短车道排队阻塞对信号交叉口通行能力的影响

短车道排队阻塞对信号交叉口通行能力的影响

0影响通行能力的潜在因素短程通常不是一个独立的轨道，具有长度限制。相应的是独立轨道（unlime）或无长度限制轨道（unlime）段的长度。当道路用地空间受到某些因素限制时,就会形成短车道,在交叉口进口道处尤为显著。这些因素包括:交叉口进口道拓宽;交叉口进口道附近存在公交停靠站或路边停车;路段有公交专用道等等。拓宽信号交叉口进出口道是提高其通行能力的有效方法,但因此形成短车道也成为影响通行能力的潜在因素。随着城市道路交通需求的增长,由于短车道长度不足而引发车辆排队溢出的现象日渐普遍,这种现象又称为短车道效应,它严重影响交叉口乃至路网的通行能力。这种情况下,应用一些常用模型(如HCM)估算交叉口通行能力,估算值往往较实际值偏大,这将直接影响交叉口评价结果。然而短车道并不一定会导致短车道效应的发生,它是道路、交通、管理条件综合作用的结果。研究短车道对信号控制交叉口通行能力的影响,对避免短车道效应的发生有重要意义。本文考虑车辆到达分布、短车道引起的排队阻塞发生概率和不同流向车流的相互影响,剖析短车道影响下进口道饱和流率降低的主要原因以及在不同交通和道路几何条件下短车道对通行能力的影响,旨在对影响交叉口通行能力的因素作一补充,使交叉口的通行能力计算更接近实际。1短车道概率模型增加进口车道数可以提高信号交叉口的通行能力,但必须考虑短车道长度与排队溢出之间的关系。根据现有资料,以往在信号交叉口通行能力计算中对进口短车道的修正主要有以下3种方法。(1)将其作为一条独立进口道进行处理。例如:美国道路通行能力手册(HCM2000)、加拿大通行能力手册(CCG)和瑞典通行能力手册。此类方法重点研究各车道的车道利用率,而忽略了短车道潜在的排队阻塞的影响。(2)确定性的修正模型。例如:德国通行能力手册、澳大利亚ARRB的通行能力和信号配时的分析报告、《交通管理与控制》和蒋金勇提出的修正公式。此类方法考虑了短车道可能造成的排队阻塞,但忽略其随机性,对于短车道效应是否发生的界定采用固定判断指标,使短车道长度在关键点处会造成通行能力的突变,并且模型未考虑车道之间的相互干扰。(3)基于概率的修正模型。例如:ZongZ.Tian、程国柱提出的修正公式。该方法主要运用概率统计理论对短车道进行修正,考虑了短车道长度和发生排队阻塞的随机性,更接近实际情况。此外,其他许多针对交叉口短车道现象的研究主要集中在短车道长度确定的问题上,例如Leisch,J.E.、Guell,L.D和《城市道路交通设计指南》等,都分别提出了短车道长度的计算公式或建议值。综上所述,采用概率论来研究短车道影响下的信号交叉口通行能力是一种较为可取的方法,前人也进行了一定探索,但主要存在以下3点不足:(1)缺乏对信号相位方案的考虑。对于不同的交叉口信号控制条件,短车道引起排队阻塞发生的时刻和概率会有所不同,从而对通行能力产生不同的影响效果。以往研究中对这方面的考虑较少。本研究将通过对现实中各流向常见的信号相位相序组合进行概括,抽象出3种信号控制条件情况,分别对其进行建模分析。(2)缺乏车流间相互影响的考虑。以往研究中主要是针对左转(或右转)短车道对其自身通行能力的影响,而忽略其对相邻车道组(如直行)的影响。本研究将相邻车道组的关系定义为阻塞和被阻塞两股车流,明确了各车流相互影响关系,使研究更具普遍意义。(3)缺乏对车辆到达分布的考虑。由于采用概率的方法进行研究,车辆到达分布情况会对结果产生一定影响,而以往研究中一般都假设车辆到达满足二项分布。本研究将对车流到达满足泊松分布、二项分布和负二项分布的情况进行探讨。2短程影响的定性分析短车道对信号控制交叉口通行能力的影响主要反映在以下两个方面。(1)饱和流率的确定即由于某流向短车道的存在,该流向的饱和流量理论上不可能始终保持该流向停车线处的饱和流量,当排放完红灯期间进口道中排队车辆后,该流向只能以驶入进口道的饱和流率排放,形成非均匀饱和流率。(2)缩短道路长度限制会导致队列阻塞根据交叉口信号控制条件的不同,短车道排队阻塞对通行能力的影响效果也有所不同,大致可分为3种情况,如表1所示。3主要参数定义本节将对考虑短车道影响下的通行能力进行定量计算,在分别考虑交叉口某流向正常通行和排队阻塞情况下的通行能力基础上,得出进口道车道组的通行能力计算模型。为便于后文讨论,现将各参数定义如下:S1为进口道饱和流量;S2为驶入进口道的饱和流量;S3为阻塞发生后饱和流量;T为清空短车道最大排队长度时间;L为短车道长度;hd为排队停车空距;ω集为车辆红灯期间到达交叉口集结波波速;ω散为车辆绿灯期间驶离交叉口消散波波速;V为车辆通过交叉口车速;gAe、gBe为A流向、B流向有效绿灯时长;CAPi为i流向通行能力;CAPi1为i流向正常通行情况下通行能力;CAPi2为i流向排队阻塞情况下的通行能力;P为排队阻塞发生概率;y为可能造成排队阻塞的车流占总车辆数的比例。3.1饱和流量的变化短车道的存在可能造成交叉口非均匀饱和流率,在清空短车道最大排队长度的时间段内以进口道饱和流量排放车流,之后以驶入进口道的饱和流量放行,如图1所示。即:S={S1,0≤t≤Τ,S2,Τ<t≤ge,Τ=3600LS1hd,S={S1,0≤t≤T,S2,T<t≤ge,T=3600LS1hd,相应的通行能力为:CAΡ1={S1geC,ge≤Τ,S1ΤC+S2ge-ΤC,ge>Τ。CAP1={S1geC,ge≤T,S1TC+S2ge−TC,ge>T。3.2在舰队封锁中，行驶能力3.2.1数的概率np在t时间排队阻塞发生概率为t时间段内A车流到达的车辆数大于短车道容许排队的车辆数的概率。即:Ρ=∞∑i=ΝΡ(x=i)i∑j=ΝCjiyj(1-y)i-jP=∑i=N∞P(x=i)∑j=NiCjiyj(1−y)i−j。图2显示了车流到达满足泊松分布、二项分布和负二项分布情况下排队阻塞发生概率随交通量的变化规律。3.2.2ssr流率自适应短车道除在正常通行情况下可能造成非均匀饱和流率,而且可能发生排队溢出,若车流在绿灯期间受排队阻塞的影响,将造成饱和流率的降低和有效绿灯时间的减少,如图3所示。下面就第2节中所列3种情况,分别对车道组在受阻塞情况下的通行能力进行计算。(1)把好b2sb1g基因t-+lv,sb3minb3minb3minb3minb3minb3minA流向先放行,B流向后放行(见图4)CAΡB2={SB1gBeC‚gBe≤Τ,SB1ΤC+SB2min(t-Τ+LV,gBe-Τ)C+SB3max(gBe-t-LV,0)C,gBe>Τ。(2)b1b3gB流向先放行,A流向后放行(见图5)CAΡB2={SB1gBeC,gBe≤Τ,SB1ΤC+SB3gBe-ΤC‚gBe>Τ,t≤R1,SB1ΤC+SB2min(t-R1-Τ+LV,gBe-Τ)C+SB3max(gBe-t+R1-LV,0)C,gBe>Τ,t>R1。(3)gae-t-lv,0-lc,sb3的计算A、B流向同时放行(见图6)CAΡB2={SB2gBe-max(gBe-gAe-t-LV,0)-LωC,SB3=0,SB1gBeC‚SB3>0,gBe≤Τ,SB1ΤC+SB2gBe-max(gBe-gAe-t-LV,0)-ΤC+SB3max(gBe-gAe-t-LV,0)C‚SB3>0,gBe>Τ。3.3短车道影响由上述分析得出,当交叉口拓宽处理后,应考虑短车道的影响,计算车道组通行能力时应当综合考虑正常通行和排队阻塞的情况,如下式所示:CAΡi=ˉΡ×CAΡi1+Ρ×CAΡi2。本节中所述通行能力计算模型重点考虑短车道影响,是对现有信号交叉口通行能力计算模型的修正,适用于信号交叉口进口道存在短车道的情况。使用该模型进行计算须已知信号控制条件,并对进口道饱和流量S1、驶入进口道的饱和流量S2和阻塞发生后的饱和流量S3进行准确标定。4不同排污率的仿真结果对比上文所述考虑短车道影响下的通行能力计算方法主要由3部分构成:①正常通行情况下通行能力模型;②排队阻塞情况下通行能力计算模型;③排队阻塞概率。下面用仿真的方法对这3个模型进行检验,比较在相同输入条件下,模型计算结果与仿真结果之间的差异。所采用的仿真软件为VISSIM4.20,通过调整驾驶员行为参数及车速,对基本通行能力进行标定,以保证计算模型和仿真具有相同的输入条件。4.1饱和流率的确定本节对3.1节正常通行情况下通行能力模型进行仿真检验。基本参数条件为:信号周期C分别取60、90、120s;停车线处饱和流率S1为3600pcu/h;驶入进口道的饱和流量S2为1800pcu/h;短车道长度为60m;输入流量足够大以保证通过交叉口的车辆数达到通行能力。模型计算结果与仿真结果对比如图7所示,平均误差为2.3%。4.2泊松模型检验本节对3.2.1节排队阻塞发生概率模型进行仿真检验,由于VISSIM仿真软件车辆到达服从泊松分布,因此这里仅对泊松分布条件下的排队阻塞模型进行检验。基本参数条件为:展宽段容许排队车辆数N为9;可能造成排队阻塞车流比例y为60%。模型计算结果与仿真结果对比如图8所示,平均误差为5.6%。4.3变压器s1epcr本节对3.2.2节排队阻塞情况下通行能力模型进行仿真检验。基本参数条件为:信号周期C分别取90、120s;S1为3600pcu/h;S2为1800pcu/h;S3为0;短车道长度为60m;可能造成排队阻塞车流比例y为60%;输入流量足够大以保证通过交叉口的车辆数达到通行能力。模型计算结果与仿真结果对比如图9所示,平均误差为3.4%。5种信号控制条件对通行能力的影响通过仿真检验证明模型具有较高的准确度,本节将对模型进行深入研究,分析短车道对信号控制交叉口通行能力的影响程度与车辆到达分布、交通量、短车道长度、有效绿灯时间、信号控制等因素之间的相互关系。图10显示为在情况2条件下(受阻塞车流先放,造成阻塞车流后放),车辆到达分别满足泊松分布、二项分布和负二项分布情况下,进口道某流向通行能力与车辆到达率的变化关系。由图10可得,交叉口车辆到达分布的不同会对通行能力造成一定影响,但影响程度不大,与其他因素相比不是主要影响因素。后文均以车辆到达服从泊松分布进行研究。图11显示了在3种信号控制条件下(①造成阻塞车流先放,受阻塞车流后放;②受阻塞车流先放,造成阻塞车流后放;③两车流同时放行),进口道某流向通行能力与车辆到达率的变化关系。当信号控制条件为①、③两种情况时,随车辆到达率的增加,通行能力略有下降,影响程度不大;对于信号控制条件为②的情况,通行能力随车辆到达率的增加显著降低。图12为在3种信号控制条件下,进口道某流向通行能力与短车道长度(即展宽段长度)的变化关系。由图可得,短车道长度对3种信号控制条件下的通行能力均有较大的影响,随短车道长度的增加,通行能力均呈上升趋势。在短车道长度较小时,3种信号控制条件下某流向通行能力有着较大差异;当短车道长度达到一定值后(图中约为90m),其通行能力基本一致。图13显示为在周期不变的条件下,车道组通行能力与有效绿灯时间的变化关系。对于3种信号控制的情况,随有效绿灯时间的增加,通行能力均呈上升趋势,但当有效绿灯时间达到一定值后(图中约为20s),其值的增加所带来通行能力增加的效益有着明显的差异。图14为通行能力随周期时长的变化关系,在考虑进口道短车道的情况下,车道组通行能力不一定随信号周期的增加而增加,即对于通行能力而言,存在最佳信号周期。6短车道长度对