孔令旗

（同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

0 前言

道路交叉口是公路或城市道路網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn)，也是網(wǎng)絡(luò)交通流的瓶頸。由于進(jìn)環(huán)與出環(huán)車流存在相互交織使得交通堵塞主要發(fā)生在交叉口的進(jìn)口處。由于無信號(hào)控制環(huán)形交叉口不限制車流的流入和流出，其輸出的交通量均為連續(xù)流。因此在研究城市交通控制系統(tǒng)時(shí)，很難將無信號(hào)控制環(huán)形交叉口與其他信號(hào)控制交叉口進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而降低了城市交通控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。本文研究，利用交叉口相位控制的方法在提高環(huán)形交叉口通行能力的同時(shí)，明確車輛在各相位的通行權(quán)，通過對某交叉口進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，找出導(dǎo)致其形成交通瓶頸的原因，進(jìn)行信號(hào)相位優(yōu)化，大幅度提高環(huán)形交叉口的通行能力，旨在為其它環(huán)形交叉口的改造提供參考。

1 環(huán)形交叉口的定義及特點(diǎn)

1.1 環(huán)形交叉口的定義

環(huán)形交叉口是在幾條街道相交的交叉口中央，設(shè)置園島或帶圓弧形狀的交通島，使進(jìn)入交叉口的車輛沿同一方向繞島行駛，其運(yùn)行過程一般為先由不同方向匯合，接著沿同一方向先后通過（交織），最后分向駛出，這樣可以避免直接交叉、沖突和大角度碰撞，本質(zhì)上是一種自我調(diào)節(jié)的渠化交通組織方式。其優(yōu)點(diǎn)是車輛可以連續(xù)行駛，無需管理設(shè)施，平均延誤時(shí)間短。缺點(diǎn)是占地面積大，繞行距離長；其次是當(dāng)交通量達(dá)到一定程度時(shí)，環(huán)形交叉就會(huì)增大延誤，并且容易引起混合和擁塞。因此，當(dāng)交通量過大時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置信號(hào)燈或者對其進(jìn)行交叉口的物理改造。

1.2 環(huán)形交叉口的交通流特點(diǎn)

環(huán)形交叉口的交通流具有以下特點(diǎn)[1]:

（1）在環(huán)形交叉口的進(jìn)口道，右側(cè)車道中絕大部分車輛直接右轉(zhuǎn)駛?cè)氤隹诘挠覀?cè)車道，少數(shù)車輛入環(huán)與出環(huán)車流相交，穿插進(jìn)人環(huán)形車道。左側(cè)車道中絕大部分車輛為左轉(zhuǎn)或直行車輛，與出環(huán)車流相交，穿插進(jìn)人環(huán)形車道。

（2）在環(huán)形交叉口的外側(cè)車道中，絕大部分車輛為出環(huán)車輛，與入環(huán)車輛相交，穿插進(jìn)入出口的右側(cè)車道;內(nèi)側(cè)車道中，多數(shù)車輛繞環(huán)行駛，小部分車輛與入環(huán)車輛發(fā)生沖突，等待入環(huán)車流中的可穿插間隙，進(jìn)入出口的右側(cè)車道。

（3）在流量較小的情況下，進(jìn)環(huán)車流和出環(huán)車流的車頭時(shí)距較大，車輛可以自由通過沖突點(diǎn)，幾乎不受沖突車流的影響。隨著流量的增加，進(jìn)環(huán)車輛與出環(huán)車輛需尋找沖突車流的可穿插間隙交替通過，當(dāng)流量較大，已無法滿足可穿插間隙的需求時(shí)，車輛則會(huì)在沖突點(diǎn)前排隊(duì)等候。

2 環(huán)形交叉口的通行能力

在環(huán)形交叉口，環(huán)行車流為主路，進(jìn)環(huán)車流為支路，主路上的車流可自由通過，而支路上的車流必須在主路上的車流出現(xiàn)大于某一臨界間隙時(shí)才能進(jìn)入交叉口，否則就必須等待。以間隙接受理論為基礎(chǔ)計(jì)算模型可以分析在各種道路交通條件下的交叉口的通行能力，是目前廣泛采用的方法，也比較適合我國環(huán)形交叉口交通流運(yùn)行特征。環(huán)形交叉口通行能力的計(jì)算方法按交叉口控制方式分為無信號(hào)控制和信號(hào)控制兩種。

2.1 無信號(hào)控制環(huán)形交叉口通行能力（見圖1）

目前我國的環(huán)形交叉口進(jìn)口車道和環(huán)道多為兩條。當(dāng)進(jìn)口車道為兩條，車輛進(jìn)入交叉口時(shí)，左側(cè)車流需與兩條環(huán)道車流進(jìn)行穿插，而右側(cè)車流則只需與外側(cè)環(huán)道車流進(jìn)行穿插。設(shè)Ce1為左側(cè)進(jìn)口道能夠進(jìn)入交叉口的車輛數(shù)，Ce2為右側(cè)進(jìn)口道能夠進(jìn)入的車輛數(shù)，則Ce=Ce1+Ce2。其中的計(jì)算方法與單環(huán)道環(huán)形交叉口的通行能力計(jì)算方法相同，其計(jì)算公式為：

圖1 無信號(hào)控制環(huán)島交叉口交通沖突示意圖

對Ce1進(jìn)行計(jì)算，可以把左側(cè)進(jìn)入交叉口的環(huán)道車流假設(shè)成一當(dāng)量車流，則此當(dāng)量車流與原兩環(huán)道車流的對應(yīng)關(guān)系為：

當(dāng)量交通量qr等于內(nèi)、外兩側(cè)環(huán)道上交通量，即：qr=qr1+qr2。

當(dāng)量車流的車頭時(shí)距小于tm時(shí)，其服從均勻分布；當(dāng)量車流的車頭時(shí)距大于或等于tm時(shí)，則服從移位負(fù)指數(shù)分布。

假設(shè)當(dāng)量車流車頭時(shí)距小于等于tm的概率為P，兩條環(huán)道上車流的平均車頭時(shí)距均值為h。因車頭時(shí)距小于tm的車流服從均勻分布，故可合理假設(shè)，同時(shí)滿足 P（t≤tm）+P（t≤tm）=1。

可以推出左側(cè)車道通行能力的計(jì)算方法如公式（2）：

綜上所述，可以得出進(jìn)環(huán)車輛的總通行能力為：

以上所述的都是交叉口的基本通行能力，是交叉口在理想狀態(tài)下能夠達(dá)到的最大通行能力。而交叉口的實(shí)際通行能力要受到很多因素的影響，因此要結(jié)合交叉口的實(shí)際情況進(jìn)行修正。修正后的通行能力即為實(shí)際通行能力。交叉口進(jìn)口車流的流向比、流量比和交叉口的橫向干擾系數(shù)都會(huì)直接影響到環(huán)形交叉口的實(shí)際通行能力[2]，下面分別進(jìn)行說明。

2.1.1 橫向干擾系數(shù)

橫向干擾系數(shù)Fs的影響如表1所列。

表1 環(huán)形交叉口橫向干擾系數(shù)Fs一覽表

2.1.2 左轉(zhuǎn)修正系數(shù)

通過對式（1）和式（2）進(jìn)行模擬運(yùn)算，用回歸的方法可得出左轉(zhuǎn)車流的修正系數(shù)：

式中：βL為左轉(zhuǎn)車流向比例。

2.1.3 右轉(zhuǎn)修正系數(shù)

與上式同理可得到右轉(zhuǎn)修正系數(shù)為：

式中：βR為右轉(zhuǎn)車流向比例。

2.1.4 流量比修正系數(shù)

在實(shí)際的交通情況中，各方向進(jìn)口車道的車流量不可能完全相等。通常為兩條相連接道路的流量較小，而另兩條連接道路的流量較大。用表示較大流量與較小流量之比，對結(jié)果進(jìn)行回歸分析可以得到流量比的修正系數(shù)：

環(huán)形交叉口的實(shí)際通行能力為其基本通行能力與以上各修正系數(shù)的乘積。

2.2 環(huán)形交叉口服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)形交叉口的通行能力可以反映環(huán)形交叉口的性質(zhì)與功能，環(huán)形交叉口通行能力可以用來估算環(huán)形交叉口在規(guī)定的運(yùn)行質(zhì)量條件下所能適應(yīng)的最大交通量，它是交叉口規(guī)劃、設(shè)計(jì)及管理等方面的基本參數(shù)，其具體數(shù)值的變化隨交叉口相交道路等級(jí)、線形、路況、交通管理與交通狀況的不同而有顯著的變化[3]。

在交叉口的服務(wù)水平評(píng)價(jià)中，就主要采用交通量與通行能力的比較來進(jìn)行，即通常所說的V/C。交叉口服務(wù)水平評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如表2所列[4]。

表2 交叉口服務(wù)水平評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)一覽表

3 環(huán)形交叉口優(yōu)化及改善策略

3.1 環(huán)形交叉口適用條件

當(dāng)無信號(hào)控制環(huán)形交叉的交通量小于3000 pcu/h（交通流沒有達(dá)到飽和狀態(tài))的情況下，進(jìn)入環(huán)形交叉口的車輛可以連續(xù)不斷地單向行駛，減少了車輛在交叉口的延誤時(shí)間，此時(shí)環(huán)形交叉口是一種經(jīng)濟(jì)、有效、連續(xù)的交通組織方式，同時(shí)還可以美化環(huán)境，改善城市形象。然而，隨著進(jìn)入無信號(hào)控制環(huán)形交叉口交通量的增加，交通流之間的交織、穿插存在困難時(shí)，交叉口交通流變成紊亂交通流，容易引起交通擁堵。

此時(shí)，為了使交通流更為有序地運(yùn)行，需要對交叉口采取相應(yīng)的改善措施，以提高環(huán)形交叉口的通行能力。因此，環(huán)形交叉口主要在交通量不大的道路上或因美化環(huán)境等特殊需要時(shí)采用。

當(dāng)一條干路的交通接近或已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，道路上的環(huán)形交叉口必然成為整條道路的“瓶頸”，在高峰時(shí)段極易引發(fā)交通擁堵。環(huán)形交叉口是該區(qū)域所在道路的“瓶頸”節(jié)點(diǎn)，在早晚高峰時(shí)期常發(fā)生交通擁堵。因此，目前的無信號(hào)控制環(huán)形交叉口的交通組織方式難以適應(yīng)當(dāng)前的交通需求，亟待進(jìn)行改善。

3.2 環(huán)形交叉口優(yōu)化及改善策略

通常，交通擁堵是由擁堵點(diǎn)的交通積累速度大于其疏散速度造成交通大量滯留所致。環(huán)形交叉口的擁堵可分為交通疏散能力不足導(dǎo)致的擁堵，主要原因?yàn)橥ㄐ心芰Σ蛔?；交通積累過快導(dǎo)致的擁堵，主要原因是路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理[5]。

3.2.1 優(yōu)化思路

針對環(huán)形交叉口交通擁堵產(chǎn)生的原因，環(huán)形交叉口總體優(yōu)化思路是“分流、擴(kuò)能、有序”。

（1）分流是指通過一定的交通組織措施，分流擁堵環(huán)形交叉的部分交通量，使交通壓力發(fā)生轉(zhuǎn)移，即轉(zhuǎn)移到通行能力尚有富余的交叉口上。

（2）擴(kuò)能是指通過對擁堵環(huán)形交叉軟、硬件設(shè)施的改造或?qū)嵤┮?guī)劃方案，提高環(huán)形交叉口的通行能力，緩解交通擁堵。

（3）有序是指對擁堵環(huán)形交叉口實(shí)施軟、硬件改造，并通過增設(shè)路口車輛控制信號(hào)燈、人行過街信號(hào)燈，改善環(huán)形交叉口的交通秩序，進(jìn)而提高交叉口通行能力，緩解該路口的交通擁堵。

3.2.2 宏觀改善策略

（1）分流部分交通量，緩解交叉口擁堵。如果環(huán)形交叉口的交通壓力過于集中，可以通過完善區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分流擁堵環(huán)形交叉口的流量，均衡區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)各路口的交通壓力，實(shí)現(xiàn)緩解環(huán)形交叉口擁堵的目的。

（2）實(shí)施規(guī)劃方案，提高交叉口通行能力。在制訂緩解環(huán)形交叉口擁堵方案時(shí)，要考慮是否存在尚未實(shí)施的立交匝道或立體人行過街設(shè)施等規(guī)劃方案，如果方案實(shí)施對交叉口通行能力提高很大且與路網(wǎng)通行能力相匹配，則可考慮實(shí)施。

3.2.3 微觀改善策略

（1）拆除環(huán)島，將環(huán)形交叉口改造成普通平面交叉口，增設(shè)進(jìn)口道信號(hào)燈。這是目前普通環(huán)形交叉口優(yōu)化處理最常用的方法。由于環(huán)島最初提出時(shí)是用在車流量較小的路口，不設(shè)信號(hào)燈，讓沖突點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄐ悬c(diǎn)。而當(dāng)車流量超過一定的負(fù)荷時(shí)，環(huán)島便失去了它當(dāng)初存在的意義，所以，應(yīng)取消環(huán)島并改成一般的平面交叉口。通過設(shè)置信號(hào)燈不僅改善了交通壓力，也使交叉路口的信號(hào)控制變得簡單，不至于使人們一進(jìn)入環(huán)島就有繞“暈”的感覺。但拆除環(huán)島工程量較大，資金投入也比較多。

（2）縮小或保留環(huán)島，直接在環(huán)形交叉口增設(shè)信號(hào)燈。采用順時(shí)針逐一單口放行方式，即每次只放行一個(gè)方向的交通流，通常用在較小的環(huán)形交叉口。此方法配時(shí)設(shè)計(jì)簡單，各進(jìn)口道綠信比較低，但能更好地均衡各流向車道的利用率，同時(shí)也可避免環(huán)形交叉口交通“死鎖”的問題。造價(jià)低，有一定的可實(shí)施性。

4 環(huán)形交叉口優(yōu)化改善實(shí)例分析

4.1 環(huán)島交叉口現(xiàn)狀

南昌外順立交橋位于南昌火車站附近，其環(huán)島由2條道路相交形成一個(gè)環(huán)形交叉口（見圖2），并設(shè)有行人過街設(shè)施，各條道路的特征如表3所列。該環(huán)島立交是城區(qū)道路網(wǎng)上一個(gè)重要的交通節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著中心城區(qū)南北和東西軸向上的交通集疏功能。因此，研究該路口的改造方式是提高路口通行能力和道路節(jié)點(diǎn)及路網(wǎng)服務(wù)水平的關(guān)鍵，也是保證東西、南北交通暢通的必要條件。

圖2 環(huán)島道路交通運(yùn)營現(xiàn)狀圖

表3 環(huán)島相交道路現(xiàn)狀一覽表

根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ011-94）要求，當(dāng)交叉口的總交通量為500～3000 pcu/h時(shí)，可設(shè)環(huán)形交叉，而現(xiàn)在根據(jù)交通流量調(diào)查的結(jié)果來看：目前交通主流向?yàn)槟媳毕?；環(huán)島交叉口交通量已超過5000 pcu/h，高峰小時(shí)達(dá)到6841 pcu/h；已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》所要求的交通量范圍。該環(huán)島運(yùn)行的總量遠(yuǎn)超過環(huán)形交叉口的設(shè)計(jì)通行能力，交叉口高峰時(shí)間處于非常擁堵狀態(tài)。此外，還存在交通出行秩序較混亂，交通管理措施缺失；既有道路及配套交通設(shè)施資源緊張，難以滿足和適應(yīng)近、遠(yuǎn)期交通需求。具體表現(xiàn)為：（1）環(huán)島交叉口服務(wù)水平較低，成為城市東西軸線上突出的交通瓶頸；（2）環(huán)島通行能力有限，交織段短，交織流量大，西進(jìn)口的交織矛盾突出；（3）缺少有效的交通控制且交通組織方式混亂。

表4為環(huán)島叉口流量調(diào)查表。由表4可以看出，根據(jù)上文論述的模型計(jì)算，其設(shè)計(jì)通行能力為6104 pcu/h（含右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車），飽和度約為1.06，服務(wù)水平為F級(jí)，且由于車輛從停車線起至出交叉口的時(shí)間較長，信號(hào)控制采取長周期且相位配時(shí)不合理，這就造成了交叉口車輛延誤大，實(shí)施的效果不太理想。從交通量現(xiàn)狀可以看出，各個(gè)進(jìn)口幾乎都處于飽和或過飽和的狀態(tài)，交通擁堵嚴(yán)重。

表4 環(huán)島交叉口流量調(diào)查表（單位：pcu/h）

4.2 改善措施及方案評(píng)價(jià)

基于該交叉口在地理、景觀、交通等方面的特殊性，以及交通特征和道路交通條件從經(jīng)濟(jì)性和近遠(yuǎn)期相結(jié)合的角度，遵循交通控制及管理技術(shù)和充分利用“時(shí)空資源”的策略，提出具體的交叉口改善措施。即：采用在宏觀上的交通引導(dǎo)及微觀上的優(yōu)化信號(hào)控制來改善該交叉口的通行能力相結(jié)合的方法。具體改建交叉口的方法如下：

（1）按需引導(dǎo)交通流。利用標(biāo)志牌等提供原節(jié)點(diǎn)信息，將長距離出行車流引導(dǎo)至上層的立交，將短距離出行車流引導(dǎo)至地面交通，合理調(diào)配交叉口流量。

（2）地面交叉口車道重新劃分。將地面的進(jìn)口和出口車道分別拓寬為3車道。

（3）合理配置信號(hào)相位。第一相位：洪都大道的南北向直行放行，左轉(zhuǎn)車輛在環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)排隊(duì)；第二相位：環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)放行，島外禁止車輛進(jìn)入交叉口；第三相位：北京西路和北京東路的東西向直行放行，左轉(zhuǎn)車輛在環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)排隊(duì)；第四相位：環(huán)島內(nèi)左轉(zhuǎn)等待區(qū)內(nèi)放行（見圖3）。

圖3 信號(hào)相位配置方式示意圖

由改善后交叉口的各效益評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（見表5）可以看出：改善后的交叉口的通行能力較原來有很大提高，飽和度降低很多，每車平均延誤中雖左轉(zhuǎn)車有些偏高，但還在駕駛員可接受程度內(nèi)，且平均水平較原有水平減少近10 s左右。

表5 交叉口改善效益評(píng)價(jià)表

5 結(jié)語

環(huán)形交叉口與一般平面交叉口相比，有著能夠減少?zèng)_突點(diǎn)、降低沖突程度、提高車輛行駛安全性等優(yōu)點(diǎn)；但大型環(huán)形交叉口（環(huán)島車道數(shù)較多時(shí)）往往成為城市交通網(wǎng)絡(luò)中的“瓶頸”，交通事故急劇增加，交通安全問題亟待解決。本文在對環(huán)形交叉口道路、交通、事故數(shù)據(jù)調(diào)查的基礎(chǔ)上，定量分析環(huán)形交叉口道路交通特性及交通事故數(shù)據(jù)；結(jié)合環(huán)形交叉口的實(shí)際情況，從城市客運(yùn)結(jié)構(gòu)、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、工程設(shè)計(jì)、交通管控等方面提出了改善措施，并提高了原有無信號(hào)控制的環(huán)形交叉口通行能力及服務(wù)水平。

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