交叉口是道路交通网络中的关键组成节点,在交叉口处来自不同方向的冲突车流需共享有限的时间及空间资源,因此交叉口也通常是交通网络中的主要瓶颈节点。对于交通需求较大的道路交叉口,国内外各大城市普遍应用交通信号控制与优化技术,以提高交叉口时间资源的利用率,进而保障冲突车流的安全高效通行。然而,随着我国城市化与机动化进程的快速发展,信号交叉口拥堵现象日益严重,传统设计与优化方法越来越无法满足急剧增长的交通需求。在此背景下,国内外广大学者提出了一系列信号交叉口非常规设计与控制方法,并取得了显著效果。借道左转设计作为近年来新兴的信号交叉口非常规设计方法,得到了国内外的广泛关注,并在我国多个大城市进行了实际应用。其基本思路是通过动态利用逆向车道,提高左转车辆通行能力,进而减少专用左转相位所需时间,以实现提高交叉口通行能力的目的。然而在工程实践中,借道左转设计的的实施目前仍主要依赖于经验方法,缺少对借道左转的科学设计与管理方法,严重影响了借道左转设计在实际工程中的应用效果;在学术领域,目前对于借道左转设计的研究较少,且大部分仍使用传统方法进行量化分析,对借道左转设计交通特行的了解不足,缺乏具有针对性的优化设计方法,严重制约了这一新型交叉口设计思路的发展与应用。鉴于此,本文依托于国家自然科学基金重点项目《演变中的现代城市道路交通系统集成设计基础理论与方法》(51238008),以实际应用为导向,围绕城市信号交叉口借道左转设计,分析其主要运行特性及优化设计方法。论文研究将为借道左转设计的实际应用提供科学支撑,有助于完善信号交叉口控制理论,对于提高城市信号交叉口管理水平,缓解城市交通拥堵具有重要意义。本文的主要研究内容包含以下几个方面:(1)借道左转设计交通特性研究借道左转设计与传统信号交叉口设计相比,在信号控制策略及通行规则方面具有显著差异。具体而言,部分左转车辆在预信号的控制下可利用逆向左转车道,实现排队跃迁并减少通行延误。借道左转设计独特的通行规则衍生出了其独有的交通特性。此外,借道左转设计目前尚处于探索阶段,在实际应用中出现了与设计思路相偏离的特殊交通行为。因此,本文结合实际调查数据与理论分析,分别从信号控制方案、车头时距、车道分布特性及排队行为等角度,研究借道左转设计在实际应用中的交通特性,探索其通行规律与内在机理,为后文分析提供现实依据与理论基础。(2)单点固定式配时环境下借道左转通行效率分析目前在实际应用中的借道左转设计,均采用固定式配时控制策略。分析在单点固定式配时环境下借道左转设计的通行效率特征,对于借道左转设计的应用效果评价与优化具有重要意义。本文分别从通行能力、延误和排队长度三个方面,针对借道左转设计的通行效率进行分析。具体而言,建立了考虑排队特性与车辆随机到达现象的通行能力概率模型,并应用实际数据对模型进行验证,发现了借道左转设计通行能力渐进到达的独特规律;建立了基于到达离去曲线的延误估计模型,并首次提出了在交通需求小于通行能力的情况下,借道左转设计可能无法完全清空车辆的现象;建立了考虑驾驶员车道选择行为的冲击波模型,并提出了实施借道左转设计所需的空间条件。(3)适用于借道左转设计的感应式控制策略与优化设计方法分析在固定式配时条件下,借道左转设计在相位设计与通行效率特征等方面的主要约束与瓶颈,并在此基础上提出相应的感应式控制策略。考虑借道左转设计的独特运行规律,分析感应式控制环境下,最小及最大绿灯时长等信号配时关键参数的确定方法。在此基础上,提出能够实现通行效率最优、保障逆向车道完全清空,以及平衡不同交通需求的逆向左转车道最优设计方法。(4)考虑上游信号交叉口的借道左转设计通行效率分析与优化借道左转设计中,逆向左转车道的利用率决定了左转车流的通行效率,而逆向左转车道的利用率则主要取决于车辆到达分布与预信号配时设计。本文分析了在城市道路网络中常见的相邻交叉口环境下,借道左转设计的通行效率特征与优化方法,具体而言,依据车队离散模型,量化了考虑上游交叉口的借道左转设计车队到达分布,并首次提出了借道左转设计在连续周期内的稳态现象。基于稳态周期,分析了借道左转设计通行效率特征与优化设计方法。(5)智能网联环境下借道左转设计优化与车队控制智能网联技术是城市交通系统的研究前沿,而借道左转设计是城市信号交叉口的重要组成部分,二者的有机集合是未来城市信号交叉口的可能发展方向之一。本文分析在智能网联环境下,借道左转设计的信号配时优化方法。在此条件下,建立了基于随机图搜索模型的车队协同控制策略。