿真数据后结合道路交叉口评价理论、设置可变导向车道前的信号交叉口的评价数据、当前运行的交通信号控制分析设置可变导向车道信号交叉口的通行能力通行效率是否明显提升。
2 设置可变导向车道原理
2. 1可变导向车道设置条件分析
2.1.1信号交叉口基础条件
在一个信号交叉口设置可变导向车道，需要对该信号交叉口进行多方面的考虑，其中最为突出的就是信号交叉口基础条件，需要具备基本的车道功能才可以考虑设置可变导向车道[5]。
- 至少拥有一条左转专用车道。
该进口需要具备一条左转专用车道保证车辆能够左转正常运行，该进口的车道功能必须设有一条或以上的左转专用车道可以让保持车辆正常通行。
- 最低车道功能数
原始路口进口道车道功能数至少需要三条车道，以确保车辆可以正常的左转、直行以及右转通行，并且拥有足够大的空间提供可变导向车道变化，否则，当该信号交叉口交通量大的时候会严重影响到其他相位的正常运行，造成更严重的拥堵，大大降低信号交叉口的通行能力。若存在左转和右转专用车道的情况时，该进口道车道功能数需要达到4条车道或以上；若该进口右转利用右转渠化岛让右转车辆不受灯控通行的话，该进口道车道功能数需要达到3条车道或以上，才能够满足该进口道各流向的车辆正常通过。
- 最大左转弯半径
在设置可变导向车道的时候，需要考虑该进口道德最大左转弯半径是否与对向最大左转弯半径产生冲突，若实施对向左转放行相位的时候，两个方向的车流产生交织区，会存在交通安全隐患。对于这种可能出现的现象，需要采取一些有效措施来避免发生，例如停车线后移，将两个对向的最大左转弯半径分离；调休相位放行顺序，将产生冲突的两个相位分隔开。
2.1.2交通条件
通过车道的车流运行现状考虑如何设置可变导向车道，假设在一天不同时间段内信号交叉口左转车流与直行车流量出现有较大的情况，就可以设置可变导向车道。并且根据不同时间段的车流变化量来确定可变导向车道的设置方向，可以让信号交叉口在有限的空间和相位周期中充分展现，提升信号交叉口的通行能力，减少停车次数与停车长度，从而减少车均延误。
2.1.3信号配时条件
设置可变导向车道的条件除了信号交叉口基础条件和交通条件外，还需要信号交叉口的信号配饰同步协调。三者同步协调优化才可以让信号交叉口通行能力的优化达到最大化。设置可变导向车道车道的信号交叉口需要具备以下基本的信号配时条件：
- 设置可变导向车道的信号交叉口进口道的信号灯不能放置全屏灯，需要通过放置箭头灯让左转车流与直行车流受不同箭头灯控制；
- 设置可变导向车道的进口道的左转车道必须设置有专用的相位。
2. 2 信号交叉口评价指标
2.2.1信号交叉口的通行能力
信号交叉口交通通行能力道路既是信号交叉口交通设施处理交通的能力，主要分为三种：基本通行能力、可能通行能力以及设计通行能力。在信号交叉口的初期设计中，需要运用到设计通行能力。设计通行能力属于设计一条或一段公路中的其中一部分。是指用来作为道路规划和设计标准而要求道路承担的通行能力。考虑道路基础条件、交通条件、信号控制条件以、环境条件以及选用的设计服务水平，1h所能通过车辆的最大车辆数[6]。
信号交叉口的通行能力是对每一条车道或每一组车道组以及每一个进口道规定的，它是指在已建好的道路、交叉口、信号设计下，对某一条指定的车道、车道组、进口道1h内通过交叉口进口道停止线的最大标准汽车车辆数[7]。某一条车道的通行能力是指所在车道的饱和流量与车道所在的信号相位绿信比的乘积。
第i条车道的通行能力公式如下（1-1）所示：
其中，——第ｉ条进口车道的通行能力(pcu/h)；
——第i条进口车道的饱和流量(pcu/h)；
——第i条进口车道所属信号相位的绿信比；
——该信号相位的有效绿灯时间（s）；
——信号周期长度(s)。
2.2.2信号交叉口的饱和度
饱和度是信号交叉口的重要评价指标之一，反应了信号交叉口交通需求与供给之间平衡的程度，饱和度包括了相位饱和度与交叉口饱和度[8]，相位饱和度是指关键进口道到达交通量与通行能力之比；交叉口饱和度反映所有相位交通供求之间平衡的程度。是取相位饱和度中的最大饱和度[9]。
相位饱和度计算公式如式(2.2)所示:
其中，——相位i的可变导向车道饱和度；
——相位i中关键车道的实际到达交通量(pcu/h)；
——相位i中关键车道车辆通行能力(pcu/h)。
2.2.3信号交叉口的车均延误
信号交叉口度量的重要指标直接反映在信号交叉口的交通效率评估和服务水平评估中。 这反映出城市道路某些部分的信号交叉口的运行状态，以及驾驶员通过信号交叉口时所付出的不必要的时间成本。 低延迟反映了信号交叉口的良好状态。 因此，应分析信号交叉口的延误，以反映城市道路规划，道路设计和评估信号时序方案的优化程度。
作为信号交叉口重要评价指标之一，延误会受到诸多的影响，包括信号交叉口的车道功能组成、信号周期、绿信比和交叉口饱和度等指标密切关联，设计计算结果会与实际情况表现总会出现误差。信号交叉口的延误估算模型常用的有Webster模型[10]。
Webster模型中， 信号交叉口的交通延迟主要由两部分组成：过饱和延迟和过饱和延迟。 车辆延迟是当均匀的交通流到达交通信号灯交叉路口时，红色和绿色交通信号灯交替引起的额外延迟。 如果饱和度小于1，则交通流处于非饱和状态，并最终达到稳定或平衡状态。 如果到达交通量大致为泊松分布，则延迟模型包含车辆延迟与信号定时，交通量，饱和度和其他参数之间的定量关系。，如式（2.3）所示：
其中，——信号交叉口某相位车量辆延误(s)；
——信号交叉口周期长度(s)；
——相位绿信比；
——相位流量比；
——相位的饱和度；
——平均车辆到达率(pcu/s)。
延误的构成：
（1）延误模型中的第一项，是指正常相位延误（由于红灯对车辆的阻滞从而产生的延误）；
（2）延误模型中的第二项与第三项
，是指随机延误（由于车流到达率的随机波动等因素而产生的附加延误）
当信号交叉口的饱和率较低的时候，第二、三项对延误的影响微乎及微，可以考虑不计；当信号交叉口饱和率不断上升时，后两项对信号交叉口周期长度的计算结果会与交叉口饱和度成正比，即饱和度越饱和，周期长度影响越大。
2.2.4停车次数与停车率
在信号控制中，车辆停车率大小和停车次数多少也是信号交叉口的重要评价指标之一。停车次数的增加会造成交叉口延误程度增加。
- 停车次数
它是指信号周期中车辆完全停止的总数，主要由两部分组成：信号相交处的车辆停止数量和相位车辆停止的数量。相位停靠点的车辆数量通常表示为相位主入口处的停靠点车辆数量。 信号交叉口的车辆停靠点数是相位车辆停靠点数的总和。
- 停车率
它是信号周期内停放的车辆数与通过停车线（信号交叉口）的车辆总数的比率。它由两个主要部分组成。信号交叉口的停车率和各阶段的停车率。
2.2.5排队长度
排队长度主要用于评价信号交叉口渠化区设计长度的合理性、信号交叉口拥堵状况等的重要指标。在绿灯启亮时，各车道的平均排队长度可以表示为上次绿灯时间内尚未通过信号交叉口的车辆数和本次红灯时间内到达进口道的车辆数之和[11]。
2. 3本章小结
在本章中，我们主要分析有关在信号交叉口设置可变引导车道的各种条件。 接下来，通过比较优化信号交叉口之前和之后的各种评估指标，可以将信号交叉口处的车辆延迟用作可变引导车道模型的最终评估指标，例如信号时机，信道化条件，服务水平等。从中选择。从侧面看，提出了模型的相应约束。最后，将目标函数和约束条件结合起来，形成可变转向车道函数和信号时序的共同优化模型。
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