基于VISSIM的上游交叉口設(shè)計及仿真

陳志芳+馬曉旦+趙亞東

摘 要：交叉口是城市交通運(yùn)行是否暢通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而左轉(zhuǎn)車流是交叉口引起沖突最多的一個流向，因此左轉(zhuǎn)車流交通組織方式顯得尤為重要?，F(xiàn)階段的左轉(zhuǎn)組織方式已不能滿足日益增多的交通需求，因此非傳統(tǒng)交叉口應(yīng)運(yùn)而生，上游交叉口是其中一個典型的代表。文章針對上游交叉口從交叉口的模式、空間設(shè)計、信號控制設(shè)計三個方面來進(jìn)行研究，并用VISSIM仿真將其與傳統(tǒng)交叉口進(jìn)行對比分析，結(jié)果證明：在左轉(zhuǎn)交通比例較大的時候，上游交叉口的車均延誤和排隊(duì)長度均低于傳統(tǒng)交叉口，顯示出一定的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：上游交叉口；空間設(shè)計；信號控制設(shè)計；延誤；排隊(duì)長度

中圖分類號：F570 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Intersection is a key point to the traffic jams， and left-turns cause the most conflicts， therefore left-turns organization is becoming more and more important. Nowadays organization methods of left-turns cannot meet the increasing traffic demands， thus unconventional intersections are designed， upstream signalized crossover intersection is one of the typical designs s of the unconventional intersections. We study the upstream signalized crossover intersection about three aspects， including pattern， space design， signal control design. It is analyzed by VISSIM， compared with the traditional intersections. The results show that the delay and queue length of upstream signalized crossover intersections are lower than traditional intersections when the percentage of left-turns is high， and upstream signalized crossover intersections are superior to the traditional intersections.

Key words： upstream signalized crossover intersection； space design； signal control design； delay； queue length

0 引 言

交叉口是城市交通能否暢通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而左轉(zhuǎn)車流不僅是交叉口引起沖突的主要車流，也影響著直行方向主要車流的通行，所以左轉(zhuǎn)車流的交通組織設(shè)計顯得非常重要?，F(xiàn)有的左轉(zhuǎn)交通組織設(shè)計主要包括左轉(zhuǎn)專用車道和左轉(zhuǎn)專用相位，分別在空間與時間上來減少左轉(zhuǎn)車流引起的沖突。這些方法在交叉口流量非飽和情況下能取得較好效果，而在飽和情況下時，這些方法已難以達(dá)到預(yù)期效果。因此，一些高效的非常規(guī)平面交叉口組織方式的運(yùn)用顯得十分必要。

針對日益增長的交通量需求，國內(nèi)外已經(jīng)對非常規(guī)交叉口左轉(zhuǎn)交通組織的革新有了一定的研究，其中比較常見的設(shè)計方案有：環(huán)島、U形遠(yuǎn)引左轉(zhuǎn)，壺柄形、象限形（Quadrant Roadway Intersection，QRI），連續(xù)流交叉口（Continuous Flow Intersection，CFI）、并行流交叉口（Parallel Flow Intersection，PFI）和上游信號交叉口（Upstream Signalized Crossover Intersection，USC）。本文以上游交叉口為研究對象。

M. E. Esawey等針對上游信號交叉口，利用VISSIM仿真分析其在早高峰、午高峰及晚高峰三個高峰時段的車均延誤，并將之與傳統(tǒng)平面交叉口進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上游信號交叉口在高峰段內(nèi)能明顯降低交叉口的車均延誤。

M. elEsawey等利用VISSIM對連續(xù)流交叉口、上游信號交叉口和傳統(tǒng)交叉口在不同流量場景下的運(yùn)行性能進(jìn)行了對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)流量較低，中等和偏高時兩種非傳統(tǒng)交叉口能產(chǎn)生相似的控制效果。

1 上游交叉口模型

上游交叉口是在路口上游通過信號控制將駛?cè)肼房诘闹毙泻妥筠D(zhuǎn)車流一起轉(zhuǎn)移到對向直行車流的出口道最左側(cè)，而右轉(zhuǎn)車流有獨(dú)立的專用車道。以西進(jìn)出口道為例，各流向車流交通組織如圖1所示。與傳統(tǒng)交叉口相比，上游交叉口的目的是將左轉(zhuǎn)、直行車流與對向直行車流引起的沖突點(diǎn)提前到路段上，從時間上提前分離沖突流向，減少主交叉口的沖突點(diǎn)數(shù)，提高交叉口安全。此時主交叉口左轉(zhuǎn)車流與對向直行車流不存在沖突，其信號相位可從傳統(tǒng)的四相位減少為兩相位，即東西向先放行然后南北向放行，如此減小了損失時間，降低了車均延誤，提高了交叉口的通行能力。

2 上游交叉口設(shè)計

2.1 空間設(shè)計

2.1.1 二級交叉口設(shè)計

在距離主交叉口L的上下游設(shè)置二級交叉口，在路段上提前從時間上分離左轉(zhuǎn)車流和對向直行車流的沖突。其中L的取值大小關(guān)系到上游交叉口的整體運(yùn)行性能，若L過小則易造成排隊(duì)溢出，若L過大則線控效果較差。因此，L取值由路段平均速度及周期最大排隊(duì)長度綜合計算得到。

左轉(zhuǎn)車道在二級路口時要進(jìn)行拓寬設(shè)計。設(shè)計主要包括三個方面：拓寬方式、寬度、長度設(shè)計，具體設(shè)計要求如下：（1）拓寬方式設(shè)計。本文在二級路口處拓寬交叉口左轉(zhuǎn)進(jìn)口道，同時設(shè)有專用左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車道。（2）拓寬寬度設(shè)計。拓寬寬度需由交通需求和一個周期內(nèi)最大排隊(duì)長度綜合確定，為進(jìn)口車道寬度的整數(shù)倍。（3）拓寬長度設(shè)計。車道拓寬總長由展寬段l和展寬漸變段l組成，l由一個周期內(nèi)進(jìn)口道最大停車排隊(duì)長度計算，l由設(shè)計車速和橫向偏移量綜合計算。

2.1.2 主交叉口設(shè)計

主交叉口設(shè)計主要考慮的是交叉口與路段供需的不平衡，當(dāng)交叉口通行能力低于路段時易造成瓶頸。其中主要設(shè)計內(nèi)容有：進(jìn)出口車道數(shù)設(shè)計、車道寬度設(shè)計、車道功能劃分、車道拓寬設(shè)計等，具體設(shè)計細(xì)節(jié)以下文的案例為參考。

2.2 信號控制設(shè)計

信號控制用于在時間上分離沖突車流，減少延誤，提高通行能力，因此信號控制設(shè)計顯得尤為重要。交通信號控制設(shè)計內(nèi)容有：信號燈類型、數(shù)量、方法、信號相位相序等，本文信號控制設(shè)計主要從如下三個方面考慮：信號燈的配置設(shè)計、信號相位方案設(shè)計及協(xié)調(diào)信號控制設(shè)計。

2.2.1 信號燈的配置設(shè)計

如圖2所示，交叉口共設(shè)有5組信號燈，其中主交叉口和二級路口各設(shè)有1組信號燈。主交叉口處的信號燈用于在時間上分離東西向車流和南北向車流的沖突。二級交叉口處的信號燈，用在時間上分離左轉(zhuǎn)、直行車流和對向直行車流的沖突。

2.2.2 信號相位方案設(shè)計

二級交叉口旨在將左轉(zhuǎn)、直行和對向直行車流的沖突點(diǎn)提前到路段，因此主交叉口的信號燈相位可由四相位控制減少為兩相位控制，二級路口的信號燈相位也設(shè)為兩相位信號控制。上游交叉口的信號相位方案設(shè)計如圖3所示。

2.2.3 協(xié)調(diào)信號控制設(shè)計

雙向協(xié)調(diào)控制包括同步式協(xié)調(diào)控制、交互式協(xié)調(diào)控制和續(xù)進(jìn)式協(xié)調(diào)控制，本文交叉口采用簡單的續(xù)進(jìn)式協(xié)調(diào)控制，即上游交叉口系統(tǒng)采用同一個周期時長，一樣的兩個信號相位。其中主交叉口與二級交叉口的相位時差由兩者間的距離與設(shè)計車速確定，該相位差要使得車輛以設(shè)計車速行駛時，能夠不停車等待連續(xù)通過2個交叉口。

3 案例分析

3.1 仿真設(shè)計

如圖4所示，左圖為本文設(shè)計的上游交叉口，右圖為城市傳統(tǒng)平面交叉口，以這兩個交叉口為研究對象，利用VISSIM仿真進(jìn)行對比分析。兩種交叉口進(jìn)口道均設(shè)有2條左轉(zhuǎn)專用車道，2條直行車道和1條右轉(zhuǎn)專用車道。傳統(tǒng)交叉口采用標(biāo)準(zhǔn)四相位控制，上游交叉口采取兩相位控制，其中右轉(zhuǎn)渠化均不受信號燈控制。

為考察兩種交叉口在不同交通狀況下的差異，仿真實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計如下：（1）假定各進(jìn)口道的交通需求相同，進(jìn)口道流量分別取400veh/h、600veh/h、1 000veh/h、1 500veh/h、2 000veh/h，分別代表自由、順暢、繁忙、擁堵、過飽和5種交通狀況。（2）仿真時長設(shè)為3 600s，且左∶直∶右車流轉(zhuǎn)向比例固定不變，分別為0.3∶0.6∶0.1。（3）實(shí)驗(yàn)不考慮慢行交通對交叉口的影響。

3.2 評價指標(biāo)

評價交叉口運(yùn)行性能的指標(biāo)有很多，如延誤、行程時間、排隊(duì)長度、通行能力等。本文選取信控路段車均延誤（包括直行、左轉(zhuǎn)），排隊(duì)長度（包括直行、左轉(zhuǎn)）為交通效益評價指標(biāo)，綜合反映車輛在仿真環(huán)境下路口的運(yùn)行狀況。

3.3 結(jié)果分析

（1）如圖5所示，當(dāng)單個進(jìn)口道交通量大于800veh/h 時，上游交叉口總延誤低于常規(guī)交叉口，且隨著交通量的上升，這種優(yōu)勢依然保持。

（2）如圖6所示，當(dāng)左轉(zhuǎn)交通量較低（單個進(jìn)口道左轉(zhuǎn)交通量<200veh/h）時，常規(guī)交叉口的延誤要比USC 型交叉口小，但是隨著左轉(zhuǎn)交通量的上升，USC型交叉口的延誤明顯比常規(guī)交叉口少。

（3）如圖7所示，USC型交叉口在上游路段增加了二級交叉口，增加了直行車輛的行駛距離和停車次數(shù)，可能會增加其延誤。但VISSIM模擬結(jié)果顯示，當(dāng)單個進(jìn)口道直行交通量大于580veh/h 時，直行延誤比常規(guī)交叉口小，且隨著直行交通量的增長，兩者之間延誤差異更為明顯。

（4）如圖8所示，上游交叉口排隊(duì)長度（包括直行、左轉(zhuǎn)）均小于傳統(tǒng)平面交叉口，且隨著流量增加，控制效果優(yōu)勢越明顯。

4 優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 優(yōu) 點(diǎn)

通過對USC型交叉口運(yùn)行原理及仿真模擬的研究，該非常規(guī)交叉口相比于常規(guī)交叉口有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）減少主路口的沖突，提高交叉口整體運(yùn)行的安全性；（2）交叉口信號配時由傳統(tǒng)四相位減為兩相位，降低了延誤，提高了通行能力，適合于左轉(zhuǎn)直行流量均較大的路口。

4.2 缺 點(diǎn)

USC型交叉口還處于不斷完善的階段，存在著一些不足：（1）由于上游交叉口車流組織的特殊性，難免會讓駕駛員產(chǎn)生困擾。所以需在二級路口設(shè)置標(biāo)志和車道導(dǎo)向箭頭加強(qiáng)對車輛運(yùn)行的引導(dǎo)，減少駕駛員的誤操作；（2）由于要設(shè)置獨(dú)立的右轉(zhuǎn)專業(yè)車道，并設(shè)置二級交叉口，占地較大，造價較高，不適用于用地強(qiáng)度較高的城市中心地區(qū)。

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)外學(xué)者針對上游交叉口的研究已經(jīng)取得了一些成果，但大多是基于仿真得到的機(jī)動車性能優(yōu)化結(jié)果，缺乏相應(yīng)的評價指標(biāo)模型和實(shí)際應(yīng)用，仍然存在許多不足，但其應(yīng)用前景廣闊。筆者在研讀了國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，簡要地概括了USC型交叉口尚待進(jìn)一步研究的問題，以期相關(guān)研究人員能從中得到啟發(fā)，從而更好地展開對USC型交叉口的研究工作。

（1）USC型交叉口的交通組織方式與常規(guī)交叉口有很大的不同，為了該交叉口的運(yùn)行順暢，有必要進(jìn)行標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置和信號配時的研究。

（2）本文對USC型交叉口的模擬進(jìn)行了一些理想化的假定，如不考慮行人過街對交叉口的影響、各進(jìn)口道交通量相同、左右轉(zhuǎn)固定比例不變。今后的研究需進(jìn)一步對真實(shí)的交叉口運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬研究。

（3）如何結(jié)合我國混行交通量大的特殊國情，將上游交叉口進(jìn)行本土化改造。

（4）本文只對USC型交叉口和常規(guī)交叉口進(jìn)行了比較，有必要將其與其他類型的非常規(guī)交叉口，如連續(xù)流交叉口、并行流交叉口等進(jìn)行比較，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tabernero V， Sayed T. Upstream Signalized Crossover Intersection： An Unconventional Intersection Scheme[J]. Journal of Transportation Engineering， 2006，132（11）：907-911.

[2] 顧九春. 平面交叉口左轉(zhuǎn)交通組織革新設(shè)計的進(jìn)展及啟示[J]. 中外公路，2006，26（4）：224-227.

[3] Esawey M E， Sayed T. Unconventional USC intersection corridors： evaluation of potential implementation in Doha， Qatar[J]. Journal of Advanced Transportation， 2011，45（1）：38-53.

[4] Esawey M E， Sayed T. Comparison of Two Unconventional Intersection Schemes： Crossover Displaced Left-Turn and Upstream Signalized Crossover Intersections[Z]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board， 2007.

[5] 劉旭東，鄒紀(jì)元. 基于VISSIM仿真的USC型交叉口通行能力研究[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù)，2012，9（4）：57-61.