城市道路平面交叉口交通組織優(yōu)化設計

姬利娜， 晏永廷， 晏 子

(1.昆明理工大學 交通工程學院， 昆明 650093；2.安陽工學院 機械工程學院， 安陽 455000；3.曲靖市公安局交通警察支隊, 曲靖 655000；4.曲靖市公安局麒麟分局交通警察大隊， 曲靖 655000)

0 引言

平面交叉口作為城市路網結構的重要節(jié)點，直接影響著整個路網的通行能力和服務水平[1]. 由于交叉口獨特的幾何特征和在道路交通中的關鍵作用，各種交通參與者，包括機動車，非機動車，行人等交通流在此交匯，道路交叉口通行能力的有限與交通參與者對服務水平較高的要求，使得交通沖突點不可能完全消除，導致交叉口內車輛與車輛、車輛與行人之間相互干擾，嚴重時造成交通擁堵甚至交通事故. 另外，由于車輛在交叉口區(qū)域會頻繁地停車、加速與減速，不僅增大油耗，浪費能源，而且使汽車尾氣排放量增加，環(huán)境污染加劇[2-3]. 因此，分析和研究平面交叉口的交通組織優(yōu)化設計，對于緩解交通擁堵，改善交叉口的運行狀態(tài)有重要的意義.

在城市建設基本成型的情況下，有2種辦法可提高路網交通的通行能力，一是通過改造路網、拓寬道路等工程措施減少或消除影響暢通的因素；二是通過交通標志、標線、信號燈等交通設施對路口、路段進行科學渠化，明晰路權，優(yōu)化交通信號配時，引導、均衡交通流量，挖掘現(xiàn)有道路資源的通行能力，從而提升整個路網的通行效率[4]. 本文通過實地調查，在對平面交叉口交通特性進行分析的基礎上，提出相應的交通組織優(yōu)化措施，并結合云南省曲靖市翠峰東路(文昌街)與書院路(園林路)交叉口的調研數據, 利用微觀仿真軟件VISSIM對改善前后的通行效率指標進行對比，以評價交叉口交通運行狀況的改善程度.

1 平面交叉口的交通特性

1.1 平面交叉口交通特征

在交通工程學上，城市道路交通管理是由人、車、路、管理和交通環(huán)境等要素組成的復雜系統(tǒng)，而交叉口作為城市道路交通的“瓶頸”區(qū)，在時間和空間上，分別呈現(xiàn)出交通量分布不均勻和交通流通行空間狹窄的特征，加之各種不同交通流之間的相互干擾與交織，其交通特性尤其復雜，主要交通運行特征包括：交通流量和密度大、各種交通流之間干擾嚴重、交通量在時間上分布不均以及交通設施集中等.

平面交叉口是車輛和行人等多種交通流聚集的地方，從交通流之間的交織方式以及交通流的行駛方向等進行分析，可將交通流行駛跡線的交織點分為分流點、合流點以及沖突點3種. 若不考慮信號控制和交通管理對沖突點數量的影響，各種類型的平面交叉口的沖突點數量如表1所示[5].

由表1可看出，平面交叉口處每增加1條相交道路，其內部沖突點數目都會明顯增加，發(fā)生事故的可能性也將增大. 城市道路中大多數交叉口是四路交叉口，因此研究四路交叉口具有廣泛的代表性.

表1 各種類型的平面交叉口的沖突點數量

1.2 平面交叉口的交通運行效率評價指標

交通運行效率評價指標一般有：實際通行能力(或者服務水平)、飽和度(實際到達交通量與通行能力之比)、行程時間、延誤、停車次數、停車率、排隊長度及油耗等. 在一定道路條件下，有信號控制的交叉口的通行能力受周期時長的影響較大，在正常周期時長范圍內(一般為180 s)，周期越大，路口的通行能力越大，但油耗和延誤也會隨之增加[3]，而且車頭時距會逐漸增大并形成斷續(xù)流，造成綠燈時間的浪費. 因此，周期時長應該與路口交通量以及安全的要求相匹配，盡可能讓延誤、停車次數、油耗等指標達到最小，同時又獲得較好的通行效率，這樣既能保證道路通暢，又能降低車輛的運行成本.

1.2.1 平均延誤

由不可控因素所造成的車輛運行狀態(tài)中的時間損失均稱為延誤. 行車延誤的發(fā)生大多在交叉口處，延誤是一個影響因素十分復雜的指標，涉及交叉口的幾何設計與信號配時的各個方面，一般來說，普遍采用平均停車延誤作為評價多路交叉口延誤狀態(tài)的指標[6].

1.2.2 排隊長度

排隊長度是指交叉口中因為車輛遇紅燈或者前方擁堵行駛受阻所造成的車輛排隊的平均數. 若車輛排隊等待長度過長，而交叉口間距又比較小，容易導致車輛溢流至上一個路口，從而導致道路擁堵，車輛通行效率低下.

1.2.3 停車次數

停車次數是評價信號控制交叉口交通效益的指標之一. 平均停車次數指的是在1個信號周期內，通過交叉口的車輛由于受信號燈控制而停止行駛的總次數的平均值. 車輛頻繁的停車、起動不僅影響交叉口的通行效率，而且加重環(huán)境污染[7].

2 平面交叉口交通組織優(yōu)化方法

在城市道路的平面交叉口的交通組織優(yōu)化管理實踐中，一般是通過交通渠化、信號控制等手段對交叉口各種不同的交通流(包括機動車流，非機動車流，行人流等)進行誘導與控制，并與交通設施和周圍環(huán)境更好地協(xié)調，從而實現(xiàn)道路交通運行的高效化、秩序化和規(guī)范化[8].

2.1 交通渠化

交叉口渠化設計的核心是分離交通流，減少沖突點，避免交通流之間的互相干擾，對解決平面交叉口的交通擁堵問題尤為有效. 交通渠化的關鍵內容包括車道渠化、交通島、人行橫道等.

2.1.1 車道渠化

機動車道的渠化設計主要是車道寬度和車道數的確定以及展寬段、漸變段的處理等[9]. 設計要點如下：

1)路段與路口通行能力的匹配

交叉口進口道的導向車道數應多于相連的上游路段車道數，具體數量根據實際流量和路口寬度而定. 出口道的車道數應大于或等于其中任一相位入口車道數，而且要與下游路段車道數相匹配.

2)按照實際的車型比例確定車道寬度

進口道的車道寬度在3.0 m左右，車道過寬易發(fā)生小車變道與搶道，導致事故；出口道寬度應大于3.0 m或與路段寬度一致，這是因為出口道車速較高. 在交叉口無法增加路寬的情況下，可適當壓縮車道寬度、側寬，撤去或移除中央隔離帶等方法來增加進口道數目.

3)車流行駛的平順性與安全性

展寬段長度按照1個周期的停車需求設定；漸變段長度按照設計車速確定. 為保證行車軌跡的連續(xù)性，可在交叉口內設置導流線.

2.1.2 交通島和人行橫道

交通島是控制引導車輛行駛、保護行人安全而在道路上設置的島狀設施. 通常用混凝土路緣石等圍砌，高出路面10 cm以上. 人行橫道的位置、間距要適當，盡可能地靠近交叉口，并盡量與車行道垂直，從而縮短行人過街的步行距離. 當人行橫道過長(大于15 m)時，為了縮短行人過街時間，確保過街行人安全，應在行人過街橫道中間設置行人安全島，其寬度應大于1.5 m.

2.2 信號控制

信號控制主要是信號配時方案的設計. 首先根據各時段的流量資料和車道渠化方案，確定合理的相位相序，同時根據調查所獲得的設計車速、飽和流量等確定綠初、綠末的相位損失時間、綠燈間隔時間、最小綠燈時間等時間參數，計算信號周期時長，綠信比等[10]. 若是干線交通信號協(xié)調控制，還需計算相位差.

3 案例分析—翠峰東路與書院路交叉口交通組織優(yōu)化設計

3.1 交叉口概況

翠峰東路與書院路交叉口位于曲靖市麒麟區(qū)中心城區(qū)，是由翠峰東路、書院路、文昌街及園林路交匯而成的斜交叉口，現(xiàn)狀渠化圖如圖1所示. 該路口無禁限措施，書院路、文昌街、園林路3個進口方向無車道展寬，翠峰東路進口三車道拓寬為四車道；有3個導流島，均為實體島. 書院路進口無中心隔離設施，文昌街、園林路為中央隔離欄隔離，翠峰東路為四塊板結構，中央綠化帶隔離. 文昌街南側為曲靖市第一人民醫(yī)院，門診樓入口正對東南角的一個導流島，該入口為行人和救護車的主要通道，有大量的接送危重病人的機動車以及出租車會在此臨時停放，嚴重影響右轉車道的通行.

圖1 翠峰東路和書院路交叉口現(xiàn)狀圖

3.2 存在問題

通過實地觀測和交通調查，翠峰東路與書院路交叉口存在的主要交通問題有：

1)曲靖市屬于地級市，城市居民出行方式有公交車、小汽車、出租車、電動車、步行等. 其中，電動車出行占的比重較大，因此交叉口處非機動車流量很大，甚至排隊時還會擠占外側機動車道，影響機動車通行，降低交叉口的通行效率.

2)該路口現(xiàn)狀信號控制是三相位，第1相位東西向直行，第2相位東西向左轉，第3相位南北向直行左轉一起放行. 早高峰和晚高峰時南北向直左沖突、左轉與行人沖突現(xiàn)象較為明顯. 東、西方向的直行車流量大，占各自進口流量的73.7%和48.2%；南進口的左轉車和右轉車流量較大，分別占整個進口流量的34.9%和52.4%，但卻沒有專用左轉車道. 具體交通量數據如表2所示.

表2 翠峰東路與書院路交叉口現(xiàn)狀交通量 pcu·h-1

3)由于歷史原因，曲靖市第一人民醫(yī)院處于該交叉口內，導致該路口車流量和人流量都非常大. 尤其是東南角的門診出入口，有許多車輛進出和大量行人通行，與南進口的右轉車有較大沖突，并且時有出租車違法停車上下乘客，影響通行效率，導致?lián)矶?

圖2 翠峰東路和書院路交叉口信號配時及相位圖

3.3 改善方案

根據對此路口現(xiàn)狀渠化、配時及各時段流量情況進行調研，并對調查獲取的基礎資料進行了詳細的分析研判，分別從渠化設計、信號控制和交通管理等方面提出優(yōu)化完善方案，并配合工程改造措施，具體如下：

1)將非機動車停車線提前. 根據自行車、電動車起動快，騎車人急于通過交叉口的特點，可將非機動車的停車線劃在前面，機動車的停車線劃在后面. 紅燈期間，非機動車在機動車前方待行，當綠燈啟亮時，非機動車先駛入交叉口，可避免非機動車與機動車同時過街，以至于相互干擾和擁擠.

2)由于南進口左轉車流量達到240 pcu/h，需要設置左轉專用車道. 因此，采取工程措施，將交叉口西南角導流島東側直角邊裁剪約3 m，將南進口中心線向對向偏移2.5 m，南進口便可增加一個進口道，進口道寬度為3.25 m. 即把南進口車道的左轉、直左調整成左轉、直左、直行車道3個進口道. 南出口依然保留2個車道.

3)南進口右轉車流量占該進口流量的一半以上，因此需要增設右轉專用車道. 在現(xiàn)有道路無法拓寬的情況下，采取削減導流島的方法增加車道數. 交叉口東南角目前右轉車道7 m，切除導流島斜邊3 m，人行道1 m，設計成11 m的右轉車道，包括2個右轉車道和停車泊位，以解決醫(yī)院附近的停車問題，體現(xiàn)以人為本的思想，同時保障右轉車道的暢通.

4)設計合理的信號控制方案. 根據交叉口流量數據以及新的車道渠化方案，確定合理的信號配時方案，將原有的三相位調整為四相位信號控制，綠燈時間的分配是以車輛延誤最少為原則的，配時的具體數據如圖2所示. 周期時長為134 s，黃燈時間3 s，各相位的綠信比分別為23.8%、29.8%、18.6%和18.6%.

5)加裝行人過街信號燈，同時加寬人行橫道線，實施雙向行人通行. 在路口東南角(曲靖市第一人民醫(yī)院門診部出入口)設置雙向通行分離的人行橫道，并安裝行人過街信號燈，在時間上把相互沖突的右轉車流和過街行人交通流予以分離，提高交通效率. 行人信號燈在交叉口相位B和相位D時是綠燈，行人可通行過街.

6)優(yōu)化醫(yī)院內部交通組織，減少交叉口內的通行壓力. 曲靖市第一人民醫(yī)院，每天進出的機動車超過1 000輛，是中心城區(qū)主要的交通產生源之一. 協(xié)調其門診部門口只允許120急救車輛進出，社會車輛可通過位于文昌街的醫(yī)院大門口排隊進出.

7)加強交通管理. 建設科技管控設施設備，對違法停車、機動車及行人闖紅燈等違法行為進行抓拍處罰，加強管理及宣傳教育，提高廣大交通參與者守法意識，嚴格遵照交通法規(guī)規(guī)范交通行為，創(chuàng)造良好的交通秩序，提高通行效率，確保交通安全.

改造后，翠峰東路與書院路交叉口的渠化如圖3所示.

圖3 翠峰東路與書院路交叉口改善后的渠化圖

3.4 仿真評價

本文利用VISSIM軟件分別對翠峰東路與書院路交叉口現(xiàn)狀和改善后的交叉口運行狀況進行仿真評價，選取排隊長度、平均停車次數、平均延誤及服務水平4個基本指標來說明交叉口的運行狀況. 根據道路幾何特征和交通特性建立仿真模型，對車輛組成、交通量、車道寬度、相對車流等參數進行標定，并加入信號配時方案. 在仿真過程中，為了得到穩(wěn)定的交通流評價數據，需濾掉仿真剛開始的一段時間記錄，設定(300～3 600) s為仿真時間，仿真參數隨機種子為42，仿真結束后對輸出的交通統(tǒng)計數據進行整理.

3.4.1 排隊長度

改善前后各進口道的平均排隊長度如圖4所示. 其中，南進口的平均排隊長度改善最為顯著，由現(xiàn)狀的42.81 m減少為25.65 m，效率提升40%；西進口直行及專左車道的平均排隊長度有所下降，分別由現(xiàn)狀的28.8、8.87 m減少為26.5、6.19 m，效率分別提升8%，30.2%；東進口直行車道的平均排隊長度由現(xiàn)狀的23.22 m減少為20.81 m，減少了10.4%；東進口專左車道及北進口的平均排隊長度略有增加.

3.4.2 平均停車次數

由圖5可看出，改善前后，整個交叉口車輛的平均停車次數由1.62減少為1.01，降低了37.7%. 其中，北進口的平均停車次數略有增加，東進口、南進口和西進口的平均停車次數均減少，由現(xiàn)狀的1.22、2.83和1.77分別減少為0.85、1.55和0.75.

圖4 改善前后各進口車道的車輛平均排隊長度對比

圖5 改善前后車輛平均停車次數對比

3.4.3 平均停車延誤

由圖6可知，各進口車輛的平均停車延誤除了北進口稍有增加外，均有所下降，東進口、南進口及西進口的平均停車延誤分別由32.7、60.1、45.8 s降為21.5、41.7、30.5 s，降低了34.3%、30.6%、33.4%. 交叉口的整體平均停車延誤由41.25 s減少為30.88 s，運行效率提升25.1%.

圖6 改善前后車輛平均停車延誤對比

3.4.4 服務水平

根據美國的Highway Capacity Manual給出的服務水平標準[11]，對改善前后交叉口的服務水平數據進行對比，如表3所示. 由此可見，改善后東進口的服務水平由D提升到C，南進口的服務水平由F提升至D，西進口的服務水平由E提高到D，北進口的服務水平維持在D，整個交叉口的服務水平由E提高到D.

綜上所述，在對翠峰東路與書院路交叉口進行交通組織優(yōu)化設計改造后，交叉口的平均停車次數由1.62減少為1.01，改進了37.7%；平均停車延誤由41.25 s降低為30.88 s，改進了25.1%；服務水平由E提高到D，交叉口的各個運行效率指標基本得到改善，降低了排隊長度和車輛延誤，提高了通行能力.

表3 改善前后服務水平對比數據

4 結束語

對平面交叉口進行合理的交通組織優(yōu)化，可改善城市道路路口的交通運行環(huán)境，提高其通行能力和運行效率，緩解交通擁堵. 本文以翠峰東路與書院路交叉口為研究對象，針對其現(xiàn)狀存在的交叉口處非機動車流量大與機動車相互干擾、信號相位配時不合理、醫(yī)院門診出入口擁堵等問題，分別從渠化設計、信號控制和交通管理等方面提出優(yōu)化完善方案，并通過微觀仿真VISSIM軟件對比分析了改善前后的交通運行評價指標. 仿真結果表明：通過將非機動車停車線提前，合理渠化交叉口進口道，科學設計相位配時方案等交通組織優(yōu)化措施，可一定程度上降低交叉口的平均延誤、排隊長度和平均停車次數，提高服務水平和通行能力.