基于VISSIM的無信號(hào)環(huán)形交叉口與有信號(hào)十字交叉口通行延誤情況對(duì)比

楊建國(guó)

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國(guó)早期為避免交通沖突，在進(jìn)行交叉口設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮使用環(huán)形交叉。由于我國(guó)早期機(jī)動(dòng)車保有量較少，因此在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，環(huán)形交叉口設(shè)計(jì)在城市道路交叉口運(yùn)用較多。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市的機(jī)動(dòng)車保有量急速上升，交通需求急劇增長(zhǎng)。環(huán)形交叉口通行能力不足的弊端逐漸顯露，因此全國(guó)各地開始環(huán)形交叉口—信號(hào)環(huán)形交叉口—一般平交口的改造熱潮。但環(huán)形交叉口有其消滅沖突點(diǎn)以及在一定交通量條件下增加交叉口的通行效率的優(yōu)點(diǎn)，因此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開始研究在多大的交通量情況下可以采用環(huán)形交叉口形式以提高通行效率。

目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究都是基于間隙-接受理論[1]對(duì)環(huán)形交叉口的通行能力進(jìn)行分析，也有部分采取經(jīng)驗(yàn)回歸公式[2]以及仿真模型[3-4]進(jìn)行研究。本文通過VISSIM對(duì)無信號(hào)的環(huán)形交叉口與有信號(hào)的十字交叉口進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)仿真所得到的數(shù)據(jù)分析對(duì)比無信號(hào)環(huán)形交叉口與有信號(hào)十字交叉口的通行延誤情況。研究以三車道環(huán)形交叉口為例，十字交叉口的大小參考環(huán)形交叉口進(jìn)行設(shè)置，提出兩種不同形式的交叉口所適應(yīng)的交通量大小。為環(huán)形交叉口的設(shè)計(jì)與改造提供參考。

1 交通特性分析

1.1 無信號(hào)環(huán)形交叉口交通特性分析

無信號(hào)環(huán)形交叉口車輛無間斷駛?cè)氕h(huán)島，因此進(jìn)出口處在交通量較大時(shí)，在各個(gè)進(jìn)口道處易發(fā)生擁堵。為了解決這一問題，國(guó)際上制定了環(huán)內(nèi)車輛以及出環(huán)車輛優(yōu)先行駛的規(guī)則，入環(huán)車輛需要等待環(huán)內(nèi)車輛的可接受間隙排隊(duì)入環(huán)。但多車道環(huán)形交叉口內(nèi)車輛行駛的優(yōu)先權(quán)并不明顯，且國(guó)內(nèi)真正遵守上述規(guī)則的車輛并不多，因而造成在無信號(hào)環(huán)形交叉口車輛相互爭(zhēng)搶通行權(quán)，使得環(huán)島的交通運(yùn)行狀況變得更加復(fù)雜，增加車輛的延誤時(shí)間，尤其是在高峰時(shí)段，還可能造成環(huán)島“鎖死”導(dǎo)致交通癱瘓。而在環(huán)島內(nèi)側(cè)車道，車流跟馳行駛，一般只有合流與出環(huán)車輛提前分流，一般情況下內(nèi)側(cè)車道不會(huì)造成車輛大面積延誤或者擁堵。

1.2 環(huán)形交叉口交通特性分析

環(huán)形交叉口未進(jìn)行信號(hào)控制時(shí)，車輛無間斷地進(jìn)入環(huán)島與環(huán)島內(nèi)部車輛發(fā)生交織運(yùn)行。

根據(jù)趙小輝[5]的研究成果，內(nèi)側(cè)車道無車流交織區(qū)域，車流運(yùn)行相對(duì)順暢，更加接近自由流狀態(tài)，而中間車道與外側(cè)車道受到進(jìn)、出環(huán)島的交織車流的影響。隨著環(huán)島車輛趨于飽和，環(huán)島內(nèi)車流運(yùn)行受到車輛交織影響越來越大。

環(huán)島內(nèi)交通狀態(tài)變化分析如下：

a）當(dāng)交通狀態(tài)處于暢通狀況下時(shí)，環(huán)島內(nèi)交通流相互干擾較小，內(nèi)外側(cè)車道車流均接近自由流狀態(tài)。

b）當(dāng)交通狀態(tài)處于擁堵狀況下時(shí)，環(huán)島內(nèi)側(cè)車道交通流所受干擾較小，接近自由流狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)側(cè)車道車流連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，而外側(cè)車道受到交織運(yùn)行的干擾較大。

c）當(dāng)交通狀態(tài)處于擁堵狀況下時(shí)，環(huán)島內(nèi)側(cè)車道交通流受到干擾較小，但外側(cè)車道受到交織運(yùn)行的干擾較大，且環(huán)島外側(cè)車輛由于交通堵塞進(jìn)出環(huán)島困難。

2 VISSIM仿真數(shù)據(jù)分析

2.1 VISSIM仿真參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

本文仿真模型中心島半徑取55 m，各入口道均為雙向六車道城市道路。假設(shè)各入口道輸入交通量均相同，確定入環(huán)讓行，環(huán)內(nèi)優(yōu)先的行駛規(guī)則，主要測(cè)試環(huán)島內(nèi)側(cè)車輛運(yùn)行延誤時(shí)間，環(huán)島具體仿真模型見圖1。輸入車輛車型為小型車、貨車以及大客車，3種車型的比例為8∶1∶1。設(shè)定小型車期望速度40 km/h，貨車期望速度30 km/h，大客車期望速度30 km/h，符合城市環(huán)島路段大部分車輛的運(yùn)行情況。

圖1 環(huán)島仿真模型

圖2 十字交叉口仿真模型

設(shè)定Wiedemann模型作為仿真研究的跟馳模型。Wiedemann模型是德國(guó)Wiedemann教授提出的基于駕駛員心理-生理的跟車模型，其中Wiedemann74適用于城市道路車輛的運(yùn)行特性。

因缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究模型假定環(huán)形交叉口各入口道輸入交通量均相同。觀察兩種不同形式的交叉口在不同的輸入交通量的條件下車流運(yùn)行會(huì)呈現(xiàn)什么特性。選取車均延誤時(shí)間、車均停車延誤時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度以及車均停車次數(shù)作為交叉口通行狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)。并將車均運(yùn)行延誤時(shí)間作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)與《交通工程手冊(cè)》[6]中規(guī)定的交叉口車均運(yùn)行延誤時(shí)間與交叉口服務(wù)水平之間的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比。評(píng)價(jià)不同形式的交叉口的服務(wù)水平，見表1。

表1 交叉口通行能力等級(jí)

2.2 無信號(hào)控制下延誤時(shí)間隨輸入交通量的變化

通過VISSIM仿真后得到無信號(hào)控制的環(huán)形交叉口各方向車均運(yùn)行延誤時(shí)間圖（圖3），各方向車均停車延誤時(shí)間圖（圖4），各方向車均停車次數(shù)圖（圖5）以及排隊(duì)長(zhǎng)度圖（圖6），由于假定各方向的輸入交通量均相同，因此本研究選取東方向?yàn)槿肟诘馈?/p>

圖3 無信號(hào)控制下各方向車均運(yùn)行延誤時(shí)間圖

圖4 無信號(hào)控制下各方向車均停車延誤時(shí)間圖

圖5 無信號(hào)控制下各方向車均停車次數(shù)圖

圖6 無信號(hào)控制下排隊(duì)長(zhǎng)度圖

2.3 有信號(hào)控制下延誤時(shí)間隨輸入交通量的變化

通過VISSIM仿真后得到有信號(hào)控制十字交叉口各方向車均運(yùn)行延誤時(shí)間圖（圖7），各方向車均停車延誤時(shí)間圖（圖8），各方向車均停車次數(shù)圖（圖9）以及排隊(duì)長(zhǎng)度圖（圖10），由于假定各方向的輸入交通量均相同本研究選取東方向?yàn)槿肟诘馈?/p>

圖7 有信號(hào)控制下各方向車均運(yùn)行延誤時(shí)間圖

圖8 有信號(hào)控制下各方向車均停車延誤時(shí)間圖

圖9 有信號(hào)控制下各方向車均停車次數(shù)圖

由圖中可看出東-北方向（右轉(zhuǎn)）交通車均運(yùn)行延誤時(shí)間、車均停車延誤時(shí)間以及車均停車次數(shù)的規(guī)律基本相同，東-北方向（右轉(zhuǎn)）的車均運(yùn)行延誤時(shí)間、車均停車延誤時(shí)間以及車均停車次數(shù)基本上呈線性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度緩慢，車均運(yùn)行延誤時(shí)間基本低于1.5 s，車均停車延誤時(shí)間基本低于0.2 s，車均停車次數(shù)低于0.05次。這是由于在十字信號(hào)交叉口右轉(zhuǎn)車輛不受到信號(hào)燈的控制，運(yùn)行過程中只有當(dāng)直行車輛在等信號(hào)燈時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度過長(zhǎng)導(dǎo)致專用右轉(zhuǎn)入口堵塞時(shí)才會(huì)造成延誤。因此，在有信號(hào)控制的十字交叉口右轉(zhuǎn)行駛的車流時(shí)可以順暢運(yùn)行。而東-西方向（直行），在單入口道輸入交通量小于500 pcu/h時(shí)，車均運(yùn)行延誤時(shí)間呈上升趨勢(shì)；當(dāng)單入口道輸入交通量大于500 pcu/h時(shí)，車均運(yùn)行延誤時(shí)間基本穩(wěn)定在12～15 s之間，車均停車延誤時(shí)間基本上低于10 s，車均停車次數(shù)少于0.7次。可見在有信號(hào)控制的十字交叉口直行方向車輛運(yùn)行主要受到信號(hào)燈的影響，當(dāng)交通流趨于穩(wěn)定時(shí)，每次放行的交通量和輸入的交通量之間達(dá)到一個(gè)相對(duì)的平衡，運(yùn)行延誤時(shí)間基本穩(wěn)定。而東-南方向（左轉(zhuǎn)），車均運(yùn)行延誤時(shí)間隨著單入口道輸入交通量的增長(zhǎng)呈現(xiàn)明顯的快速上升趨勢(shì)。當(dāng)單入口道輸入交通量達(dá)到2 000 pcu/h時(shí)，車均運(yùn)行延誤時(shí)間為34 s，通行能力為D級(jí)，左轉(zhuǎn)車輛與直行車輛之間的交通沖突是主要致因。可預(yù)想當(dāng)交通量繼續(xù)增大時(shí)左轉(zhuǎn)車流溢出導(dǎo)致直行以及右轉(zhuǎn)等待車道堵塞，最終導(dǎo)致交叉口的癱瘓。

3 結(jié)論

根據(jù)《公路通行能力手冊(cè)》[7]中的相關(guān)規(guī)定，我國(guó)交叉口的設(shè)計(jì)服務(wù)水平為二級(jí)，即通過交叉口的車均延誤時(shí)間為15～30 s。由圖3及圖7中的數(shù)據(jù)所示，無信號(hào)環(huán)形交叉口當(dāng)單個(gè)入口道的輸入交通量小于1 200 pcu/h時(shí)，車均延誤時(shí)間是低于20 s的，即當(dāng)整個(gè)環(huán)形交叉口的輸入交通量為4 800 pcu/h時(shí)，無信號(hào)環(huán)形交叉口可以達(dá)到二級(jí)服務(wù)水平。對(duì)應(yīng)表1中的服務(wù)水平為C級(jí)；對(duì)于有信號(hào)控制的十字交叉口，考慮延誤時(shí)間最長(zhǎng)的左轉(zhuǎn)車道，當(dāng)單個(gè)入口道的輸入交通量為1 500 pcu/h時(shí)，左轉(zhuǎn)延誤時(shí)間小于30 s，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的二級(jí)服務(wù)水平。

對(duì)比分析無信號(hào)環(huán)形交叉口與有信號(hào)十字交叉口的延誤時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單個(gè)入口道的輸入交通量小于1 000 pcu/h時(shí)，即整個(gè)交叉口的輸入交通量小于4 000 pcu/h時(shí)，無信號(hào)環(huán)形交叉口的通行延誤時(shí)間相對(duì)來說優(yōu)于有信號(hào)控制的十字交叉口（剔除不受信號(hào)控制的右轉(zhuǎn)車流）。但隨著輸入交通量的增加，無信號(hào)環(huán)形交叉口的車均延誤時(shí)間呈現(xiàn)2次方增長(zhǎng)，當(dāng)整個(gè)交叉口的輸入交通量到達(dá)8 000 pcu/h時(shí)，車均延誤時(shí)間超過了70 s，達(dá)到了F級(jí)的服務(wù)水平，這時(shí)環(huán)形交叉口已處于堵塞狀態(tài)。反觀有信號(hào)控制的十字交叉口，車均延誤時(shí)間隨著輸入交通量的增長(zhǎng)相對(duì)均衡，當(dāng)單個(gè)入口道的輸入交通量在1 000～1 500 pcu/h時(shí)，車均延誤時(shí)間增長(zhǎng)得最快；而當(dāng)單個(gè)入口道的輸入交通量為2 000 pcu/h時(shí)，交叉口的車均延誤時(shí)間為34 s（最不利左轉(zhuǎn)運(yùn)行），服務(wù)水平為D級(jí)。此時(shí)交叉口延誤較大，但依然可以通行。

由此可見，當(dāng)整個(gè)交叉口的輸入交通量小于4 000 pcu/h時(shí)，選用無信號(hào)控制的環(huán)形交叉口可以充分發(fā)揮其減少?zèng)_突、增加運(yùn)行效率的優(yōu)點(diǎn)。而當(dāng)交叉口的輸入交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4 000 pcu/h時(shí)，應(yīng)考慮將無信號(hào)的環(huán)形交叉口改為有信號(hào)的十字交叉口以減少車輛的運(yùn)行延誤時(shí)間。