基于VISSIM仿真的交叉口优化设计方案研究——以北京市金台路交叉口为例

张舒沁

(北京工业大学 北京 100124)

一、交叉口概况

交叉口是城市道路网中的瓶颈，是制约道路通行能力的咽喉，决定着城市道路系统通行能力、行程时间、行车延误和营运效率及安全。在交叉口处，机动车、非机动车、行人之间的干扰较多，因此，如何科学地规划、设计城市道路平面交叉口及合理地进行交叉口信号配时显得尤为重要。

金泰路交叉口为金台路与朝阳北路交汇形成的交叉口。朝阳北路是北京一条东西走向的城市主干道路，是出入市区东部地区的重要交通走廊之一，也是北京CBD地区的北部边界道路；金台路位于朝阳区西部，北起朝阳区北路，南至朝阳路，与西大望路贯通，两条道路均为该地区主要道路。且该交叉口为平面十字型交叉口，四周有医院、居民区、地铁站、公交车站等场所，对人流、车流都有极大的吸引。

二、交通调查与分析

(一)调查数据分析

1.机动车

(1)机动车交通组织冲突区域

根据实地观察可以分析出，由于信号灯的四个相位将直行和左转车流在时间上分离了，而非机动车和行人也是在直行信号灯绿灯亮时给予通行权。因此，交叉口冲突仅在右转车辆与直行车辆，右专车辆和行人、非机动车之间存在。

(2)通行能力分析

①直行车道的通行能力2.2～2.4s

参考多种有关研究资料，其通行能力可以采用(1)式：

N直=3600nK〔(t绿-t首)/t间+1〕/t周

(1)

式中:

N直——直行车道的通行能力,辆/h;

t绿——信号周期内绿灯时间，S；

t首——绿灯亮，第一辆车起动通过停止线的时间s，按有关统计一般采用2.2～2.4s；

t闸——车辆通过停止线的平均间隔时间，s，据观测，小型车为2.5s，大中型车为3.5s，城市交叉口按已换算小型车采用2.5s；

K——考虑通行的不均匀性和其它一般干扰因素的修正系数，一般取0.86～0.9；

n——直行车道数；

式(1)中，(t绿—t首)为信号周期内有效绿灯时间，(t绿—t首)/t间为绿灯内通过停止线的时间间隔数，〔(t绿—t首)/t间+1〕为绿灯时间内通过车辆数，再乘以每小时周期数(3600/t间)和修正系数，即为车道通行能力。

可算得东西向通行能力：C=2226v/h南北向通行能力：C=1700 v/h

②左转车道的通行能力

设置有专用左转车道的入口，当设有无交叉冲突的信灯相位时，其通行能力计算与直行车相同，即：

N左=3600K〔(t绿-t首)/t间+1〕/t周(辆/h)

(2)

但考虑到左转车一般较直行车驶条件差，(2)式中修正系数K 值应取低值。

可算得东、西进口左转车道通行能力：C=224 v/h

南、北进口左转车道通行能力：C=500 v/h

③右转车道的通行能力

右转车辆一般在交叉口内不与各向车辆交叉而产生干扰，即无交叉冲突点，而按我国交通管理规则，大多数城市不对右转车辆进行信号灯管制，仅用交通标志限速缓行。此时，右转车辆可按连续车流考虑，故右转车道通行能力一般按(3)式间单计算：

N有=3600K/t间(辆/h)

(3)

式(3)中符号意义与前述同。

其中车辆平均间隔时间t间考虑到路口缘石半径大小对车速的影响，其取值范围为2.5～3.0s,缘石半径大时取小值,缘石半径小时取大值。

此外，目前国内已有个别城市对右转车辆设置信号控制(如深圳市)以避免右转车与过街行人的冲突和相互干扰，增加行人过街的安全性，此时，右转车道通行能力计算与直行车相同，即：

N右=3600K〔(t绿-t首)/t间+1〕/t周(辆/h)

(4)

式(4)中符号意义与前述同

可算得右转车道通行能力：C=1032 v/h

因此，交叉口通行能力：

C东= C左+C直+C右=2226+224+1032 =3482 v/h绿

C南= C左+C直+C右= 1700+500+1032 = 3232v/h绿

C西= C左+C直+C右= 1700+224+1032 =2956 v/h绿

C北= C左+C直+C右=2226+500+1032 =3758 v/h绿

(3)服务水平的确定

上一部分已求出通行能力，则车道组的复合度(V/C)为：

北进口左转：V/C = 216/500 = 0.41

直行：V/C = 459/1700 = 0.55 右转：V/C = 204/1032=0.16

东进口左转：V/C = 268/224 = 1.40

直行：V/C = 1071/2226=0.63 右转：V/C =82/1032=0.06

南进口左转：V/C = 266/500 =0.39

直行：V/C = 546/1700= 0.33 右转：V/C =192/1032=0.15

西进口左转：V/C =162/221 =0.85

直行：V/C = 780/2226=0.49 右转：V/C =110/1032=0.08

2.非机动车

根据实地考察，金台路交叉口在东南方向的人行道上，在地铁站旁设有公共自行车网点，该网点的容量为30个锁车器。由于处于地铁口附近，所以具有很大一部分的租赁人群。据观察该网点在租赁中会遇到锁车器损坏的状况，但是未遇到租赁不到车辆或者找不到锁车器的状况。在金台路交叉口的东北方向和西北方向各设有自行车停车场，两个停车场利用率高。

金台路交叉口在三个方向的道路上都设有自行车专用道，均设置绿化带将其与机动车道分隔开，确保机动车与非机动车分开，避免了机动车与非机动车之间的冲突，保障了非机动车的安全行驶，为非机动车提供了良好的骑行环境。还有一个方向设有机非混行道路，道路较宽，也同样在一定程度上保障了行车安全。

金台路交叉口的非机动车情况同样也发现了许多的问题。在非机动车的过街过程中，在没有非机动车左转道的情况下，出现了许多交叉口对角斜穿的违规现象，同时一定程度的影响了交叉口机动车的通过。也由于道路施工，影响了非机动车道的宽度，自行车大量涌入机动车道，而且此机动车道标牌是机动车道，同时地面上又画有非机动车道的标志，此车道应为机非混行道路，标识标线的不明确也导致了机非之间的冲突。

综上可知，非机动车在此交叉口具有重要的作用。它具有解决“最后一公里”的作用，同时也促进附近居民和上班族的低碳出行。

因此可知，金台路交叉口东西走向车流量大，可以对其专用道的设施进行优化设计。

3.行人

在金台路交叉口，过街时行人会根据期望线行走，自动越过等候区域，直接在路中等待。并且北进口道与南进口的人行横道与道路有夹角，行人会不自觉的沿着道路方向走出人行横道。

通过对交叉口高峰小时交通量的分析，可以看出东进口道和北进口道的人流量较大。在周一早高峰时，东进口道的人流量较其他三条车道的行人过街流量明显增多。

根据以上的分析，充分说明行人过街存在着一定的问题，所以需要对金台路交叉口的人行横道进行优化设计。

4.公交

经过实地到站观测，本小组共记录了东进口道(南北两侧)以及南进口道(东西两侧)的4个公交站台的15余条公交线路的乘客登降量情况，并且在每个站台都进行15min(共三个周期)的观测记录。

在金台路交叉口附近的公交线路乘客登降量较为平均，从整体观察上车人数相对下车人数较多，但是由于乘客登降总数较交叉口内的行人量还是存在较大差距，且上下车乘客对于交叉口的影响甚微，故本小组得出结论金台路交叉口附近公交站对于该交叉口整体通行基本没有影响。

(二)交叉口现状问题剖析

通过实地考察以及统计分析观测数据，本小组提出并归纳总结了交叉口现状存在的问题，有以下几点：

(1)各个方向上的延误和排队长度也并不理想。

(2)东进口道左转车辆数多，但只有一条左转专用道。

(3)北进口道右转车流量大，存在着行人、非机动车与右转机动车之间的冲突问题。

(4)交叉口北出口道处停车位距交叉口过近，机非冲突严重。

(5)西出口道辅路的标线与功能划分不明确。

(6)由于金台路交叉口处于完成施工初期，故其交叉口四个方向的控制行人过街的信号灯还没有设立完备处于待设状态，这也直接导致该交叉口行人的过街无序化，进而制约了该交叉口的行车顺畅性。

根据(1)的问题，可以基于现状的各个方向的机动车高峰小时流量、道路条件和信号配时等条件，对信号配时进行合理调整；根据(2)和(3)所总结的问题，本小组提出将对其车道功能重新划分或者将车道进行拓宽与改善这两种方法，来进行调整与改善；根据(4)～(6)所分析的现状的问题，得到交叉口的渠化也需要优化。

三、交叉口优化设计

(一)方案一

1.信号配时优化

(1)信号配时计算：

道路饱和度：ρd1 d2=Mmax(ρd1，ρd2)

冲突区饱和度:ρ=ρd1 d2+ρd3 d4

其中：M——入口最大通行能力，或称饱和流量，v/h；

f——道路交通量，v/h；

ρ——饱和度；

l——损失时间，s；它由该相位通过的车辆启动、加速与通过停车线时间之和加上黄灯时间所构成，可以通过观测与计算得到其近似值。一般情况下可取4～7 s，对转弯车辆、上坡及车况差时，取大值。

(2)优化后的信号配时方案：

从机动车流量的调查数据分析，考虑到东进口流量较大，可以对交叉口信号配时重新计算(计算中保持损失时间不变，调整信号周期，该路口相位仍需采用四相位)，可得出新的配时方案，信号配时优化方案如下：

表1 信号配时计算表

用新配时之后，路口服务水平有了显著提高，四个方向进口道的相应到达服务水平达到了C、D、E、D，行车条件也有一定程度的改善。

2.交通组织优化设计

(1)现状问题：路口交通需求接近饱和，延误较大

利用我国的计算信号交叉口通行能力的方法，分别计算金台路口各进口道每个车道组的通行能力C，得到高峰小时流率与通行能力的比值，即v/c。然后，通过得到的v/c，对每个进口车道的车辆延误进行测算，分析各进口道的高峰小时流量、延误以及服务水平，我们可以得出结论——东进口道左转车流量较大，V/C超过临界值1.3，车道运载能力接近饱和，造成较大的延误，因此需要专门针对东进口左转车流进行交通组织优化——增设可供通行的左转车道，在尽量不影响直行车流的情况下，增加左转车道的通行能力，降低道路负荷度，提高交叉口通行效率。

(2)方案提出：一条直行车道改为直左，右转专用车道改为直右

东进口道现状车道宽度为一条左转专用车道、三条直行车道、一条右转专用车道。左转和直行车道宽度为3米，车道宽度较窄，无法增设一条左转专用车道。因此，在尽量不影响直行车流的前提下，将一条直行车道改为直左，相对应地，将原有的右转专用车道改为直右。

对比发现，左转车道的服务水平仍保持在D，但直行车道的服务水平有了明显提高，从D提高到A，右转车流的通行仍然较为顺畅。因此本方案没有到达优化左转交通组织的目的，但对右转和直行交通通行状况有明显改善。

3.渠化优化设计

(1)西进口辅路道路优化设计

交叉口西出口道有一条机非混行车道。这条道路具有非机动车流量大、右转和掉头进入此车道的车流量多等特点，加大了机动车与非机动车之间的冲突。所以需要对这条车道进行优化，用来改善机动车与非机动车的冲突，增强道路安全指数，提高道路服务水平。

西出口道展宽段的机非混行车道的约为11米，对其进行重新设置。重新设置划分为3.5米一条的两条机动车道和一条3.5米的非机动车道，中间用护栏将其分隔开。将其用护栏分隔开的人行道和非机动车道都划分为人行道，利用护栏也将其与非机动车道分隔开。

优化后既保障了机动车与非机动车之间的安全畅通，也增加了人行道的宽度，增强了行人行走安全。使非机动车、机动车和行人的交通环境得到了改善，提高了道路的服务水平。

(2)设置行人二次过街安全岛

通过调查发现，交叉口西侧及东侧没有设置行人二次过街设施，在行人实际由北到南通过交叉口过程中，由于信号时长过短、道路过宽，导致行人经常会在一个绿灯时间结束后，停留在机动车道两侧的绿化带旁等待下一个绿灯时间，继续过街，这不仅对行人安全造成了很大的隐患，也对道路通行能力造成了影响。

规范说明，在道路宽度超过30m时，应设置行人二次过街安全岛。所以在西进口道及东进口道道路中线旁的人行横道上，设置行人过街安全岛，由于实地面积的限制，行人二次过街安全岛采用标线形式，尺寸为长8米、宽1.3米。一次信号灯时间未能通过交叉口的行人可以在安全岛上等待过街，减少行人与机动车的冲突，同时增加了交叉口的安全性。

(3)增加信号倒计时牌

通过实地考察，发现路口随同向机动车绿灯信号过街的行人，在信号末期过街时，不知道绿灯信号是否即将结束，往往刚跨出人行道后绿灯信号便切换成黄灯信号，且在行人过街途中转换成红灯信号，此时相交道路车辆启动，行人被阻于人行横道上，毫无安全保障。同时，由于实际情况中行人信号灯多有损坏，这样提升了发生交通事故的概率，又造成混行现象严重，大大影响了交叉口秩序，降低了交叉口通行能力。所以应在信号灯上设置倒计时牌，提醒行人和非机动车、机动车驾驶员绿灯时间。这样可以解决行人对信号灯绿灯剩余时间的判断失误，有效地缓解行人过街的时间紧张感。

(4)设置左弯待转区

通过调查发现，由交叉口西侧朝阳北路向金台路行驶的路段及东侧向甜水园街左转的路段，虽然有左转车道，但没有左转待停区，无法满足大量左转车辆的通行需求，少数车辆会占用直行车道等待左转信号。

在交叉口西侧及东侧左转车道上延伸20米设置左弯待转区，增加路口左转弯车道的蓄车量，减少驾驶员通过路口的等待时间，提高灯控路口通行能力。

(5)设置人行横道

由于施工等原因，交叉口西侧路段缺少人行横道，对行人过街造成很大影响。如图设置人行横道方便行人过街，提高行人过街安全性。

(6)减少交叉口附近停车位

交叉口北出口道旁有部分停车位，占据了非机动车道的大部分面积，对非机动车及行人通行造成了严重阻碍。

减少交叉口范围内的13个车位，减少对非机动车道的占用，使非机动车可以顺利通行，提高安全性，减少非机冲突。

(二)方案二

1.信号配时优化

通过对现状问题的分析，明确了现状信号配时与各流向交通需求不匹配是造成该路口交通秩序度差，通行效率较低的原因之一。

该信号优化配时方案是在晚高峰的调查数据基础上设计的，各进口的右转车流均不受信号控制。

第一相位，只允许东西进口的直行车辆通行，同时允许行人东西向过街。

第二相位，允许东西进口的左转车辆通行，各方向行人均禁止通行。

第三相位，只允许南北进口的直行车辆通行，同时允许行人南北向过街。

第四相位，允许南北进口的左转车辆通行，各方向行人均禁止通行。

在进行配时方案的优化设计时，考虑到东西方向作为主要干路金台路交叉口的节点，因此需要较大的绿信比来保证东西进口的通行能力，故方案中采用的配时策略，最大限度的满足了东西进口直行车流的通行时间。

2.交通组织优化设计

交叉口西、南、北进口道方向车流通行较为顺畅，但东进口左转流量较大，左转的交通需求与现状的车道布置不相匹配。建议将绿化带压缩，向北扩充出一条车道，并改成双左转车道，直行车道仍为三条、右转专用道为一条。东进口左转车道服务水平由交通组织优化前的D改进为C使左转车流通行更顺畅。

3.渠化优化设计

(1)渠化安全岛

•现状问题：针对北进口道存在着行人、非机动车与右转机动车之间的冲突问题，采用设置渠化安全岛进行交通渠化优化。

•设置内容包括：

在朝阳北路-金台路交叉口西北角的位置，设置转交交通岛，兼做行人过街安全岛。

①转角红线后退2.5米，设置西北角的人行道，将相交道路的人行道连接起来，提高行人在交叉口的交通安全。

②去除原有两处的栅栏设置，在辅路部分设置非机动车专用车道，在原有基础上加宽非机动车道，机非分隔形式改为标线分隔，连接相交道路的非机动专用道，规范并限制非机动车的行驶范围。

③转角部分的右转车道加宽至4米，曲线半径为25米。交通岛至西北侧人行道设置人行横道标线和右转车辆停车线。车辆驶出转角部分后，汇入西侧出口道的辅路机动车道。西侧出口到辅路机动车道宽8米，东进口道辅路机动车道宽4.5米，且通过东进口道辅路机动车道直行的机动车流量非常小，集中在每五分钟0-3辆。因此西侧出口的辅路机动车道宽度满足北侧右转车流和东侧直行车流的需求，且两股车流的冲突不大，因此对辅路机动车道不再划分多条车道。

④相对应地将甜水园街在交叉口范围的人行横道从与东西方向呈20度调整为与东西方向平行，符合行人的期望线，提高行人过街安全。直行和左转车流的停止线平行于人行横道，距离1米。相对应的双黄线和车道分隔线延长至停止线。

交通岛(包括实体交通岛和交通岛尖端的标线)两边分别长19米、12米，实际面积在110平米左右。

(2)设置行人二次过街安全岛

交叉口西侧设置标线型行人二次过街设施，提高行人过街安全，也规范和限制了行人在人行横道上停留的范围，减少行人和机动车的冲突。由于东侧已经在西北转角处设置了导流岛兼做行人过街安全岛，因此在道路中线位置不再设置标线型行人二次过街安全岛。

(3)设置左弯待转区

交叉口西进口道向金台路左转的路段，设置左转待转区，满足大量左转车辆的通行需求。根据交通组织优化方案，设置两个左弯待转区。增加路口左转弯车道的蓄车量，减少驾驶员通过交叉口的实际距离，提高路口的通行能力。

(4)设置人行横道

由于施工等原因，交叉口西侧路段缺少人行横道。设置人行横道方便行人过街，提高行人过街安全性。

(5)减少交叉口附近停车位

交叉口北出口道旁有部分停车位，占据了非机动车道的大部分面积，对非机动车及行人通行造成了严重阻碍。

结论

结合vissim所做的方针评价，对两种的交叉口优化设计方案的优点及缺点进行总结对比，并根据交叉口优化设计的目标和策略，对优化措施的实际使用效果进行评估，综合分析，可以发现方案二的优化设计方案使该交叉口的交通秩序得到更为明显的改善。