環形交叉口通行能力與信號控制方法研究

郭政坤 沈笑秋

摘 要：對交叉口進行信號控制，是緩解交通擁堵、確保車輛有序行駛的有效方法。合理的信號設置可以提高交叉口的通行能力，減少車輛間交織和沖突行為，提高交叉口機動車與行人的安全性；環形交叉口由于其特殊的幾何結構，車輛是以一定角度駛入環島的，并且車輛間的沖突不同于十字交叉口的正面沖突，因此，常規交叉口的信號設置依據不適用于環形交叉口，制定適合環形交叉口的信號設置依據具有重要意義。環形交叉口內車輛的沖突主要可以分為兩種情況：一是駛入環內的車輛在進口道處與環道上現有車輛間的沖突。駛入車輛需在進口道處等候可穿越臨界間隙才能駛入環島。二是駛出車輛在出口處與繞環車輛間的沖突。駛出車輛同樣需要減速等候可穿越臨界間隙來駛出環島。但由于駕駛人員個體差異以及道路實際狀況，在道路擁擠情況下車流很難做到有序的讓行，環島內車輛擁堵，車流密度大，難以找到臨界間隙來進行車輛換道行為，導致部分車輛需二次繞環才能駛出，造成駕駛員時間的延誤，浪費能源、污染環境。此時，信號燈的設置可以明確路權，強制駕駛人員的讓行行為，控制環島內車輛的擁擠程度，避免車輛駛入駛出情況混亂無序的現象。

關鍵詞：環形交叉口；信號控制交叉口；臨界間隙；跟車間距；通行能力；HCM2000

1.我國交叉口現狀

早期，我國的交通流量比較小，因此有良好效益的環形交叉口被廣泛運用在各交叉口，亦取得了比較良好的作用，比如減少延誤，降低污染和交通事故等。但是經濟突飛猛進的發展，使得環形交叉口通行能力不足與交通需求日益增大的矛盾日益突出，我國很多地區掀起了盲目改環形交叉口為信號控制交叉口的風潮，但是拆除中間環島的方法并沒有很好的解決交通擁堵的現象，以長春市工農廣場為例，改環形交叉口為普通信號控制交叉口之后，每天早晚高峰車輛排隊依然很長，另外，由于環形交叉口的景觀性，對于部分大型環形交叉口或是已成為地標性質的環形交叉口，不能簡單的采取拆除的方式來解決高峰交通不通暢的問題。

對環形交叉口的研究，國內外主要研究方向為車流運行特性、無信號控制環形交叉口通行能力和車均延誤等角度進行研究。本文總結了這幾個方面的研究內容和研究方法，對當前的研究成果和手段存在的問題或條件應用的局限性進行了總結。

2.信號控制環形交叉口通行能力分析

針對常規的十字對稱的單環道環形交叉口，信號燈設置在環島的四條支路上，控制方式采取對向兩進口道同時放行，本向與對向的入環車輛同步獲得通行權。環形交叉口采取信號控制后，車流的運行特性與無信號控制的環形交叉口有所不同。對環島采取信號控制后，由于入口處的車流受到信號燈色的控制，在紅燈期間，到達的車輛不能駛入環島而是在停車線處排隊。因此，在綠燈初期，車流是以飽和流率釋放進入環島內部的，而無信號控制的環島車輛的駛入只需等待合適的臨界間隙自行駛入，可以說此時的駛入情況取決于車輛的到達情況即上游信號交叉口的控制情況；在綠燈后期，由于環道上已經有車流在行駛，此時入口處的車輛需要等待合適的間隙來駛入環島。為了分析不同參數對信號控制環島通行能力的影響，本文分別取不同的臨界間隙和跟車時距以及綠燈時長進行對比分析。其中臨界間隙和跟車時距的取值范圍參照 HCM2000 中給出的最大和最小值.

將不同的參數取值代入到模型當中，可以得到通行能力與環流量的關系。

其中，臨界間隙的變化范圍較小，因此對通行能力的影響較小，但總體上是臨界間隙的選取越大相應的通行能力越小。也就是車輛能夠匯入環島所需要的臨界間隙越大，其出現的概率越小，所以通行能力呈下降的趨勢。

當跟車時距值的選取在小范圍內變化時，相應的通行能力變化也不大，但總體上是跟車時距越大相應的通行能力越小。

而當綠燈時長相差 10s 時對通行能力的影響已經比較明顯，綠燈時間選取的越長，相應的通行能力越大。但是，隨著環道流量的增加，這種影響程度開始降低，也就是當流量超過一定范圍時，單純的延長綠燈時間已經不能增加環形交叉口的通行能力，此時需要采取其他的控制方式來使環島流暢運行，如在環島各個入口的上游對車輛的到達情況進行控制，交通管理者可以適當考慮信號控制后綠燈時長設置的影響。

3.未來展望

目前，關于環形交叉口的較為成熟的研究大都是基于無信號控制的，對于信號控制的研究還比較少，因此是否對環形交叉口采取信號控制、對環形交叉口采取怎樣的控制方式、環形交叉口的信號配時方案的參考較少，本文的研究由于時間和精力能力等的限制內容還存在一些尚待解決的問題，主要包括：

（1）數據采集方面：由于環形交叉口一般都是大型的交叉口，難以獲取全部車輛運行的數據，因而對模型的驗證有一定的準確性，下一步還需要利用更多的實驗資源來獲取全面的數據。

（2）模型參數方面：本文提出的信號設置依據的通行能力模型中的信號配時參數，以及研究方法和理論分析都是基于假設或現有的具體數據以進行的分析，其配時方案的準確性尚有待驗證。

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作者簡介：

郭政坤（1998.06.04）男，漢族，河南省安陽市，本科生，研究方向：道路橋梁與渡河工程

沈笑秋（1999.10.23）男，漢族，河南省滑縣，本科生，研究方向：道路橋梁與渡河工程。