基于VISSIM仿真的交叉口優化設計方案研究
——以北京市金臺路交叉口為例

2020-07-02 13:15:34張舒沁

福建質量管理 2020年12期

張舒沁

(北京工業大學北京 100124)

一、交叉口概況

交叉口是城市道路網中的瓶頸，是制約道路通行能力的咽喉，決定著城市道路系統通行能力、行程時間、行車延誤和營運效率及安全。在交叉口處，機動車、非機動車、行人之間的干擾較多，因此，如何科學地規劃、設計城市道路平面交叉口及合理地進行交叉口信號配時顯得尤為重要。

金泰路交叉口為金臺路與朝陽北路交匯形成的交叉口。朝陽北路是北京一條東西走向的城市主干道路，是出入市區東部地區的重要交通走廊之一，也是北京CBD地區的北部邊界道路；金臺路位于朝陽區西部，北起朝陽區北路，南至朝陽路，與西大望路貫通，兩條道路均為該地區主要道路。且該交叉口為平面十字型交叉口，四周有醫院、居民區、地鐵站、公交車站等場所，對人流、車流都有極大的吸引。

二、交通調查與分析

(一)調查數據分析

1.機動車

(1)機動車交通組織沖突區域

根據實地觀察可以分析出，由于信號燈的四個相位將直行和左轉車流在時間上分離了，而非機動車和行人也是在直行信號燈綠燈亮時給予通行權。因此，交叉口沖突僅在右轉車輛與直行車輛，右專車輛和行人、非機動車之間存在。

(2)通行能力分析

①直行車道的通行能力2.2～2.4s

參考多種有關研究資料，其通行能力可以采用(1)式：

N直=3600nK〔(t綠-t首)/t間+1〕/t周

(1)

式中:

N直——直行車道的通行能力,輛/h;

t綠——信號周期內綠燈時間，S；

t首——綠燈亮，第一輛車起動通過停止線的時間s，按有關統計一般采用2.2～2.4s；

t閘——車輛通過停止線的平均間隔時間，s，據觀測，小型車為2.5s，大中型車為3.5s，城市交叉口按已換算小型車采用2.5s；

K——考慮通行的不均勻性和其它一般干擾因素的修正系數，一般取0.86～0.9；

n——直行車道數；

式(1)中，(t綠—t首)為信號周期內有效綠燈時間，(t綠—t首)/t間為綠燈內通過停止線的時間間隔數，〔(t綠—t首)/t間+1〕為綠燈時間內通過車輛數，再乘以每小時周期數(3600/t間)和修正系數，即為車道通行能力。

可算得東西向通行能力：C=2226v/h南北向通行能力：C=1700 v/h

②左轉車道的通行能力

設置有專用左轉車道的入口，當設有無交叉沖突的信燈相位時，其通行能力計算與直行車相同，即：

N左=3600K〔(t綠-t首)/t間+1〕/t周(輛/h)

(2)

但考慮到左轉車一般較直行車駛條件差，(2)式中修正系數K 值應取低值。

可算得東、西進口左轉車道通行能力：C=224 v/h

南、北進口左轉車道通行能力：C=500 v/h

③右轉車道的通行能力

右轉車輛一般在交叉口內不與各向車輛交叉而產生干擾，即無交叉沖突點，而按我國交通管理規則，大多數城市不對右轉車輛進行信號燈管制，僅用交通標志限速緩行。此時，右轉車輛可按連續車流考慮，故右轉車道通行能力一般按(3)式間單計算：

N有=3600K/t間(輛/h)

(3)

式(3)中符號意義與前述同。

其中車輛平均間隔時間t間考慮到路口緣石半徑大小對車速的影響，其取值范圍為2.5～3.0s,緣石半徑大時取小值,緣石半徑小時取大值。

此外，目前國內已有個別城市對右轉車輛設置信號控制(如深圳市)以避免右轉車與過街行人的沖突和相互干擾，增加行人過街的安全性，此時，右轉車道通行能力計算與直行車相同，即：

N右=3600K〔(t綠-t首)/t間+1〕/t周(輛/h)

(4)

式(4)中符號意義與前述同

可算得右轉車道通行能力：C=1032 v/h

因此，交叉口通行能力：

C東= C左+C直+C右=2226+224+1032 =3482 v/h綠

C南= C左+C直+C右= 1700+500+1032 = 3232v/h綠

C西= C左+C直+C右= 1700+224+1032 =2956 v/h綠

C北= C左+C直+C右=2226+500+1032 =3758 v/h綠

(3)服務水平的確定

上一部分已求出通行能力，則車道組的復合度(V/C)為：

北進口左轉：V/C = 216/500 = 0.41

直行：V/C = 459/1700 = 0.55 右轉：V/C = 204/1032=0.16

東進口左轉：V/C = 268/224 = 1.40

直行：V/C = 1071/2226=0.63 右轉：V/C =82/1032=0.06

南進口左轉：V/C = 266/500 =0.39

直行：V/C = 546/1700= 0.33 右轉：V/C =192/1032=0.15

西進口左轉：V/C =162/221 =0.85

直行：V/C = 780/2226=0.49 右轉：V/C =110/1032=0.08

2.非機動車

根據實地考察，金臺路交叉口在東南方向的人行道上，在地鐵站旁設有公共自行車網點，該網點的容量為30個鎖車器。由于處于地鐵口附近，所以具有很大一部分的租賃人群。據觀察該網點在租賃中會遇到鎖車器損壞的狀況，但是未遇到租賃不到車輛或者找不到鎖車器的狀況。在金臺路交叉口的東北方向和西北方向各設有自行車停車場，兩個停車場利用率高。

金臺路交叉口在三個方向的道路上都設有自行車專用道，均設置綠化帶將其與機動車道分隔開，確保機動車與非機動車分開，避免了機動車與非機動車之間的沖突，保障了非機動車的安全行駛，為非機動車提供了良好的騎行環境。還有一個方向設有機非混行道路，道路較寬，也同樣在一定程度上保障了行車安全。

金臺路交叉口的非機動車情況同樣也發現了許多的問題。在非機動車的過街過程中，在沒有非機動車左轉道的情況下，出現了許多交叉口對角斜穿的違規現象，同時一定程度的影響了交叉口機動車的通過。也由于道路施工，影響了非機動車道的寬度，自行車大量涌入機動車道，而且此機動車道標牌是機動車道，同時地面上又畫有非機動車道的標志，此車道應為機非混行道路，標識標線的不明確也導致了機非之間的沖突。

綜上可知，非機動車在此交叉口具有重要的作用。它具有解決“最后一公里”的作用，同時也促進附近居民和上班族的低碳出行。

因此可知，金臺路交叉口東西走向車流量大，可以對其專用道的設施進行優化設計。

3.行人

在金臺路交叉口，過街時行人會根據期望線行走，自動越過等候區域，直接在路中等待。并且北進口道與南進口的人行橫道與道路有夾角，行人會不自覺的沿著道路方向走出人行橫道。

通過對交叉口高峰小時交通量的分析，可以看出東進口道和北進口道的人流量較大。在周一早高峰時，東進口道的人流量較其他三條車道的行人過街流量明顯增多。

根據以上的分析，充分說明行人過街存在著一定的問題，所以需要對金臺路交叉口的人行橫道進行優化設計。

4.公交

經過實地到站觀測，本小組共記錄了東進口道(南北兩側)以及南進口道(東西兩側)的4個公交站臺的15余條公交線路的乘客登降量情況，并且在每個站臺都進行15min(共三個周期)的觀測記錄。

在金臺路交叉口附近的公交線路乘客登降量較為平均，從整體觀察上車人數相對下車人數較多，但是由于乘客登降總數較交叉口內的行人量還是存在較大差距，且上下車乘客對于交叉口的影響甚微，故本小組得出結論金臺路交叉口附近公交站對于該交叉口整體通行基本沒有影響。

(二)交叉口現狀問題剖析

通過實地考察以及統計分析觀測數據，本小組提出并歸納總結了交叉口現狀存在的問題，有以下幾點：

(1)各個方向上的延誤和排隊長度也并不理想。

(2)東進口道左轉車輛數多，但只有一條左轉專用道。

(3)北進口道右轉車流量大，存在著行人、非機動車與右轉機動車之間的沖突問題。

(4)交叉口北出口道處停車位距交叉口過近，機非沖突嚴重。

(5)西出口道輔路的標線與功能劃分不明確。

(6)由于金臺路交叉口處于完成施工初期，故其交叉口四個方向的控制行人過街的信號燈還沒有設立完備處于待設狀態，這也直接導致該交叉口行人的過街無序化，進而制約了該交叉口的行車順暢性。

根據(1)的問題，可以基于現狀的各個方向的機動車高峰小時流量、道路條件和信號配時等條件，對信號配時進行合理調整；根據(2)和(3)所總結的問題，本小組提出將對其車道功能重新劃分或者將車道進行拓寬與改善這兩種方法，來進行調整與改善；根據(4)～(6)所分析的現狀的問題，得到交叉口的渠化也需要優化。

三、交叉口優化設計

(一)方案一

1.信號配時優化

(1)信號配時計算：

道路飽和度：ρd1 d2=Mmax(ρd1，ρd2)

沖突區飽和度:ρ=ρd1 d2+ρd3 d4

其中：M——入口最大通行能力，或稱飽和流量，v/h；

f——道路交通量，v/h；

ρ——飽和度；

l——損失時間，s；它由該相位通過的車輛啟動、加速與通過停車線時間之和加上黃燈時間所構成，可以通過觀測與計算得到其近似值。一般情況下可取4～7 s，對轉彎車輛、上坡及車況差時，取大值。

(2)優化后的信號配時方案：

從機動車流量的調查數據分析，考慮到東進口流量較大，可以對交叉口信號配時重新計算(計算中保持損失時間不變，調整信號周期，該路口相位仍需采用四相位)，可得出新的配時方案，信號配時優化方案如下：

表1 信號配時計算表

用新配時之后，路口服務水平有了顯著提高，四個方向進口道的相應到達服務水平達到了C、D、E、D，行車條件也有一定程度的改善。

2.交通組織優化設計

(1)現狀問題：路口交通需求接近飽和，延誤較大

利用我國的計算信號交叉口通行能力的方法，分別計算金臺路口各進口道每個車道組的通行能力C，得到高峰小時流率與通行能力的比值，即v/c。然后，通過得到的v/c，對每個進口車道的車輛延誤進行測算，分析各進口道的高峰小時流量、延誤以及服務水平，我們可以得出結論——東進口道左轉車流量較大，V/C超過臨界值1.3，車道運載能力接近飽和，造成較大的延誤，因此需要專門針對東進口左轉車流進行交通組織優化——增設可供通行的左轉車道，在盡量不影響直行車流的情況下，增加左轉車道的通行能力，降低道路負荷度，提高交叉口通行效率。

(2)方案提出：一條直行車道改為直左，右轉專用車道改為直右

東進口道現狀車道寬度為一條左轉專用車道、三條直行車道、一條右轉專用車道。左轉和直行車道寬度為3米，車道寬度較窄，無法增設一條左轉專用車道。因此，在盡量不影響直行車流的前提下，將一條直行車道改為直左，相對應地，將原有的右轉專用車道改為直右。

對比發現，左轉車道的服務水平仍保持在D，但直行車道的服務水平有了明顯提高，從D提高到A，右轉車流的通行仍然較為順暢。因此本方案沒有到達優化左轉交通組織的目的，但對右轉和直行交通通行狀況有明顯改善。

3.渠化優化設計

(1)西進口輔路道路優化設計

交叉口西出口道有一條機非混行車道。這條道路具有非機動車流量大、右轉和掉頭進入此車道的車流量多等特點，加大了機動車與非機動車之間的沖突。所以需要對這條車道進行優化，用來改善機動車與非機動車的沖突，增強道路安全指數，提高道路服務水平。

西出口道展寬段的機非混行車道的約為11米，對其進行重新設置。重新設置劃分為3.5米一條的兩條機動車道和一條3.5米的非機動車道，中間用護欄將其分隔開。將其用護欄分隔開的人行道和非機動車道都劃分為人行道，利用護欄也將其與非機動車道分隔開。

優化后既保障了機動車與非機動車之間的安全暢通，也增加了人行道的寬度，增強了行人行走安全。使非機動車、機動車和行人的交通環境得到了改善，提高了道路的服務水平。

(2)設置行人二次過街安全島

通過調查發現，交叉口西側及東側沒有設置行人二次過街設施，在行人實際由北到南通過交叉口過程中，由于信號時長過短、道路過寬，導致行人經常會在一個綠燈時間結束后，停留在機動車道兩側的綠化帶旁等待下一個綠燈時間，繼續過街，這不僅對行人安全造成了很大的隱患，也對道路通行能力造成了影響。

規范說明，在道路寬度超過30m時，應設置行人二次過街安全島。所以在西進口道及東進口道道路中線旁的人行橫道上，設置行人過街安全島，由于實地面積的限制，行人二次過街安全島采用標線形式，尺寸為長8米、寬1.3米。一次信號燈時間未能通過交叉口的行人可以在安全島上等待過街，減少行人與機動車的沖突，同時增加了交叉口的安全性。

(3)增加信號倒計時牌

通過實地考察，發現路口隨同向機動車綠燈信號過街的行人，在信號末期過街時，不知道綠燈信號是否即將結束，往往剛跨出人行道后綠燈信號便切換成黃燈信號，且在行人過街途中轉換成紅燈信號，此時相交道路車輛啟動，行人被阻于人行橫道上，毫無安全保障。同時，由于實際情況中行人信號燈多有損壞，這樣提升了發生交通事故的概率，又造成混行現象嚴重，大大影響了交叉口秩序，降低了交叉口通行能力。所以應在信號燈上設置倒計時牌，提醒行人和非機動車、機動車駕駛員綠燈時間。這樣可以解決行人對信號燈綠燈剩余時間的判斷失誤，有效地緩解行人過街的時間緊張感。

(4)設置左彎待轉區

通過調查發現，由交叉口西側朝陽北路向金臺路行駛的路段及東側向甜水園街左轉的路段，雖然有左轉車道，但沒有左轉待停區，無法滿足大量左轉車輛的通行需求，少數車輛會占用直行車道等待左轉信號。

在交叉口西側及東側左轉車道上延伸20米設置左彎待轉區，增加路口左轉彎車道的蓄車量，減少駕駛員通過路口的等待時間，提高燈控路口通行能力。

(5)設置人行橫道

由于施工等原因，交叉口西側路段缺少人行橫道，對行人過街造成很大影響。如圖設置人行橫道方便行人過街，提高行人過街安全性。

(6)減少交叉口附近停車位

交叉口北出口道旁有部分停車位，占據了非機動車道的大部分面積，對非機動車及行人通行造成了嚴重阻礙。

減少交叉口范圍內的13個車位，減少對非機動車道的占用，使非機動車可以順利通行，提高安全性，減少非機沖突。

(二)方案二

1.信號配時優化

通過對現狀問題的分析，明確了現狀信號配時與各流向交通需求不匹配是造成該路口交通秩序度差，通行效率較低的原因之一。

該信號優化配時方案是在晚高峰的調查數據基礎上設計的，各進口的右轉車流均不受信號控制。

第一相位，只允許東西進口的直行車輛通行，同時允許行人東西向過街。

第二相位，允許東西進口的左轉車輛通行，各方向行人均禁止通行。

第三相位，只允許南北進口的直行車輛通行，同時允許行人南北向過街。

第四相位，允許南北進口的左轉車輛通行，各方向行人均禁止通行。

在進行配時方案的優化設計時，考慮到東西方向作為主要干路金臺路交叉口的節點，因此需要較大的綠信比來保證東西進口的通行能力，故方案中采用的配時策略，最大限度的滿足了東西進口直行車流的通行時間。

2.交通組織優化設計

交叉口西、南、北進口道方向車流通行較為順暢，但東進口左轉流量較大，左轉的交通需求與現狀的車道布置不相匹配。建議將綠化帶壓縮，向北擴充出一條車道，并改成雙左轉車道，直行車道仍為三條、右轉專用道為一條。東進口左轉車道服務水平由交通組織優化前的D改進為C使左轉車流通行更順暢。

3.渠化優化設計

(1)渠化安全島

?現狀問題：針對北進口道存在著行人、非機動車與右轉機動車之間的沖突問題，采用設置渠化安全島進行交通渠化優化。

?設置內容包括：

在朝陽北路-金臺路交叉口西北角的位置，設置轉交交通島，兼做行人過街安全島。

①轉角紅線后退2.5米，設置西北角的人行道，將相交道路的人行道連接起來，提高行人在交叉口的交通安全。

②去除原有兩處的柵欄設置，在輔路部分設置非機動車專用車道，在原有基礎上加寬非機動車道，機非分隔形式改為標線分隔，連接相交道路的非機動專用道，規范并限制非機動車的行駛范圍。

③轉角部分的右轉車道加寬至4米，曲線半徑為25米。交通島至西北側人行道設置人行橫道標線和右轉車輛停車線。車輛駛出轉角部分后，匯入西側出口道的輔路機動車道。西側出口到輔路機動車道寬8米，東進口道輔路機動車道寬4.5米，且通過東進口道輔路機動車道直行的機動車流量非常小，集中在每五分鐘0-3輛。因此西側出口的輔路機動車道寬度滿足北側右轉車流和東側直行車流的需求，且兩股車流的沖突不大，因此對輔路機動車道不再劃分多條車道。

④相對應地將甜水園街在交叉口范圍的人行橫道從與東西方向呈20度調整為與東西方向平行，符合行人的期望線，提高行人過街安全。直行和左轉車流的停止線平行于人行橫道，距離1米。相對應的雙黃線和車道分隔線延長至停止線。

交通島(包括實體交通島和交通島尖端的標線)兩邊分別長19米、12米，實際面積在110平米左右。

(2)設置行人二次過街安全島

交叉口西側設置標線型行人二次過街設施，提高行人過街安全，也規范和限制了行人在人行橫道上停留的范圍，減少行人和機動車的沖突。由于東側已經在西北轉角處設置了導流島兼做行人過街安全島，因此在道路中線位置不再設置標線型行人二次過街安全島。

(3)設置左彎待轉區

交叉口西進口道向金臺路左轉的路段，設置左轉待轉區，滿足大量左轉車輛的通行需求。根據交通組織優化方案，設置兩個左彎待轉區。增加路口左轉彎車道的蓄車量，減少駕駛員通過交叉口的實際距離，提高路口的通行能力。

(4)設置人行橫道

由于施工等原因，交叉口西側路段缺少人行橫道。設置人行橫道方便行人過街，提高行人過街安全性。

(5)減少交叉口附近停車位