分離式立交地面層交叉口一體化設計方法研究

喻 彪 李妍文 徐良杰

(1.中國市政工程西北設計研究院有限公司 武漢 430056； 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，機動車交通量的迅速增加，國內(nèi)外專家學者針對平面交叉口的幾何條件，結合交通流特性提出了多種信號控制方法，這些信號控制方法在一定程度上增加了交叉口的通行能力，初步緩解了交叉口擁堵。其中左轉車流的優(yōu)化控制就是一個重要的途徑，其形成的研究成果較多，主要對左轉車流的交通組織方法進行研究[1-3]，包括左轉車流的飽和流率[4]、車道中左轉車輛所占比例對交通流的影響[5]等成果。

上述情況是針對平面交叉口進行研究，當交通量繼續(xù)增大，平面交叉口的交通組織方式依然不能滿足節(jié)點通行能力要求時，分離式立體交叉(簡稱“分離立交”)是應對城市擁堵的常用手段。分離立交通過立交橋將遠距離的直行交通分離，使直行交通能快速通過交叉口；轉向交通通過立交橋下地面層的平面交叉口實現(xiàn)交通轉換?，F(xiàn)有平面交叉口的交通組織方式往往比較單一。而立交橋下特有的交通環(huán)境，其通行能力、延誤水平均有較大的改善潛力。首先在交叉口的幾何形態(tài)上與常規(guī)交叉口就有較大的不同，由于高架橋設置的需要，橋下往往會設置中央綠化帶或側綠化帶；其次在機動車流量、流向上也有區(qū)別，設置高架橋的道路，其直行的交通流大部分由高架橋分流，地面層的直行交通流量減少較多。所以目前交叉口的管控方式未能及時匹配這種獨特的平面交叉口，導致交叉口通行能力浪費，延誤偏高，環(huán)境污染較大。本文從該類交叉口特有的交通環(huán)境出發(fā)，擬提出一體化組織方法及其信號控制模型，并運用VISSIM仿真，依照Highway Capacity Manual中信號交叉口的評價體系以交叉口服務水平、車均延誤為指標進行分析評價。

1 常規(guī)控制方法

所謂常規(guī)信號交叉口控制方法是指采用2或4信號階段，利用webster法進行信號配時[6]。根據(jù)機動車流量特點選擇合適的信號配時方案。

其中采用4信號階段控制的信號周期較長，通行能力受到各相位有效綠燈時間的限制，尤其是干線上的通行能力往往不能滿足。與此同時，由于立交的存在，交叉口的較大部分直行流量被分流到了高架橋上，平面交叉口的左轉比例較常規(guī)交叉口的左轉比例有顯著的增大，從而常規(guī)控制方法更加難以有效緩解交通壓力。

2 一體化方法及信號控制模型

2.1 基于2次停車的交通組織及相位設計

分離式立交地面層交叉口一體化組織方法(以下簡稱為一體化方法)以左轉機動車轉化為直行機動車為理念，將交叉口進口道最右側的直行車道設置為左轉專用道并在路口設置相應的停車線、信號控制設施，而之前左轉專用道則轉變?yōu)橹毙熊嚨馈Ｗ筠D車輛首先右轉并在停車線后排隊等待，然后在綠燈時匯入右方出口車道，并行進一段距離后調頭至2次停車區(qū)，最后在該停車區(qū)等待通行。其交通組織圖見圖1。

圖1 基于2次停車的一體化組織方法交叉口交通組織圖

此方法通過左轉車輛2次停車與信號控制協(xié)調，將左轉轉化為右轉調頭與直行，實現(xiàn)交叉口信號控制從4信號階段變?yōu)?信號階段，以增大左轉車的延誤為代價，延長了其他相位的通行時間，從而提高交叉口總體通行能力，尤其是干線上的通行能力得到加強；而且由于采用左轉2次停車與信號控制協(xié)調，對干線交通流的干擾較小。一體化方法有2個信號階段，每個信號階段包含途徑交叉口沖突區(qū)的直行關鍵車流與不經(jīng)交叉口沖突區(qū)的右轉U形調頭非關鍵車流，其信號階段圖見圖2。

圖2 基于2次停車的一體化方法信號階段圖

為充分利用交叉口沖突區(qū)以提高通行能力，根據(jù)關鍵車流制定信號配時方案確定關鍵相位，在此基礎上協(xié)調非關鍵車流的相位以保障交通安全高效運行，一體化方法的信號相位圖見圖3。

圖3 基于2次停車的一體化方法信號相位圖

2.2 信號控制參數(shù)協(xié)調

為充分利用交叉口沖突區(qū)，提高交叉口整體效率，需將關鍵相位中的直行放行時間設置為大于右轉U形調頭流線的放行時間；并且右轉U形調頭相位應與相沖突的直行流線相位相協(xié)調，一體化方法交叉口的沖突點分析圖見圖4。

圖中:d1為直行車停車線到?jīng)_突點A的距離，m；d2

為右轉U形調頭停車線到2次停車區(qū)的路徑長度，m；d3為沖突點A與沖突點D間距離，m；d4為2次停車區(qū)長度，m。

圖4 沖突點分析圖

一體化方法的控制模型進行信號配時時，關鍵相位配時采用webster最佳周期方法，以關鍵相位配時方案為基礎，通過設置合適的綠燈間隔時間協(xié)調流線存在沖突點的非關鍵相位與關鍵相位，從而確定非關鍵相位的配時方案，以保證所有駛入交叉口的車輛能安全有效地駛出交叉口。

1) 右轉U形調頭流線與上一相位綠燈間隔時間確定。當由關鍵相位2切換到關鍵相位1時，為保證非關鍵相位1的右轉U形調頭首車不與關鍵相位2的直行尾車沖突，需在關鍵相位2與非關鍵相位1間設置綠燈間隔時間I1(單位s)，延遲開啟右轉U形調頭流線的綠燈(見圖3)，其計算公式為

(1)

式中：v1為直行車最大速度，m/s。

2) 右轉U形調頭流線與下一相位綠燈間隔時間確定。當由關鍵相位1切換到關鍵相位2時，為保證關鍵相位2的直行首車不與非關鍵相位1的右轉U形調頭尾車沖突，需在非關鍵相位1與關鍵相位2間設置綠燈間隔時間I2(單位s)，提前開啟右轉U形調頭流線的紅燈(見圖3)，其計算公式為

(2)

式中：v2為右轉U形調頭車最小速度，m/s；Y為黃燈時長，s。

3) 右轉U形調頭流線最大放行時間確定。當放行的左轉調頭車輛超過左轉2次停車區(qū)的容量時，排隊車輛將蔓延到路段上造成死鎖，產(chǎn)生擁堵，所以左轉調頭流線的放行時間，即綠燈實際顯示時間應小于t1+ee′-ff′。式中：t1為停車區(qū)達飽和所需的有效綠燈時長，s；ee′為綠燈前損失時間，s；ff′為“綠燈后補償時間”，等于黃燈時間減去后損失時間，s；t1的計算公式為

(3)

其中，L為每輛排隊機動車平均占地長度，m/pcu；QL為右轉U形調頭車飽和分流率，pcu/h。

3 基于VISSIM軟件仿真評價驗證

3.1 一體化方法與常規(guī)組織方法的比較分析

影響交叉口運行狀態(tài)的因素眾多，其中以飽和度、左轉交通量尤其顯著。一體化方法與常規(guī)組織方法交通組織差異較大，為找到這2種方法的適用范圍，并能相互比較分析，本文以進口路段飽和度和左轉比例(左轉交通量比左轉與直行交通量之和)為自變量，以服務水平、車均延誤為評價指標分析一體化方法車模型與常規(guī)交通組織方法的優(yōu)劣。為研究方便，前提假設：

1) 因右轉車流不經(jīng)過交叉口沖突區(qū)，為便于分析，不考慮右轉車流。

2) 4個方向進口路段飽和度相同。

3) 各進口路段左轉比例相同。

為提高可比性，在相同用地規(guī)模條件下建立2種方法的VISSIM模型[7]，兩模型的路段均為雙向六車道，交叉口各向進口道數(shù)均為五車道。當左轉比例達到30%時，常規(guī)組織方法將各進口方向的1條直行進口道調整為左轉專用道。

信號配時方面，采用webster最佳周期公式進行信號配時，因在低飽和度至高飽和度的范圍內(nèi)評價交叉口的延誤情況，在過飽和情況下將導致流量比總和不小于0.9，從而無法使用webster最佳周期公式，本文結合現(xiàn)實情況以150 s作為最大周期,此外最短周期60 s；一體化方法為有效利用2次停車區(qū)提高交叉口通行能力，最大周期設置為90 s。考慮行人2次過街，最短綠燈時間采用15 s。

依據(jù)假設條件及上述參數(shù)，采用VISSIM進行仿真，以仿真過程中測得通過交叉口的所有車輛的平均延誤為車均延誤。常規(guī)組織方法、一體化方法在不同進口路段飽和度、不同左轉比例下的車均延誤的變化趨勢曲面圖見圖5。

圖5 延誤曲面圖

由圖5可見，一體化方法延誤曲面低于常規(guī)組織方法的延誤曲面。當左轉比例與進口路段飽和度同時增加時，常規(guī)組織方法的延誤急劇增大，超出可接受的服務水平；而一體化方法則能較好適應這種進口路段飽和度、左轉比例較高的交通環(huán)境，較常規(guī)方法延誤平均降低約30 s，服務水平有所提高。

一體化方法與常規(guī)組織方法車均延誤差值的變化趨勢曲面圖見圖6。

圖6 延誤差值的變化趨勢曲面圖

由圖6可見，進口路段飽和度介于0.25～0.45，左轉比例在0%～20%的范圍內(nèi)，隨著進口路段飽和度增加，左轉比例增加，兩者的延誤差距顯著增大；左轉比例超過20%后，延誤差距顯著減小，究其原因一方面是由于一體化方法中的2次停車區(qū)的容量有限，無法有效應對過飽和的左轉車流，并且大量左轉車并道過程中與直行車輛交織，相互干擾造成延誤快速上升；另一方面為左轉比例達到30%后，常規(guī)組織方法能夠將一條直行進口道調整為左轉專用道，從而降低延誤。

繪制延誤關系分析圖見圖7。

圖7 延誤關系分析圖

控制延誤與左轉比例關系分析圖見圖7a)，由圖7a)可見，延誤差值對左轉比例非常敏感。當左轉比例超過5%時，絕大部分延誤差值曲線超過5 s，最高可達81 s；延誤與進口路段飽和度關系分析圖見圖7b)，由圖7b)可見，延誤差值曲線對進口路段飽和度不如左轉比例敏感，曲線較緩和，大部分延誤差值曲線超過20 s，最高可達80 s。其中左轉比例為0%時，一體化方法可利用的進口車道數(shù)較常規(guī)組織方法少。因此，延誤較常規(guī)組織方法大。當進口路段飽和度超過0.35后，延誤差距趨于穩(wěn)定。

一體化方法中左轉車需先右轉U形調頭才能抵達停車線進而通過交叉口，較常規(guī)組織方法額外產(chǎn)生了繞行時間。模型中最大繞行時間接近20 s，將左轉車輛的繞行時間計入交叉口總體車均延誤中，車均延誤最多增加10 s，結合駕駛員習慣等因素，僅當一體化方法的延誤顯著低于常規(guī)方法時才建議采用，本文以20 s為指標。

常規(guī)方法延誤曲面與一體化方法延誤曲面之差在左轉比例、進口路段飽和度這2個維度上的投影圖見圖8。

圖8中等高線為等延誤差線，等延誤差線 “20 s”即代表這條線上所有點的延誤差值均為20 s，圖中 “20 s”等延誤差線右側區(qū)間的延誤差值大于20 s?！?0 s”等延誤差線右側區(qū)間對應的左轉比例、進口路段飽和度所圍部分為一體化方法顯著優(yōu)于常規(guī)組織方法的適用范圍，簡稱“較優(yōu)適用范圍”。

3.2 一體化方法適用性分析

交叉口物理環(huán)境上，設置左轉U形調頭的進口道必須滿足車輛最小轉彎半徑，且進口道至少設置4個。一體化延誤參數(shù)圖見圖9。

圖9 一體化延誤參數(shù)圖

如圖6所示，延誤曲面顯示延誤差最高約為84 s，最小約為18 s，絕大部分在D級服務水平范圍以內(nèi)，約1/3的范圍在C級服務水平范圍以內(nèi)。由圖9a)可見，延誤隨進口路段飽和度增加而增大，一體化方法的延誤對進口路段飽和度較敏感程度一般；由圖9b)可見，左轉比例大于20%時，延誤對左轉比例非常敏感，否則不敏感，隨著左轉比例與進口路段飽和度同時增加，延誤迅速增大。結合上文分析，一體化方法需提供足夠容量的2次停車區(qū)以存儲左轉車流，與此同時需妥善解決左轉車與直行車交織段的問題，才能更好地應對大飽和度、高左轉比例的交通流。與此同時，信號控制方面，為充分利用2次停車區(qū)提高交叉口通行能力，一體化方法的信號周期不宜過大，文中VISSIM模型的最大周期建議為90 s。一體化方法自適用范圍圖見圖10。

圖10 一體化等延誤線圖

由圖10可見，一體化等延誤大部分情況在55 s以內(nèi)，即D級服務水平范圍以內(nèi)，因此一體化方法對進口路段飽和度及左轉比例有較大的彈性空間；約1/3的范圍在35 s以內(nèi)，即C級服務水平內(nèi)，所以等高線“35”與坐標軸圍成的區(qū)域為一體化方法自適用范圍。

綜上所述，疊加“較優(yōu)適用范圍”與“一體化自適用范圍”得到一體化方法的適用范圍為: 等延誤差線“20”與等延誤線“35”所圍成的區(qū)域見圖11。

圖11 一體化方法適用范圍圖

4 實例驗證

現(xiàn)以武漢市二環(huán)線-解放大道宗關交叉口為例，二環(huán)線是武漢市環(huán)線快速通道，南北走向，在該交叉口的上下游均設有匝道，大量車輛經(jīng)交叉口轉向進出解放大道。二環(huán)線地上為路中式雙向六車道高架橋，地面為雙向六車道，并在交叉口處拓寬。解放大道是東西向的主要干道，雙向八車道，路中設置有輕型軌道交通高架，并結合輕型軌道交通高架橋墩拓寬交叉口。經(jīng)調查，該交叉口信號周期132 s，共4個相位，綠燈間隔時間6 s、黃燈3 s，晚高峰小時交通量為6 222 pcu/h，東、南向交通量較大，各方向左轉比例均較高，在25.9%～58.3%之間。除西進口道延誤為D級服務水平，其余各方向延誤級服務水平處于E、F級。其中北進口直、左放行綠燈時長24 s，不足以有效清空直行車流，雖設有右轉專用道，但北進口的直行車輛仍堵塞右轉車輛，從而北進口道直行與右轉車車均延誤高達84.4 s。交叉口延誤較大，亟待改善。該交叉口信號周期長，各相位有效綠燈時間短，不足以應對現(xiàn)有交通量是交叉口延誤大的主要原因，在不拓寬進口道的情況下，采用常規(guī)交通組織方法難以有效改善延誤狀況。該交叉口的交通量、延誤調查等數(shù)據(jù)表見表1。

表1 二環(huán)線-解放大道宗關交叉口高峰小時交通量、延誤表

以實際交通調查獲得的各進口道的交通量、轉向比例、飽和流率等信息為基礎，通過反復地仿真試驗對路徑設置、讓行規(guī)則、駕駛行為等參數(shù)進行修正，使建立的常規(guī)交通組織方案仿真模型與實際交通特性吻合。然后利用上述參數(shù)建立一體化仿真模型。

利用現(xiàn)有進、出口道，并壓縮安全島設置右轉U形調頭專用道，按一體化方案布置車道。東進口因左轉交通流較大，右轉交通流較小，除按一體化方案布置車道外，將右轉專用道及其進、出口道改為左、右轉混行，并在出口道末端增設右轉U形調頭車道及信號燈，使其也能供左轉車使用。二環(huán)線-解放大道宗關交叉口一體化方法交通組織圖見圖12。

圖12 武漢市二環(huán)線-解放大道宗關交叉口實景圖

根據(jù)上述一體化方法以及交叉口控制理論方法進行周期試算，在仿真過程中以試算周期為初始值反復調整直至合理，一體化仿真模型的信號周期為68 s，相位1與相位3的綠燈間隔時間為6 s，相位1與相位4的綠燈間隔時間I1為18 s，I2為-3 s，相位2與相位3的綠燈間隔時間I1為18 s，I2為-5 s，黃燈均為3 s，東西、南北向直行綠燈時間均為28 s，東西、南北向右轉U形調頭綠燈時間均為27 s，且27 s小于左轉2次停車區(qū)達飽和綠燈時間，信號配時圖見圖13。最后利用VISSIM對一體化方法進行仿真，輸出評價仿真結果，其與實際延誤對比表見表2。

圖13 一體化方法信號配時圖

表2 仿真與實際延誤對比表 s

由VISSIM仿真軟件輸出的仿真結果可知，一體化方法的計繞行時間的交叉口總體車均延誤為37.8 s，較交叉口現(xiàn)狀總體延誤減少25 s，降低了39.8%；東、南進口道的左轉流量延誤改善有限，加上繞行時間后高于原有延誤，其余各進口車均延誤均有不同層次的減少，并且干線延誤降低明顯,交叉口服務水平由E級提高至D級。通過以上評價指標比較，盡管一體化方法較復雜，對信號控制機要求較高，但其改善效果顯著。

5 結語

本文對比分析了常規(guī)組織方法與一體化方法的優(yōu)勢范圍，并且通過仿真探討了一體化方法的適用條件。最后結合實例驗證了本文提出的一體化方法的有效性，通過VISSIM仿真結果，表明該方法及其信號控制模型提高了交叉口的通行能力，降低了延誤、提升了服務水平，獲得了更好的交通效益。仿真結果也表明該方法在路段飽和度-左轉比例的適用范圍內(nèi)時，不僅適用于分離式立交地面層交叉口，也是適用于有足夠物理空間的交叉口，比如進口道設有較寬的中央綠化帶的交叉口。然而，與常規(guī)信控方法對比，一體化方法較復雜且與駕駛習慣有較大差異，對駕駛員行車誘導要求較高，需在管理、誘導方面繼續(xù)深入研究，以保障交通安全有序運行。