城市道路平面交叉口优化设计与评价研究

梁大贵

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081

随着城市基础设施网络的不断完善和城镇化的持续推进，道路作为重要的交通枢纽，建设步伐也日益加快。不同等级的城市道路相互交错，设计期间多条道路难免会产生交叉口，而道路之间的平面交叉口是各种车辆和行人的集散地，其设计质量直接影响路网的正常运行。如果平面交叉口设计不当，可能会导致严重的交通拥堵，影响行车安全性和舒适度，严重的情况下可能造成局部路网的瘫痪[1]。为了提高道路服务水平，应根据实际交通量级规划需求，利用渠化和信号控制方案两方面对平面交叉口进行优化。因此，研究平面交叉口优化设计与评价方法具有十分重要的工程意义和社会价值。

1 道路平面交叉口的类型及适用性

道路平面交叉口通常是指两条或两条以上道路在同一平面相交的位置，是各种类型的交通流集散地，与单条道路交通特性有明显区别。只有在充分理解各种类型平面交叉口适用性的前提下，才能更好地针对平面交叉口提出优化措施。

1.1 道路平面交叉口的类型

道路平面交叉口根据其功能、平面相交形式、道路数量、交通组织方式等可划分为多种类型，如表1所示[2]。

表1 道路平面交叉口类型

1.2 道路平面交叉口的适用性

不同类型的交叉口适用性的情况也不相同，在选择平面交叉口时应对设计小时交通量、交通组成、自然条件、工程造价等因素进行综合考虑，并开展技术性和经济性对比，以确定最优的平面交叉口方案。笔者以交通组织方式为依据，总结无信号、有信号及环形平面交叉口的使用工况，具体如下[3]。

（1）无信号灯控制交叉口。无信号灯控制的平面交叉口通行能力小，服务水平低，包括不设置控制或者优先选择控制两种方式，前者要求交通量小于800pcu/h，后者要求交通量在800～1500pcu/h。

（2）有信号灯控制交叉口。此类平面交叉口是通过信号灯对交叉口进行控制，确保车辆不拥堵，周期性强，在交通流组成复杂且交通量较大的城市道路中得到了广泛应用。

（3）环形交叉口。环形交叉口布置在平面交叉口的中间，总交通量不宜过大，一般小于2000pcu/h。环形交叉口内的车辆是沿着同一方向行驶，能确保车流的连续性，但工程造价较高，通常用于左转交通量较大的路口或为美化城市环境而设计。

2 道路平面交叉口的优化设计

为了提高城市道路平面交叉口的服务水平，应对其开展优化设计。平面交叉口优化设计的关键是在空间和时间2个维度上高效分离交叉口内的交通流，空间交通优化主要是在交叉口进行渠化设计，时间交通优化是在平面交叉口内加强信号相位和信号配时的控制[4]。

2.1 道路平面交叉口渠化设计

交叉口渠化指利用交通标志、导流线、交通岛等设施引导交通流，确保机动车与非机动车、行人等互不干扰，安全有序通行。

（1）渠化设计原则。城市道路平面交叉口在开展渠化设计时应遵循以下原则：①简洁明了。交叉口的渠化方案应简洁明了，便于理解，否则会大幅度提高交叉口的危险性。②满足规范。交叉口范围内各种标志、标线及交通岛的颜色、尺寸等应严格依据相关设计规范，禁止任意修改。③保证视距。道路交叉口范围的驾驶者与行人必须有足够视距，如果交叉口附近的植物、市政设施妨碍了驾驶者与行人视距，应当及时拆除。④美观醒目。平面交叉口范围内的渠化设施宜与自然景观相协调。

（2）渠化设计方法。①机动车道渠化。城市道路机动车道的优化涉及进口车道、出口车道、交叉口内部渠化等内容。进口车道渠化一般是进行车道拓宽，具体措施包括外加平行车道、压缩中央分隔带等；出口车道渠化应尽可能与上游各进口车道同一相位流入的最大进口车道数相匹配；平面交叉口内部渠化通常是利用白色导流线，适用于行驶条件复杂的交叉口。导流线形式应综合考虑车流量、地形地势等因素，以避免行驶车辆的轨迹冲突。②非机动车道渠化。城市道路非机动车道渠化方法包括设计非机动车左转专用车道、停车线前移等。在非机动车道上设置左转专用车道的标志，可以保证非机动车跟随机动车的左转车流通过交叉口，在一定程度上减轻了道路交通拥挤现象；在交叉口处将非机动车道的停车线前移，能确保绿色信号灯亮时非机动车先驶进平交口，减小机非车辆在转向时的冲突碰撞。

2.2 道路平面交叉口信号控制

交叉口的信号控制内容包括信号相位和信号配时两方面，其中信号相位方案是信号配时的前提，信号配时是信号控制的最终目标[5]。

（1）信号相位方案。道路平面交叉口信号相位设计既要考虑不同相位间的组合，还应确保相位之间有序衔接，优化时需注意以下要点：①不同相位之间尽量保持时间上的连续性；②直行相位和左转相位不宜与另一方向的直行相位和左转相位相接；③如果拓宽车道进口左转车辆多，宜选择先左转后直行的相序，如果直行车辆多，则宜选择先直行后左转的相序；④左转与直行轨迹长度不等的车道，应避免相位尾首过渡时段车辆在交叉口拥堵。

（2）信号配时。目前，道路平面交叉口信号配时主要基于Webster信号模型，受交通量干扰程度深。若交通量过小时信号配时周期短，会影响行车安全性；若交通量过小时信号配时周期长，则行车等候时间长，使平面交叉口通行效果差。同时，Webster信号模型考虑的因素不够全面，仅以“车辆延误最小”为指标，配时效果还可以进一步优化。鉴于此，基于延误时间、停车次数、周期时长等参数提出一种多目标配时优化模型，并利用MATLAB软件中的粒子群算法对其进行求解，具体工作步骤如图1所示。

图1 信号配时优化模型

3 道路平面交叉口评价

评价道路平面交叉口优化设计效果时需选取合适的评价指标和评价方法。

3.1 道路平面交叉口评价指标

平面交叉口设计相关的参数较多，没有必要全部考虑，应分清主次，否则会大幅增加评价工作量和评价成本。平面交叉口的评价指标应按照交叉口类型选择，如表2所示。

表2 道路平面交叉口评价指标

3.2 道路平面交叉口评价方法

道路平面交叉口的评价可采用价值分析法。该方法计算简单，适用性强，是先根据指标的重要性程度赋予单项指标相应的权重，再加权计算出平面交叉口的总价值，具体计算式如下：

式中：V为平面交叉口的总价值；wi为交叉口单项评价指标价值；vi为交叉口单项评价指标权重，可邀请相关领域的专家打分得到。

4 结论

文章在总结平面交叉口类型与适用性的前提下，探讨了平面交叉口的优化设计与评价方法，得出如下结论：（1）平面交叉口可根据其功能、相交形式、道路数量、交通组织等划分，确定交叉口方案前应进行技术性和经济性对比；（2）平面交叉口应在遵循简洁明了、满足规范、保证视距、美观醒目的原则下，对机非车道进行优化；（3）平面交叉口信号控制可基于多目标配时优化模型，并利用粒子群算法求解；（4）平面交叉口评级可用价值分析法，对评价指标的选择应结合具体的交叉口形式。