分离式立交地面层交叉口一体化设计方法研究

喻 彪 李妍文 徐良杰

(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司 武汉 430056； 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

随着社会经济的高速发展，机动车交通量的迅速增加，国内外专家学者针对平面交叉口的几何条件，结合交通流特性提出了多种信号控制方法，这些信号控制方法在一定程度上增加了交叉口的通行能力，初步缓解了交叉口拥堵。其中左转车流的优化控制就是一个重要的途径，其形成的研究成果较多，主要对左转车流的交通组织方法进行研究[1-3]，包括左转车流的饱和流率[4]、车道中左转车辆所占比例对交通流的影响[5]等成果。

上述情况是针对平面交叉口进行研究，当交通量继续增大，平面交叉口的交通组织方式依然不能满足节点通行能力要求时，分离式立体交叉(简称“分离立交”)是应对城市拥堵的常用手段。分离立交通过立交桥将远距离的直行交通分离，使直行交通能快速通过交叉口；转向交通通过立交桥下地面层的平面交叉口实现交通转换。现有平面交叉口的交通组织方式往往比较单一。而立交桥下特有的交通环境，其通行能力、延误水平均有较大的改善潜力。首先在交叉口的几何形态上与常规交叉口就有较大的不同，由于高架桥设置的需要，桥下往往会设置中央绿化带或侧绿化带；其次在机动车流量、流向上也有区别，设置高架桥的道路，其直行的交通流大部分由高架桥分流，地面层的直行交通流量减少较多。所以目前交叉口的管控方式未能及时匹配这种独特的平面交叉口，导致交叉口通行能力浪费，延误偏高，环境污染较大。本文从该类交叉口特有的交通环境出发，拟提出一体化组织方法及其信号控制模型，并运用VISSIM仿真，依照Highway Capacity Manual中信号交叉口的评价体系以交叉口服务水平、车均延误为指标进行分析评价。

1 常规控制方法

所谓常规信号交叉口控制方法是指采用2或4信号阶段，利用webster法进行信号配时[6]。根据机动车流量特点选择合适的信号配时方案。

其中采用4信号阶段控制的信号周期较长，通行能力受到各相位有效绿灯时间的限制，尤其是干线上的通行能力往往不能满足。与此同时，由于立交的存在，交叉口的较大部分直行流量被分流到了高架桥上，平面交叉口的左转比例较常规交叉口的左转比例有显著的增大，从而常规控制方法更加难以有效缓解交通压力。

2 一体化方法及信号控制模型

2.1 基于2次停车的交通组织及相位设计

分离式立交地面层交叉口一体化组织方法(以下简称为一体化方法)以左转机动车转化为直行机动车为理念，将交叉口进口道最右侧的直行车道设置为左转专用道并在路口设置相应的停车线、信号控制设施，而之前左转专用道则转变为直行车道。左转车辆首先右转并在停车线后排队等待，然后在绿灯时汇入右方出口车道，并行进一段距离后调头至2次停车区，最后在该停车区等待通行。其交通组织图见图1。

图1 基于2次停车的一体化组织方法交叉口交通组织图

此方法通过左转车辆2次停车与信号控制协调，将左转转化为右转调头与直行，实现交叉口信号控制从4信号阶段变为2信号阶段，以增大左转车的延误为代价，延长了其他相位的通行时间，从而提高交叉口总体通行能力，尤其是干线上的通行能力得到加强；而且由于采用左转2次停车与信号控制协调，对干线交通流的干扰较小。一体化方法有2个信号阶段，每个信号阶段包含途径交叉口冲突区的直行关键车流与不经交叉口冲突区的右转U形调头非关键车流，其信号阶段图见图2。

图2 基于2次停车的一体化方法信号阶段图

为充分利用交叉口冲突区以提高通行能力，根据关键车流制定信号配时方案确定关键相位，在此基础上协调非关键车流的相位以保障交通安全高效运行，一体化方法的信号相位图见图3。

图3 基于2次停车的一体化方法信号相位图

2.2 信号控制参数协调

为充分利用交叉口冲突区，提高交叉口整体效率，需将关键相位中的直行放行时间设置为大于右转U形调头流线的放行时间；并且右转U形调头相位应与相冲突的直行流线相位相协调，一体化方法交叉口的冲突点分析图见图4。

图中:d1为直行车停车线到冲突点A的距离，m；d2

为右转U形调头停车线到2次停车区的路径长度，m；d3为冲突点A与冲突点D间距离，m；d4为2次停车区长度，m。

图4 冲突点分析图

一体化方法的控制模型进行信号配时时，关键相位配时采用webster最佳周期方法，以关键相位配时方案为基础，通过设置合适的绿灯间隔时间协调流线存在冲突点的非关键相位与关键相位，从而确定非关键相位的配时方案，以保证所有驶入交叉口的车辆能安全有效地驶出交叉口。

1) 右转U形调头流线与上一相位绿灯间隔时间确定。当由关键相位2切换到关键相位1时，为保证非关键相位1的右转U形调头首车不与关键相位2的直行尾车冲突，需在关键相位2与非关键相位1间设置绿灯间隔时间I1(单位s)，延迟开启右转U形调头流线的绿灯(见图3)，其计算公式为

(1)

式中：v1为直行车最大速度，m/s。

2) 右转U形调头流线与下一相位绿灯间隔时间确定。当由关键相位1切换到关键相位2时，为保证关键相位2的直行首车不与非关键相位1的右转U形调头尾车冲突，需在非关键相位1与关键相位2间设置绿灯间隔时间I2(单位s)，提前开启右转U形调头流线的红灯(见图3)，其计算公式为

(2)

式中：v2为右转U形调头车最小速度，m/s；Y为黄灯时长，s。

3) 右转U形调头流线最大放行时间确定。当放行的左转调头车辆超过左转2次停车区的容量时，排队车辆将蔓延到路段上造成死锁，产生拥堵，所以左转调头流线的放行时间，即绿灯实际显示时间应小于t1+ee′-ff′。式中：t1为停车区达饱和所需的有效绿灯时长，s；ee′为绿灯前损失时间，s；ff′为“绿灯后补偿时间”，等于黄灯时间减去后损失时间，s；t1的计算公式为

(3)

其中，L为每辆排队机动车平均占地长度，m/pcu；QL为右转U形调头车饱和分流率，pcu/h。

3 基于VISSIM软件仿真评价验证

3.1 一体化方法与常规组织方法的比较分析

影响交叉口运行状态的因素众多，其中以饱和度、左转交通量尤其显著。一体化方法与常规组织方法交通组织差异较大，为找到这2种方法的适用范围，并能相互比较分析，本文以进口路段饱和度和左转比例(左转交通量比左转与直行交通量之和)为自变量，以服务水平、车均延误为评价指标分析一体化方法车模型与常规交通组织方法的优劣。为研究方便，前提假设：

1) 因右转车流不经过交叉口冲突区，为便于分析，不考虑右转车流。

2) 4个方向进口路段饱和度相同。

3) 各进口路段左转比例相同。

为提高可比性，在相同用地规模条件下建立2种方法的VISSIM模型[7]，两模型的路段均为双向六车道，交叉口各向进口道数均为五车道。当左转比例达到30%时，常规组织方法将各进口方向的1条直行进口道调整为左转专用道。

信号配时方面，采用webster最佳周期公式进行信号配时，因在低饱和度至高饱和度的范围内评价交叉口的延误情况，在过饱和情况下将导致流量比总和不小于0.9，从而无法使用webster最佳周期公式，本文结合现实情况以150 s作为最大周期,此外最短周期60 s；一体化方法为有效利用2次停车区提高交叉口通行能力，最大周期设置为90 s。考虑行人2次过街，最短绿灯时间采用15 s。

依据假设条件及上述参数，采用VISSIM进行仿真，以仿真过程中测得通过交叉口的所有车辆的平均延误为车均延误。常规组织方法、一体化方法在不同进口路段饱和度、不同左转比例下的车均延误的变化趋势曲面图见图5。

图5 延误曲面图

由图5可见，一体化方法延误曲面低于常规组织方法的延误曲面。当左转比例与进口路段饱和度同时增加时，常规组织方法的延误急剧增大，超出可接受的服务水平；而一体化方法则能较好适应这种进口路段饱和度、左转比例较高的交通环境，较常规方法延误平均降低约30 s，服务水平有所提高。

一体化方法与常规组织方法车均延误差值的变化趋势曲面图见图6。

图6 延误差值的变化趋势曲面图

由图6可见，进口路段饱和度介于0.25～0.45，左转比例在0%～20%的范围内，随着进口路段饱和度增加，左转比例增加，两者的延误差距显著增大；左转比例超过20%后，延误差距显著减小，究其原因一方面是由于一体化方法中的2次停车区的容量有限，无法有效应对过饱和的左转车流，并且大量左转车并道过程中与直行车辆交织，相互干扰造成延误快速上升；另一方面为左转比例达到30%后，常规组织方法能够将一条直行进口道调整为左转专用道，从而降低延误。

绘制延误关系分析图见图7。

图7 延误关系分析图

控制延误与左转比例关系分析图见图7a)，由图7a)可见，延误差值对左转比例非常敏感。当左转比例超过5%时，绝大部分延误差值曲线超过5 s，最高可达81 s；延误与进口路段饱和度关系分析图见图7b)，由图7b)可见，延误差值曲线对进口路段饱和度不如左转比例敏感，曲线较缓和，大部分延误差值曲线超过20 s，最高可达80 s。其中左转比例为0%时，一体化方法可利用的进口车道数较常规组织方法少。因此，延误较常规组织方法大。当进口路段饱和度超过0.35后，延误差距趋于稳定。

一体化方法中左转车需先右转U形调头才能抵达停车线进而通过交叉口，较常规组织方法额外产生了绕行时间。模型中最大绕行时间接近20 s，将左转车辆的绕行时间计入交叉口总体车均延误中，车均延误最多增加10 s，结合驾驶员习惯等因素，仅当一体化方法的延误显著低于常规方法时才建议采用，本文以20 s为指标。

常规方法延误曲面与一体化方法延误曲面之差在左转比例、进口路段饱和度这2个维度上的投影图见图8。

图8中等高线为等延误差线，等延误差线 “20 s”即代表这条线上所有点的延误差值均为20 s，图中 “20 s”等延误差线右侧区间的延误差值大于20 s。“20 s”等延误差线右侧区间对应的左转比例、进口路段饱和度所围部分为一体化方法显著优于常规组织方法的适用范围，简称“较优适用范围”。

3.2 一体化方法适用性分析

交叉口物理环境上，设置左转U形调头的进口道必须满足车辆最小转弯半径，且进口道至少设置4个。一体化延误参数图见图9。

图9 一体化延误参数图

如图6所示，延误曲面显示延误差最高约为84 s，最小约为18 s，绝大部分在D级服务水平范围以内，约1/3的范围在C级服务水平范围以内。由图9a)可见，延误随进口路段饱和度增加而增大，一体化方法的延误对进口路段饱和度较敏感程度一般；由图9b)可见，左转比例大于20%时，延误对左转比例非常敏感，否则不敏感，随着左转比例与进口路段饱和度同时增加，延误迅速增大。结合上文分析，一体化方法需提供足够容量的2次停车区以存储左转车流，与此同时需妥善解决左转车与直行车交织段的问题，才能更好地应对大饱和度、高左转比例的交通流。与此同时，信号控制方面，为充分利用2次停车区提高交叉口通行能力，一体化方法的信号周期不宜过大，文中VISSIM模型的最大周期建议为90 s。一体化方法自适用范围图见图10。

图10 一体化等延误线图

由图10可见，一体化等延误大部分情况在55 s以内，即D级服务水平范围以内，因此一体化方法对进口路段饱和度及左转比例有较大的弹性空间；约1/3的范围在35 s以内，即C级服务水平内，所以等高线“35”与坐标轴围成的区域为一体化方法自适用范围。

综上所述，叠加“较优适用范围”与“一体化自适用范围”得到一体化方法的适用范围为: 等延误差线“20”与等延误线“35”所围成的区域见图11。

图11 一体化方法适用范围图

4 实例验证

现以武汉市二环线-解放大道宗关交叉口为例，二环线是武汉市环线快速通道，南北走向，在该交叉口的上下游均设有匝道，大量车辆经交叉口转向进出解放大道。二环线地上为路中式双向六车道高架桥，地面为双向六车道，并在交叉口处拓宽。解放大道是东西向的主要干道，双向八车道，路中设置有轻型轨道交通高架，并结合轻型轨道交通高架桥墩拓宽交叉口。经调查，该交叉口信号周期132 s，共4个相位，绿灯间隔时间6 s、黄灯3 s，晚高峰小时交通量为6 222 pcu/h，东、南向交通量较大，各方向左转比例均较高，在25.9%～58.3%之间。除西进口道延误为D级服务水平，其余各方向延误级服务水平处于E、F级。其中北进口直、左放行绿灯时长24 s，不足以有效清空直行车流，虽设有右转专用道，但北进口的直行车辆仍堵塞右转车辆，从而北进口道直行与右转车车均延误高达84.4 s。交叉口延误较大，亟待改善。该交叉口信号周期长，各相位有效绿灯时间短，不足以应对现有交通量是交叉口延误大的主要原因，在不拓宽进口道的情况下，采用常规交通组织方法难以有效改善延误状况。该交叉口的交通量、延误调查等数据表见表1。

表1 二环线-解放大道宗关交叉口高峰小时交通量、延误表

以实际交通调查获得的各进口道的交通量、转向比例、饱和流率等信息为基础，通过反复地仿真试验对路径设置、让行规则、驾驶行为等参数进行修正，使建立的常规交通组织方案仿真模型与实际交通特性吻合。然后利用上述参数建立一体化仿真模型。

利用现有进、出口道，并压缩安全岛设置右转U形调头专用道，按一体化方案布置车道。东进口因左转交通流较大，右转交通流较小，除按一体化方案布置车道外，将右转专用道及其进、出口道改为左、右转混行，并在出口道末端增设右转U形调头车道及信号灯，使其也能供左转车使用。二环线-解放大道宗关交叉口一体化方法交通组织图见图12。

图12 武汉市二环线-解放大道宗关交叉口实景图

根据上述一体化方法以及交叉口控制理论方法进行周期试算，在仿真过程中以试算周期为初始值反复调整直至合理，一体化仿真模型的信号周期为68 s，相位1与相位3的绿灯间隔时间为6 s，相位1与相位4的绿灯间隔时间I1为18 s，I2为-3 s，相位2与相位3的绿灯间隔时间I1为18 s，I2为-5 s，黄灯均为3 s，东西、南北向直行绿灯时间均为28 s，东西、南北向右转U形调头绿灯时间均为27 s，且27 s小于左转2次停车区达饱和绿灯时间，信号配时图见图13。最后利用VISSIM对一体化方法进行仿真，输出评价仿真结果，其与实际延误对比表见表2。

图13 一体化方法信号配时图

表2 仿真与实际延误对比表 s

由VISSIM仿真软件输出的仿真结果可知，一体化方法的计绕行时间的交叉口总体车均延误为37.8 s，较交叉口现状总体延误减少25 s，降低了39.8%；东、南进口道的左转流量延误改善有限，加上绕行时间后高于原有延误，其余各进口车均延误均有不同层次的减少，并且干线延误降低明显,交叉口服务水平由E级提高至D级。通过以上评价指标比较，尽管一体化方法较复杂，对信号控制机要求较高，但其改善效果显著。

5 结语

本文对比分析了常规组织方法与一体化方法的优势范围，并且通过仿真探讨了一体化方法的适用条件。最后结合实例验证了本文提出的一体化方法的有效性，通过VISSIM仿真结果，表明该方法及其信号控制模型提高了交叉口的通行能力，降低了延误、提升了服务水平，获得了更好的交通效益。仿真结果也表明该方法在路段饱和度-左转比例的适用范围内时，不仅适用于分离式立交地面层交叉口，也是适用于有足够物理空间的交叉口，比如进口道设有较宽的中央绿化带的交叉口。然而，与常规信控方法对比，一体化方法较复杂且与驾驶习惯有较大差异，对驾驶员行车诱导要求较高，需在管理、诱导方面继续深入研究，以保障交通安全有序运行。