連續(xù)流交叉口通行效率仿真分析

林 翰,周 侃

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快和機動車保有量的激增，機動化出行需求急劇增長，交通擁堵成為困擾城市發(fā)展的普遍問題。平面交叉口作為城市路網(wǎng)的重要節(jié)點，其通行能力不足，是誘發(fā)交通擁堵的主要原因之一[1]。我國目前在交叉口設(shè)計、管理方面還較為粗放，交叉口形式單一，限制了交叉口通行能力的發(fā)揮。

傳統(tǒng)平面交叉口的交通問題主要是由于左轉(zhuǎn)與對向直行車流產(chǎn)生的沖突引起，而增加車道數(shù)、禁左、設(shè)置左轉(zhuǎn)專用相位等手段都不能很好地從時間和空間上同時消除沖突點。這些措施一方面在交通流進一步增大時可能使交叉口重新面臨擁堵問題，且存在修建費用昂貴，影響城市景觀等問題。連續(xù)流交叉口作為一種非傳統(tǒng)的交叉口組織模式被提出已經(jīng)歷了二十多年的歷史，并在美國等發(fā)達國家取得了良好的效果[2]，同時也取得了許多有價值的研究應(yīng)用成果[3-6]。

目前國內(nèi)鮮有文獻涉及連續(xù)流交叉口，且多以介紹性為主[7-9]，實際應(yīng)用的案例也很少。本文在借鑒現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，從連續(xù)流交叉口概念入手，利用Vissim仿真平臺，分析在不同交通條件下連續(xù)流交叉口的通行效率，以期為連續(xù)流交叉口在我國的推廣與應(yīng)用提供借鑒。

1 連續(xù)流交叉口簡介

1.1 連續(xù)流交叉口基本概念

連續(xù)流交叉口最早是在1987年由Francisco D,Mier提出的。其在對美國某交叉口改造時提出，將該交叉口東西向左轉(zhuǎn)車流通過立交的形式提前疏導(dǎo)到對向車流左側(cè)，南北向則直接在地面上進行左轉(zhuǎn)車流的疏導(dǎo)，從而實現(xiàn)了4個方向左轉(zhuǎn)車流空間上的分離。為節(jié)約成本，該設(shè)計之后經(jīng)過修改變成了無立交的連續(xù)流交叉口。

連續(xù)流交叉口（Continuous Flow Intersection）又稱左轉(zhuǎn)換位轉(zhuǎn)向交叉口。通過在主交叉口之前一段距離設(shè)置一個路段預(yù)信號，連續(xù)流交叉口將左轉(zhuǎn)車流提前在預(yù)信號交叉口疏導(dǎo)到對向車流左側(cè)，從而消除了主交叉口處左轉(zhuǎn)車流與對向直行車流的沖突點，進而將主交叉口常規(guī)的四相位變?yōu)閮上辔弧?/p>

以十字連續(xù)流交叉口為例，可以根據(jù)左轉(zhuǎn)車流預(yù)信號控制的方向數(shù)分為四向控制和雙向控制兩大類，見圖1和圖2。

以四向控制連續(xù)流交叉口為例。設(shè)置了預(yù)信號的左轉(zhuǎn)車流會在進入主交叉口前遇到第一左轉(zhuǎn)停車線和第二左轉(zhuǎn)停車線，若其對應(yīng)的出口道設(shè)置了預(yù)信號，則該左轉(zhuǎn)車流將遇到第三左轉(zhuǎn)停車線。

圖1 四向控制連續(xù)流交叉口

圖2 雙向控制連續(xù)流交叉口

1.2 連續(xù)流交叉口車流組織方法

（1）左轉(zhuǎn)車流交通組織

左轉(zhuǎn)車流為了順利實現(xiàn)左轉(zhuǎn)，一般分為4個步驟。以四向控制連續(xù)流交叉口北進口左轉(zhuǎn)車流為例：第一步，左轉(zhuǎn)車流被引導(dǎo)到北進口預(yù)信號交叉口左轉(zhuǎn)專用車道；第二步，如果左轉(zhuǎn)車流預(yù)見的是紅燈，則在第一停車線前排隊等待，當預(yù)信號交叉口變?yōu)榫G燈，則左轉(zhuǎn)車流通過預(yù)信號交叉口駛?cè)胫鹘徊婵诒背隹诘罇|側(cè)的左轉(zhuǎn)專用車道等待通過主信號交叉口；第三步，如果左轉(zhuǎn)車流預(yù)見的是紅燈，則在第二停車線前排隊等待，當主信號交叉口變?yōu)榫G燈時，則左轉(zhuǎn)車流通過主信號交叉口；第四步，左轉(zhuǎn)車流到達位于東出口道的第三停車線，如果遇見的是紅燈則排隊等待，否則連續(xù)通過。

（2）直行車流交通組織

直行車流到達主交叉時，遇見紅燈等待，遇見綠燈連續(xù)通過主交叉口，前往出口道的預(yù)信號交叉口，通過主信號交叉口和預(yù)信號交叉口的信號協(xié)調(diào)，保證直行車流連續(xù)通過主信號和預(yù)信號兩個交叉口。

（3）右轉(zhuǎn)車流交通組織

右轉(zhuǎn)車流組織與常規(guī)信控交叉口右轉(zhuǎn)車流組織方式相同。

（4）信號相位方案

連續(xù)流交叉口在主信號交叉口和預(yù)信號交叉口均設(shè)置了信號燈。以四向控制連續(xù)流交叉口為例：主信號交叉口信號燈用于分離東西向和南北向直行車流，通常為兩相位控制交叉口；預(yù)信號交叉口信號燈用于在時間上分離左轉(zhuǎn)車流和對向直行車流、左轉(zhuǎn)車流和垂直方向左轉(zhuǎn)車流。

在主信號交叉口每個相位中，預(yù)信號交叉口又細分為若干個信號相位，在具體的相位設(shè)置時，以保證直行車流可以連續(xù)順利通過主交叉口和預(yù)交叉口為原則。四向控制連續(xù)流交叉口相序相位方案見圖3，雙向控制連續(xù)流交叉口相序相位方案見圖4。

圖3 四向控制連續(xù)流交叉口相序相位方案

圖4 雙向控制連續(xù)流交叉口相序相位方案

式中：O為主交叉口和預(yù)交叉口直行相位相位差，s；l為主交叉口和預(yù)交叉口直行停止線間的距離，m；v為直行車輛行程車速，m/s。

（5）信號協(xié)調(diào)

為了保證直行車輛可以連續(xù)通過主信號交叉口和預(yù)信號交叉口，需要對兩者進行協(xié)調(diào)控制。主交叉口與預(yù)交叉口采用漸進式協(xié)調(diào)控制方案，兩個交叉口的信號周期時長相同。交叉口直行相位的相位差由交叉口停車線之間的距離和直行車輛的行程車速決定。計算公式為：

2 連續(xù)流交叉口仿真模型構(gòu)建

2.1 仿真交叉口建模

以四向連續(xù)流交叉口和傳統(tǒng)交叉口為分析研究對象，利用Vissim微觀仿真軟件對上述兩種交叉口建模[10]。四向連續(xù)流交叉口和傳統(tǒng)交叉口Vissim仿真模型見圖5和圖6。

圖5 連續(xù)流交叉口Vissim仿真模型

圖6 傳統(tǒng)交叉口Vissim仿真模型

2.2 仿真場景及參數(shù)

為了分析連續(xù)流交叉口在不同交通條件下，相比傳統(tǒng)交叉口的交通效益，設(shè)計仿真實驗場景。

（1）信號協(xié)調(diào)假定各進口道的交通需求相同。

（2）各進口道的初始交通需求為左轉(zhuǎn)50 pcu/h、直行700 pcu/h、右轉(zhuǎn)50 pcu/h。傳統(tǒng)交叉口對應(yīng)的相序相位方案見圖7。

圖7 傳統(tǒng)十字交叉口相序相位方案

（3）保持直行、右轉(zhuǎn)交通量不變，同步增加各進口道左轉(zhuǎn)車流量，用以分析不同左轉(zhuǎn)交通量情形下交叉口的通行狀況。

（4）主信號交叉口與預(yù)信號交叉口之間的初始距離選取90 m，保持進口交通量不變，不斷增加各進口道主信號交叉口與預(yù)信號交叉口之間的距離，分析不同情形下，交叉口的通行狀況。

（5）仿真時長取20 min，由于仿真結(jié)果受軟件隨機種子的影響，每個情形用批量仿真50次。

3 通行效率評價

3.1 評價指標選取

本文選取左轉(zhuǎn)車輛平均延誤、直行車輛平均延誤兩個指標作為交通效益評價指標。

評價指標均可通過在Vissim微觀仿真軟件中設(shè)置相應(yīng)的檢測器獲得。

3.2 評價結(jié)果分析

連續(xù)流交叉口車輛平均延誤隨主信號交叉口與預(yù)信號交叉口之間的距離不同而變化。從圖8中可以看出，隨著交叉口間距的不斷增加，左轉(zhuǎn)車輛的平均延誤整體上看并沒有明顯的變化，而直行車輛的車均延誤隨著交叉口間距的增大，緩慢增加。

圖8 車均延誤與交叉口間距關(guān)系

分析造成上述結(jié)果的主要原因在于，在連續(xù)流交叉口信控策略中：直行車流采用了續(xù)進式協(xié)調(diào)控制，隨著交叉口間距的增加，車輛到達預(yù)信號交叉口停車線的時間越離散，線控效果減弱，導(dǎo)致車均延誤有所增加；左轉(zhuǎn)車流在第二與第三停車線之間并沒有采用協(xié)調(diào)控制策略，車輛到達第三停車線完全隨機，其受距離變化的影響比較微弱。

左轉(zhuǎn)車輛車均延誤隨左轉(zhuǎn)交通量變化而變化情況見圖9。從圖中可以看出，隨著左轉(zhuǎn)交通量的不斷增加，傳統(tǒng)交叉口和連續(xù)流交叉口左轉(zhuǎn)車輛的平均延誤均不斷增加，但傳統(tǒng)交叉口延誤的增加幅度大于連續(xù)流交叉口。隨著左轉(zhuǎn)飽和度的增加，連續(xù)流交叉口的效益趨向穩(wěn)定。整體上看，連續(xù)流交叉口左轉(zhuǎn)車輛的車均延誤小于傳統(tǒng)交叉口，整體平均延誤減少25%。

直行車輛車均延誤隨左轉(zhuǎn)交通量變化而變化情況見圖10。從圖中可以看出，隨著左轉(zhuǎn)交通量的不斷增加，連續(xù)流交叉口直行車輛的平均延誤不斷增加，但傳統(tǒng)交叉口在左轉(zhuǎn)飽和較低時，左轉(zhuǎn)交通量的增加，對直行車流的影響并不大。隨著飽和度的不斷增加，直行車輛的平均延誤開始隨著左轉(zhuǎn)交通量的增加而增加，但連續(xù)流交叉口延誤增加的幅度大于傳統(tǒng)交叉口。整體上看，連續(xù)流交叉口直行車輛的車均延誤小于傳統(tǒng)交叉口，整體平均延誤減少45%。

圖9 左轉(zhuǎn)車均延誤與左轉(zhuǎn)車流量關(guān)系

圖10 直行車均延誤與左轉(zhuǎn)車流量關(guān)系

3.3 連續(xù)流交叉口適用性分析

連續(xù)流交叉口在國外已經(jīng)有較多應(yīng)用實例，并取得了良好的效果。國內(nèi)城市無論是在用地條件還是交通組成上與國外城市均存在一定的差異，不能機械套用。以下給出幾點連續(xù)流交叉口基本的適用條件。

（1）連續(xù)流交叉口較傳統(tǒng)交叉口需要占用更大的建設(shè)用地。

（2）交叉口過街人流越少越好。過多的人流影響連續(xù)流交叉口效率的發(fā)揮。

（3）適用于直行車流量大、左轉(zhuǎn)車流不大的交叉口采用。

（4）交叉口影響范圍內(nèi)盡量避免布置公交?？空?。

（5）連續(xù)流交通組織在未飽和交叉口所起的作用較飽和交叉口更加明顯。

4 結(jié)語

本文以連續(xù)流交叉口為研究對象，從連續(xù)流交叉口基本概念和分類入手，給出了連續(xù)流交叉口車流組織方案和信號控制方案，利用Vissim仿真軟件構(gòu)建了連續(xù)流交叉口和傳統(tǒng)交叉口的仿真對比評價模型，選取車輛延誤為評價指標，對連續(xù)流交叉口的通行效率進行了評價分析。最后，定性地給出了連續(xù)流交叉口的基本適用條件。本文成果可為連續(xù)流交叉口在我國的實際應(yīng)用提供一定的參考借鑒。