城市道路平面交叉口优化设计与评价方法探讨

柴皓

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉430056）

1 引言

随着城市基础设施网络不断完善和城镇化持续推进，道路工程作为重要的交通枢纽，其建设步伐也日益加快。不同等级的城市道路相互交错，在设计期间多条道路难免会产生交叉口。道路之间的平面交叉口属于各种车辆及行人集散地，其设计质量的好坏直接干扰路网的正常运行。如果平面交叉口设计不当可能会造成严重的交通拥堵现象，影响行车安全性和舒适度，严重情况下可能造成局部路网的瘫痪[1]。为了改善道路服务水平，应当根据实际交通量级规划需求，通过渠化和信号控制方案两方面对平面交叉口展开优化。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。

2 道路平面交叉口类型及适用性

道路平面交叉口通常是指2条或2条以上道路在同一平面的相交位置，属于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。

2.1 平面交叉口类型

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，详见表1。

表1 道路平面交叉口类型

2.2 平面交叉口适用性

不同类型交叉口适用性的情况也并不相同，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、工程造价等因素综合考虑，并开展技术性和经济性对比，以确定最优的平交口方案。笔者以交通组织方式为依据，总结了无信号、有信号及环形平面交叉口使用工况如下[2]。

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2种方式，前者要求交通量＜800 pcu/h，后者要求交通量＜800～1 500 pcu/h。

2）有信号灯控制交叉口

该平面交叉口是通过信号灯来对交叉口进行控制，确保车辆不出现拥堵，周期性强，在交通流组成复杂，且交通量较大的城市道路中取得了广泛应用。

3）环形交叉口

环形交叉口是布置在平面交叉口的中间，总交通量不宜过大，一般＜2 000 pcu/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路口或美化城市环境。

3 道路平面交叉口优化思路和原则

3.1 平面交叉口优化思路

经济水平的迅速发展使车辆的增长速率和交通需求远超过道路提供的交通供给，加剧交通供需矛盾，必须对道路平面交叉口交通进行优化处理。平面交叉口的优化思路是从宏观交通组织和微观交通组织2个方面入手：前者要求交通流在时间上要削峰填谷，空间上控密补稀；后者要求平面交叉口的信号控制灯要提高车辆通行效率或采用一定的渠化措施来充分利用平交口空闲时间和空间[3]。

3.2 平面交叉口优化原则

1）交通分离

不同流向、不同种类交通流应在各自的空间行驶，如行人不得在机动车道漫步、机动车不得在非机动车道行驶等，以提高车辆的通行效率，降低各种类型交通流发生冲突的可能性。

2）交通负荷均匀

平面交叉口在交通优化期间应对交通流进行疏导，确保各路段交通压力不会达到峰值。即：将交通负荷较大路口的交通流转移到交通压力小的路口，尽量使交通负荷均匀分布，避免某一路段交通压力过大而导致拥堵。

3）方便出行

平面交叉口的交通组织优化不能单纯地为了方便道路管理，而是应当以方便市民出行为主要原则。由于相同的路面范围内，不同类型的交通流对交通需求是不同的，甚至是相互矛盾的。因此，在进行平交口交通组织时应首先弄清楚按照行人、非机动车、机动车的交通需求，并在此基础上换位思考，分析不同交通流的路权分配是否合理。

4）动静交通组织结合

传统的道路平面交叉口通行资源配置往往是基于静态交通组织方案，没有考虑到车辆行驶期间路网各节点交通流负荷的变化，也就无法根据交通流的流向对不同节点的交通压力进行动态调整，这样，平面交叉口发生交通拥堵的可能性大大提高。

4 道路平面交叉口的优化设计

4.1 平面交叉口渠化设计

1）渠化设计原则

城市道路平面交叉口在开展渠化时应遵循以下几方面的原则[4]：第一，简洁明了。交叉口的渠化方案应简洁明了，便于理解，否则会大幅提高交叉口的危险性。第二，满足规范要求。交叉口范围内各种标志标线、交通岛的颜色、尺寸必须严格遵循相关设计规范，禁止任意修改。第三，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。第四，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）渠化设计阶段划分

道路平面交叉口渠化就是利用交通标志、导流线、交通岛等措施来引导交通流，确保（非）机动车、行人等能互不干扰，安全有序前行。平面交叉口渠化设计过程比较复杂，主要可划分成交通调查阶段、渠化设计阶段、方案确定阶段。各阶段的具体工作内容见表2。

表2 平面交叉口渠化设计阶段与内容

3）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、平面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和上游各进口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、地形地势等因素确定，以避免行驶车辆的轨迹冲突。

4）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。

4.2 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，还应该确保相位之间有序衔接。优化时的几个要点阐述如下：第一，不同相位之间尽量保持时间上的连续性；第二，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；第三，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，宜选择先直行后左转的相序；第四，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，受交通量干扰程度大。交通量过小时信号配时周期短，影响行车安全性。交通量过小时信号配时周期长，行车等候时间长，使得平面交叉口通行效果差[6]。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，笔者基于延误时间、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软件中的粒子群优化算法对其进行求解。

5 道路平面交叉口的评价方法

道路平面交叉口优化设计效果好坏必须选取合适的评价指标和评价方法。

1）平面交叉口评价指标

平面交叉口设计相关的参数较多，没有必要全部考虑进来，应分清主次，否则会大幅增加评价工作量和评价成本[7]。平面交叉口的评价指标应按照交叉口类型选择，可参考表3。

表3 道路平面交叉口评价指标

2）平面交叉口评价方法

道路平面交叉口的评价方法可采用价值分析法。该方法计算简单，适用性强，先根据指标的重要性程度来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。具体可按式（1）计算：

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进行打分得到。

6 结语

在总结道路平面交叉口类型和适用性的基础上，分析了平交口的优化设计思路、原则及渠化、信号控制等内容，并提出了平交口评价方法，主要得到以下几个方面的结论：（1）城市道路平面交叉口优化时应考虑设计小时交通量、交通组成、自然条件、工程造价等因素，并开展技术性和经济性对比；（2）平面交叉口优化时应坚持交通分离、交通负荷均匀、方便出行、动静交通组织结合等原则；（3）平面交叉口的优化设计主要从机动车渠化、非机动车道渠化、信号灯控制等方面着手，并采用价值分析法对其优化效果进行评价。