四路環(huán)形交叉口與十字信號交叉口通行性能比較實(shí)例分析

摘 要：隨著交通流量的不斷增長，交叉口設(shè)計(jì)對緩解交通擁堵至關(guān)重要。本研究以金華市北二環(huán)路—康濟(jì)北街信號控制交叉口為例，比較了信號交叉口與改造后環(huán)形交叉口在相同占地面積下的通行性能。通過實(shí)地調(diào)研，收集了該信號交叉口的交通流數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了六種不同的環(huán)形交叉口方案。通過計(jì)算和VISSIM仿真分析，得出結(jié)論：改造后的環(huán)形交叉口最大通行能力約為信號交叉口的70.4%。研究還表明，當(dāng)交通流量超過4500輛/小時(shí)時(shí)，信號交叉口更具優(yōu)勢；而在交通流量低于4000輛/小時(shí)時(shí)，環(huán)形交叉口能顯著提高通行效率。研究為交叉口的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造提供了參考。

關(guān)鍵詞：性能比較 通行能力 VISSIM仿真 環(huán)形交叉口 信號交叉口

隨著交通流量增長，交叉口的擁堵問題日益嚴(yán)重，合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)對于提升通行效率、減少擁堵至關(guān)重要。信號交叉口和環(huán)形交叉口是兩種主要的平面交叉口，各自有不同的優(yōu)勢。環(huán)形交叉口通過降低車速和減少?zèng)_突點(diǎn)，有助于降低事故發(fā)生率，通常比信號交叉口更安全。環(huán)形交叉口建設(shè)成本較高，但運(yùn)營與維護(hù)成本低于信號交叉口。占地方面，環(huán)形交叉口占地更多，而信號交叉口更適合空間有限的城市環(huán)境。

已有不少學(xué)者對這兩種交叉口的通行性能進(jìn)行過對比研究。張海楠[1]計(jì)算比較了信號控制交叉口與不同控制方式下環(huán)形交叉口的通行能力，并分析了在不同交通條件下兩者的適應(yīng)性。Danesh等[2]進(jìn)一步探討了信號控制、環(huán)形交叉口與雙向停車控制的適應(yīng)性，認(rèn)為在高流量和較高左轉(zhuǎn)比例時(shí)，信號控制效果更好。邱穎[3]基于模糊綜合評價(jià)模型，建立了交叉口控制方式選擇的綜合評價(jià)模型董瑞娟[4]從通行能力和飽和度角度分析了環(huán)形交叉口的控制方式選擇，認(rèn)為在低渠化條件下，選擇信號控制應(yīng)綜合考慮通行能力和延誤。

目前，關(guān)于在相同占地面積下信號交叉口與環(huán)形交叉口通行性能的研究較少。本研究通過實(shí)地調(diào)查收集了信號交叉口的交通流量和車頭時(shí)距等數(shù)據(jù)，并繪制了交叉口的平面圖。然后，設(shè)計(jì)了6種四路環(huán)形交叉口改造方案。通過計(jì)算和VISSIM仿真分析，比較了兩類交叉口在不同交通量下的通行能力、平均延誤和停車次數(shù)。最終，綜合評估了兩種交叉口的通行能力和服務(wù)性能，為交叉口優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 交叉口現(xiàn)狀調(diào)查

本研究選取浙江省金華市北二環(huán)東路—康濟(jì)北街的信號控制交叉口，該交叉口周圍建筑較少，環(huán)境較為開闊，干擾交通建筑物較少，具備改造條件。交叉口衛(wèi)星圖及示意圖如圖1所示。

本研究于2024年10月29日對該交叉口進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。交叉口東西方向北二環(huán)東路為主路，南北方向康濟(jì)北街為輔路。采用典型的四相位信號控制，信號周期為140s，黃燈時(shí)長為3s，具體配時(shí)為：東西直行54s、左轉(zhuǎn)24s，南北直行34s、左轉(zhuǎn)16s。

調(diào)查人員在高峰期（17：00～18：00）進(jìn)行了交通流量調(diào)查。結(jié)果顯示，東西主路進(jìn)口道的貨車比例較高，而南北進(jìn)口道的主要車型為小型車，貨車等大型車輛比例較低。通過數(shù)據(jù)處理與分析，得到該交叉口各進(jìn)口道的交通流量如表1所示。

2 環(huán)形交叉口方案設(shè)計(jì)

本研究基于對交叉口現(xiàn)狀的調(diào)查，使用奧維互動(dòng)地圖測得該交叉口的南北道路寬約28m，東西道路寬約46m，交叉口占地面積約9325m2。然后，基于相同面積，設(shè)計(jì)了改造為環(huán)形交叉口的方案。研究中，環(huán)島半徑和車道數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，設(shè)計(jì)了6種環(huán)形交叉口方案（如圖2所示）。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

雖然這些方案中面積最大的方案6和最小的方案1的面積相差較大，但它們?nèi)匀惶幱趯?shí)際信號交叉口可改建范圍內(nèi)，與信號交叉口占地面積相差約在18%以內(nèi)。

3 信號交叉口與環(huán)形交叉口通行能力比較

本文分別采用相關(guān)的通行能力公式，對上述信號交叉口和幾種改造設(shè)計(jì)的環(huán)形交叉口的通行能力進(jìn)行了計(jì)算和對比分析。

3.1 信號交叉口通行能力計(jì)算

由于該信號控制交叉口采用四相位控制，左轉(zhuǎn)車與直行車互不干擾，因此采用停車線法[5]計(jì)算其通行能力。結(jié)合交叉口的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，具體計(jì)算方法如下。

（1）一條直行車道的通行能力計(jì)算公式：

式中，Cs為一條直行車道的通行能力，輛/小時(shí)；為信號周期內(nèi)的綠燈時(shí)間；為信號燈周期；直行車輛的平均車頭時(shí)距，本文根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)取4.2s；為1個(gè)周期內(nèi)的綠燈損失時(shí)間，包括起動(dòng)、加速時(shí)間，通常取2.3s。

（2）當(dāng)設(shè)有左轉(zhuǎn)專用相位時(shí)，一條左轉(zhuǎn)專用車道的通行能力計(jì)算公式：

式中， 為一條左轉(zhuǎn)專用車道的通行能力；為左轉(zhuǎn)車輛通過交叉口的行車速度；為一個(gè)信號周期內(nèi)的左轉(zhuǎn)彎信號時(shí)長；為左轉(zhuǎn)車輛連續(xù)通過交叉口的平均車頭時(shí)距；a為車輛啟動(dòng)時(shí)的平均加速度。

（3）一條右轉(zhuǎn)車道的通行能力計(jì)算公式：

式中，為一條右轉(zhuǎn)車道的通行能力；為前后兩車連續(xù)通過某一停車線斷面的右轉(zhuǎn)彎車輛的平均車頭時(shí)距。

整個(gè)交叉口的通行能力為各個(gè)入口所有車道通行能力的總和。根據(jù)上述公式以及交叉口實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算得出信號交叉口的通行能力Ci=6480輛/小時(shí)。

3.2 環(huán)形交叉口通行能力計(jì)算

研究設(shè)計(jì)的環(huán)形交叉口屬于常規(guī)環(huán)形交叉口，故本研究應(yīng)用英國環(huán)境部暫行公式[5]進(jìn)行計(jì)算：

式中，C為交織段上的最大通行能力；為交織段長度；為交織段寬度； 為環(huán)交入口平均寬度；為入口引道寬度；為環(huán)道突出部分的寬度；為交織段內(nèi)交織車輛與總車輛之比。如重型車超過15% 時(shí)應(yīng)對該式進(jìn)行修正，用于設(shè)計(jì)通行能力時(shí)須乘以85%。

根據(jù)上述公式，計(jì)算出改造設(shè)計(jì)的6個(gè)環(huán)形交叉口的通行能力如下表3。

3.3 通行能力對比分析

對比分析信號交叉口與6種環(huán)形交叉口的通行能力，結(jié)果表明，在大致相同占地面積下，信號交叉口的通行能力較高，但環(huán)形交叉口的設(shè)計(jì)參數(shù)對通行能力影響顯著。小半徑設(shè)計(jì)（25m）因轉(zhuǎn)彎半徑較小，通行能力較低，僅為信號交叉口的48%-60%。隨著環(huán)道半徑和車道數(shù)增加，通行能力顯著提升。中等半徑設(shè)計(jì)（30m）的通行能力為信號交叉口的50%-64%。方案6的通行能力為4560輛/小時(shí)，約為信號交叉口的70.4%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)增加車道數(shù)對提升環(huán)形交叉口通行能力效果顯著，4車道設(shè)計(jì)比3車道設(shè)計(jì)提高了25%-32%，而增加環(huán)道半徑的提升幅度較小，僅為5%-7%。

4 基于VISSIM仿真的交叉口性能對比

基于第3節(jié)中的通行能力計(jì)算結(jié)果，篩選出通行能力較高的方案2、4、6，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行研究，分別對不同交叉口進(jìn)口道輸入1000-4000輛/小時(shí)的車流量（增量為1000輛/小時(shí)），選擇車輛平均延誤和平均停車次數(shù)為性能評估指標(biāo)以對比相同占地面積下信號交叉口與環(huán)形交叉口在不同流量條件下的性能表現(xiàn)。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真中的進(jìn)口道車流比例和轉(zhuǎn)向比例基于實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，平均車頭時(shí)距為4.2s。仿真時(shí)間為4200s，其中0-600s為預(yù)熱時(shí)間，600s-4200s為記錄數(shù)據(jù)時(shí)間。每組仿真場景使用不同的隨機(jī)種子數(shù)，進(jìn)行3次仿真，取3次結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真得出不同流量下信號交叉口和3個(gè)方案環(huán)形交叉口的車輛平均延誤以及平均停車次數(shù)各3組數(shù)據(jù)，取平均值并繪制折線圖如圖3所示。

仿真結(jié)果表明，在大致相同占地面積下，信號交叉口在高流量條件下具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在4000輛/小時(shí)流量時(shí)，信號交叉口的平均延誤為40.7秒，停車次數(shù)為1.28次，能夠穩(wěn)定運(yùn)行，適用于高交通需求場景。然而，在低流量條件下，信號交叉口的延誤和停車次數(shù)較高，效率低于優(yōu)化設(shè)計(jì)的環(huán)形交叉口。

環(huán)形交叉口的性能受設(shè)計(jì)參數(shù)影響顯著。方案6（大半徑、4車道）在所有流量條件下表現(xiàn)最佳，在4000輛/小時(shí)流量下，平均延誤僅為20.4秒，停車次數(shù)為0.68次，明顯優(yōu)于信號交叉口及其他環(huán)形交叉口方案。相比之下，方案2和方案4在高流量條件下性能較差，延誤和停車次數(shù)高于方案6，但在中低流量條件下仍優(yōu)于信號交叉口。

5 結(jié)論

本研究通過對金華市北二環(huán)東路—康濟(jì)北街信號控制交叉口的實(shí)地調(diào)查，基于相同占地面積設(shè)計(jì)了6種環(huán)形交叉口方案。通過計(jì)算與仿真對比，研究了信號交叉口與環(huán)形交叉口在不同流量下的通行能力與性能。結(jié)果表明，信號交叉口的通行能力為6480輛/小時(shí)，顯著高于環(huán)形交叉口的4560輛/小時(shí)（約為信號交叉口的70.4%）。在中低流量條件下，環(huán)形交叉口表現(xiàn)出更高的通行效率，延誤時(shí)間和停車次數(shù)較少。

因此，在大致相同占地面積條件下，建議當(dāng)交通量超過4500輛/小時(shí)時(shí)選擇信號控制交叉口，以保證通行能力和穩(wěn)定性；而在交通量低于4000輛/小時(shí)時(shí)，選擇環(huán)形交叉口設(shè)計(jì)可以有效減少延誤和停車次數(shù)，提高通行效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海楠.城市環(huán)形交叉口通行能力分析及其改善措施研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[2]DANESH A， MA W， WANG L. Identifying the Adaptability of Different Control Types Based on Delay and Capacity for Isolated Intersection [J].Transportation Research Record，2022.

[3]邱穎.城市平面交叉口控制方式選擇問題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[4]董瑞娟.道路環(huán)形交叉口控制方式選擇與時(shí)空設(shè)計(jì)方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]張亞平主編.道路通行能力理論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.