基于VISSIM的上游交叉口設計及仿真

陳志芳+馬曉旦+趙亞東

摘 要：交叉口是城市交通運行是否暢通的關鍵節點，而左轉車流是交叉口引起沖突最多的一個流向，因此左轉車流交通組織方式顯得尤為重要。現階段的左轉組織方式已不能滿足日益增多的交通需求，因此非傳統交叉口應運而生，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、空間設計、信號控制設計三個方面來進行研究，并用VISSIM仿真將其與傳統交叉口進行對比分析，結果證明：在左轉交通比例較大的時候，上游交叉口的車均延誤和排隊長度均低于傳統交叉口，顯示出一定的優越性。

關鍵詞：上游交叉口；空間設計；信號控制設計；延誤；排隊長度

中圖分類號：F570 文獻標識碼：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鍵節點，而左轉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，所以左轉車流的交通組織設計顯得非常重要。現有的左轉交通組織設計主要包括左轉專用車道和左轉專用相位，分別在空間與時間上來減少左轉車流引起的沖突。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，這些方法已難以達到預期效果。因此，一些高效的非常規平面交叉口組織方式的運用顯得十分必要。

針對日益增長的交通量需求，國內外已經對非常規交叉口左轉交通組織的革新有了一定的研究，其中比較常見的設計方案有：環島、U形遠引左轉，壺柄形、象限形（Quadrant Roadway Intersection，QRI），連續流交叉口（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，并將之與傳統平面交叉口進行對比，實驗結果表明：上游信號交叉口在高峰段內能明顯降低交叉口的車均延誤。

M. elEsawey等利用VISSIM對連續流交叉口、上游信號交叉口和傳統交叉口在不同流量場景下的運行性能進行了對比分析，實驗結果表明：當流量較低，中等和偏高時兩種非傳統交叉口能產生相似的控制效果。

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入路口的直行和左轉車流一起轉移到對向直行車流的出口道最左側，而右轉車流有獨立的專用車道。以西進出口道為例，各流向車流交通組織如圖1所示。與傳統交叉口相比，上游交叉口的目的是將左轉、直行車流與對向直行車流引起的沖突點提前到路段上，從時間上提前分離沖突流向，減少主交叉口的沖突點數，提高交叉口安全。此時主交叉口左轉車流與對向直行車流不存在沖突，其信號相位可從傳統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 上游交叉口設計

2.1 空間設計

2.1.1 二級交叉口設計

在距離主交叉口L的上下游設置二級交叉口，在路段上提前從時間上分離左轉車流和對向直行車流的沖突。其中L的取值大小關系到上游交叉口的整體運行性能，若L過小則易造成排隊溢出，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長度綜合計算得到。

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

2.1.2 主交叉口設計

主交叉口設計主要考慮的是交叉口與路段供需的不平衡，當交叉口通行能力低于路段時易造成瓶頸。其中主要設計內容有：進出口車道數設計、車道寬度設計、車道功能劃分、車道拓寬設計等，具體設計細節以下文的案例為參考。

2.2 信號控制設計

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，因此信號控制設計顯得尤為重要。交通信號控制設計內容有：信號燈類型、數量、方法、信號相位相序等，本文信號控制設計主要從如下三個方面考慮：信號燈的配置設計、信號相位方案設計及協調信號控制設計。

2.2.1 信號燈的配置設計

如圖2所示，交叉口共設有5組信號燈，其中主交叉口和二級路口各設有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、直行車流和對向直行車流的沖突。

2.2.2 信號相位方案設計

二級交叉口旨在將左轉、直行和對向直行車流的沖突點提前到路段，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為兩相位信號控制。上游交叉口的信號相位方案設計如圖3所示。

2.2.3 協調信號控制設計

雙向協調控制包括同步式協調控制、交互式協調控制和續進式協調控制，本文交叉口采用簡單的續進式協調控制，即上游交叉口系統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計車速確定，該相位差要使得車輛以設計車速行駛時，能夠不停車等待連續通過2個交叉口。

3 案例分析

3.1 仿真設計

如圖4所示，左圖為本文設計的上游交叉口，右圖為城市傳統平面交叉口，以這兩個交叉口為研究對象，利用VISSIM仿真進行對比分析。兩種交叉口進口道均設有2條左轉專用車道，2條直行車道和1條右轉專用車道。傳統交叉口采用標準四相位控制，上游交叉口采取兩相位控制，其中右轉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，仿真實驗場景設計如下：（1）假定各進口道的交通需求相同，進口道流量分別取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）仿真時長設為3 600s，且左∶直∶右車流轉向比例固定不變，分別為0.3∶0.6∶0.1。（3）實驗不考慮慢行交通對交叉口的影響。

3.2 評價指標

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

3.3 結果分析

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

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

（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，可能會增加其延誤。但VISSIM模擬結果顯示，當單個進口道直行交通量大于580veh/h 時，直行延誤比常規交叉口小，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，上游交叉口排隊長度（包括直行、左轉）均小于傳統平面交叉口，且隨著流量增加，控制效果優勢越明顯。

4 優缺點分析

4.1 優 點

通過對USC型交叉口運行原理及仿真模擬的研究，該非常規交叉口相比于常規交叉口有如下優點：（1）減少主路口的沖突，提高交叉口整體運行的安全性；（2）交叉口信號配時由傳統四相位減為兩相位，降低了延誤，提高了通行能力，適合于左轉直行流量均較大的路口。

4.2 缺 點

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，難免會讓駕駛員產生困擾。所以需在二級路口設置標志和車道導向箭頭加強對車輛運行的引導，減少駕駛員的誤操作；（2）由于要設置獨立的右轉專業車道，并設置二級交叉口，占地較大，造價較高，不適用于用地強度較高的城市中心地區。

5 結束語

目前國內外學者針對上游交叉口的研究已經取得了一些成果，但大多是基于仿真得到的機動車性能優化結果，缺乏相應的評價指標模型和實際應用，仍然存在許多不足，但其應用前景廣闊。筆者在研讀了國內外相關文獻的基礎上，簡要地概括了USC型交叉口尚待進一步研究的問題，以期相關研究人員能從中得到啟發，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交叉口有很大的不同，為了該交叉口的運行順暢，有必要進行標志標線設置和信號配時的研究。

（2）本文對USC型交叉口的模擬進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、各進口道交通量相同、左右轉固定比例不變。今后的研究需進一步對真實的交叉口運行狀態進行模擬研究。

（3）如何結合我國混行交通量大的特殊國情，將上游交叉口進行本土化改造。

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

參考文獻：

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