多路交叉口分散交通組織方法研究

彭慶艷

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

多路交叉口具有交通流向多、沖突點多、信號周期長、交通秩序混亂[1]、道路轉(zhuǎn)彎半徑小、行車軌跡復(fù)雜[2]、交通安全隱患大[3]的特點，是交叉口設(shè)計的難點。環(huán)形交叉是多路交叉口最簡單的組織方式，但無信號控制的環(huán)形交叉口存在通行能力低的問題，為此，楊錦冬[4]、趙靖[5]等提出了采取信號控制的手段。肖海承[1]等提出了工程改造、交通組織優(yōu)化、交叉口渠化、信號控制等多路交叉口非環(huán)交方式的交通改善策略，張震山[2]進一步提出了設(shè)置分離式立交、形成組合交叉口等工程改造措施；楊偉[6]、高明[7]等提出了禁止某些轉(zhuǎn)向、分離過境交通等交通組織和區(qū)域改善策略。

現(xiàn)有研究多針對四路或五路交叉口開展研究，對于六路或更多路交叉口研究較少，且工程改造及信號控制等應(yīng)用實踐因每個交叉口的形式、交通量、周邊環(huán)境等具體情況差異較大，已有研究成果還不具有通用性，復(fù)制推廣應(yīng)用困難。因此，研究一種較為通用的、可按步驟操作、對于多路交叉口均可使用的交通組織方法，顯得十分必要。

1 多路交叉口分散組織的思路

多路交叉口的交通流線沖突點數(shù)量隨著相交道路數(shù)的增加，呈幾何級增長[1，7]，當(dāng)大于等于五路交叉口時，在不同轉(zhuǎn)向流線不沖突的情況下，相位相序組合變得十分復(fù)雜。

1.1 現(xiàn)有交叉口組織方式

以五路交叉口為例，現(xiàn)狀交叉口常用交通組織方式有如下3種：

(1) 無信控環(huán)交組織。將交通流沖突點轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)島內(nèi)車道之間的車輛交織，優(yōu)點是交通流連續(xù)，缺點是受轉(zhuǎn)向流量、交織段長度限制，交叉口總通行能力有限[8]。以50 m內(nèi)徑環(huán)島為例，左轉(zhuǎn)交通最遠走行距離約280 m，單車過交叉口時間約50 s，如圖1所示。

圖1 五路無信控環(huán)交組織交叉口

(2) 有信控環(huán)交組織。通過在每個進口道和環(huán)島車道之間設(shè)置停車線和信號燈，信號燈組數(shù)與進口道數(shù)量相同，消除環(huán)島進入車流對交織段交通的影響，提高環(huán)島交織車道通行能力，如圖2所示。通過多進口道放行協(xié)同環(huán)道控制[5]，可減少信號燈相位數(shù)，仍不能解決轉(zhuǎn)向交通走行距離過長的問題。

圖2 五路有信控環(huán)交組織交叉口

(3) 信控平面渠化組織。通過設(shè)置5相位左右的信號燈，消除同一時段內(nèi)、不同流向的交通沖突點，調(diào)控交叉口的時空資源。缺點是信號相位數(shù)量多、信號周期長，車均延誤時間長；若相交道路夾角較小，還存在轉(zhuǎn)彎半徑過小、通行視距差等問題，如圖3所示。

1.2 分散信控交叉口組織思路

借鑒環(huán)形交叉組織方式，在中間布置各進口道路之間的連接道路，為解決環(huán)形交叉組織情況下左轉(zhuǎn)交通走行距離過長的問題，將環(huán)形交叉逆時針單方向組織方式調(diào)整為雙向交通組織[9]，并在每個進口道和連接道之間設(shè)置交叉口，將一個信號控制交叉口變換為數(shù)個微型信號控制交叉口，從而簡化交叉口進口道渠化和信號配時，如圖4所示。

圖3 五路信控平面渠化組織交叉口

圖4 五路分散信號組織信號控制交叉口

2 多路交叉口分散組織方法

2.1 道路、轉(zhuǎn)向交通及交叉口編號

以k個方向的道路相交的交叉口為例，按照逆時針方向依次將道路編號為1，2，3，……，i，……，n。

利用多路交叉口的內(nèi)部空間，設(shè)置n個相交道路之間的連接性道路，形成一個內(nèi)部大轉(zhuǎn)盤，在每個進口處分別形成一個3路相交的微型Y型交叉口，共n個微型交叉口，編號分別為①，②，③，……，i，……，n。以i交叉口為例，微型交叉口的一條進口道即為原n路交叉口的進口道i，另外兩條進口道則由進口道i與相鄰的進口道i-1、進口道i+1之間的連接線及連接線的平行線構(gòu)成。其中內(nèi)圈進口道編號按照相交道路號碼從大到小編號，即(i+1)-i；外圈進口道編號按照相交道路號碼從大到小編號，即(i-1)-i。

以i交叉口為例，共有3個進口道，分別為進口道i、內(nèi)圈進口道(i+1)-i、外圈進口道(i-1)-i。其中i進口道的轉(zhuǎn)向交通共n-1股車流，逆時針方向由右至左分別為i-(i+1)，i-(i+2)，……，i-n，……，i-(i-1)，如圖5所示。

圖5 微型Y型交叉口組成

2.2 交通轉(zhuǎn)向組織規(guī)定

不同進口之間的轉(zhuǎn)向交通，按照行經(jīng)最少的微型交叉口數(shù)目及最短路徑的原則進行流線組織。

以交角相等的多路交叉口為例，當(dāng)n為奇數(shù)時，i進口道的轉(zhuǎn)向交通中，i-(i+1)，i-(i+2)，……i-(i+n/2-1/2)等(n-1)/2個轉(zhuǎn)向交通由內(nèi)部大轉(zhuǎn)盤的左側(cè)順時針轉(zhuǎn)至終點道路，i-(i-1)，i-(i-2)，……i-(i-n/2+1/2)等(n-1)/2個轉(zhuǎn)向交通由內(nèi)部大轉(zhuǎn)盤的右側(cè)逆時針轉(zhuǎn)至目的道路。當(dāng)n為偶數(shù)時，i進口道的轉(zhuǎn)向交通中，i-(i+1)，i-(i+2)，……i-(i+n/2-1)等(n-2)/2個轉(zhuǎn)向交通由內(nèi)部大轉(zhuǎn)盤的左側(cè)順時針轉(zhuǎn)至目的道路，i-(i-1)，i-(i-2)，……i-(i-n/2+1)等(n-2)/2個轉(zhuǎn)向交通由內(nèi)部大轉(zhuǎn)盤的右側(cè)逆時針轉(zhuǎn)至目的道路，i-(i-n/2)轉(zhuǎn)向交通既可由內(nèi)部大轉(zhuǎn)盤左側(cè)順時針、也可由內(nèi)部大轉(zhuǎn)盤右側(cè)逆時針轉(zhuǎn)至目的道路。

2.3 微型交叉口渠化與信號控制

微型交叉口為3路相交Y型交叉口，共設(shè)置3個信號相位，為確保轉(zhuǎn)向交通方向明確、不走錯路，首先按照“分車道行駛”的原則，每個進口道按照交通轉(zhuǎn)向的數(shù)目確定基本車道數(shù)，并在每個進口道、出口道處標(biāo)識轉(zhuǎn)向交通起止點，以避免不同轉(zhuǎn)向交通在路段上的交織，如圖6所示。然后，根據(jù)轉(zhuǎn)向交通流量多少，進行交叉口初步信號配時并確定渠化車道數(shù)[10]，針對流量較大的左轉(zhuǎn)交通增加轉(zhuǎn)向車道數(shù)，以達到車均飽和度相當(dāng)。

圖6 微型Y型交叉口進出口道交通轉(zhuǎn)向引導(dǎo)方式

2.4 微型交叉口之間信號協(xié)調(diào)控制

n個微型交叉口可信號協(xié)調(diào)控制，共設(shè)置三個信號相位，其中，相位一：每個微型交叉口的進口道i的左轉(zhuǎn)交通同時放行；相位二：每個微型交叉口內(nèi)圈進口道(i+1)-i的左轉(zhuǎn)交通同時放行；相位三：每個微型交叉口外圈進口道(i-1)-i的左轉(zhuǎn)交通同時放行。相鄰微型交叉口的信號時間間隔根據(jù)連接道路長度、車輛速度等計算得到。

2.5 微型交叉口環(huán)形交叉組織方法

微型交叉口除了采取信號控制平面渠化組織方法以外，還可采取無信控環(huán)交組織[11]、有信控環(huán)交組織等方法。

3 多路交叉口分散信控組織示例

3.1 五路交叉口分散信控組織示例

五路交叉口交通轉(zhuǎn)向組織流線如圖7所示，每個交叉口進口道中，最右側(cè)右轉(zhuǎn)車道經(jīng)2個交叉口右轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)至終點道路；次右側(cè)右轉(zhuǎn)車道經(jīng)3個交叉口右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)至目的道路；次左側(cè)左轉(zhuǎn)車道經(jīng)3個交叉口左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)至目的道路；最左側(cè)左轉(zhuǎn)車道經(jīng)2個交叉口左轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)至目的道路。交叉口信號控制相位、相序組織如圖8所示。

在每個轉(zhuǎn)向交通流量均相等的情況下，微型交叉口可采取相同的三相位配時方案，表1給出了轉(zhuǎn)向流量分別為200 pcu/h、300 pcu/h、400 pcu/h、500 pcu/h、600 pcu/h、800 pcu/h等情況下五路交叉口的主要參數(shù)取值。

(a) 1→3、2→4、3→5、4→1轉(zhuǎn)向流線

(b) 1→5、2→1、3→2、4→3轉(zhuǎn)向流線

(c) 1→4、2→5、3→1、4→2轉(zhuǎn)向流線

(d) 1→2、2→3、3→4、4→5轉(zhuǎn)向流線

(a) 相位一

(b) 相位二

(c) 相位三

表1 五路交叉口主要設(shè)計參數(shù)與服務(wù)評價

3.2 六路交叉口分散信控組織示例

六路交叉口交通轉(zhuǎn)向組織流線如圖9所示。每個交叉口進口道中，最右側(cè)右轉(zhuǎn)車道經(jīng)2個交叉口右轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)至終點道路；次右側(cè)右轉(zhuǎn)車道經(jīng)3個交叉口右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)至目的道路；最右側(cè)左轉(zhuǎn)車道經(jīng)4個交叉口左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)至目的道路；次左側(cè)左轉(zhuǎn)車道經(jīng)3個交叉口左轉(zhuǎn)-右轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)至目的道路；最左側(cè)左轉(zhuǎn)車道經(jīng)2個交叉口左轉(zhuǎn)-左轉(zhuǎn)至目的道路。交叉口信號控制相位、相序組織如圖10所示。

(a) 1→2、2→3、3→4、4→5、5→6轉(zhuǎn)向流線

(b) 1→3、2→4、3→5、4→6、5→1轉(zhuǎn)向流線

(c) 1→4、2→5、3→1、4→2、5→3轉(zhuǎn)向流線

(d) 1→5、2→6、3→1、4→2、5→3轉(zhuǎn)向流線

(e) 1→6、2→1、3→2、4→3、5→4轉(zhuǎn)向流線

(a) 相位一

(b) 相位二

(c) 相位三

在每個轉(zhuǎn)向交通流量均相等的情況下，微型交叉口可采取相同的三相位配時方案，表2給出了轉(zhuǎn)向流量分別為200 pcu/h、300 pcu/h、400 pcu/h、500 pcu/h、600 pcu/h、800 pcu/h等幾種情況下六路交叉口的主要參數(shù)取值。

3.3 多路交叉口分散信控組織規(guī)律分析

對比表1、表2中參數(shù)，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

(1) 通行能力的主要影響因素為連接道路長度與連接道路的渠化車道數(shù)。當(dāng)連接道路長度大于100 m后，可通過增加連接道路的渠化車道數(shù)，即連接道路的寬度來提高交叉口總的通行能力。

(2) 車均過交叉口總時間僅與微型交叉口單車道轉(zhuǎn)向流量有關(guān)，在微型交叉口進口道數(shù)量增加的情況下，每個交叉口的車均延誤時間、車均過交叉口走行的距離均不變。六路交叉口較五路交叉口，僅僅因車均過交叉口的距離增加而增加了車均過交叉口總時間，增加13%左右。

(3) 交叉口的總占地面積主要與連接道路的長度有關(guān)、其次與連接道路的寬度有關(guān)；而連接道路的長度主要與轉(zhuǎn)向流量多少有關(guān)。在轉(zhuǎn)向流量增加的情況下，增加連接道路的寬度較增加連接道路的長度，還可降低車均過交叉口時間、占地面積。

3.4 多路交叉口組織方法對比分析

多路交叉口采用分散信控組織形式，與環(huán)交一樣存在占地較大的問題，且進口道路之間的聯(lián)系道路長度是交叉口總通行能力的主要影響因素。計算用地面積相當(dāng)情況下五路、六路交叉口不同組織方式下的通行能力和車均過交叉口延誤時間值，如表3、表4所示。

表2 六路交叉口主要設(shè)計參數(shù)與服務(wù)評價

表3 五路交叉口不同組織方式的參數(shù)對比

表4 六路交叉口不同組織方式的參數(shù)對比

可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 同樣占地面積下，分散信控交叉口的通行能力最大，且隨著占地面積的增加，通行能力呈線性增長，約為無信控環(huán)交、信控環(huán)交的2～4倍。

(2) 同樣占地面積下，無信控環(huán)交的車均過交叉口時間最短，分散信控的車均延誤次之，信控環(huán)交的車均延誤最大；分散信控的車均延誤約為信控環(huán)交的0.5～0.6倍。隨著占地面積的增加，車均過交叉口時間增長速率值以分散信控的最小，約10%；有信控環(huán)交的次之，約20%；無信控環(huán)交的最大，約30%。

因此，多路交叉口分散信控組織的優(yōu)點為通行能力大、車均過交叉口距離短、車均過交叉口時間短。

3.5 分散信控組織多路交叉口改建方法

由于各進口道路之間連接道路的長度決定了微型交叉口各進口道可排隊的長度，也就決定了各轉(zhuǎn)向交通量的設(shè)計上限值。當(dāng)交叉口建成以后，若某方向的交通量超過了設(shè)計上限值，需要對交叉口進行改造。

當(dāng)超過設(shè)計上限值的轉(zhuǎn)向交通為個別流向時，可通過拓寬該流向所需經(jīng)過的微型交叉口相應(yīng)進口道，采用增加渠化車道數(shù)的方法解決。

當(dāng)超過設(shè)計上限值的轉(zhuǎn)向交通為較多流向，或采取增加渠化車道數(shù)不能滿足交通排隊空間時，應(yīng)重新計算連接道路的長度、寬度等相應(yīng)參數(shù)取值，采取擴大交叉口的方法來解決。

4 結(jié)語

通過多個微型交叉口對多路交叉口進行分散組織，可以更好地解決交叉口秩序混亂、排隊較長等問題，適用于交通總量很大的五路以上的交叉口，缺點是占地較大，連接道路長度一經(jīng)土建施工，難以按照轉(zhuǎn)向流量變化情況實時調(diào)整，上述問題還需進一步研究解決。