城市道路十字交叉口通行能力研究*

胡永举, 施俊庆, 陶珏强, 刘锦俐

(浙江师范大学 工学院,浙江 金华 321004)



城市道路十字交叉口通行能力研究*

胡永举, 施俊庆, 陶珏强, 刘锦俐

(浙江师范大学 工学院,浙江 金华 321004)

道路交叉口是城市路网的瓶颈，十字交叉口是交叉口的典型类型，这与城市建筑布局密切相关.通过对车道通行能力、无信号控制交叉口及有信号控制交叉口通行能力的研究，提出了提升交叉口通行能力的手段和措施，以便更好地满足道路通行的要求，进而最大限度地发挥城市道路的交通效率.

城市道路；十字交叉口；通行能力；车道

0 引 言

道路通行能力是指道路设施所能疏导交通流的能力.即在一定的时段(通常取15 min或l h)和正常的道路、交通、管制及运行质量要求下，道路设施通过交通流质点的能力.通行能力一般以veh/h(辆/小时)、pcu/h(当量标准小汽车/小时)表示，基本单位是：pcu/(h5ln)(当量标准小汽车/(小时5车道)).

通行能力实质上是道路负荷性能的一种量度，它既反映了道路交通的最大能力，也反映了在规定特性前提下道路所能承担车辆通行的极限值.

通行能力可分为基本通行能力、可能通行能力和实用通行能力.基本通行能力是指道路和交通都处于理想条件下，由技术性能相同的一种标准车，以最小的车头间距连续行驶的理想交通流，在单位时间内能通过道路断面的最大车辆数，也称理论通行能力.因为它是假定理想条件下的通行能力，实际上不可能达到.可能通行能力是指考虑到道路和交通条件的影响，并对基本通行能力进行修正后得到的通行能力，实际上是指道路所能承担的最大交通量.实用通行能力是指用来作为道路规划和设计标准而要求道路承担的通行能力[1].

各国对道路通行能力的研究由来已久，其研究的进展和成果与各国汽车业的发展密切相关.如美国的《道路通行能力手册》[2-3]、德国的《道路通行能力手册》[4]、日本的“道路交通容量”[5]、加拿大的《通行能力和交叉口服务水平规范》[6]、澳大利亚的“道路通行能力与交通信号配时分析”[7]、瑞典的《通行能力手册》[8]等.

本文通过对车道通行能力、无信号控制交叉口及有信号控制交叉口通行能力的研究，提出一些提升交叉口通行能力的手段和措施.

1 车道通行能力计算

1.1 车道的通行能力

车道的通行能力是指车辆(标准小汽车)在单位时间内通过道路上某一点或某一断面的车辆数.通过的车辆数越多，说明车道的通行能力越强.通常一条车道的宽度在3.25～3.75 m.我国信号控制交叉口通行能力的计算方法主要有2种：一种是《城市道路设计规范》(CJJ37—90)所推荐采用的方法[9]；另外一种是由北京市政设计院提出的停车线法.

1)一条专用直行车道的通行能力

以小汽车为研究对象，在不受任何影响的前提下，当车辆间车头时距为2.5 s时，一条车道的最大通行能力

式(1)中：T周为信号灯周期时间(s)；t间为前后两辆车通过停车线的平均间隔时间，通常小汽车的平均间隔时间为2.5 s，大型车的平均间隔时间为3.5 s，特大型车(铰接车、半挂车)的平均间隔时间为7.5 s.

2)受信号控制影响时，一条直行车道的通行能力计算公式为

式(2)中：Tc为信号周期(s)；tg为每一个周期内的绿灯时间(s)，各方向的绿灯时间根据各自的流量大小确定；to为变为绿灯后第1辆车通过停车线的时间(s)，一般取2.3 s；ti为直行或右转车辆通过停车线的平均时间间隔(s/pcu)；δ为直行车道通行能力折减系数，可采用0.9.

3)一条右转专用车道的通行能力

原则上可按直行方法计算，将直行的通过时间换成右转的通过时间，一般采用下式计算:

4)一条直左车道的通行能力为

5)一条直左右车道的通行能力为

Cslr=Csl. (5)

1.2 入口引道设计通行能力

可以根据入口引道的车道种类和车辆左右转比例，计算入口引道的通行能力.

1)入口引道设有专用左转和专用右转车道时，入口引道的设计通行能力为

式(6)中：Celr为设有专用左转和专用右转车道时，入口引道的设计通行能力(pcu/h)；∑Cs为入口引道直行车道的通行能力之和(pcu/h)；βl为左转车占入口引道车辆的比例；βr为右转车占入口引道车辆的比例.

2)入口引道设有左转专用车道而未设有右转专用车道时，入口引道的设计通行能力为

式(7)中：Cel为设有专用左转车道时，入口引道的设计通行能力(pcu/h)；∑Cs为入口引道直行车道的通行能力之和(pcu/h)；∑Csr为入口引道直右车道的通行能力之和(pcu/h).

专用左转车道的设计通行能力为

3)入口引道设有右转专用车道而未设左转专用车道时，入口引道的设计通行能力为

式(9)中：Cer为设有专用右转车道时，入口引道的设计通行能力(pcu/h)；∑Cs为入口引道直行车道的通行能力之和(pcu/h)；∑Csl为入口引道直左车道的通行能力之和(pcu/h).

专用右转车道的设计通行能力为

1.3 道路交叉口的通行能力

整个交叉口的总通行能力为交叉口各个进口的直行、左转、右转各项通行能力之和.

2 信号灯与左转专用相位设置条件

2.1 信号灯设置条件

设置信号灯的目的是使路口安全畅通、减少延误、提高通行能力、方便行人.但如果设置不当，就有可能造成延误加大、通行能力减小、事故增加的后果.那么是否需要设置信号灯呢？从理论上分析，需要考察不同方向来车经过交叉口时，是否有足够间隙供车辆安全通过.一般是先分清主要道路和次要道路，主路优先通行，次路设置停车(让路)标志，即当次路车辆通过路口时，应先停车或者减速观察，当主路无车或者间隙较大时，方可安全驶过.那么,主路有多少机会可供次路车辆通过呢？

假设没有信号灯影响，次路车辆利用主路间隙左转，其通行能力为

当左转车辆满足左转要求时，可以不设置信号灯.

2.2 信号交叉口左转专用相位设置条件

十字交叉口信号灯控制最少为二相位，即东西放行和南北放行.由于只有2个相位，所以左转车辆应该让直行车辆先行.当直行车辆可以满足左转车辆所需间隙通过时，不需要设置左转专用相位，否则，需要设置左转专用相位.通常,当小型交叉口每个信号周期左转车辆大于3辆、大型交叉口大于4辆时，需要设置左转专用相位.

3 信号灯设置对道路通行能力影响实例分析

例1在某二信号相位十字交叉口，每个方向上的2个入口的车流量相差不大，各进口关键车道的流量与饱和流量见表1.该交叉口车辆的前(启动)损失时间为3 s，后损失时间为1 s，绿灯间隔时间为6 s(其中黄灯时间4 s，全红灯时间2 s)，车道分布情况如图1所示.

3.1 交通信号配时

按照韦伯斯特最佳信号周期计算公式，确定该交叉口信号控制的最佳周期C0，并进行信号配时.

1)计算流量比Y

Y=∑y=y东西+y南北=0.46+0.29=0.75.

2)计算周期总损失L

一个周期总时间损失L包括东西方向前后损失时间、南北方向前后损失时间和2次全红灯时间.L取12 s.

3)计算最佳信号周期

4)计算周期有效绿灯时间Ge

Ge=C0-L=92-12=80 s.

5)计算相位有效绿灯时间Gei

3.2 信号控制交叉口通行能力计算

根据上述配时结果，假设车道设置如图2所示，东西、南北方向左转车辆占进口道交通量的15%，右转车辆占10%，计算该交叉口通行能力.

先计算东西方向干道，东西向分别设有专用左转、直行和直右3种车道.

1)计算东西直行车道的通行能力

取t0=2.3 s，δ=0.9，ti=2 s,则直行车道通行能力为

直右车道通行能力

Csr=Cs=858 pcu/h.

东西设置左转专用车道而未设置右转专用车道，其设计通行能力为

左转车道设计通行能力为

Cl=Cel×βl=2 019×0.15=303 pcu/h.

2)计算南北直右、直左行车道的通行能力

取to=2.3 s，δ=0.9，ti=3 s,则

Csl=Cs(1-βl)=372×0.925=344 pcu/h.

3.3 交叉口重要性分析

1)全部为直行路段的通行能力

2)设置不同转向车道后的通行能力

假设没有信号灯影响，东西向直行和直右的通行能力不变，而左转车辆只能在直行车辆的空隙间隔内通过，那么可根据式(11)计算其通行能力.

若例1为一个无信号控制交叉口，则转弯车辆只能在直行车辆安全间隙内通过，车辆到达符合泊松分布，车流允许次要道路穿越或左右转弯并线的车头时距为6 s；如果次要道路采用让路控制，平均车头时距为3 s,那么，按照给定的交通量水平，理论上可计算出转弯通过的交通量.经过计算得到如下结果：

东西向通行能力为(1 800×2+147)×2=7 494 pcu/h；

3)设置信号灯控制后的通行能力

在交叉口设置信号灯控制后，每个方向只能在减去启动、停车损失时间后，再按照每个小时各个方向可用时间比例通行.

4 提升道路交叉口通行能力的措施

4.1 道路交叉口现有服务水平评价

平面交叉口的服务水平要受到交通控制及通过交叉口所需时间、延误时间、停车时间、停车次数和频率等的影响，因此，它是评价道路交叉口通行能力的重要指标之一.一般地，可根据表2确定交叉口道路服务水平等级，通常采用交通负荷系数指标[10].

根据上述计算结果，东西方向入口道的通行能力为2 019 pcu/h，南北方向入口道的通行能力为372+344=716 pcu/h.实际交通流量为Q东西=830 辆/h，Q南北=520辆/h.则负荷系数Z为：

东西方向：Z东西=830/2 019=0.41;

南北方向：Z南北=5 20/716=0.73.

综合东西、南北2个方向，通过查表2得知该交叉口服务水平接近三级.

4.2 提高道路交叉口服务水平的措施与方法

1)每个方向新增1条直行车道

通过渠化增加十字交叉路口进口车道数.在十字交叉路口进口处可适当减少车道宽度，同时对车道两侧的绿化带进行渠化设计，这样就能通过增加入口车道数提高其通行能力.通常可根据实际交通流量，确定拓宽新增交叉口入口车道的车道类别.本文采取每个方向新增1条直行车道和开辟一条右转导向车道2种方案，考察该交叉口服务水平变化.

如图3所示，在每个方向各增加1条直行车道，那么其通行能力为：

南北向：C南北=Csr+Cs+Csl=372+372+344=1 088 pcu/h.

负荷水平为：

东西方向：Z东西=830/3 028=0.27;南北方向：Z南北=520/1 088=0.48.

其服务水平达到一级标准.

2)开辟右转导向车道

右转车辆在非箭头信号灯控制的前提下，可以不受信号红灯限制通行.但当直行和右转共用一个车道且直行车辆受信号灯限制通行时，由于直行车辆无法通行，就会对右转车辆产生影响.因此，在有条件的路口，可开辟右转导向车道，使右转车辆在进入交叉口前离开，这样，在信号放行时，就不会对右转车辆产生任何影响.如图4所示.

例1中，若右转车所占比例为10%,则

东西方向：Z东西=830×90%/2 019=0.37;南北方向：Z南北=520×90%/716=0.66.

综合东西、南北2个方向，通过查表2得知该交叉口服务水平为二级.

3)利用对向车道设置左转车道

一般地，在本方向车辆没有放行时，旁边的对向车道是没有车辆的，一般小型交叉口左转车辆在3辆/信号周期、大型交叉口左转车辆在4 辆/信号周期时需要设置左转专用相位，否则可采用二相位信号控制，即东西放行、南北放行.在这种情况下，可以采用如图5所示方案，提高交叉口通行效率.在二信号相位十字路口采用本设计方案时,要求左转车辆提前通过，因此可在对向车道前设置双白虚线方式，提示直行车辆让行.如果左转车辆数增加，可设置左转专用信号相位，由于增加了左转车道数，可大大提高左转通行效率.

5 结 论

本文综合分析了路段通行能力、设置不同行驶方向后的车道通行能力及设置信号控制后交叉口的通行能力，通过计算分析，得出交叉口的实际通行能力仅仅为路段通行能力的1/3左右，平面交叉口是影响交通通行能力的关键所在.通过实例分析，对平面十字交叉口进行了信号配时、通行能力计算和服务水平评价,提出了改善该交叉口服务水平的具体措施;并对不同措施的改善效果进行了评价.改进后的交叉口服务水平从接近三级提升到二级和一级，证明了改善措施的有效性.

[1]徐吉谦，陈学武.交通工程总论[M].北京：人民交通出版社，2008：120-122.

[2]Transportation Research Board.Highway capacity manual[M].Washington D C:Transportation Research Board,2000．

[3]Transportation Research Board.HCM2010：Highway capacity manual[M].Washington D C: Transportation Research Board,2010.

[4]Federal Highway Research Institute.HBS 2010:German highway capacity manual[M].Koeln:FGSV FGSV Verlag Gmbh,2010.

[5]Japan Road Association.Highway capacity[M].Tokyo:Japan Road Association,1984.

[6]Teply S,Allingham D I,Richardson D B,et al.Canadian capacity guide for signalized intersections[M].3rd ed.Ottawa:Institute of Transportation Engineers,2008.

[7]Akcelik R.Traffic signals:capacity and timing analysis[M].Melbourne:Australian Road Research Board,1981.

[8]Peterson B E,Hansson A,Bang K,et al.Swedish capacity manual[M].Borl Nge:National Swedish Road Administration,1977.

[9]城乡建设环境保护部.城市道路设计规范(CJJ37—90)[S].北京：中国建筑工业出版社，1991.

[10]北京市市政工程设计研究总院.城市道路工程设计规范(CJJ37—2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

(责任编辑 陶立方)

Researchontrafficcapacityofurbanroadrightangleintersection

HU Yongju, SHI Junqing, TAO Jueqiang, LIU Jinli

(CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

The intersections was always the bottleneck of urban road network. The right angle intersection was a typical type of intersections, which was closely related to the urban construction layout. Through studies on lane capacity, no signal control intersection capacity and signal control intersection capacity, means and measures which could improve intersection capacity were put forward in order to meet the requirements of road traffic better and to maximize the traffic efficiency of urban roads.

urban road; right angle intersection; traffic capacity; lane

10.16218/j.issn.1001-5051.2015.04.018

2015-06-20；

：2015-09-06

浙江省自然科学基金资助项目(LQ15E080005);湖北省交通运输厅科技项目(2014-721-3-13)

胡永举(1967-)，男，黑龙江鹤岗人，教授.研究方向：交通规划与管理.

U491.51

：A

：1001-5051(2015)04-0466-07