短車道排隊阻塞對信號交叉口通行能力的影響

短車道排隊阻塞對信號交叉口通行能力的影響

0影響通行能力的潛在因素短程通常不是一個獨立的軌道，具有長度限制。相應的是獨立軌道（unlime）或無長度限制軌道（unlime）段的長度。當?shù)缆酚玫乜臻g受到某些因素限制時,就會形成短車道,在交叉口進口道處尤為顯著。這些因素包括:交叉口進口道拓寬;交叉口進口道附近存在公交?？空净蚵愤呁＼?路段有公交專用道等等。拓寬信號交叉口進出口道是提高其通行能力的有效方法,但因此形成短車道也成為影響通行能力的潛在因素。隨著城市道路交通需求的增長,由于短車道長度不足而引發(fā)車輛排隊溢出的現(xiàn)象日漸普遍,這種現(xiàn)象又稱為短車道效應,它嚴重影響交叉口乃至路網的通行能力。這種情況下,應用一些常用模型(如HCM)估算交叉口通行能力,估算值往往較實際值偏大,這將直接影響交叉口評價結果。然而短車道并不一定會導致短車道效應的發(fā)生,它是道路、交通、管理條件綜合作用的結果。研究短車道對信號控制交叉口通行能力的影響,對避免短車道效應的發(fā)生有重要意義。本文考慮車輛到達分布、短車道引起的排隊阻塞發(fā)生概率和不同流向車流的相互影響,剖析短車道影響下進口道飽和流率降低的主要原因以及在不同交通和道路幾何條件下短車道對通行能力的影響,旨在對影響交叉口通行能力的因素作一補充,使交叉口的通行能力計算更接近實際。1短車道概率模型增加進口車道數(shù)可以提高信號交叉口的通行能力,但必須考慮短車道長度與排隊溢出之間的關系。根據現(xiàn)有資料,以往在信號交叉口通行能力計算中對進口短車道的修正主要有以下3種方法。(1)將其作為一條獨立進口道進行處理。例如:美國道路通行能力手冊(HCM2000)、加拿大通行能力手冊(CCG)和瑞典通行能力手冊。此類方法重點研究各車道的車道利用率,而忽略了短車道潛在的排隊阻塞的影響。(2)確定性的修正模型。例如:德國通行能力手冊、澳大利亞ARRB的通行能力和信號配時的分析報告、《交通管理與控制》和蔣金勇提出的修正公式。此類方法考慮了短車道可能造成的排隊阻塞,但忽略其隨機性,對于短車道效應是否發(fā)生的界定采用固定判斷指標,使短車道長度在關鍵點處會造成通行能力的突變,并且模型未考慮車道之間的相互干擾。(3)基于概率的修正模型。例如:ZongZ.Tian、程國柱提出的修正公式。該方法主要運用概率統(tǒng)計理論對短車道進行修正,考慮了短車道長度和發(fā)生排隊阻塞的隨機性,更接近實際情況。此外,其他許多針對交叉口短車道現(xiàn)象的研究主要集中在短車道長度確定的問題上,例如Leisch,J.E.、Guell,L.D和《城市道路交通設計指南》等,都分別提出了短車道長度的計算公式或建議值。綜上所述,采用概率論來研究短車道影響下的信號交叉口通行能力是一種較為可取的方法,前人也進行了一定探索,但主要存在以下3點不足:(1)缺乏對信號相位方案的考慮。對于不同的交叉口信號控制條件,短車道引起排隊阻塞發(fā)生的時刻和概率會有所不同,從而對通行能力產生不同的影響效果。以往研究中對這方面的考慮較少。本研究將通過對現(xiàn)實中各流向常見的信號相位相序組合進行概括,抽象出3種信號控制條件情況,分別對其進行建模分析。(2)缺乏車流間相互影響的考慮。以往研究中主要是針對左轉(或右轉)短車道對其自身通行能力的影響,而忽略其對相鄰車道組(如直行)的影響。本研究將相鄰車道組的關系定義為阻塞和被阻塞兩股車流,明確了各車流相互影響關系,使研究更具普遍意義。(3)缺乏對車輛到達分布的考慮。由于采用概率的方法進行研究,車輛到達分布情況會對結果產生一定影響,而以往研究中一般都假設車輛到達滿足二項分布。本研究將對車流到達滿足泊松分布、二項分布和負二項分布的情況進行探討。2短程影響的定性分析短車道對信號控制交叉口通行能力的影響主要反映在以下兩個方面。(1)飽和流率的確定即由于某流向短車道的存在,該流向的飽和流量理論上不可能始終保持該流向停車線處的飽和流量,當排放完紅燈期間進口道中排隊車輛后,該流向只能以駛入進口道的飽和流率排放,形成非均勻飽和流率。(2)縮短道路長度限制會導致隊列阻塞根據交叉口信號控制條件的不同,短車道排隊阻塞對通行能力的影響效果也有所不同,大致可分為3種情況,如表1所示。3主要參數(shù)定義本節(jié)將對考慮短車道影響下的通行能力進行定量計算,在分別考慮交叉口某流向正常通行和排隊阻塞情況下的通行能力基礎上,得出進口道車道組的通行能力計算模型。為便于后文討論,現(xiàn)將各參數(shù)定義如下:S1為進口道飽和流量;S2為駛入進口道的飽和流量;S3為阻塞發(fā)生后飽和流量;T為清空短車道最大排隊長度時間;L為短車道長度;hd為排隊停車空距;ω集為車輛紅燈期間到達交叉口集結波波速;ω散為車輛綠燈期間駛離交叉口消散波波速;V為車輛通過交叉口車速;gAe、gBe為A流向、B流向有效綠燈時長;CAPi為i流向通行能力;CAPi1為i流向正常通行情況下通行能力;CAPi2為i流向排隊阻塞情況下的通行能力;P為排隊阻塞發(fā)生概率;y為可能造成排隊阻塞的車流占總車輛數(shù)的比例。3.1飽和流量的變化短車道的存在可能造成交叉口非均勻飽和流率,在清空短車道最大排隊長度的時間段內以進口道飽和流量排放車流,之后以駛入進口道的飽和流量放行,如圖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,相應的通行能力為:CAΡ1={S1geC,ge≤Τ,S1ΤC+S2ge-ΤC,ge>Τ。CAP1={S1geC,ge≤T,S1TC+S2ge?TC,ge>T。3.2在艦隊封鎖中，行駛能力3.2.1數(shù)的概率np在t時間排隊阻塞發(fā)生概率為t時間段內A車流到達的車輛數(shù)大于短車道容許排隊的車輛數(shù)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。圖2顯示了車流到達滿足泊松分布、二項分布和負二項分布情況下排隊阻塞發(fā)生概率隨交通量的變化規(guī)律。3.2.2ssr流率自適應短車道除在正常通行情況下可能造成非均勻飽和流率,而且可能發(fā)生排隊溢出,若車流在綠燈期間受排隊阻塞的影響,將造成飽和流率的降低和有效綠燈時間的減少,如圖3所示。下面就第2節(jié)中所列3種情況,分別對車道組在受阻塞情況下的通行能力進行計算。(1)把好b2sb1g基因t-+lv,sb3minb3minb3minb3minb3minb3minA流向先放行,B流向后放行(見圖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(見圖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的計算A、B流向同時放行(見圖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短車道影響由上述分析得出,當交叉口拓寬處理后,應考慮短車道的影響,計算車道組通行能力時應當綜合考慮正常通行和排隊阻塞的情況,如下式所示:CAΡi=ˉΡ×CAΡi1+Ρ×CAΡi2。本節(jié)中所述通行能力計算模型重點考慮短車道影響,是對現(xiàn)有信號交叉口通行能力計算模型的修正,適用于信號交叉口進口道存在短車道的情況。使用該模型進行計算須已知信號控制條件,并對進口道飽和流量S1、駛入進口道的飽和流量S2和阻塞發(fā)生后的飽和流量S3進行準確標定。4不同排污率的仿真結果對比上文所述考慮短車道影響下的通行能力計算方法主要由3部分構成:①正常通行情況下通行能力模型;②排隊阻塞情況下通行能力計算模型;③排隊阻塞概率。下面用仿真的方法對這3個模型進行檢驗,比較在相同輸入條件下,模型計算結果與仿真結果之間的差異。所采用的仿真軟件為VISSIM4.20,通過調整駕駛員行為參數(shù)及車速,對基本通行能力進行標定,以保證計算模型和仿真具有相同的輸入條件。4.1飽和流率的確定本節(jié)對3.1節(jié)正常通行情況下通行能力模型進行仿真檢驗。基本參數(shù)條件為:信號周期C分別取60、90、120s;停車線處飽和流率S1為3600pcu/h;駛入進口道的飽和流量S2為1800pcu/h;短車道長度為60m;輸入流量足夠大以保證通過交叉口的車輛數(shù)達到通行能力。模型計算結果與仿真結果對比如圖7所示,平均誤差為2.3%。4.2泊松模型檢驗本節(jié)對3.2.1節(jié)排隊阻塞發(fā)生概率模型進行仿真檢驗,由于VISSIM仿真軟件車輛到達服從泊松分布,因此這里僅對泊松分布條件下的排隊阻塞模型進行檢驗?；緟?shù)條件為:展寬段容許排隊車輛數(shù)N為9;可能造成排隊阻塞車流比例y為60%。模型計算結果與仿真結果對比如圖8所示,平均誤差為5.6%。4.3變壓器s1epcr本節(jié)對3.2.2節(jié)排隊阻塞情況下通行能力模型進行仿真檢驗。基本參數(shù)條件為:信號周期C分別取90、120s;S1為3600pcu/h;S2為1800pcu/h;S3為0;短車道長度為60m;可能造成排隊阻塞車流比例y為60%;輸入流量足夠大以保證通過交叉口的車輛數(shù)達到通行能力。模型計算結果與仿真結果對比如圖9所示,平均誤差為3.4%。5種信號控制條件對通行能力的影響通過仿真檢驗證明模型具有較高的準確度,本節(jié)將對模型進行深入研究,分析短車道對信號控制交叉口通行能力的影響程度與車輛到達分布、交通量、短車道長度、有效綠燈時間、信號控制等因素之間的相互關系。圖10顯示為在情況2條件下(受阻塞車流先放,造成阻塞車流后放),車輛到達分別滿足泊松分布、二項分布和負二項分布情況下,進口道某流向通行能力與車輛到達率的變化關系。由圖10可得,交叉口車輛到達分布的不同會對通行能力造成一定影響,但影響程度不大,與其他因素相比不是主要影響因素。后文均以車輛到達服從泊松分布進行研究。圖11顯示了在3種信號控制條件下(①造成阻塞車流先放,受阻塞車流后放;②受阻塞車流先放,造成阻塞車流后放;③兩車流同時放行),進口道某流向通行能力與車輛到達率的變化關系。當信號控制條件為①、③兩種情況時,隨車輛到達率的增加,通行能力略有下降,影響程度不大;對于信號控制條件為②的情況,通行能力隨車輛到達率的增加顯著降低。圖12為在3種信號控制條件下,進口道某流向通行能力與短車道長度(即展寬段長度)的變化關系。由圖可得,短車道長度對3種信號控制條件下的通行能力均有較大的影響,隨短車道長度的增加,通行能力均呈上升趨勢。在短車道長度較小時,3種信號控制條件下某流向通行能力有著較大差異;當短車道長度達到一定值后(圖中約為90m),其通行能力基本一致。圖13顯示為在周期不變的條件下,車道組通行能力與有效綠燈時間的變化關系。對于3種信號控制的情況,隨有效綠燈時間的增加,通行能力均呈上升趨勢,但當有效綠燈時間達到一定值后(圖中約為20s),其值的增加所帶來通行能力增加的效益有著明顯的差異。圖14為通行能力隨周期時長的變化關系,在考慮進口道短車道的情況下,車道組通行能力不一定隨信號周期的增加而增加,即對于通行能力而言,存在最佳信號周期。6短車道長度對