城市環(huán)形交叉口通行能力及改善對策研究

孔令旗

（同濟大學，上海 200092）

0 前言

道路交叉口是公路或城市道路網(wǎng)絡的基本節(jié)點，也是網(wǎng)絡交通流的瓶頸。由于進環(huán)與出環(huán)車流存在相互交織使得交通堵塞主要發(fā)生在交叉口的進口處。由于無信號控制環(huán)形交叉口不限制車流的流入和流出，其輸出的交通量均為連續(xù)流。因此在研究城市交通控制系統(tǒng)時，很難將無信號控制環(huán)形交叉口與其他信號控制交叉口進行協(xié)調(diào)控制，從而降低了城市交通控制系統(tǒng)的適應性。本文研究，利用交叉口相位控制的方法在提高環(huán)形交叉口通行能力的同時，明確車輛在各相位的通行權(quán)，通過對某交叉口進行實地調(diào)查，找出導致其形成交通瓶頸的原因，進行信號相位優(yōu)化，大幅度提高環(huán)形交叉口的通行能力，旨在為其它環(huán)形交叉口的改造提供參考。

1 環(huán)形交叉口的定義及特點

1.1 環(huán)形交叉口的定義

環(huán)形交叉口是在幾條街道相交的交叉口中央，設置園島或帶圓弧形狀的交通島，使進入交叉口的車輛沿同一方向繞島行駛，其運行過程一般為先由不同方向匯合，接著沿同一方向先后通過（交織），最后分向駛出，這樣可以避免直接交叉、沖突和大角度碰撞，本質(zhì)上是一種自我調(diào)節(jié)的渠化交通組織方式。其優(yōu)點是車輛可以連續(xù)行駛，無需管理設施，平均延誤時間短。缺點是占地面積大，繞行距離長；其次是當交通量達到一定程度時，環(huán)形交叉就會增大延誤，并且容易引起混合和擁塞。因此，當交通量過大時，應考慮設置信號燈或者對其進行交叉口的物理改造。

1.2 環(huán)形交叉口的交通流特點

環(huán)形交叉口的交通流具有以下特點[1]:

（1）在環(huán)形交叉口的進口道，右側(cè)車道中絕大部分車輛直接右轉(zhuǎn)駛?cè)氤隹诘挠覀?cè)車道，少數(shù)車輛入環(huán)與出環(huán)車流相交，穿插進人環(huán)形車道。左側(cè)車道中絕大部分車輛為左轉(zhuǎn)或直行車輛，與出環(huán)車流相交，穿插進人環(huán)形車道。

（2）在環(huán)形交叉口的外側(cè)車道中，絕大部分車輛為出環(huán)車輛，與入環(huán)車輛相交，穿插進入出口的右側(cè)車道;內(nèi)側(cè)車道中，多數(shù)車輛繞環(huán)行駛，小部分車輛與入環(huán)車輛發(fā)生沖突，等待入環(huán)車流中的可穿插間隙，進入出口的右側(cè)車道。

（3）在流量較小的情況下，進環(huán)車流和出環(huán)車流的車頭時距較大，車輛可以自由通過沖突點，幾乎不受沖突車流的影響。隨著流量的增加，進環(huán)車輛與出環(huán)車輛需尋找沖突車流的可穿插間隙交替通過，當流量較大，已無法滿足可穿插間隙的需求時，車輛則會在沖突點前排隊等候。

2 環(huán)形交叉口的通行能力

在環(huán)形交叉口，環(huán)行車流為主路，進環(huán)車流為支路，主路上的車流可自由通過，而支路上的車流必須在主路上的車流出現(xiàn)大于某一臨界間隙時才能進入交叉口，否則就必須等待。以間隙接受理論為基礎計算模型可以分析在各種道路交通條件下的交叉口的通行能力，是目前廣泛采用的方法，也比較適合我國環(huán)形交叉口交通流運行特征。環(huán)形交叉口通行能力的計算方法按交叉口控制方式分為無信號控制和信號控制兩種。

2.1 無信號控制環(huán)形交叉口通行能力（見圖1）

目前我國的環(huán)形交叉口進口車道和環(huán)道多為兩條。當進口車道為兩條，車輛進入交叉口時，左側(cè)車流需與兩條環(huán)道車流進行穿插，而右側(cè)車流則只需與外側(cè)環(huán)道車流進行穿插。設Ce1為左側(cè)進口道能夠進入交叉口的車輛數(shù)，Ce2為右側(cè)進口道能夠進入的車輛數(shù)，則Ce=Ce1+Ce2。其中的計算方法與單環(huán)道環(huán)形交叉口的通行能力計算方法相同，其計算公式為：

圖1 無信號控制環(huán)島交叉口交通沖突示意圖

對Ce1進行計算，可以把左側(cè)進入交叉口的環(huán)道車流假設成一當量車流，則此當量車流與原兩環(huán)道車流的對應關(guān)系為：

當量交通量qr等于內(nèi)、外兩側(cè)環(huán)道上交通量，即：qr=qr1+qr2。

當量車流的車頭時距小于tm時，其服從均勻分布；當量車流的車頭時距大于或等于tm時，則服從移位負指數(shù)分布。

假設當量車流車頭時距小于等于tm的概率為P，兩條環(huán)道上車流的平均車頭時距均值為h。因車頭時距小于tm的車流服從均勻分布，故可合理假設，同時滿足 P（t≤tm）+P（t≤tm）=1。

可以推出左側(cè)車道通行能力的計算方法如公式（2）：

綜上所述，可以得出進環(huán)車輛的總通行能力為：

以上所述的都是交叉口的基本通行能力，是交叉口在理想狀態(tài)下能夠達到的最大通行能力。而交叉口的實際通行能力要受到很多因素的影響，因此要結(jié)合交叉口的實際情況進行修正。修正后的通行能力即為實際通行能力。交叉口進口車流的流向比、流量比和交叉口的橫向干擾系數(shù)都會直接影響到環(huán)形交叉口的實際通行能力[2]，下面分別進行說明。

2.1.1 橫向干擾系數(shù)

橫向干擾系數(shù)Fs的影響如表1所列。

表1 環(huán)形交叉口橫向干擾系數(shù)Fs一覽表

2.1.2 左轉(zhuǎn)修正系數(shù)

通過對式（1）和式（2）進行模擬運算，用回歸的方法可得出左轉(zhuǎn)車流的修正系數(shù)：

式中：βL為左轉(zhuǎn)車流向比例。

2.1.3 右轉(zhuǎn)修正系數(shù)

與上式同理可得到右轉(zhuǎn)修正系數(shù)為：

式中：βR為右轉(zhuǎn)車流向比例。

2.1.4 流量比修正系數(shù)

在實際的交通情況中，各方向進口車道的車流量不可能完全相等。通常為兩條相連接道路的流量較小，而另兩條連接道路的流量較大。用表示較大流量與較小流量之比，對結(jié)果進行回歸分析可以得到流量比的修正系數(shù)：

環(huán)形交叉口的實際通行能力為其基本通行能力與以上各修正系數(shù)的乘積。

2.2 環(huán)形交叉口服務水平標準

環(huán)形交叉口的通行能力可以反映環(huán)形交叉口的性質(zhì)與功能，環(huán)形交叉口通行能力可以用來估算環(huán)形交叉口在規(guī)定的運行質(zhì)量條件下所能適應的最大交通量，它是交叉口規(guī)劃、設計及管理等方面的基本參數(shù)，其具體數(shù)值的變化隨交叉口相交道路等級、線形、路況、交通管理與交通狀況的不同而有顯著的變化[3]。

在交叉口的服務水平評價中，就主要采用交通量與通行能力的比較來進行，即通常所說的V/C。交叉口服務水平評估標準如表2所列[4]。

表2 交叉口服務水平評估標準一覽表

3 環(huán)形交叉口優(yōu)化及改善策略

3.1 環(huán)形交叉口適用條件

當無信號控制環(huán)形交叉的交通量小于3000 pcu/h（交通流沒有達到飽和狀態(tài))的情況下，進入環(huán)形交叉口的車輛可以連續(xù)不斷地單向行駛，減少了車輛在交叉口的延誤時間，此時環(huán)形交叉口是一種經(jīng)濟、有效、連續(xù)的交通組織方式，同時還可以美化環(huán)境，改善城市形象。然而，隨著進入無信號控制環(huán)形交叉口交通量的增加，交通流之間的交織、穿插存在困難時，交叉口交通流變成紊亂交通流，容易引起交通擁堵。

此時，為了使交通流更為有序地運行，需要對交叉口采取相應的改善措施，以提高環(huán)形交叉口的通行能力。因此，環(huán)形交叉口主要在交通量不大的道路上或因美化環(huán)境等特殊需要時采用。

當一條干路的交通接近或已經(jīng)達到飽和狀態(tài)時，道路上的環(huán)形交叉口必然成為整條道路的“瓶頸”，在高峰時段極易引發(fā)交通擁堵。環(huán)形交叉口是該區(qū)域所在道路的“瓶頸”節(jié)點，在早晚高峰時期常發(fā)生交通擁堵。因此，目前的無信號控制環(huán)形交叉口的交通組織方式難以適應當前的交通需求，亟待進行改善。

3.2 環(huán)形交叉口優(yōu)化及改善策略

通常，交通擁堵是由擁堵點的交通積累速度大于其疏散速度造成交通大量滯留所致。環(huán)形交叉口的擁堵可分為交通疏散能力不足導致的擁堵，主要原因為通行能力不足；交通積累過快導致的擁堵，主要原因是路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理[5]。

3.2.1 優(yōu)化思路

針對環(huán)形交叉口交通擁堵產(chǎn)生的原因，環(huán)形交叉口總體優(yōu)化思路是“分流、擴能、有序”。

（1）分流是指通過一定的交通組織措施，分流擁堵環(huán)形交叉的部分交通量，使交通壓力發(fā)生轉(zhuǎn)移，即轉(zhuǎn)移到通行能力尚有富余的交叉口上。

（2）擴能是指通過對擁堵環(huán)形交叉軟、硬件設施的改造或?qū)嵤┮?guī)劃方案，提高環(huán)形交叉口的通行能力，緩解交通擁堵。

（3）有序是指對擁堵環(huán)形交叉口實施軟、硬件改造，并通過增設路口車輛控制信號燈、人行過街信號燈，改善環(huán)形交叉口的交通秩序，進而提高交叉口通行能力，緩解該路口的交通擁堵。

3.2.2 宏觀改善策略

（1）分流部分交通量，緩解交叉口擁堵。如果環(huán)形交叉口的交通壓力過于集中，可以通過完善區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分流擁堵環(huán)形交叉口的流量，均衡區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)各路口的交通壓力，實現(xiàn)緩解環(huán)形交叉口擁堵的目的。

（2）實施規(guī)劃方案，提高交叉口通行能力。在制訂緩解環(huán)形交叉口擁堵方案時，要考慮是否存在尚未實施的立交匝道或立體人行過街設施等規(guī)劃方案，如果方案實施對交叉口通行能力提高很大且與路網(wǎng)通行能力相匹配，則可考慮實施。

3.2.3 微觀改善策略

（1）拆除環(huán)島，將環(huán)形交叉口改造成普通平面交叉口，增設進口道信號燈。這是目前普通環(huán)形交叉口優(yōu)化處理最常用的方法。由于環(huán)島最初提出時是用在車流量較小的路口，不設信號燈，讓沖突點轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄐ悬c。而當車流量超過一定的負荷時，環(huán)島便失去了它當初存在的意義，所以，應取消環(huán)島并改成一般的平面交叉口。通過設置信號燈不僅改善了交通壓力，也使交叉路口的信號控制變得簡單，不至于使人們一進入環(huán)島就有繞“暈”的感覺。但拆除環(huán)島工程量較大，資金投入也比較多。

（2）縮小或保留環(huán)島，直接在環(huán)形交叉口增設信號燈。采用順時針逐一單口放行方式，即每次只放行一個方向的交通流，通常用在較小的環(huán)形交叉口。此方法配時設計簡單，各進口道綠信比較低，但能更好地均衡各流向車道的利用率，同時也可避免環(huán)形交叉口交通“死鎖”的問題。造價低，有一定的可實施性。

4 環(huán)形交叉口優(yōu)化改善實例分析

4.1 環(huán)島交叉口現(xiàn)狀

南昌外順立交橋位于南昌火車站附近，其環(huán)島由2條道路相交形成一個環(huán)形交叉口（見圖2），并設有行人過街設施，各條道路的特征如表3所列。該環(huán)島立交是城區(qū)道路網(wǎng)上一個重要的交通節(jié)點，承擔著中心城區(qū)南北和東西軸向上的交通集疏功能。因此，研究該路口的改造方式是提高路口通行能力和道路節(jié)點及路網(wǎng)服務水平的關(guān)鍵，也是保證東西、南北交通暢通的必要條件。

圖2 環(huán)島道路交通運營現(xiàn)狀圖

表3 環(huán)島相交道路現(xiàn)狀一覽表

根據(jù)《公路路線設計規(guī)范》（JTJ011-94）要求，當交叉口的總交通量為500～3000 pcu/h時，可設環(huán)形交叉，而現(xiàn)在根據(jù)交通流量調(diào)查的結(jié)果來看：目前交通主流向為南北向；環(huán)島交叉口交通量已超過5000 pcu/h，高峰小時達到6841 pcu/h；已遠遠超出《公路路線設計規(guī)范》所要求的交通量范圍。該環(huán)島運行的總量遠超過環(huán)形交叉口的設計通行能力，交叉口高峰時間處于非常擁堵狀態(tài)。此外，還存在交通出行秩序較混亂，交通管理措施缺失；既有道路及配套交通設施資源緊張，難以滿足和適應近、遠期交通需求。具體表現(xiàn)為：（1）環(huán)島交叉口服務水平較低，成為城市東西軸線上突出的交通瓶頸；（2）環(huán)島通行能力有限，交織段短，交織流量大，西進口的交織矛盾突出；（3）缺少有效的交通控制且交通組織方式混亂。

表4為環(huán)島叉口流量調(diào)查表。由表4可以看出，根據(jù)上文論述的模型計算，其設計通行能力為6104 pcu/h（含右轉(zhuǎn)機動車），飽和度約為1.06，服務水平為F級，且由于車輛從停車線起至出交叉口的時間較長，信號控制采取長周期且相位配時不合理，這就造成了交叉口車輛延誤大，實施的效果不太理想。從交通量現(xiàn)狀可以看出，各個進口幾乎都處于飽和或過飽和的狀態(tài)，交通擁堵嚴重。

表4 環(huán)島交叉口流量調(diào)查表（單位：pcu/h）

4.2 改善措施及方案評價

基于該交叉口在地理、景觀、交通等方面的特殊性，以及交通特征和道路交通條件從經(jīng)濟性和近遠期相結(jié)合的角度，遵循交通控制及管理技術(shù)和充分利用“時空資源”的策略，提出具體的交叉口改善措施。即：采用在宏觀上的交通引導及微觀上的優(yōu)化信號控制來改善該交叉口的通行能力相結(jié)合的方法。具體改建交叉口的方法如下：

（1）按需引導交通流。利用標志牌等提供原節(jié)點信息，將長距離出行車流引導至上層的立交，將短距離出行車流引導至地面交通，合理調(diào)配交叉口流量。

（2）地面交叉口車道重新劃分。將地面的進口和出口車道分別拓寬為3車道。

（3）合理配置信號相位。第一相位：洪都大道的南北向直行放行，左轉(zhuǎn)車輛在環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)排隊；第二相位：環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)放行，島外禁止車輛進入交叉口；第三相位：北京西路和北京東路的東西向直行放行，左轉(zhuǎn)車輛在環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)排隊；第四相位：環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)放行（見圖3）。

圖3 信號相位配置方式示意圖

由改善后交叉口的各效益評價指標計算結(jié)果（見表5）可以看出：改善后的交叉口的通行能力較原來有很大提高，飽和度降低很多，每車平均延誤中雖左轉(zhuǎn)車有些偏高，但還在駕駛員可接受程度內(nèi)，且平均水平較原有水平減少近10 s左右。

表5 交叉口改善效益評價表

5 結(jié)語

環(huán)形交叉口與一般平面交叉口相比，有著能夠減少沖突點、降低沖突程度、提高車輛行駛安全性等優(yōu)點；但大型環(huán)形交叉口（環(huán)島車道數(shù)較多時）往往成為城市交通網(wǎng)絡中的“瓶頸”，交通事故急劇增加，交通安全問題亟待解決。本文在對環(huán)形交叉口道路、交通、事故數(shù)據(jù)調(diào)查的基礎上，定量分析環(huán)形交叉口道路交通特性及交通事故數(shù)據(jù)；結(jié)合環(huán)形交叉口的實際情況，從城市客運結(jié)構(gòu)、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、工程設計、交通管控等方面提出了改善措施，并提高了原有無信號控制的環(huán)形交叉口通行能力及服務水平。

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