桂林市北极广场区域交通组织优化设计

2020-01-10谷雨航郑长江张小丽

贵州大学学报(自然科学版) 2020年1期

谷雨航，郑长江，张小丽

( 河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098)

近年来，伴随着桂林市人口不断增长以及经济的不断发展，桂林市居民的机动车和非机动车保有量在以飞快的速度增长，而城市道路容量是有限的，很多设计早已达不到设计年限的使用时长[1]，无法满足如此庞大的车辆需求。在城市交通中，交叉口汇集了各个方向的车流，车流在这里进行交织等一系列复杂的交通行为。桂林的交通拥堵问题并非例外，全国乃至全世界都在为解决有限的城市交通资源问题献计献策，其中也涌现了不少杰出的研究。

根据交通组织优化的基本原理，在区域内选取关键交叉口，结合各进口道交通量情况，分析现状渠化以及现状配时的合理性，并进行渠化改造和配时设计，最后通过VISSIM软件对优化后的方案进行评价，而后进行方案比选，选取最佳方案。

1 研究背景

1.1 研究意义

在我国经济欠发达区域，因经济发展缓慢，造成其交通基础建设滞后，而通过合理的交通组织以弥补这一缺点是最有效的手段。在桂林，因其特殊的文化政治原因，且受地形等因素限制，小型交叉口较为常见。交叉口内范围有限，在这些较小的交叉口内，同时发生着车辆交织、合流、冲突等一系列交通行为。这对桂林市各交叉口都是一个不小的挑战，因此，交叉口的优化设计显得尤为重要。将城市划分为各个重点区域，将优化后的节点放入区域微循环中，从大局出发，对关键节点进行细化改造，是治理城市交通症结的关键。

1.2 国内外研究现状

国内相较于国外，对交叉口内交通组织研究较迟，在对交叉口冲突研究方面早期阶段，王海星[2]、Sacchi[3]等人在当时交通发展略显滞后的情况下对交通冲突技术进行研究，并通过数学建模的方法评价交叉口的安全性。而不仅仅局限于利用交通事故统计方法进行安全评价。曾静康[4]、CHEN[5]等人基于网络模型，得到了一组关键的交通参数，并利用这些参数对交叉口进行评价，识别出延误最长的交叉口。陈宽民、罗志忠[6]等人分析左转交通流特性，在空间和时间上分离左转车，为禁左理论奠定了基础。景春光、王殿海[7]、SUN[8]等人对交叉口内机非混行状态下的交通流特性进行深入剖析，创造了机动车相位滞后理论。石飞[9]等人对交叉口右转车进行调查，提出了为后人所熟知的“禁右”理论，并分析其可行性。马万经、李晓丹[10]等人利用GIS软件，结合计算机和数学建模，对单点信号控制交叉口实现了智能化控制。

国外对交叉口内交通流组织研究较早，已经存在系统性的理论和规范。Al-Madani[11]基于点层和线层研究交通改善策略，发现有效的方案实施必须是在简历路网的前提下。Ewadh Hussein A[12]等在交通冲突理论的四相位基础下提出了左转专用相位理论。Chowdhury.M[13]对禁左可行性提出质疑，发现禁左硬质设施在欧洲并未施行。Cipriani和Fusco[14]认为禁限措施存在局限性，并圈定了禁限措施的适用范围必须基于路网。

1.3 研究目标

根据实地调查获得的交通量，选取关键节点交叉口，根据实测数据评价现状交叉口，找出其症结所在。根据问题进行交叉口渠化以及信号方案设计，对设计方案进行比选，确定最佳的关键节点设计方案。

2 区域性交通影响分析

2.1 区域影响性分析

从整个路网来看，圣隆路交叉口以及环城北一路-圣隆路交叉口周边旅游景点、商铺、住宅区等交通吸引源较多，且均由连接桂林市南北的主干路组成，是整个区域交通的咽喉所在。

圣隆路交叉口北接桂林北站，汽车客运北站等大型交通枢纽，坐拥芦笛岩、雷劈山等闻名遐迩的风景名胜景区，因此，该环岛北进口承担着外来游客前往桂林进行游览的通道的重要角色。其也与芦笛景区直接相连，芦笛景区作为桂林的标志性旅游景点，每年吸引着大量的游客前来游览，且因为其与市区依靠圣隆环岛相连，因而进出芦笛景区的车辆必须经由圣隆环岛，继而造成北进口和西进口交通任务繁重。

环城北一路-圣隆路交叉口位于桂林市区偏北部，该交叉口西进口紧挨圣隆环岛，圣隆环岛紧连芦笛景区等桂林市周边各个闻名遐迩的景区，因此来往车流较多。同时，该交叉口与环城北一路-中山北路交叉口直接相连，该交叉口由两条交通量巨大的主干道组成，因此，涌入该T型交叉口的车辆交织严重，路段拥堵明显。

2.2 路网影响性分析

圣隆路交叉口连通九华路和环城北一路，车流于此交叉口进行分流，一路经由环城北一路向东行驶进入桂林市主城区，一路经由九华路向西北方向进入桂林市北部城区，因而圣隆路口是分离车流进出主城的关键节点所在。

环城北一路-圣隆路口连通中山北路，中山北路是贯穿桂林市南北的主干道，且环城北一路是桂林市重要的环城路，区域内的环城北一路联通东西，因而在环城北一路-圣隆路T型交叉口做好良好的交通组织，对车辆进行合理的引导和分流，能有效地缓解整个片区乃至城市的交通拥堵。

结合上述分析，得出圣隆路交叉口及环城北一路-圣隆交叉口是制约区域内交通顺畅的关键所在，因而将上述交叉口作为区域内关键节点，研究希望通过优化关键节点以缓解区域内交通拥堵，通行效率不高等问题，进而实现良好的区域交通微循环。

3 关键节点现状问题分析

3.1 圣隆路环岛现状问题

3.1.1区域性交通组织问题

该交叉口位于桂林主城区西北方，连接桂林市南北，紧邻中山北路南北主干道，北接全国著名旅游景点——芦笛景区，南接芦笛路，是连接城内外的重要交叉口。交通压力较重，因此来往车辆较多，对该路口的交通需求较高。

3.1.2瓶颈性问题

1)该交叉口沿线分布着燕湖美食一条街等众多餐厅，且周边分布较多的居民住宅区，进出小区和美食街的车辆严重干扰主路交通，对主路行车造成较大的干扰。

2)由于该交叉口停车线设置得较为靠后，导致斑马线长度较长，行人乱穿马路现象严重，对主路行车造成较大干扰。

3.1.3局部性设计问题

1)交叉口几何设计问题

由于环岛面积较少，导致车辆在转弯时需进行减速，使得车辆在环岛通行不畅，再加之圣隆环岛特殊的区位因素，有许多大车流经此环岛，使得车辆在环岛的延误较大，车辆行进缓慢。

2)车道功能划分不合理

该交叉口东进口道仅划分两条车道，每条车道宽4.6 m，非机动车行车道宽6.6 m，车道空间资源分配不均，因而造成东进口出现车辆排队现象。

3)渠化设计不合理

①各进口道未对左转车和右转车进行空间及时间上的分离，因此，由于当前的各进口道右转机动车均不受信号控制，对向进口道的左转车在左转转入车道中与进口道的右转车在车辆的交织的过程中会停车减速，进而造成延误增加。

②该交叉口未对机动车和非机动车进行空间上的分离，在机动车右转时易造成机非混行，加大了行车延误且不利于行车安全。

3.2 环城北一路-圣隆路交叉口现状问题

3.2.1区域性交通组织问题

由于该交叉口紧邻环城北一路-中山北路交叉口，该交叉口由环城路和连接城市南北的主干路组成，交通量巨大，且与下游交叉口间距较小，因此造成下游交叉口较为拥堵。

3.2.2瓶颈性问题

1)物理瓶颈：由于上游交叉口特殊的区位因素，且该交叉口距离上游交叉口较近，由于上游交叉口庞大的交通需求，导致下游交叉口堵车严重。

2)动态瓶颈：该交叉口南进口周边店铺众多，且由于非机动车车道较宽，机动车占用非机动车道停车现象较严重，对非机动车行车造成较大阻碍。

3.2.3局部性设计问题

1)交叉口几何设计问题

该T型交叉口并非直角正交，因此该交叉口面积过大。由于该交叉口南进口和东进口车辆左转需求较大，而左转弯半径却较小，因此车辆转弯困难。

2)渠化设计问题

①该交叉口车道秩序较为混乱。在东进口，左转机动车对该进口道中间的直左车道的利用率不高，因而造成一定程度的空间浪费。

②该交叉口车辆冲突区域较为明显。西进口右转专用车道位于绿化带内侧，绿化带内侧机非混行。西进口的安全岛面积较大，但是该岛未能对车辆行进路线进行合理的引导。

③交叉口空间资源分配不合理。现状交叉口停车线设置得较为靠后，且为斜交而非正交T型交叉口，较大的交叉口面积使得车辆行驶时间、行人过街时间较长，造成交叉口通行效率低下。

④行人过街设施设置不合理。现状交叉口行人斑马线长度达到了32 m，且未设置二次过街等行人安全过街设施，因而行人过街存在较大安全隐患。

⑤交通管理问题。东西直行的非机动车自主性较大，由于缺乏科学的标志标线引导，使得非机动车错道行驶，对机动车行车造成干扰。

4 关键节点交叉口交通组织优化设计

4.1 渠化设计

4.1.1圣隆路交叉口保留环岛渠化方案1

各进口道均将停车线前移，机动车和非机动车道用硬质护栏相隔，对各行车道进行拓宽，机动车各进口道为3.5 m，停车线前2 m处设置斑马线，将道路中央分隔绿化带向前延伸，为行人安全过街所用，保障行人过街安全。

北进口增设一组绿化带，做成八字开口式，引导非机动车驶入驶出行车道。东进口和西进口增设月牙形安全岛，引导机动车右转的同时也分离了机动车和非机动车。

交叉口整体改造如图1所示。

图1 圣隆路交叉口整体改造图1Fig.1 Overall reconstruction drawing 1 of Shenglong Road intersection

4.1.2圣隆路交叉口拆除环岛渠化方案2

拆除中央环岛，在交叉口内增设车辆导流线，引导车辆驾驶行为。由于中央移除了环岛的车道线，因而可以进一步压缩交叉口面积，缩短车辆过街时间。其余各进口的渠化方式与方案1相类似，如图2所示。

4.1.3环城北一路-圣隆路交叉口机非分离渠化方案1

西进口变原本面积较小的安全岛为三角形渠化岛，机动车和非机动车由护栏隔开。南进口将停车线前移，变原斜交T型交叉口为正交T型交叉口。增设一条左转机动车道和一条左转非机动车道，增设安全岛，增设非机动车停车让行标志，机动车和非机动车由护栏隔开。

图2 圣隆路交叉口整体改造图2Fig.2 Overall reconstruction drawing 2 of Shenglong Road intersection

东进口将原直左车道变为直行车道，增设左转等待区，解决车辆左转半径不足的问题，且对进口道和出口道进行拓宽。

交叉口整体改造如图3所示。

图3 环城北一路-圣隆路交叉口整体改造图1Fig.3 Overall reconstruction of Huancheng North 1st Road Shenglong Road intersection Figure 1

图4 西进口改造图Fig.4 Reconstruction drawing of West entrance

图5 环城北一路-圣隆路交叉口整体改造图2Fig.5 Overall reconstruction of Huancheng North 1st Road Shenglong Road intersection Figure 2

4.1.4环城北一路—圣隆路交叉口分离右转渠化方案2

西进口设计将右转机动车于护栏内侧右转，提前分离右转机动车，避免其驶入交叉口，右转机动车和非机动车由护栏隔开，西进口改造如图4所示，交叉口整体改造如图5所示。

4.2 信号配时设计

4.2.1圣隆路交叉口基于四色原理信号配时设计1

为简化计算，采用直行当量法进行计算。

设计将各进口道右转车流纳入信号控制范围内，根据韦尔奇·鲍威尔(Welch Powell)着色法[15]，对交叉口进行信号配时设计。

相位设计时序如图6所示，在每一个相位后均会出现3 s的黄灯以及3 s的全红，用于清空交叉口内的车流，总周期时长为135 s。

相位第一相位第二相位第三相位相位状态绿灯时长/s305334黄灯时长/s333全红时长/s333周期/s135

图6 圣隆交叉口设计相序图
Fig.6 Design phase sequence of Shenglong intersection

行人过街时间检验[16]：

行人过街检验合格，因此该信号控制方案可行。

4.2.2圣隆路交叉口限制右转信号配时设计2

仍然采用直行当量法进行计算，考虑到东出口道仅有两条，而高峰小时内东出口道涌入的车流能达到750辆/h，因此，对西进口右转车启用信号控制，减少东出口道车辆的拥堵。

相位设计时序如图7所示，每一个相位都会有3 s的黄灯以及3 s的全红，总周期时长为90 s。

相位第一相位第二相位第三相位相位状态绿灯时长/s211833黄灯时长/s333全红时长/s333周期/s90

图7 圣隆交叉口设计相序图
Fig.7 Design phase sequence of Shenglong intersection

行人过街时间检验：

行人过街检验符合标准，因此该信号控制方案可行。

4.2.3环城北一路-圣隆路交叉口重设相序信号配时设计

由于南进口左右转车辆均较多，因此增设一条左转专用车道，设置两条受交叉口信号控制的专右车道，且给予南进口的右转车辆较多的行驶路权，使南进口的右转车行驶时间横跨第二和第三相位。

相位时序图如图8所示，第四相位为南进口左转非机动车保护相位。

行人过街时间检验：

相位第一相位第二相位第三相位第四相位(非)相位状态绿灯时长/s36562310黄灯时长/s3330全红时长/s2220周期/s140

图8 环城北一路-圣隆路交叉口设计相序图
Fig.8 Design phase sequence diagram of the intersection
of North 1st ring road and Shenglong Road

行人检验合格，因此该信号控制方案可行。

5 设计方案分析与评价

5.1 仿真评价

5.1.1圣隆路口仿真评价

通过VISSIM软件对优化后的圣隆路口方案1和方案2进行评价，数据对比如图9所示。

图9 圣隆路交叉口优化前后延误对比图Fig.9 Comparison of delay before and after optimization of Shenglong Road intersection

由图9可知，方案1和方案2相较于现状，信控延误均有降低，方案1延误降低了约37.1%，方案2延误降低了约58.7%，方案1优化后交叉口服务等级为C，方案2优化至服务等级B，经过平均延误数据综合对比，方案2更优。

5.1.2环城北一路-圣隆路交叉口仿真评价

通过VISSIM软件对优化后的环城北一路-圣隆路口方案1和方案2分别进行评价，数据对比如图10所示。

由图10可知，优化后的方案1和方案2较现状相比，延误均有降低。方案1将该交叉口的平均延误降低了约32.6%，方案2降低了约33.6%，方案1和方案2均将原交叉口优化至服务等级D。综合对比，方案2更优。

图10 环城北一路-圣隆路交叉口优化前后延误对比图Fig.10 Comparison of delay before and after optimization of Huancheng North 1st Road Shenglong Road intersection

5.2 交通安全评价

5.2.1圣隆路口交通安全评价

本设计方案从以人为本的角度出发，将三个进口道的停车线均前移，从而减少延误与冲突点的数量。本设计将绿化带前移，做成行人安全岛，供行人二次过街使用，充分考虑了行人步行速度与车辆行驶速度不匹配的特性，最大程度地保障了行人的安全。增设渠化岛，从而引导非机动车行车轨迹，减少了因非机动车与机动车交织而产生的冲突，减少了事故发生概率，综合对比，方案2更优。

5.2.2环城北一路-圣隆路交叉口交通安全评价

本设计方案1西进口渠化岛引导非机动车右转，同时保障行人过街安全。方案2西进口渠化岛分离了直行和右转车辆，使得右转车提前右转，减少了右转车合流时的冲突。综合对比，方案1实现了机非分离，因而从安全角度来看，方案1更优。

5.3 社会经济效益评价

5.3.1圣隆路口社会经济效益评价

此次优化改造设计了两种方案，一种是拆除环岛，一种是不拆除环岛。两种方案对交叉口的服务水平均有提升，对西进口和东进口均设置平面式安全岛，行人过街的过程中并未增设行人安全岛，而是将分隔进口道和出口道的绿化带的一部分作为安全岛使用，发挥绿化带的最大功效的同时也节约了成本。与方案2相比，方案1并未对交叉口基础设施进行大面积改造，因此方案1更优。

5.3.2环城北一路-圣隆路交叉口社会经济效益评价

现状交叉口是斜交交叉口，有较多土地资源未被利用，交叉口显得较为空旷，因而造成了城市用地资源的浪费。优化后的交叉口使得交叉口内土地得到了充分利用。方案2在车辆的平均车速上得到了提高，因而减少了因延误造成的直接和间接损失，因此方案2更优。