Operational performance comparison of four unconventional intersection designs using micro‐simulation

SUMMARY

Several unconventional intersection designs have been proposed as an innovative approach to mitigate congestion at heavily congested at‐grade signalized intersections. Many of these unconventional designs were shown to outperform conventional intersections in terms of the average control delay and the overall intersection capacity. Little research has been conducted to compare the performance of these unconventional intersections to each other under different volume conditions. This study evaluated and compared the operational performance of four unconventional intersection schemes: the crossover displaced left‐turn (XDL), the upstream signalized crossover (USC), the double crossover intersection (DXI) (i.e., half USC), and the median U‐turn (MUT). The micro‐simulation software vissim (PTV Planung Transport Verkehr AG, Karlsruhe, Germany) was used to model and analyze the four unconventional intersections as well as a counterpart conventional one. The results showed that the XDL intersection constantly exhibited the lowest delays at nearly all tested balanced and unbalanced volume levels. The operational performance of both the USC and the DXI was similar in most volume conditions. The MUT design, on the other hand, was unable to accommodate high approach volumes and heavy left‐turn traffic. The capacity of the XDL intersection was found to be 99% higher than that of the conventional intersection, whereas the capacity of the USC and the DXI intersections was about 50% higher than that of the conventional intersection. The results of this study can provide guidance on choosing among alternative unconventional designs according to the prevailing traffic conditions at an intersection. Copyright copy; 2012 John Wiley amp; Sons, Ltd.

1 INTRODUCTION

In recent years, transportation engineers have been challenged by the continuous increase in traffic volumes and the corresponding congestion at signalized intersections. Accordingly, there has been considerable interest in innovative designs that can accommodate heavy intersection volumes. Some of these innovative or unconventional intersection designs have been already implemented in many jurisdictions such as the median U‐turn (MUT) in Michigan, Florida, Maryland, New Jersey, and Louisiana 1; the Jughandle in New Jersey 2; the crossover displaced left‐turn (XDL) in Oakland and Maryland 3; superstreets median (SSM) in Maryland and North Carolina 4-6, among others. Other designs have been only studied through micro‐simulation such as, the upstream signalized crossover (USC) 7, the double crossover intersection (DXI) 8, and the parallel flow intersection (PFI) 9, 10. The configuration and geometry of unconventional intersections are different from the conventional ones. They share the concept of reducing the conflicts between left‐turn movements and the opposing through traffic by re‐routing one or more of these movements.

Although several research efforts have compared the performance of one type of unconventional intersections to a conventional one, studies that compared the performance of unconventional intersections to each other are limited. In a previous research, El Esawey and Sayed 11 compared the performance of two of these unconventional schemes: the XDL intersection and the USC intersection. In this paper, the comparison is extended to include two more designs that have shown superior performance over the conventional intersection: the DXI and the MUT. The comparison is made in terms of the average control delay and overall intersection capacity. Safety issues, potential driver confusion, and pedestrian movements were not considered in the current analysis and are left for future research.

Because of the novel nature of unconventional intersections and considering the fact that field implementations are rare, micro‐simulation is so far the best suited tool for their evaluation. Traffic micro‐simulation models have been broadly used by many practitioners and researchers as a cost‐efficient and time‐efficient approach to test and evaluate innovative geometric designs and new traffic control options before field deployments. In this study, the micro‐simulation software vissim (PTV Planung Transport Verkehr AG, Karlsruhe, Germany) was used to model and analyze the unconventional intersections as well as a counterpart conventional intersection for comparison.

2 MOVEMENTS AT THE ANALYZED UNCONVENTIONAL INTERSECTIONS

The XDL design is also referred to as the continuous flow intersection (CFI) 3, 12 or displaced left‐turn (DLT) 5, 10. The main concept of the XDL intersection is eliminating left‐turn conflicts with the opposing through traffic by displacing the left‐turn lane to the opposing traffic direction and crossing the left traffic to the left side of the road a few hundred feet upstream of the primary intersection 3. Right‐turn movements are channeled to bypass the main intersection and are merged back into mainstream traffic downstream. Left‐turn displacement at the four approaches creates four additional secondary intersections. Accordingly, the XDL can be described as a system of two‐phase intersections that consists of one primary and four secondary intersections. The innovation of this scheme is the allowance of the operation of both through and left‐turn movements simultaneously at the main intersection using a two‐phase signal 13.

The USC intersection is a four‐leg intersection that eliminates left‐turn conflicts with the opposing traffic by crossing both through and left movements to the left side of the road at the four approaches prior to the intersection 14. Similar to the XDL intersection, the through and left crossings create four additional secondary (crossover) intersections. By utilizing a simple two‐phase signal timing scheme and coordinating all five sig

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利用微观仿真软件对四种非常规设计交叉口的模拟与分析

摘要

为了缓解严重拥堵的信号交叉口服务水平低的问题本文提出了几种创新的非常规交叉口设计，这些非常规设计的交叉口在平均延误和交叉口通行能力参数方面优于传统交叉口。很少有研究比较不同交通量条件下这些非常规交叉路口的性能。本研究评估并比较了四种非常规交叉口方案的运行性能：交叉位移左转（XDL），上行信号交叉（USC），双交叉交叉口（DXI）（即一半USC）和中位U - 转（MUT）。使用微观模拟软件vissim来模拟和分析四个非常规交叉口以及对应的常规交叉口。结果表明，XDL交叉口无论是在平衡还是不平衡的交通量下延误水平都是最低的。 USC和DXI在大多数同样交通量条件下表现相似。另一方面，MUT设计无法适应高到达量和较大的左转交通量。发现XDL交叉口的通行能力比传统交叉口高99％，而USC交叉口和DXI交叉口的通行能力比传统交叉口高出约50％。这项研究的结果可以提供指导，根据交叉口的主要交通条件选择替代非常规设计。

1 介绍

近年来，交通运输工程师一直面临交通量不断增加以及信号交叉口相应拥堵的挑战。因此，对可容纳较大交通流的交叉口的创新设计一直颇有兴趣。这些创新或非常规交叉口设计中的一些已经在许多管辖区域实施，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实现了中间掉头（MUT）¹;新泽西州的Jughandle ²;在奥克兰和马里兰州³实现交叉位置左转（XDL）;马里兰州和北卡罗来纳州^4-6的超级中锋（SSM）等等。其他设计仅通过微观模拟研究，例如上游信号交叉（USC）⁷，双交叉交叉口（DXI）⁸和平行流交叉口（PFI）^9,10。非常规交叉口的配置和几何形状与传统的不同。他们分享了通过重新规划一个或多个车流轨迹来减少左转车辆和对向直行车之间的冲突的概念。

尽管一些研究将某种非常规交叉口与传统交叉口进行了对比，但非常规交叉路口相互之间的对比研究较为有限。在之前的研究中，El Esawey和Sayed ¹¹比较了两种非常规交叉口的优劣：XDL交叉口和USC交叉口。在本文中，将该对比扩展到包括两个与传统交叉口相比具有更高性能的设计：DXI和MUT。根据评价延误和交叉口通行能力进行比较。目前的分析没有考虑安全问题，驾驶员行驶随意和行人影响，留待未来研究。

由于非常规交叉口具有新颖性，并且考虑到实际使用很少，因此微观模拟是迄今为止最适合评价的工具。交通微观仿真模型作为在现场实际使用之前测试和评估创新几何设计和新的交通控制选项的经济高效、节省时间的方法已经被许多从业者和研究人员广泛使用。在这项研究中，使用微观模拟软件vissim（PTV Planung Transport Verkehr AG，Karlsruhe，Germany）对非常规交叉口以及对应的常规交叉口进行建模和分析以进行比较。

2非常规交叉口分析

XDL设计也被称为连续流交叉口（CFI）^3,12或左移（DLT）5,10。XDL交叉口的主要概念是通过变道消除左转冲突，进口道挪到左侧，通过主要交叉口上游几百英尺处的小交叉口使车辆进行车道变换³.右转车通过右转专用道引导绕过主要交叉口并合并回道路下游。在四条道路上游的左转位移创建了四个附加的二级交叉口。相应地，XDL可以被描述为由一个主要交叉口和四个次要交叉口组成的两相交叉系统。该方案的创新在于使用两相信号¹³在主交叉口同时操作直行和左转。

USC十字路口是一个四路交叉口，通过在十字路口¹⁴之前的四个路口将左转车道移动到左侧，消除了与对面直行交通的冲突。类似于XDL交叉口，通过和上游的十字路口创建四个附加的二级交叉口。通过使用简单的两相位信号定时方案并协调全部五个信号，USC交叉口可以使整体平均延误最小化。有关这些改变的详细说明可以在文献7和14中找到。

一个与USC有点类似的非常规交叉口就是DXI。这两种设计的唯一区别在于，USC在主要交叉口之前转换了进口道和出口道方向，而DXI仅改变主要道路的方向，因此可以考虑它作为一半的USC。 DXI最初由Chlewicki ¹⁵引入，被称为同步分相（SSP）交叉口。 Bared等人⁸建议叫“双交叉路口（DXI）”更具描述性。此后，此设计将被称为DXI。 DXI交叉口可能仅适用于从支路向左转弯的车辆较少时，因为左转车辆将不得不让行其他车辆。 DXI的交叉点可以放置在主干道或支路上。在本文中，两种配置都被分析并称为“大DXI”和“小DXI”。

在MUT设计中，在路口禁止左转，将其移动到交叉口之外的道路中间2.交叉口即可位于主干道，也可用在支路，取决于可用的道路宽度。 交叉点可以采用两相位信号，或者无信号。 对于主要街头掉头交叉路口，从主要道路左转的交通车辆必须越过主要交叉口，掉头，然后在右转。 希望左转的支路车辆必须在与主要街道交通汇合的主交叉路口右转，然后在交叉处掉头。 图1（a-d）分别显示了MUT，XDL，USC和DXI设计的几何配置。

3 研究现状

美国联邦公路管理局（FHWA）信号交叉口信息指南2将交叉口交叉处理分为三类：交叉口重新配置和重组处理，间接左转处理和等级分离处理。间接左转处理包括Jughandle，MUT，CFI或XDL，象限十字路口和超级街道。关于不同类型的非常规交叉路口的表现存在大量文献。 Jagannathan和Bared ³使用vissim将三种不同的XDL构造与传统交叉口进行比较。结果显示，在所有交通量条件下，平均延误都有明显减少。此外，发现XDL交叉口通行能力增加15％至30％。作者认为XDL考虑行人通行的信号时间导致信号周期和平均延误增加。如果不考虑行人通行，平均延误时间将会低得多。 Reid和Hummer ¹³使用corsim（美国佛罗里达州盖恩斯维尔McTrans中心）对七个独立非常规交叉口和一个类似的常规交叉口进行行程时间比较。他们的结果表明，至少有一种非常规方案在至少一种交通量情况下胜过传统交叉口。一般来说，大多数情况下MUT交叉口表现都非常良好。Hummer^16,17为大量左转需求提供了七种非常规方案。他的讨论包括实施这些替代方案的定性指导方针。他认为所讨论的解决方案中没有一个可以被认为是“一种通用的解决方案”，对于许多特定的问题，它们都不会表现良好。 FHWA信息指南²和Hummer ¹⁷都提出，XDL交叉点可能适用于直行和左转需求大的交叉口 。由于在XDL设计中禁止掉头，所以对于掉头需求较高的交叉口不应执行此配置。

Tabernero和Sayed ¹⁴介绍了USC交叉口设计，并简要比较了常规交叉口。 他们的分析表明，USC适合左转交通量大的情况，同时保持通行能力水平可接受。 Sayed等人 ⁷进一步调查并比较了不同交通量情况下USC与类似的传统方案的性能。 他们的结论是，USC交叉路口在在满足以下一个或多个条件的情况下显示出相当大的潜力：（i）交叉口容量平衡并接近或超过常规交叉口的容量; （ii）交通流量有些不平衡，但总体到达量太高，不能适应常规交叉口; （iii）十字路口左转弯较多，导致过度延误。

Chlewicki ¹⁴使用SimTraffic（Trafficware Ltd.，Sugar Land，TX，USA）将SSP（即DXI）交叉口的性能与类似的常规交叉口相比，同时使用Synchro分别优化信号相位（Trafficware Ltd.，Sugar Land，TX，USA）。 他的研究结果表明，SSP交汇处胜过传统交叉路口。 Bared等人⁸，使用vissim将DXI在四种不同交通量情况下与常规十字路口进行比较。 结果表明，在交通量较少的情况下，两种交叉口的表现相似，而DXI在交通量大的以及左转多的情况下表现优于常规路口。

Dhatrak等人 ¹⁰，使用vissim比较了XDL与PFI的性能。评价标准是两种设计的直行和左转车辆的最大通行能力。 分析了每个设计的两种配置：全部和部分（即，一半XDL和一半PFI）。 模拟了广泛的不同交通量的情况，包括平衡和不平衡条件。 结果表明两种设计在不同交通流条件下的性能非常相似，并且比XDL交叉口相比有小优势（即直行和左转通过量相似）

Bared和Kaisar ¹⁸使用corsim来分析MUT与主要道路交叉口。 他们研究表明在交通量平衡的情况下，与常规交叉口相比掉头设计的交叉口延误减少较多。

应该指出的是，以前关于非常规交叉路口的工作大多只涉及孤立的非常规交叉口。 很少有研究工作针对在协调走廊上放置一系列非常规交叉口。 Reid and Hummer ¹⁹使用corsim来分析沿着具有五个信号交叉口的动脉的交通运行。 他们比较了传统的双向左转车道（TWLTL）设计和两种非传统设计：MUT和SSM。 结果表明，与高峰时段的TWLTL设计相比，MUT和SSM设计改善了系统行程时间和平均速度。 但是，在非高峰时段，MUT和SSM设计与TWLTL类似。

El Esawey和Sayed ²⁰研究了与现有常规四路交叉口相比，实施三条USC交叉路口的潜在益处。分析表明，USC配置的总系统延误分别低于常规路口的上午峰值，中午峰值和下午峰值的19.4％，14.8％和13.6％。 类似地，每个USC交叉点的平均控制延误比其常规对应值低7.6％和22.9％之间。

4 方法

4.1 几何条件

所分析的所有交叉口满足以下几何条件：

所有交叉口都是四路交叉口。

每个交叉口的相同方向的车道数量相同：两个直行车道，一个左转车道和一个右转车道。

每个左转车都有一个65米长的左转专用道。

每种设计的四种方法都提供了右转专用道。为了公平比较在所有模型中采用相同的车道长度，车道开始于主要交叉路口上游大约230米处，平行于直行车道行驶，然后通过主要交叉路口下游230米处的交通路线返回。

分析的非常规交叉点的关键设计元素之一是主要交叉点和次要交叉点之间的间距。 Sayed等人⁷尝试了从USC交叉口到次要交叉口的各种距离，以确定不同交通量的最佳几何结构。 El Esawey和Sayed ¹¹进一步测试了XDL设计的主要交叉口和次要交叉口之间的不同间距。两种设计的结果表明，增加二次交叉口与主要交叉口之间的距离可以增加交叉口容量，但在交通量低的情况下延误略高。这可以通过几何图形产生的周期长度限制来解释。由于主要交叉口和次要交叉口之间的间距变短，可以为每个阶段提供的绿灯时间必须缩短。假设失去的时间量是恒定的，较长的周期长度使交叉口的整体损失时间最小化。车辆在交叉口之间排队的长度减少也可能导致更高交通量的更短间距的交叉口延误增加。为了与我们以前的研究¹¹保持一致，本研究使用三种不同的间距分析DXI设计：140 m，175 m和210 m。根据FHWA信息指南²，密歇根州交通部门建议，掉头交叉口的最佳距离为与主要交叉路口相距170米至230米。在这项研究中，主要交叉口和掉头交叉口之间的距离被选定为200米。

4.2 交通量情况

为了对DXI和MUT进行公平的比较，并从另一方对先前开发的XDL和USC模型进行公平比较，本文中再次分析了El Esawey和Sayed ¹¹中使用的相同假设交通量。 这些均包括均衡和不平衡的交通量情况，其中均衡的情况对应于所有四种方法均等的情况，而不平衡的情况则代表大小交集。 此外，为了研究左转交通量增加对交叉口延误和通行能力的影响，模拟了左转交通量的两个不同水平，分别是不均衡交通量情景下总交通量的20％和30％。 表1给出了本研究中测试的所有配置和交通量的总结。

表1 交通量和不同方案测试

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