基于VISSIM的上游交叉口设计及仿真

陈志芳+马晓旦+赵亚东

摘 要：交叉口是城市交通运行是否畅通的关键节点，而左转车流是交叉口引起冲突最多的一个流向，因此左转车流交通组织方式显得尤为重要。现阶段的左转组织方式已不能满足日益增多的交通需求，因此非传统交叉口应运而生，上游交叉口是其中一个典型的代表。文章针对上游交叉口从交叉口的模式、空间设计、信号控制设计三个方面来进行研究，并用VISSIM仿真将其与传统交叉口进行对比分析，结果证明：在左转交通比例较大的时候，上游交叉口的车均延误和排队长度均低于传统交叉口，显示出一定的优越性。

关键词：上游交叉口；空间设计；信号控制设计；延误；排队长度

中图分类号：F570 文献标识码：A

Abstract： Intersection is a key point to the traffic jams， and left-turns cause the most conflicts， therefore left-turns organization is becoming more and more important. Nowadays organization methods of left-turns cannot meet the increasing traffic demands， thus unconventional intersections are designed， upstream signalized crossover intersection is one of the typical designs s of the unconventional intersections. We study the upstream signalized crossover intersection about three aspects， including pattern， space design， signal control design. It is analyzed by VISSIM， compared with the traditional intersections. The results show that the delay and queue length of upstream signalized crossover intersections are lower than traditional intersections when the percentage of left-turns is high， and upstream signalized crossover intersections are superior to the traditional intersections.

Key words： upstream signalized crossover intersection； space design； signal control design； delay； queue length

0 引 言

交叉口是城市交通能否畅通的关键节点，而左转车流不仅是交叉口引起冲突的主要车流，也影响着直行方向主要车流的通行，所以左转车流的交通组织设计显得非常重要。现有的左转交通组织设计主要包括左转专用车道和左转专用相位，分别在空间与时间上来减少左转车流引起的冲突。这些方法在交叉口流量非饱和情况下能取得较好效果，而在饱和情况下时，这些方法已难以达到预期效果。因此，一些高效的非常规平面交叉口组织方式的运用显得十分必要。

针对日益增长的交通量需求，国内外已经对非常规交叉口左转交通组织的革新有了一定的研究，其中比较常见的设计方案有：环岛、U形远引左转，壶柄形、象限形（Quadrant Roadway Intersection，QRI），连续流交叉口（Continuous Flow Intersection，CFI）、并行流交叉口（Parallel Flow Intersection，PFI）和上游信号交叉口（Upstream Signalized Crossover Intersection，USC）。本文以上游交叉口为研究对象。

M. E. Esawey等针对上游信号交叉口，利用VISSIM仿真分析其在早高峰、午高峰及晚高峰三個高峰时段的车均延误，并将之与传统平面交叉口进行对比，实验结果表明：上游信号交叉口在高峰段内能明显降低交叉口的车均延误。

M. elEsawey等利用VISSIM对连续流交叉口、上游信号交叉口和传统交叉口在不同流量场景下的运行性能进行了对比分析，实验结果表明：当流量较低，中等和偏高时两种非传统交叉口能产生相似的控制效果。

1 上游交叉口模型

上游交叉口是在路口上游通过信号控制将驶入路口的直行和左转车流一起转移到对向直行车流的出口道最左侧，而右转车流有独立的专用车道。以西进出口道为例，各流向车流交通组织如图1所示。与传统交叉口相比，上游交叉口的目的是将左转、直行车流与对向直行车流引起的冲突点提前到路段上，从时间上提前分离冲突流向，减少主交叉口的冲突点数，提高交叉口安全。此时主交叉口左转车流与对向直行车流不存在冲突，其信号相位可从传统的四相位减少为两相位，即东西向先放行然后南北向放行，如此减小了损失时间，降低了车均延误，提高了交叉口的通行能力。

2 上游交叉口设计

2.1 空间设计

2.1.1 二级交叉口设计

在距离主交叉口L的上下游设置二级交叉口，在路段上提前从时间上分离左转车流和对向直行车流的冲突。其中L的取值大小关系到上游交叉口的整体运行性能，若L过小则易造成排队溢出，若L过大则线控效果较差。因此，L取值由路段平均速度及周期最大排队长度综合计算得到。

左转车道在二级路口时要进行拓宽设计。设计主要包括三个方面：拓宽方式、宽度、长度设计，具体设计要求如下：（1）拓宽方式设计。本文在二级路口处拓宽交叉口左转进口道，同时设有专用左转、右转车道。（2）拓宽宽度设计。拓宽宽度需由交通需求和一个周期内最大排队长度综合确定，为进口车道宽度的整数倍。（3）拓宽长度设计。车道拓宽总长由展宽段l和展宽渐变段l组成，l由一个周期内进口道最大停车排队长度计算，l由设计车速和横向偏移量综合计算。

2.1.2 主交叉口设计

主交叉口设计主要考虑的是交叉口与路段供需的不平衡，当交叉口通行能力低于路段时易造成瓶颈。其中主要设计内容有：进出口车道数设计、车道宽度设计、车道功能划分、车道拓宽设计等，具体设计细节以下文的案例为参考。

2.2 信号控制设计

信号控制用于在时间上分离冲突车流，减少延误，提高通行能力，因此信号控制设计显得尤为重要。交通信号控制设计内容有：信号灯类型、数量、方法、信号相位相序等，本文信号控制设计主要从如下三个方面考虑：信号灯的配置设计、信号相位方案设计及协调信号控制设计。

2.2.1 信号灯的配置设计

如图2所示，交叉口共设有5组信号灯，其中主交叉口和二级路口各设有1组信号灯。主交叉口处的信号灯用于在时间上分离东西向车流和南北向车流的冲突。二级交叉口处的信号灯，用在时间上分离左转、直行车流和对向直行车流的冲突。

2.2.2 信号相位方案设计

二级交叉口旨在将左转、直行和对向直行车流的冲突点提前到路段，因此主交叉口的信号灯相位可由四相位控制减少为两相位控制，二级路口的信号灯相位也设为两相位信号控制。上游交叉口的信号相位方案设计如图3所示。

2.2.3 协调信号控制设计

双向协调控制包括同步式协调控制、交互式协调控制和续进式协调控制，本文交叉口采用简单的续进式协调控制，即上游交叉口系统采用同一个周期时长，一样的两个信号相位。其中主交叉口与二级交叉口的相位时差由两者间的距离与设计车速确定，该相位差要使得车辆以设计车速行驶时，能够不停车等待连续通过2个交叉口。

3 案例分析

3.1 仿真设计

如图4所示，左图为本文设计的上游交叉口，右图为城市传统平面交叉口，以这两个交叉口为研究对象，利用VISSIM仿真进行对比分析。两种交叉口进口道均设有2条左转专用车道，2条直行车道和1条右转专用车道。传统交叉口采用标准四相位控制，上游交叉口采取两相位控制，其中右转渠化均不受信号灯控制。

为考察两种交叉口在不同交通状况下的差异，仿真实验场景设计如下：（1）假定各进口道的交通需求相同，进口道流量分别取400veh/h、600veh/h、1 000veh/h、1 500veh/h、2 000veh/h，分别代表自由、顺畅、繁忙、拥堵、过饱和5种交通状况。（2）仿真时长设为3 600s，且左∶直∶右车流转向比例固定不变，分别为0.3∶0.6∶0.1。（3）实验不考虑慢行交通对交叉口的影响。

3.2 评价指标

评价交叉口运行性能的指标有很多，如延误、行程时间、排队长度、通行能力等。本文选取信控路段车均延误（包括直行、左转），排队长度（包括直行、左转）为交通效益评价指标，综合反映车辆在仿真环境下路口的运行状况。

3.3 结果分析

（1）如图5所示，当单个进口道交通量大于800veh/h 时，上游交叉口总延误低于常规交叉口，且随着交通量的上升，这种优势依然保持。

（2）如图6所示，当左转交通量较低（单个进口道左转交通量<200veh/h）时，常规交叉口的延误要比USC 型交叉口小，但是随着左转交通量的上升，USC型交叉口的延误明显比常规交叉口少。

（3）如图7所示，USC型交叉口在上游路段增加了二级交叉口，增加了直行车辆的行驶距离和停车次数，可能会增加其延误。但VISSIM模拟结果显示，当单个进口道直行交通量大于580veh/h 时，直行延误比常规交叉口小，且随着直行交通量的增长，两者之间延误差异更为明显。

（4）如图8所示，上游交叉口排队长度（包括直行、左转）均小于传统平面交叉口，且随着流量增加，控制效果优势越明显。

4 优缺点分析

4.1 优 点

通过对USC型交叉口运行原理及仿真模拟的研究，该非常规交叉口相比于常规交叉口有如下优点：（1）减少主路口的冲突，提高交叉口整体运行的安全性；（2）交叉口信号配时由传统四相位减为两相位，降低了延误，提高了通行能力，适合于左转直行流量均较大的路口。

4.2 缺 点

USC型交叉口还处于不断完善的阶段，存在着一些不足：（1）由于上游交叉口车流组织的特殊性，难免会让驾驶员产生困扰。所以需在二级路口设置标志和车道导向箭头加强对车辆运行的引导，减少驾驶员的误操作；（2）由于要设置独立的右转专业车道，并设置二级交叉口，占地较大，造价较高，不适用于用地强度较高的城市中心地区。

5 结束语

目前国内外学者针对上游交叉口的研究已经取得了一些成果，但大多是基于仿真得到的机动车性能优化结果，缺乏相应的评价指标模型和实际应用，仍然存在许多不足，但其应用前景广阔。笔者在研读了国内外相关文献的基础上，简要地概括了USC型交叉口尚待进一步研究的问题，以期相关研究人员能从中得到启发，从而更好地展开对USC型交叉口的研究工作。

（1）USC型交叉口的交通组织方式与常规交叉口有很大的不同，为了该交叉口的运行顺畅，有必要进行标志标线设置和信号配时的研究。

（2）本文对USC型交叉口的模拟进行了一些理想化的假定，如不考虑行人过街对交叉口的影响、各进口道交通量相同、左右转固定比例不变。今后的研究需进一步对真实的交叉口运行状態进行模拟研究。

（3）如何结合我国混行交通量大的特殊国情，将上游交叉口进行本土化改造。

（4）本文只对USC型交叉口和常规交叉口进行了比较，有必要将其与其他类型的非常规交叉口，如连续流交叉口、并行流交叉口等进行比较，分析各自的优缺点及适用范围。

参考文献：

[1] Tabernero V， Sayed T. Upstream Signalized Crossover Intersection： An Unconventional Intersection Scheme[J]. Journal of Transportation Engineering， 2006，132（11）：907-911.

[2] 顾九春. 平面交叉口左转交通组织革新设计的进展及启示[J]. 中外公路，2006，26（4）：224-227.

[3] Esawey M E， Sayed T. Unconventional USC intersection corridors： evaluation of potential implementation in Doha， Qatar[J]. Journal of Advanced Transportation， 2011，45（1）：38-53.

[4] Esawey M E， Sayed T. Comparison of Two Unconventional Intersection Schemes： Crossover Displaced Left-Turn and Upstream Signalized Crossover Intersections[Z]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board， 2007.

[5] 刘旭东，邹纪元. 基于VISSIM仿真的USC型交叉口通行能力研究[J]. 现代交通技术，2012，9（4）：57-61.