采用两相位掉头信号控制 探讨破解大城市路口拥堵

蒋红心

(上海市虹口区建交委，上海 200080）

0 前言

随着中国城市化进程的快速发展，大城市人口不断增加。伴随着轿车进入家庭带来的机动车保有量迅猛增长，大城市的交通拥堵状况日趋严重，交通拥堵几乎成了大城市的通病。一些城市采取地铁、快速公交（BRT）等措施吸引市民选择公交出行减少了部分机动车辆上路，一些城市陆续建设了城市高架路网络，极大地提升了城市道路的快速通达能力。但城市地面道路上仍然是车满为患，拥挤不堪。尤其是早晚高峰期间，道路上人、车拥挤，车速变慢使得市民出行的时间越来越长。

由于不同方向的机动车流量在交叉路口交汇，加上机动车与非机动车、过街行人之间的相互干扰，使得平面道路交叉口的拥堵成为城市交通治理中的难题。城市道路的网络是一个复杂系统，有时一个路口的严重拥堵，还会造成多个相邻路口的连锁反应，甚至会出现区域性的临时交通瘫痪。修建道路对缓解交通拥堵有一定的效果，但受路网结构、经济发展、动拆迁等多种条件的限制，城市建设不能一味地依靠修路解决交通拥堵。通过采取合理的交通管理措施来提升道路通行能力是有益的。本文把路网系统作为一个整体看待，探讨一种新型的两相位（掉头）信号控制模式，避免左转车流对直行车流的干扰，有助于缓解路口交通拥堵，大力提升平面交叉路口的通行效率。

1 单个路口的信号控制模式

由于城市道路平面交叉口人车交汇，对此，为了交通安全及有序通行，需要对交叉口采用合理的交通管理措施。路口的交通控制方式主要有停、让控制和信号控制。由于城市道路路网相对较密、车流量较大，大多数路口采用信号控制模式来组织交通。

平面道路交叉路口的信号控制，是在时间上给道路交叉口不同方向的交通流分配通行权的一种交通管理措施。根据不同的交通流量，有以下几种常见的信号控制模式。

1.1 两相位（圆形灯）信号控制

交通流量较小的路口经常采用简单的两相位（圆形灯）信号控制。所谓两相位信号控制，指信号控制采取相交道路两个相位的方式，如南北相位和东西相位。信号灯一般采用圆形灯，不禁止左转及右转。信号灯变换为绿灯时，左转机动车、直行机动车、右转机动车，以及非机动车和行人都放行。

此模式的优点是相位周期相对较短，适用于左转车流较少的路口（通常一个相位内，左转车辆数以不超4 veh为宜）。其缺点是路口的安全状况不佳，交通流冲突点多，存在以下不足：（1）绿灯时期，同一相位中左转车辆与对向直行机动车、非机动车冲突严重，导致绿灯开始阶段机动车流损失时间过大，严重时超过10 s。（2）绿灯末期，进入交叉口的非机动车与相交道路绿灯初期驶出的非机动车形成极为混乱的局面，对相交道路上机动车流的运行干扰极大。如一个周期内左转车辆达到5veh以上，就容易造成路口的秩序混乱，导致路口通行效率降低，交通事故率也会明显增加。

1.2 四相位（箭头灯）信号控制

当左转弯车流不断增加时，采用两相位（圆形灯）信号控制模式已经不适用了。为了避免路口的混乱局面和照顾左转车流的需求，通常要增设左转专用相位，减少左转车辆与对向直行车辆之间的相互干扰。两条道路相交的路口，如果在一条道路上增设一个左转专用相位，则此路口为三相位路口（见图1）；如果在两条道路上都增设左转专用相位，则彼路口为四相位路口（见图2）。一些路口，由于中央隔离带较窄（没有足够的转弯半径），在车辆左转的时候禁止车辆原地掉头。

图1 三相位路口示意图

图2 四相位路口示意图

四相位等多相位信号控制模式的优点是，为不同方向的交通流设置了专用相位，交通流的冲突点相应减少了，导致安全系数提高、路口的秩序好转。其缺点是，随着相位周期拉长、红灯等待时间成倍增长、路口的延误时间加大，路口的通行效率也大大降低。相位交替次数增加，导致了多次黄灯、全红灯的交叉口清空等时间的增加，相位周期也相应增加（四相位的相位周期，通常为两相位的相位周期的2倍左右）。随着相位周期延长，路口排队车辆将增多，又要增加清空排队车辆所需的绿灯相位时间。如果坚持相位周期不变，则分配给各交通流的相位时间减少了，在车流量较大的情况下有时要两个以上的相位周期才能通过该路口，其通行效率会大幅降低，甚至会影响到相邻路口的通行效率。

1.3 两相位（禁左）信号控制

当交通流量不断增长、路口拥堵不断加剧时，不得不采用“禁左”等交通管理措施来简化相位。道路交叉口，信号控制最复杂的问题之一是左转弯车流的组织。一些拥堵路口，采用了两相位（禁左）信号控制模式后，拥堵状况明显缓解。如图3所示的两相位（禁左）模式，第一相位时南北走向的机动车辆直行和右转放行（南北方向的直行箭头灯和右转箭头灯为绿灯信号）、南北走向的非机动车及行人放行；第二相位时东西走向的机动车辆直行和右转放行、东西走向的非机动车及行人放行。

图3 两相位（禁左）模式示意图

该模式的优点是，“禁左”路口通行效率提高、交通秩序好转，整个路网系统的通行能力得到提升。采用了两相位（禁左）模式，左转车流的解决方案通常有三种：一是利用路网右转绕行（如图4所示，以三个右转达到间接左转的目的）；二是提前进行左转；三是前方路口U型转弯（利用中央分隔带或下一个交叉口原地掉头后右转）间接左转（如图5所示）。

图4 右转绕行方案示意图

图5 右方U型转弯方案示意图

其缺点是左转车流的绕行需要周边路网的配合，左转车流转移出去之后增加了其它路口的交通压力和延误时间。如图4的绕行方式，部分减轻了主要道路的压力，但增加了周边道路的压力和延误，适用于路网较密地区，比如300 m间距的路格，绕行距离约为1 200 m，基本可以承受（如路网较稀疏，比如500 m间距的路格，则需绕行 2 000m）。

为了保障主干道的畅通，一些地方采取主要道路沿线全线“禁左”的方式，效果明显，但周边道路拥堵加剧。有的驾驶员在周边支小道路上违章掉头，影响了道路的畅通，并且容易诱发交通事故。

2 新型的两相位（掉头）信号控制模式

为了提高主要道路（6车道以上）的通行效率，本文提出了一种新型的两相位（掉头）信号控制模式，既实现了两相位信号控制，又巧妙地解决了左转车流问题（如图6所示）。

新型两相位（掉头）信号控制模式，是在两相位（禁左）信号控制基础上改进的，增加了原地掉头车道（及原地掉头区）。两相位的具体情况：第一相位时，南北走向的机动车辆直行和右转放行、南北走向的非机动车及行人放行，以及东西走向的机动车辆进行原地掉头（如图7所示）；第二相位时，东西走向的机动车辆直行和右转放行、东西走向的非机动车及行人放行，以及南北走向的机动车辆进原地掉头（如图8所示）。单向三条机动车道（如图6所示）布置如下：左边第一根车道为直行车道，左边第二根车道为直行+右转车道，左边第三根车道为原地掉头车道。第一相位时，左边第一根车道和第二根车道放行（如图7）；第二相位时，左边第三根车道放行（如图8），然后交替进行。

图6 两相位（掉头）模式示意图

图7 第一相位时各交通流示意图

此处的原地掉头车道是后退式的，其停车线与人行横道线有10m以上的间距（留出原地掉头区域），方便机动车辆在人行横道线后方直接掉头，无需穿越人行横道线，也不影响在路口通行的非机动车和在人行横道线上通行的行人；掉头车道布置在右侧，加大了转弯半径，便于车辆掉头。由于此模式的原地掉头（U型转弯）相位，与相交道路的直行（及右转）放行共用一个相位，故没有增加路口的相位数，既解决了左转车流的问题，又保持“两相位”较高的交换效率和较高的安全度。

图8 第二相位时各交通流示意图

采用“两相位掉头”信号控制模式后，左转车流（往北转向往西）的解决方案有三种：首选方案是前方U型转弯，即先直行穿过该路口，在前方路口U型转弯（掉头）、折返至该路口时右转；第二方案是右方U型转弯（如图5所示），即先右转至往东方向，然后在相交道路上进行U型转弯（掉头）、折返后穿过该路口；第三方案是周边道路右转绕行（参见图4）。

非机动车及行人均采取“二次过街”的方式通过路口。非机动车辆第一相位时（沿南北走向）先直行然后在“左弯等待”区域等待（见图7），当切换为第二相位时（沿东西走向）左转并快速通过路口。因为信号周期缩短、路口的等待时间大幅减少，非机动车的排队积压减少了，也有利于非机动车和行人快速通过路口。

3 新模式提升了路口通行效率

两相位（掉头）模式的适用条件：适用于双向6条车道以上的主要道路，通过把原地掉头车道布置在车道的右侧，能够给掉头车辆以足够的掉头空间。两相位（掉头）的信号控制新模式，有如下特点：

（1）保持了两相位（禁左）模式的高效率。每一根车道，绿灯信号比约为0.5。与四相位信号控制模式（绿信比为0.25左右）相比，路口的通行能力提升一倍以上。

（2）发挥了主要道路交通走廊的作用，减少了路口延误时间。主要道路上运行的车辆，主要以直行为主。某城市的一段主要道路，13.5 km的长度（共有50个红绿灯），平均路口间距为270 m。如原先有一半的路口采用四相位模式（25个路口）、另一半采用两相位（禁左）模式，则全线改造为两相位（掉头）模式后，可以节约50个左转相位的时间（25×2），如每个左转相位时间为20 s，改造后大幅减少了路口延误时间（对于直行通过的车辆，走完全程可以节约17 min左右的时间；对于直行后左转的车辆，虽然绕行延误需3 min，则还是节约了14 min时间）。

（3）提升了非机动车运行的安全度。新模式取消了左转弯车辆的运行，让非机动车“二次过街”，使得左转弯非机动车无需在左转弯机动车（双向）的夹缝中穿行，减少了事故隐患。

（4）减轻了周边道路的运行压力。左转弯车流的绕行，直接在主要道路上（前方U型转弯）予以解决和消化。通过在主要道路上进行U型转弯，减少了利用周边支小道路绕行的交通压力。

（5）减少了交叉冲突点。在路口各方向的交通流中，产生交叉冲突点最多的是左转弯车流。应用此模式后，左转弯车流转化为“一个U型转弯+一个右转弯”。由于此处的U型转弯（设有专门的原地掉头区）是离开路口进行的，掉头车辆不占用交叉路口的道路资源，故没有与其他机动车辆的交叉冲突点，也没有与非机动车辆及行人的交叉冲突点。路口只有右转弯机动车辆与非机动车与行人的交叉冲突点，可以通过右转渠化予以改善。

（6）缩小了道路交叉口的面积。禁止左转以后，可以缩小交叉口的面积；配合右转渠化措施和设置转角安全岛，“十字”路口的交叉面积可以更小，方便行人安全过街，同时减少了行人过街对机动车运行的干扰。

（7）提高了直行车辆的运行速度。四相位控制模式，通常将左转车道布置在左边第一根车道、直行车道布置在第二根车道、右转车道布置在第三根车道，故直行车辆易受两侧转弯车辆的干扰。而新模式从左侧第一根车道开始布置直行车道，将右转弯和原地掉头车道布置在右侧，直行车辆只受右边单侧车辆的干扰，有利于提升直行车辆的运行速度。

两相位（掉头）的信号控制新模式的主要不足，就是增加了左转弯车流的绕行距离，部分增加了主要道路的运行压力，同时增加了绕行引起的延误。

4 结语

主要道路路幅较宽，常常会吸引更多的机动车辆通行，必然存在较大的左转弯车流。本文提出的两相位（掉头）信号控制模式，以系统的思路组织各种交通流，较好地解决了左转弯车流的绕行问题，同时又保留了两相位的高效率，有利于提升主要道路的运行速度和通行效率，提高车流运行的安全度，对缓解大城市地面道路交叉路口的拥堵状况、保障城市道路交通畅通有很好的借鉴作用。

[1]陆键，张国强等.公路平面交叉口交通安全设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2009.