基于VISSIM的无信号环形交叉口与有信号十字交叉口通行延误情况对比

杨建国

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我国早期为避免交通冲突，在进行交叉口设计时优先考虑使用环形交叉。由于我国早期机动车保有量较少，因此在相当长的一段时期内，环形交叉口设计在城市道路交叉口运用较多。但随着我国经济的迅速发展，城市的机动车保有量急速上升，交通需求急剧增长。环形交叉口通行能力不足的弊端逐渐显露，因此全国各地开始环形交叉口—信号环形交叉口—一般平交口的改造热潮。但环形交叉口有其消灭冲突点以及在一定交通量条件下增加交叉口的通行效率的优点，因此国内外很多学者开始研究在多大的交通量情况下可以采用环形交叉口形式以提高通行效率。

目前国内外大多数研究都是基于间隙-接受理论[1]对环形交叉口的通行能力进行分析，也有部分采取经验回归公式[2]以及仿真模型[3-4]进行研究。本文通过VISSIM对无信号的环形交叉口与有信号的十字交叉口进行仿真模拟，根据仿真所得到的数据分析对比无信号环形交叉口与有信号十字交叉口的通行延误情况。研究以三车道环形交叉口为例，十字交叉口的大小参考环形交叉口进行设置，提出两种不同形式的交叉口所适应的交通量大小。为环形交叉口的设计与改造提供参考。

1 交通特性分析

1.1 无信号环形交叉口交通特性分析

无信号环形交叉口车辆无间断驶入环岛，因此进出口处在交通量较大时，在各个进口道处易发生拥堵。为了解决这一问题，国际上制定了环内车辆以及出环车辆优先行驶的规则，入环车辆需要等待环内车辆的可接受间隙排队入环。但多车道环形交叉口内车辆行驶的优先权并不明显，且国内真正遵守上述规则的车辆并不多，因而造成在无信号环形交叉口车辆相互争抢通行权，使得环岛的交通运行状况变得更加复杂，增加车辆的延误时间，尤其是在高峰时段，还可能造成环岛“锁死”导致交通瘫痪。而在环岛内侧车道，车流跟驰行驶，一般只有合流与出环车辆提前分流，一般情况下内侧车道不会造成车辆大面积延误或者拥堵。

1.2 环形交叉口交通特性分析

环形交叉口未进行信号控制时，车辆无间断地进入环岛与环岛内部车辆发生交织运行。

根据赵小辉[5]的研究成果，内侧车道无车流交织区域，车流运行相对顺畅，更加接近自由流状态，而中间车道与外侧车道受到进、出环岛的交织车流的影响。随着环岛车辆趋于饱和，环岛内车流运行受到车辆交织影响越来越大。

环岛内交通状态变化分析如下：

a）当交通状态处于畅通状况下时，环岛内交通流相互干扰较小，内外侧车道车流均接近自由流状态。

b）当交通状态处于拥堵状况下时，环岛内侧车道交通流所受干扰较小，接近自由流状态，此时内侧车道车流连续稳定运行，而外侧车道受到交织运行的干扰较大。

c）当交通状态处于拥堵状况下时，环岛内侧车道交通流受到干扰较小，但外侧车道受到交织运行的干扰较大，且环岛外侧车辆由于交通堵塞进出环岛困难。

2 VISSIM仿真数据分析

2.1 VISSIM仿真参数及评价指标确定

本文仿真模型中心岛半径取55 m，各入口道均为双向六车道城市道路。假设各入口道输入交通量均相同，确定入环让行，环内优先的行驶规则，主要测试环岛内侧车辆运行延误时间，环岛具体仿真模型见图1。输入车辆车型为小型车、货车以及大客车，3种车型的比例为8∶1∶1。设定小型车期望速度40 km/h，货车期望速度30 km/h，大客车期望速度30 km/h，符合城市环岛路段大部分车辆的运行情况。

图1 环岛仿真模型

图2 十字交叉口仿真模型

设定Wiedemann模型作为仿真研究的跟驰模型。Wiedemann模型是德国Wiedemann教授提出的基于驾驶员心理-生理的跟车模型，其中Wiedemann74适用于城市道路车辆的运行特性。

因缺乏实测数据，研究模型假定环形交叉口各入口道输入交通量均相同。观察两种不同形式的交叉口在不同的输入交通量的条件下车流运行会呈现什么特性。选取车均延误时间、车均停车延误时间、排队长度以及车均停车次数作为交叉口通行状况的评价指标。并将车均运行延误时间作为主要评价指标与《交通工程手册》[6]中规定的交叉口车均运行延误时间与交叉口服务水平之间的关系进行对比。评价不同形式的交叉口的服务水平，见表1。

表1 交叉口通行能力等级

2.2 无信号控制下延误时间随输入交通量的变化

通过VISSIM仿真后得到无信号控制的环形交叉口各方向车均运行延误时间图（图3），各方向车均停车延误时间图（图4），各方向车均停车次数图（图5）以及排队长度图（图6），由于假定各方向的输入交通量均相同，因此本研究选取东方向为入口道。

图3 无信号控制下各方向车均运行延误时间图

图4 无信号控制下各方向车均停车延误时间图

图5 无信号控制下各方向车均停车次数图

图6 无信号控制下排队长度图

2.3 有信号控制下延误时间随输入交通量的变化

通过VISSIM仿真后得到有信号控制十字交叉口各方向车均运行延误时间图（图7），各方向车均停车延误时间图（图8），各方向车均停车次数图（图9）以及排队长度图（图10），由于假定各方向的输入交通量均相同本研究选取东方向为入口道。

图7 有信号控制下各方向车均运行延误时间图

图8 有信号控制下各方向车均停车延误时间图

图9 有信号控制下各方向车均停车次数图

由图中可看出东-北方向（右转）交通车均运行延误时间、车均停车延误时间以及车均停车次数的规律基本相同，东-北方向（右转）的车均运行延误时间、车均停车延误时间以及车均停车次数基本上呈线性增长，且增长速度缓慢，车均运行延误时间基本低于1.5 s，车均停车延误时间基本低于0.2 s，车均停车次数低于0.05次。这是由于在十字信号交叉口右转车辆不受到信号灯的控制，运行过程中只有当直行车辆在等信号灯时的排队长度过长导致专用右转入口堵塞时才会造成延误。因此，在有信号控制的十字交叉口右转行驶的车流时可以顺畅运行。而东-西方向（直行），在单入口道输入交通量小于500 pcu/h时，车均运行延误时间呈上升趋势；当单入口道输入交通量大于500 pcu/h时，车均运行延误时间基本稳定在12～15 s之间，车均停车延误时间基本上低于10 s，车均停车次数少于0.7次。可见在有信号控制的十字交叉口直行方向车辆运行主要受到信号灯的影响，当交通流趋于稳定时，每次放行的交通量和输入的交通量之间达到一个相对的平衡，运行延误时间基本稳定。而东-南方向（左转），车均运行延误时间随着单入口道输入交通量的增长呈现明显的快速上升趋势。当单入口道输入交通量达到2 000 pcu/h时，车均运行延误时间为34 s，通行能力为D级，左转车辆与直行车辆之间的交通冲突是主要致因。可预想当交通量继续增大时左转车流溢出导致直行以及右转等待车道堵塞，最终导致交叉口的瘫痪。

3 结论

根据《公路通行能力手册》[7]中的相关规定，我国交叉口的设计服务水平为二级，即通过交叉口的车均延误时间为15～30 s。由图3及图7中的数据所示，无信号环形交叉口当单个入口道的输入交通量小于1 200 pcu/h时，车均延误时间是低于20 s的，即当整个环形交叉口的输入交通量为4 800 pcu/h时，无信号环形交叉口可以达到二级服务水平。对应表1中的服务水平为C级；对于有信号控制的十字交叉口，考虑延误时间最长的左转车道，当单个入口道的输入交通量为1 500 pcu/h时，左转延误时间小于30 s，可以达到设计的二级服务水平。

对比分析无信号环形交叉口与有信号十字交叉口的延误时间可以发现，当单个入口道的输入交通量小于1 000 pcu/h时，即整个交叉口的输入交通量小于4 000 pcu/h时，无信号环形交叉口的通行延误时间相对来说优于有信号控制的十字交叉口（剔除不受信号控制的右转车流）。但随着输入交通量的增加，无信号环形交叉口的车均延误时间呈现2次方增长，当整个交叉口的输入交通量到达8 000 pcu/h时，车均延误时间超过了70 s，达到了F级的服务水平，这时环形交叉口已处于堵塞状态。反观有信号控制的十字交叉口，车均延误时间随着输入交通量的增长相对均衡，当单个入口道的输入交通量在1 000～1 500 pcu/h时，车均延误时间增长得最快；而当单个入口道的输入交通量为2 000 pcu/h时，交叉口的车均延误时间为34 s（最不利左转运行），服务水平为D级。此时交叉口延误较大，但依然可以通行。

由此可见，当整个交叉口的输入交通量小于4 000 pcu/h时，选用无信号控制的环形交叉口可以充分发挥其减少冲突、增加运行效率的优点。而当交叉口的输入交通量远远超过4 000 pcu/h时，应考虑将无信号的环形交叉口改为有信号的十字交叉口以减少车辆的运行延误时间。