城市道路平面交叉口交通组织优化设计

姬利娜， 晏永廷， 晏 子

(1.昆明理工大学 交通工程学院， 昆明 650093；2.安阳工学院 机械工程学院， 安阳 455000；3.曲靖市公安局交通警察支队, 曲靖 655000；4.曲靖市公安局麒麟分局交通警察大队， 曲靖 655000)

0 引言

平面交叉口作为城市路网结构的重要节点，直接影响着整个路网的通行能力和服务水平[1]. 由于交叉口独特的几何特征和在道路交通中的关键作用，各种交通参与者，包括机动车，非机动车，行人等交通流在此交汇，道路交叉口通行能力的有限与交通参与者对服务水平较高的要求，使得交通冲突点不可能完全消除，导致交叉口内车辆与车辆、车辆与行人之间相互干扰，严重时造成交通拥堵甚至交通事故. 另外，由于车辆在交叉口区域会频繁地停车、加速与减速，不仅增大油耗，浪费能源，而且使汽车尾气排放量增加，环境污染加剧[2-3]. 因此，分析和研究平面交叉口的交通组织优化设计，对于缓解交通拥堵，改善交叉口的运行状态有重要的意义.

在城市建设基本成型的情况下，有2种办法可提高路网交通的通行能力，一是通过改造路网、拓宽道路等工程措施减少或消除影响畅通的因素；二是通过交通标志、标线、信号灯等交通设施对路口、路段进行科学渠化，明晰路权，优化交通信号配时，引导、均衡交通流量，挖掘现有道路资源的通行能力，从而提升整个路网的通行效率[4]. 本文通过实地调查，在对平面交叉口交通特性进行分析的基础上，提出相应的交通组织优化措施，并结合云南省曲靖市翠峰东路(文昌街)与书院路(园林路)交叉口的调研数据, 利用微观仿真软件VISSIM对改善前后的通行效率指标进行对比，以评价交叉口交通运行状况的改善程度.

1 平面交叉口的交通特性

1.1 平面交叉口交通特征

在交通工程学上，城市道路交通管理是由人、车、路、管理和交通环境等要素组成的复杂系统，而交叉口作为城市道路交通的“瓶颈”区，在时间和空间上，分别呈现出交通量分布不均匀和交通流通行空间狭窄的特征，加之各种不同交通流之间的相互干扰与交织，其交通特性尤其复杂，主要交通运行特征包括：交通流量和密度大、各种交通流之间干扰严重、交通量在时间上分布不均以及交通设施集中等.

平面交叉口是车辆和行人等多种交通流聚集的地方，从交通流之间的交织方式以及交通流的行驶方向等进行分析，可将交通流行驶迹线的交织点分为分流点、合流点以及冲突点3种. 若不考虑信号控制和交通管理对冲突点数量的影响，各种类型的平面交叉口的冲突点数量如表1所示[5].

由表1可看出，平面交叉口处每增加1条相交道路，其内部冲突点数目都会明显增加，发生事故的可能性也将增大. 城市道路中大多数交叉口是四路交叉口，因此研究四路交叉口具有广泛的代表性.

表1 各种类型的平面交叉口的冲突点数量

1.2 平面交叉口的交通运行效率评价指标

交通运行效率评价指标一般有：实际通行能力(或者服务水平)、饱和度(实际到达交通量与通行能力之比)、行程时间、延误、停车次数、停车率、排队长度及油耗等. 在一定道路条件下，有信号控制的交叉口的通行能力受周期时长的影响较大，在正常周期时长范围内(一般为180 s)，周期越大，路口的通行能力越大，但油耗和延误也会随之增加[3]，而且车头时距会逐渐增大并形成断续流，造成绿灯时间的浪费. 因此，周期时长应该与路口交通量以及安全的要求相匹配，尽可能让延误、停车次数、油耗等指标达到最小，同时又获得较好的通行效率，这样既能保证道路通畅，又能降低车辆的运行成本.

1.2.1 平均延误

由不可控因素所造成的车辆运行状态中的时间损失均称为延误. 行车延误的发生大多在交叉口处，延误是一个影响因素十分复杂的指标，涉及交叉口的几何设计与信号配时的各个方面，一般来说，普遍采用平均停车延误作为评价多路交叉口延误状态的指标[6].

1.2.2 排队长度

排队长度是指交叉口中因为车辆遇红灯或者前方拥堵行驶受阻所造成的车辆排队的平均数. 若车辆排队等待长度过长，而交叉口间距又比较小，容易导致车辆溢流至上一个路口，从而导致道路拥堵，车辆通行效率低下.

1.2.3 停车次数

停车次数是评价信号控制交叉口交通效益的指标之一. 平均停车次数指的是在1个信号周期内，通过交叉口的车辆由于受信号灯控制而停止行驶的总次数的平均值. 车辆频繁的停车、起动不仅影响交叉口的通行效率，而且加重环境污染[7].

2 平面交叉口交通组织优化方法

在城市道路的平面交叉口的交通组织优化管理实践中，一般是通过交通渠化、信号控制等手段对交叉口各种不同的交通流(包括机动车流，非机动车流，行人流等)进行诱导与控制，并与交通设施和周围环境更好地协调，从而实现道路交通运行的高效化、秩序化和规范化[8].

2.1 交通渠化

交叉口渠化设计的核心是分离交通流，减少冲突点，避免交通流之间的互相干扰，对解决平面交叉口的交通拥堵问题尤为有效. 交通渠化的关键内容包括车道渠化、交通岛、人行横道等.

2.1.1 车道渠化

机动车道的渠化设计主要是车道宽度和车道数的确定以及展宽段、渐变段的处理等[9]. 设计要点如下：

1)路段与路口通行能力的匹配

交叉口进口道的导向车道数应多于相连的上游路段车道数，具体数量根据实际流量和路口宽度而定. 出口道的车道数应大于或等于其中任一相位入口车道数，而且要与下游路段车道数相匹配.

2)按照实际的车型比例确定车道宽度

进口道的车道宽度在3.0 m左右，车道过宽易发生小车变道与抢道，导致事故；出口道宽度应大于3.0 m或与路段宽度一致，这是因为出口道车速较高. 在交叉口无法增加路宽的情况下，可适当压缩车道宽度、侧宽，撤去或移除中央隔离带等方法来增加进口道数目.

3)车流行驶的平顺性与安全性

展宽段长度按照1个周期的停车需求设定；渐变段长度按照设计车速确定. 为保证行车轨迹的连续性，可在交叉口内设置导流线.

2.1.2 交通岛和人行横道

交通岛是控制引导车辆行驶、保护行人安全而在道路上设置的岛状设施. 通常用混凝土路缘石等围砌，高出路面10 cm以上. 人行横道的位置、间距要适当，尽可能地靠近交叉口，并尽量与车行道垂直，从而缩短行人过街的步行距离. 当人行横道过长(大于15 m)时，为了缩短行人过街时间，确保过街行人安全，应在行人过街横道中间设置行人安全岛，其宽度应大于1.5 m.

2.2 信号控制

信号控制主要是信号配时方案的设计. 首先根据各时段的流量资料和车道渠化方案，确定合理的相位相序，同时根据调查所获得的设计车速、饱和流量等确定绿初、绿末的相位损失时间、绿灯间隔时间、最小绿灯时间等时间参数，计算信号周期时长，绿信比等[10]. 若是干线交通信号协调控制，还需计算相位差.

3 案例分析—翠峰东路与书院路交叉口交通组织优化设计

3.1 交叉口概况

翠峰东路与书院路交叉口位于曲靖市麒麟区中心城区，是由翠峰东路、书院路、文昌街及园林路交汇而成的斜交叉口，现状渠化图如图1所示. 该路口无禁限措施，书院路、文昌街、园林路3个进口方向无车道展宽，翠峰东路进口三车道拓宽为四车道；有3个导流岛，均为实体岛. 书院路进口无中心隔离设施，文昌街、园林路为中央隔离栏隔离，翠峰东路为四块板结构，中央绿化带隔离. 文昌街南侧为曲靖市第一人民医院，门诊楼入口正对东南角的一个导流岛，该入口为行人和救护车的主要通道，有大量的接送危重病人的机动车以及出租车会在此临时停放，严重影响右转车道的通行.

图1 翠峰东路和书院路交叉口现状图

3.2 存在问题

通过实地观测和交通调查，翠峰东路与书院路交叉口存在的主要交通问题有：

1)曲靖市属于地级市，城市居民出行方式有公交车、小汽车、出租车、电动车、步行等. 其中，电动车出行占的比重较大，因此交叉口处非机动车流量很大，甚至排队时还会挤占外侧机动车道，影响机动车通行，降低交叉口的通行效率.

2)该路口现状信号控制是三相位，第1相位东西向直行，第2相位东西向左转，第3相位南北向直行左转一起放行. 早高峰和晚高峰时南北向直左冲突、左转与行人冲突现象较为明显. 东、西方向的直行车流量大，占各自进口流量的73.7%和48.2%；南进口的左转车和右转车流量较大，分别占整个进口流量的34.9%和52.4%，但却没有专用左转车道. 具体交通量数据如表2所示.

表2 翠峰东路与书院路交叉口现状交通量 pcu·h-1

3)由于历史原因，曲靖市第一人民医院处于该交叉口内，导致该路口车流量和人流量都非常大. 尤其是东南角的门诊出入口，有许多车辆进出和大量行人通行，与南进口的右转车有较大冲突，并且时有出租车违法停车上下乘客，影响通行效率，导致拥堵.

图2 翠峰东路和书院路交叉口信号配时及相位图

3.3 改善方案

根据对此路口现状渠化、配时及各时段流量情况进行调研，并对调查获取的基础资料进行了详细的分析研判，分别从渠化设计、信号控制和交通管理等方面提出优化完善方案，并配合工程改造措施，具体如下：

1)将非机动车停车线提前. 根据自行车、电动车起动快，骑车人急于通过交叉口的特点，可将非机动车的停车线划在前面，机动车的停车线划在后面. 红灯期间，非机动车在机动车前方待行，当绿灯启亮时，非机动车先驶入交叉口，可避免非机动车与机动车同时过街，以至于相互干扰和拥挤.

2)由于南进口左转车流量达到240 pcu/h，需要设置左转专用车道. 因此，采取工程措施，将交叉口西南角导流岛东侧直角边裁剪约3 m，将南进口中心线向对向偏移2.5 m，南进口便可增加一个进口道，进口道宽度为3.25 m. 即把南进口车道的左转、直左调整成左转、直左、直行车道3个进口道. 南出口依然保留2个车道.

3)南进口右转车流量占该进口流量的一半以上，因此需要增设右转专用车道. 在现有道路无法拓宽的情况下，采取削减导流岛的方法增加车道数. 交叉口东南角目前右转车道7 m，切除导流岛斜边3 m，人行道1 m，设计成11 m的右转车道，包括2个右转车道和停车泊位，以解决医院附近的停车问题，体现以人为本的思想，同时保障右转车道的畅通.

4)设计合理的信号控制方案. 根据交叉口流量数据以及新的车道渠化方案，确定合理的信号配时方案，将原有的三相位调整为四相位信号控制，绿灯时间的分配是以车辆延误最少为原则的，配时的具体数据如图2所示. 周期时长为134 s，黄灯时间3 s，各相位的绿信比分别为23.8%、29.8%、18.6%和18.6%.

5)加装行人过街信号灯，同时加宽人行横道线，实施双向行人通行. 在路口东南角(曲靖市第一人民医院门诊部出入口)设置双向通行分离的人行横道，并安装行人过街信号灯，在时间上把相互冲突的右转车流和过街行人交通流予以分离，提高交通效率. 行人信号灯在交叉口相位B和相位D时是绿灯，行人可通行过街.

6)优化医院内部交通组织，减少交叉口内的通行压力. 曲靖市第一人民医院，每天进出的机动车超过1 000辆，是中心城区主要的交通产生源之一. 协调其门诊部门口只允许120急救车辆进出，社会车辆可通过位于文昌街的医院大门口排队进出.

7)加强交通管理. 建设科技管控设施设备，对违法停车、机动车及行人闯红灯等违法行为进行抓拍处罚，加强管理及宣传教育，提高广大交通参与者守法意识，严格遵照交通法规规范交通行为，创造良好的交通秩序，提高通行效率，确保交通安全.

改造后，翠峰东路与书院路交叉口的渠化如图3所示.

图3 翠峰东路与书院路交叉口改善后的渠化图

3.4 仿真评价

本文利用VISSIM软件分别对翠峰东路与书院路交叉口现状和改善后的交叉口运行状况进行仿真评价，选取排队长度、平均停车次数、平均延误及服务水平4个基本指标来说明交叉口的运行状况. 根据道路几何特征和交通特性建立仿真模型，对车辆组成、交通量、车道宽度、相对车流等参数进行标定，并加入信号配时方案. 在仿真过程中，为了得到稳定的交通流评价数据，需滤掉仿真刚开始的一段时间记录，设定(300～3 600) s为仿真时间，仿真参数随机种子为42，仿真结束后对输出的交通统计数据进行整理.

3.4.1 排队长度

改善前后各进口道的平均排队长度如图4所示. 其中，南进口的平均排队长度改善最为显著，由现状的42.81 m减少为25.65 m，效率提升40%；西进口直行及专左车道的平均排队长度有所下降，分别由现状的28.8、8.87 m减少为26.5、6.19 m，效率分别提升8%，30.2%；东进口直行车道的平均排队长度由现状的23.22 m减少为20.81 m，减少了10.4%；东进口专左车道及北进口的平均排队长度略有增加.

3.4.2 平均停车次数

由图5可看出，改善前后，整个交叉口车辆的平均停车次数由1.62减少为1.01，降低了37.7%. 其中，北进口的平均停车次数略有增加，东进口、南进口和西进口的平均停车次数均减少，由现状的1.22、2.83和1.77分别减少为0.85、1.55和0.75.

图4 改善前后各进口车道的车辆平均排队长度对比

图5 改善前后车辆平均停车次数对比

3.4.3 平均停车延误

由图6可知，各进口车辆的平均停车延误除了北进口稍有增加外，均有所下降，东进口、南进口及西进口的平均停车延误分别由32.7、60.1、45.8 s降为21.5、41.7、30.5 s，降低了34.3%、30.6%、33.4%. 交叉口的整体平均停车延误由41.25 s减少为30.88 s，运行效率提升25.1%.

图6 改善前后车辆平均停车延误对比

3.4.4 服务水平

根据美国的Highway Capacity Manual给出的服务水平标准[11]，对改善前后交叉口的服务水平数据进行对比，如表3所示. 由此可见，改善后东进口的服务水平由D提升到C，南进口的服务水平由F提升至D，西进口的服务水平由E提高到D，北进口的服务水平维持在D，整个交叉口的服务水平由E提高到D.

综上所述，在对翠峰东路与书院路交叉口进行交通组织优化设计改造后，交叉口的平均停车次数由1.62减少为1.01，改进了37.7%；平均停车延误由41.25 s降低为30.88 s，改进了25.1%；服务水平由E提高到D，交叉口的各个运行效率指标基本得到改善，降低了排队长度和车辆延误，提高了通行能力.

表3 改善前后服务水平对比数据

4 结束语

对平面交叉口进行合理的交通组织优化，可改善城市道路路口的交通运行环境，提高其通行能力和运行效率，缓解交通拥堵. 本文以翠峰东路与书院路交叉口为研究对象，针对其现状存在的交叉口处非机动车流量大与机动车相互干扰、信号相位配时不合理、医院门诊出入口拥堵等问题，分别从渠化设计、信号控制和交通管理等方面提出优化完善方案，并通过微观仿真VISSIM软件对比分析了改善前后的交通运行评价指标. 仿真结果表明：通过将非机动车停车线提前，合理渠化交叉口进口道，科学设计相位配时方案等交通组织优化措施，可一定程度上降低交叉口的平均延误、排队长度和平均停车次数，提高服务水平和通行能力.