車道寬度對信控交叉口通行能力及車輛延誤影響研究

周溪召，許 琰

（1.上海理工大學管理學院，上海200093；2.上海海事大學經濟管理學院，上海201306）

車道寬度對信控交叉口通行能力及車輛延誤影響研究

周溪召1，2，許 琰1

（1.上海理工大學管理學院，上海200093；2.上海海事大學經濟管理學院，上海201306）

研究了交叉口交通流量均衡分布、交通流量非均衡分布、改變左轉車流量比例3種不同條件下，車道寬度不同對信控交叉口通行能力及車輛延誤的影響。運用VISSIM模擬仿真軟件，對城市道路中單車道寬度不同情況下的4路雙車道信號控制交叉口的通行能力以及車輛平均延誤進行比較分析。研究發現，在一定的車道寬度范圍內，車道寬度較小的交叉口通行能力比車道寬度較大的交叉口通行能力小，且車道寬度較小的交叉口車輛延誤相對較大；同時左轉車流比例的不同也會影響車輛延誤的大小，由此為交叉口設計提供相關依據。

車道寬度；信號控制；VISSIM仿真；通行能力；車輛延誤

城市路網由眾多的路段和交叉口組成，交叉口作為城市路網的節點，不同流向、不同行駛特性的機動車流在此反復分流、合流、交叉，使交叉口的沖突點增多，交通狀況復雜，過去的研究成果表明：在通常情況下，交叉口通行能力不足路段的一半，交叉口延誤占據了全程延誤的90%左右，且我國城市道路交通事故的50%～80%發生在道路交叉口及其鄰近地段，所以城市道路交叉口通行能力直接影響到城市道路的通達。而隨著城市的發展，信號控制交叉口已經遍布各地，信號交叉口不僅使車輛行駛更加有序，同時信號交叉口的設置減少了交通管理人員40%的工作[1]。

隨著經濟建設的高速發展，機動車保有量迅速增加，路網交通壓力明顯增大。在道路改擴建工程項目中，為節省土地資源，有效利用道路空間，采用調整機動車單車道寬度的技術措施，對提高道路的通行能力、緩解路網交通壓力有顯著的工程效果。當車道寬度不足時，駕駛員為了保證駕駛的安全，會盡力拉大與同向行駛車輛之間的安全距離或者降低車輛的行駛速度，避免車輛之間的相互干擾，從而使得道路總體的通行能力下降很多[2]?，F行的《城市道路設計規范》中推薦的機動車單車道寬度為3.5～3.75 m，根據全國道路交通安全協會經驗交流會反映出的信息顯示：近年來國內某些城市已就縮窄單車道寬度問題做了試點，部分地區采取了較為大膽的措施，將車道寬度減至2.7～2.8 m[3]。以往研究表明，3.5 m車道不論在車輛行駛軌跡橫向位置分布上還是在流量與速度曲線上，均與3.75 m標準車道相一致，通行能力差異很小[4]。鑒于此，本文選取的單車道寬度分別為2.7，3.0 m和3.5 m，以城市道路四路雙車道信號控制交叉口[5]（以下簡稱422型交叉口）為研究對象，運用VISSIM模擬仿真軟件，在同等條件、不同交通模式下，對單車道寬度不同的城市道路交叉口通行能力及車輛延誤的影響進行研究分析。

1 模擬仿真分析

參照《城市道路交叉口規劃與設計規程》的定義，定義信號交叉口的通行能力為交叉口各進口道的通行能力的和，而各進口道的通行能力為該進口道上各車道的通行能力的和[6]。即進口道通行能力為

式中：Capi為第i條進口道車道的通行能力。

車輛延誤是交通方式劃分和交通量分配模型中的主要參數，為制定道路交通設施的改善方案以及減少延誤提供了重要的依據。車輛在交叉口產生的延誤時間主要是由車輛變道、交通沖突、信號控制和道路條件等因素造成的[7]。車輛延誤調查可以確定產生延誤的大小，其數據能直觀地反映道路交通的阻塞情況和道路服務水平的高低，是進行交通設計規劃的基礎資料[8]。根據德國PTV VISSIM軟件的設計規則，延誤時間的檢測定義為：與理想的行程時間相比，在一個或者一些路段上計算的所有觀測車輛時間延誤的平均值。所以，如圖1所示的交叉口示意圖中，默認東西向進口道的車流量相等，南北向進口道的車流量相等，此時東西進口道與南北進口道的車流量比為，在設定仿真參數后，對此類交叉口進行仿真，得出此時交叉口的通行能力以及車輛延誤時間。為不失一般性，以下模擬的車流量、延誤數據都是在最優信號配時方案下的結果，交通量統一采用當量小汽車流量表示，單位是pcu·h－1。

圖1 交叉口各進口道車流比例示意圖Fig.1 Schematic diagram of import traffic flow proportion at intersections

1.1 交通流量均衡分布時單車道不同寬度下的延誤比較

交通流量均衡分布中，假設各個進口道的車流量是相等的，并且交叉口左轉、直行以及右轉的車流量比例是固定不變的（現假設左轉、直行、右轉的車流分別為15%，70%，15%），即圖1中的a和b是相等的，且取a=b=100，λ的取值從1開始逐漸增大，當飽和度小于1時，繼續增大λ的取值進行仿真，當飽和度大于1時停止仿真，則模擬仿真出來的的交叉口理論最大車流量如表1所示。為了更直觀地說明通過的車流量與λ取值的關系變化，所以將表1轉化成圖2。

表1 不同車道寬度下的交叉口通過的車流量Tab.1 Maximal intersection traffic flow for different lane widths pcu·h－1

根據表1和圖2所示的結果，發現在進口道車流量比較小時，車道寬度不同的交叉口通過的車流量非常接近，甚至是相等的。但是隨著進口道車流量的增多，通過交叉口的車流量明顯呈現增多的趨勢，同時通過觀察發現，當λ的取值到達6時，即東西南北四個進口道的車流量均為600 pcu·h－1時，車道寬度較大的交叉口比車道寬度較小的交叉口通過的車流量大，這一點表面看起來很符合我們的認知，但是究竟是什么原因導致這樣的結果呢？本文在同等情況下，用VISSIM軟件仿真了與上述車流量相對應情況下的車輛平均延誤，結果如下表2和圖3所示。

表2 不同車道寬度下的車輛平均延誤Tab.2 Average delay of vehicles for different lane widths s·veh－1

圖2 不同車道寬度下的交叉口通過的車流量Fig.2 Maximal intersection traffic flow for different lane widths

圖3 車道寬度不同時的交叉口車輛平均延誤Fig.3 Average delay of vehicles for different lane widths

在表2和圖3中，在λ的取值較小的時候，車道寬度不同的交叉口車輛平均延誤非常小且十分接近，對應表1中的交通量較小，這說明此時通過交叉口的交通量小于此交叉口的最大通行能力，同樣地，當λ的取值到達6時，車道寬度較寬的交叉口的平均車輛延誤要明顯小于車道寬度較小的交叉口的平均車輛延誤，這說明此時車道寬度較小的交叉口車流量已經逐漸逼近最大通行能力，這就解釋了為什么車道寬度為3.5 m時的最大車流量最大，車道寬度為2.7 m時最小，寬度為3.0 m時的理論最大車流量居于兩者之間。

1.2 交通流量非均衡分布時車道各寬度下通行能力分析及延誤比較

在現實的交通路網中，更多存在的是交通流量非均衡分布，東西向的進口道與南北向的進口道車流量不相等，即a不等于b。此處定義東西向的進口道車流量與交叉口總車流量的比值為雙向不平衡系數e，e的取值從0.1逐漸增加到0.5，運用VISSIM仿真軟件對單車道寬度不同的交叉口的最大車流量以及車輛平均延誤進行模擬分析，結果如下表3和表4所示。

表3 不同車道寬度下的交叉口最大通行能力Tab.3 Maximal intersection capacity for different lane widths pcu·h－1

表4 不同車道寬度下的交叉口車輛平均延誤Tab.4 Average delay of vehicles for different lane widths s·veh－1

在模擬仿真的過程中，逐漸增大進口道的車流量，仿真出相對應的交叉口車流量和車輛平均延誤。當飽和度小于1時，繼續增大進口道車流量，計算其通過交叉口的車流量，當飽和度大于1時，停止計算，此時通過交叉口的車流量定義為最大通行能力。表3和表4顯示，同等情況下，延誤越大，通行能力越小，而延誤越小，則通行能力越大，在車道寬度為3.5 m時，雙向不平衡系數對通行能力的影響最為敏感，隨著雙向不平衡系數e的增大，延誤逐漸降低，此交叉口的通行能力逐漸增大，即當東西向與南北向的進口道車流量越接近時，通行能力越大。當車道寬度在3.0 m和2.7 m時，通行能力對雙向不平衡系數的敏感程度較弱。在車道寬度為3.0 m時，理論通行能力接近于2 800 pcu·h－1,在車道寬度在2.7 m時，通行能力在2 500 pcu·h－1左右。

1.3 各寬度下左轉車流比例對車輛平均延誤的影響比較

左轉交通的數量決定了交叉口各進口道的車道布置和信號控制，左轉車流比例對交叉口各相位綠燈時間的分配和城市路網交通控制體系組織效率有重要的影響。因此，左轉車流比例是決定城市單點交叉口通行能力和路網運行效率的重要因素之一[9]。

在復雜的交叉口路網中，左轉車流與其他車流的沖突點最多，因此左轉車流量占進口道總車流量的比例將直接影響到交叉口的通行能力以及延誤的大小。現假設進口道車流量不變，取aλ=bλ=800 pcu·h－1,右轉車輛的占比是15%，定義左轉車流占比為P，P的取值從5%開始，逐漸增加到40%，運用VISSIM仿真出左轉車比例不同時的車輛延誤大小，結果如下表5所示。

表5 不同車道寬度下左轉車流量比例所對應的車輛平均延誤Tab.5 Average delay of vehicles at corresponding proportion of left-turning traffic flow for different lane widths s·veh－1

表5的結果顯示，隨著左轉車流比例的增加，車輛延誤逐步增加。車道寬度為3.0 m和3.5 m時的交叉口車輛平均延誤對左轉車流比例的敏感程度比較接近，而車道寬度為2.7 m時的交叉口延誤對左轉車流比例的敏感度較高，甚至一開始當左轉車流比例只有5%時延誤為43.2 s·veh－1，明顯高于寬度為3 m和3.5 m時的15.4 s·veh－1和18.7 s·veh－1，而當左轉比例P為40%時，延誤甚至高達124.7 s·veh－1，這說明車道寬度較小時，車輛延誤現象較為嚴重，將會直接影響交叉口的通行能力。

2 結論

通過對上述3組模擬仿真結果的分析，得出了車道寬度不同的交叉口的通行能力和車輛延誤以及適宜的交通模式和交通量范圍。車道寬度是2.7 m時的交叉口在交通流量非均衡分布下的通行能力較穩定，但是面對進口道車流量較大的情況，其車輛平均延誤也較大。車道寬度是3 m時的交叉口同時對雙向不平衡系數和左轉車流量比例的敏感性較弱。車道寬度是3.5 m時的交叉口在交通流量非均衡分布下的通行能力不夠穩定，但是在左轉車流比例變化較大情況下的穩定性較好。

簡言之，對于422型信號控制交叉口來說，單車道寬度在2.7 m時適用于交叉口交通量不超過2 500 pcu·h－1和左轉車比例較小的情況下，單車道寬度3.0 m適用于交通量大于2 500 pcu·h－1且不超過2 800 pcu·h－1時，而單車道寬度為3.5 m則適合用于交通量大于2 800 pcu·h－1的情況。

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Effect of Lane Width on Traffic Capacity and Vehicle Delay of Signalized Intersection

Zhou Xizhao1，2，Xu Yan1
（1.School of Business，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.School of Economics and Management，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

The effect of lane width on signalized intersection traffic flow and vehicle delay is respectively studied under three conditions:balanced distribution of traffic flow,unbalanced distribution of traffic flow and the changed proportion of left-turning traffic flow.By VISSIM simulation software,comparative analysis on traffic capacity and vehicle delay of four two-lane signalized intersections in different widths is conducted.It is found that within a certain range of lane width,the traffic capacity of intersection in smaller lane width is worse than that in relatively larger lane width,and vehicles delay of intersection in smaller lane width is relatively larger;in addition,the proportion of left-turning traffic also affects vehicle delay.This study tries to provide reference for the design of intersections.

lane width；signal control；VISSIM simulation；traffic capacity；vehicle delay

U491

A

1005-0523（2016）06-0038-05

（責任編輯 王建華）

2016－03－17

國家自然科學基金（61273042）；上海市科委地方院校能力建設項目（13510501700）

周溪召（1964—），男，教授，博士，研究方向為交通規劃與管理。

許琰（1992—），女，碩士研究生，研究方向為交通規劃與管理。