城市道路新型连续流交叉口的设计及仿真＊

刘秋晨 张 轮 杨文臣 张 磊 董德存

（同济大学交通运输工程学院 上海 201804）

0 引言

传统平面交叉口的交通问题主要由左转车流与对向直行车流产生的冲突引起，采取禁左、设置专用左转相位等交通组织方法不能同时从空间和时间上有效消除冲突点，平面交叉口是城市道路通行能力的瓶颈［1］。连续流交叉口将左转车辆与对向直行车辆的冲突点提前，在主交叉口消除了左转车辆引起的冲突，通过路中交叉口和主交叉口信号灯的协调控制，使得车辆能连续通过2个交叉口，减少车辆延误，提高了交叉口的通行能力。

自从1960年墨西哥建成世界上第1个连续流交叉口，连续流交叉口在国外已取得了许多有价值的研究应用成果［2－3］。相比传统交叉口，虽然连续流交叉口建设费用贵2～3倍，但在减少车均延误、排队长度和提高通行能力等方面有显著的成效。然而受国内城市道路空间不足及混合交通流等局限性影响，国内对连续流交叉口设计的研究甚少。

根据国外连续流交叉口的成功案例，针对传统平面交叉口设计存在的不足，本文提出1种城市道路新型连续流交叉口，其立足国外连续流交叉口设计理念与设计原则，结合国内城市道路交叉口的特性，研究面向国内应用的连续流交叉口的设计方法，包括交通空间设计、交通组织设计和交通控制设计；并设计多种交通状态下的交通仿真场景，采用Vissim 仿真对所提出的设计方案进行效用评价；最后，结合连续流交叉口的应用边界，定性分析其在国内的适用性。

1 连续流交叉口模型

1.1 几何物理模型

连续流交叉口的几何物理模型如图1所示，在距离主交叉口一定距离的路段上设置路中交叉口，将左转车流引入到路中交叉口后进入CFI专用车道，路中交叉口负责左转车流和对向直行车流的通行权分配，使得左转车流与对向直行车流的冲突点提前到路段。通过路中交叉口和主交叉口信号灯协调控制，使直行和左转车辆连续通过2个交叉口［3］。以南进口道为例，各流向车流交通组织见图1。

连续流交叉口和传统交叉口的特征对比见表1。相比传统交叉口，连续流交叉口旨在将左转车流与对向直行车流引起的冲突点提前到路段，减少主交叉口的冲突点数，协调控制策略将主交叉口信号相位从4相位减少到2相位，减小损失时间，其能有效提升交通安全，减小车均延误，提高路口通行能力。

1.2 设计原则

连续流交叉口的设计需要合理地分配交叉口各走向车流的通行空间和时间，使道路交通车流安全有序地运行，其设计原则如下［4］。

图1 连续流交叉口的几何物理模型Fig.1 The geometric model of the CFI

表1 连续流主交叉口和传统交叉口特征的对比分析Tab.1 Comparative analysis of the CFI and the CI

1）空间设计原则。合理布局与有效衔接道路交通设施；通过路段和交叉口进口道、进口道和出口道、出口道和路段通行能力的匹配衔接设计，以及进出口道和交叉口内部交通流渠化设计，在有限的交叉口范围内，充分利用其空间资源，实现通行安全有序。

2）交通组织设计原则。分离冲突点和减少冲突区；为了提高路口安全性及通行能力，通过合理布局路中交叉口的位置，在交叉口影响范围内，正确引导车流走向，在空间和时间上分散和消除冲突点。

3）交通控制设计原则。采用干线协调控制策略，优化交通信号控制方案；为使主线车辆连续通过路口，采用干线交通信号协调优化控制策略，并立足主交叉口和路中交叉口的几何特性与交通流连续性，制定自适应的交通信号相位方案和配时方案，充分利用时间资源，最大化通行效率。

2 连续流交叉口的设计

2.1 空间设计

2.1.1 路中交叉口的设计

在距离主交叉口L的路段上设置路中交叉口，由专用左转车道和对向直行车道组成。根据平面交叉口的设计规范，主交叉口和路中交叉口间的距离要与干线协调控制策略相匹配，间距越远线控效果越差，L 取值由上下游主路口间距、最大排队长度和路段平均速度综合计算得到，详见文献［4］。

2.1.2 主交叉口的设计

主交叉口设计包括：车道宽度设计、车道数设计和车道拓宽设计。车辆宽度由交叉口位置、道路条件和交通条件决定；车道数由进口道设计小时交通量与直行车设计通行能力决定。拓宽设计内容包括拓宽方式设计、拓宽宽度设计、拓宽道长度设计［5］。

1）拓宽方式设计。由拓宽宽度决定，本文同时拓宽交叉口进口道的左右两侧，设置专用左转车道和专用右转车道。

2）拓宽宽度设计。即要增加的车道数，由交通需求和最大排队长度确定。国内主要交叉口组织通常在上游拓宽左转车道，右转渠化。

3）拓宽长度设计。车道拓宽由展宽段和展宽渐变段组成，展宽段长度由1个周期内最大停车排队长度数计算，展宽渐变段长度则由设计车速和展宽横向偏移量计算确定。专用左转／右转车道的设计分别见图2、3，专用车道长度ls由车道展宽段la和展宽渐变段ld组成［6］。

图2 左转车道的拓宽设计示意图Fig.2 Widened design of left－turn lanes

图3 右转车道拓宽示意图Fig.3 Widened design of right－turn lanes

2.1.3 参数建议取值

国内城市道路主路口间距一般小于300 m，最大排队长度约为150 m，路段平均车速取25 km／h，参照国外连续流交叉口的设计规范，路中交叉口与主交叉口的距离L 取值为100m，路中交叉口长度取40 m。按平面交叉口的设计规范［7］，连续流交叉口进口道左、右直行车道宽度取用3.50、3.25、3.00m，出口道宽度取3.5m。结合国内交叉口几何及交通流特性，采用文献［4］、［5］中计算方法，右转进口车道拓宽长度ls为76 m，右转出口道拓宽长度ls为92m。专用左转车道的拓宽长度ls为150m。国内连续流交叉口空间设计各参数建议取值见图4。

图4 连续流交叉口的空间设计尺寸Fig.4 Recommendation of parameters values of the domestic CFI

2.2 交通组织设计

2.2.1 左转机动车交通组织

左转车辆实现左转分为3步。第1步，如图5（a）所示，以南进口道为例，第1步：左转车辆在道路交通标志和标线的指引下，进入专用左转车道，到达路中交叉口；第2步：如图5（b）所示，在路中交叉口遇到红灯时等待，当路中交叉口信号灯变成绿灯，左转车辆通过路中交叉口到达CFI专用道驶向主交叉口，此时，左转车辆位于由北向南的对向直行车辆的左侧；第3 步：如图5（c）所示，通过2个交叉口的信号协调控制，当左转车辆到达主交叉口时，以绿灯不停车通过实现左转，汇入由东向西的直行车辆从而实现左转。

2.2.2 右转车辆的交通组织

设置专用分离的右转车道，右转车辆根据交通标志的指示进入专用右转车道，在主交叉口根据信号灯指示实现右转。

2.2.3 直行车流的交通组织

直行车辆在主交叉口遇到红灯时等待，绿灯时通过主交叉口继续向前行驶到达路中交叉口，通过两个交叉口的信号协调控制，直行车辆连续通过主交叉口和路中交叉口。

2.3 交通控制设计

交通控制设计内容包括信号灯的配置设计、信号相位方案设计及协调信号方案设计。

2.3.1 信号灯的配置

在路中交叉口和主交叉口处都要设置信号灯，见图1。在主交叉口设置1组信号灯，在时间上分离东西和南北直行车流的冲突。路中交叉口设置1组信号灯，在时间上分离左转车流和对向直行车流的冲突。

2.3.2 信号相位方案设计

连续流交叉口将主交叉口左转车流和对向直行车流的冲突点提前到路段，主交叉口的信号灯相位由4相位控制减少到两相位控制。假设2条相交道路A和B，主交叉口处1个信号相位是放行道路A 上的车辆，另1个相位是放行道路B上的车辆。在主交叉口的每个信号相位中，路中交叉口又细分为3个相位。连续流交叉口的信号相位方案计见图6，以相位1为例说明，主交叉口街道A的车辆直行行驶和左转，街道A的路中交叉口左转车辆通行，街道B的路中交叉口直行车辆通行［9］。

图5 连续流交叉口的左转车辆的交通组织（资源来源［8］）Fig.5 Traffic organization of left－turn vehicles of the CFI（source［8］）

图6 连续流交叉口信号相位示意图Fig.6 Signal phases of the CFI

2.3.3 协调信号方案设计

连续流交叉口的“连续”取决于路中交叉口与主交叉口的信号协调控制。信号协调控制方案设计包括周期、绿信比和相位差的设计。目前交通信号协调控制的方法主要可以分为2类：基于延误的协调方法和基于绿波带优化的协调方法［10］。遵循最大最小周期及最大最小绿灯时间等交通控制基本原则，本文采用基于统计模型的延误协调控制经典方法：Transyt协调控制方法，并在不同流量下，在Transyt软件中采用遗传算法优化主路口和路中交叉口的周期、绿信比和相位差，生成各路口的协调信号方案［11］。Transyt是基于延误的信号协调控制，以综合目标函数（PI）最小为目标，通过爬山法或遗传算法，求解综合目标函数PI最优所对应的路网中各路口的信号周期、绿信比以及各路口间的相位差。Transyt模型的综合目标函数（PI）是延误时间和停车次数的加权和，如下式所示：

式中：i为交叉口i；g为绿灯时间；W为延误1h的经济损失；wi为延误权重；di为延误；K为每100次停车的经济损失；ki为停车权重；si为停车次数；N为交叉口总数。

连续流交叉口采用续进式的协调控制，即连续流交叉口的主交叉口和路中交叉口采用1个周期时长，在2个交叉口间的引导车辆以设计车速行驶，从而不停车等待连续通过2个交叉口。

3 案例分析

3.1 实验交叉口

Vissim 可对单一车辆行驶行为进行微观处理，模拟和分析实际道路的交通状况，将Vissim 作为交叉口交通效益的无偏评价工具。如图7（a）所示，以城市传统平面十字交叉口和设计的连续流交叉口作为研究对象。交叉口进口道设有直行车道，1条左转专用车道和1条右转专用渠化车道，并采用标准4相位控制（右转渠化不受信号灯控制）；采用本文提出的连续流交叉口的设计方法，传统平面十字交叉口改进后的连续流交叉口如图7（b）所示。

3.2 仿真场景

为验证本文设计的连续流交叉口，考查其在不同交通状态下及交通流波动情况下的交通效益，仿真实验场景设计如下。

图7 传统交叉口和连续流交叉口的Vissim 仿真模型Fig.7 Vissim simulation model for the CI and the CFI

1）假定各进口道的交通需求相同，进口道流量分别取400、600、1 000、1 500、2 000veh／h 变化，分别代别自由、顺畅、繁忙、拥堵、过饱和5种交通状态。

2）仿真时长为5h，每1h为一仿真时段周期，且左∶直∶右车流转向比例为0.25∶0.60∶0.15。

3）为模拟路口短时交通流到达波动特性，在自由和顺畅状态下，在Vissim 中随机设置1h内10min间隔车辆的发车比例，其余状态下的发车比例设置如下：15∶11∶17∶22∶16∶19。

4）在各状态下，主交叉口采用Webster的交通信号控制方案取最大最小绿灯时间分别为15s和75s，取最小周期60s，最大周期250s，并按连续流交叉口交通控制设计方法生成次交叉口信号方案［12］。

5）由于仿真效果受随机种子影响，每种控制方案采用批量仿真20次。

3.3 仿真参数校准

为更加真实再现国内路口车流运行规律，提高仿真结果可信度，在仿真建模过程中，考虑仿真参数校准。仿真参数校准包括全局参数校准和局部参数校准。全局参数影响整个仿真模型的性能，指车辆特性参数（车头时距，驾驶员反应时间，车辆长度，平均速度等），局部参数校准影响路段局部性能。根据国内城市道路直行设计通行能力为1 650puc／h、左转／右转设计通行能力为1 550 puc／h的规范，车头时距MHT、驾驶员反应时间MDT的仿真参数校准为1.8s及1.5s，路口平均车速25km／h；按连续流交叉口设计方案，校准的局部参数包括转向平均速度，转向交通组织，车辆组成比例。

4 结果分析

4.1 评价指标

本文选取信控路段平均延误（ADelay），直行排队长度（S－Queue），左转排队长度（L－Queue）为交通效益评价指标，综合反映在车辆在仿真环境下路口的运行状况。

交通效益评价指标的计算方法如下［13］：

4.1.1 延误时间的计算

Vissim 延误时间计算见式（2）。

式中：Tij为第i辆车运行第j 步的仿真时间，s；Si为第i 辆车在仿真时间间隔内运行的距离，m；vi为第i 辆车的期望速度，m／s；n为仿真时间间隔内通过交叉口的总车辆数；mi为仿真时间间隔内第i 辆车移动的总步数；TDelay为交叉口总延误，s；ADelay为交叉口车均延误，s／pcu。

4.1.2 排队长度的计算

仿真软件中通过直接检测交叉口各车道的车辆排队长度得到的，具体步骤如下。

1）每隔1个仿真步长时间，系统扫描路口所有车辆，分别计算出当前各车道等候排队的车辆数。

2）把获得的各车道排队长度分别与记录中该车道的最大排队长度相比，如果大于这个排队长度，则把该车道最大的排队长度替换为当前的排队长度。

3）运行结束后，比较各车道记录中的最大排队长度，选出1个最大值作为干线最大排队长度。

4.2 结果分析

在5种交通状态下2种交叉口的各性能指标的仿真结果见图8。图中Volume为交叉口总的车辆数，为各进口道的车辆数之总和。在整个仿真过程中，连续流交叉口（CFI）的性能稳定，引入路中交叉口分离冲突点，并采用主交叉口和路中交叉口协调控制使车辆连续通过，连续交叉口的延误、排队长度性能指标均优于传统平面交叉口（CI），且随着流量增加，控制效果优势明显，符合交通管理者的设计目标。

图8 2种交叉口交通组织设计方案的性能指标的仿真结果Fig.8 Simulation results of the performance index of the CI and the CFI

相比传统平面交叉口，连续流交叉口的车辆平均延误减小42%～76%，直行排队长度减小28%～83%，左转排队长度减小36%～76%。在高饱和及过饱和交通状态下，路口车流处于强制流状态，连续流交叉口交通效益趋于平稳。2 种交叉口的交通仿真见图9。

图9 在繁忙状态下（仿真时间：3h23min）的交通仿真结果Fig.9 Simulation results in busy state（simulation time：3h23min）

4.3 国内适用性分析

连续流交叉口引入路中交叉口，并设置CFI专用车道、专用左转和专用右转车道，交叉口占地面积较大；且连续流交叉口设计主要考虑机动车运行，并未考虑公交车辆和慢行交通等混合交通流特性，因此交通流构成简单。连续流交叉口国内外应用边界对比分析见表2。国外城市道路用地空间充足，公交车辆和慢行交通组成少，因而连续流交叉口在国外能够成功应用。相比国外城市道路应用环境，国内城市中心道路用地紧张，交通流构成复杂，慢行交通和机动车混合严重，城市中心区的道路交叉口不适合建设或改造成连续流交叉口。但是，国内城市近郊道路由于远离城市中心，用地空间充足，且公交车辆和慢行交通对机动车干扰小，符合建设连续流交叉口的应用边界。

5 结束语

本文提出了1种新型连续流交叉口，研究了连续流交叉口的设计与评价方法。依托连续流交叉口的几何物理模型与设计原则，结合国内城市道路交通设计规范，从交通空间设计、交通组织设计、交通控制设计3个方面研究了面向国内应用的连续流交叉口的设计方法，并在5种交通状态下采用Vissim 仿真对传统城市交叉口和连续流交叉口的2种设计方案进行交通效用评价，同时，结合国内城市道路交叉口特性，分析了连续流交叉口在国内适用性。研究结果表明：连续流交叉口在一定程度上从空间和时间上消除了左转车流和对向直行车流的冲突点，使得多相位控制改成两相位控制，能有效改善交叉口的交通运行效益，受国内城市交叉口道路空间不足等因素的制约，适用于我国城市近效道路交叉口的改造与设计。

表2 连续流交叉口国内外应用边界对比分析Tab.2 Comparative analysis of applications boundary for CFI at home and abroad

［1］江文平.一种新型的城市道路半立交方案的可行性研究［D］.上海：同济大学，2008.

［2］Pitaksringkarn J P.Moe’s for continuous flow intersection：a case study in maryland，USA［R］.New York：Dowling College，2005：461－465.

［3］Michael G B.Continuous flow intersections：proven alternative for congested intersections ［J］.Lone star roads，2004，1（2）：1－6.

［4］杨晓光，白 玉，马万经，等.交通设计［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［5］徐家钰，程家驹.道路工程［M］.上海：同济大学出版社，2004.

［6］唐彩梅，张俊德.平面交叉口左转车道设计方法研究［J］.甘肃科技，2010，26（11）：51－52.

［7］中华人民共和国行业标准.CJJ37－90城市道路设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［8］Simmonite B F.The displaced right turn junction or continuous flow intersection（CFI）［R］.England：University of Warwick，2002：322－336.

［9］Michael F T.Singalized Intersections：Informational Guide［R］.U.S.Department of Transportation，2003：6－10.

［10］Vincent R A，Mitchell A I，Robertson D I.User guide to TRANSYT version 8［R］.Britain：Transport Research Laboratory，1980：34－89.

［11］Wallace C E，Courage K G，Reaves.Transyt－7F User＇s manual［M］.Gainesville，Florida：U.S.Dept.of Transportation，Federal Highway Administration，1984.

［12］Webster F V.Traffic signals［M］.London：H.M.S.O.，1966.

［13］何丽芳.城市十字交叉口交通信号控制模型的仿真评价［D］.南京：东南大学，2007.