城市环形交叉口通行能力及改善对策研究

孔令旗

（同济大学，上海 200092）

0 前言

道路交叉口是公路或城市道路网络的基本节点，也是网络交通流的瓶颈。由于进环与出环车流存在相互交织使得交通堵塞主要发生在交叉口的进口处。由于无信号控制环形交叉口不限制车流的流入和流出，其输出的交通量均为连续流。因此在研究城市交通控制系统时，很难将无信号控制环形交叉口与其他信号控制交叉口进行协调控制，从而降低了城市交通控制系统的适应性。本文研究，利用交叉口相位控制的方法在提高环形交叉口通行能力的同时，明确车辆在各相位的通行权，通过对某交叉口进行实地调查，找出导致其形成交通瓶颈的原因，进行信号相位优化，大幅度提高环形交叉口的通行能力，旨在为其它环形交叉口的改造提供参考。

1 环形交叉口的定义及特点

1.1 环形交叉口的定义

环形交叉口是在几条街道相交的交叉口中央，设置园岛或带圆弧形状的交通岛，使进入交叉口的车辆沿同一方向绕岛行驶，其运行过程一般为先由不同方向汇合，接着沿同一方向先后通过（交织），最后分向驶出，这样可以避免直接交叉、冲突和大角度碰撞，本质上是一种自我调节的渠化交通组织方式。其优点是车辆可以连续行驶，无需管理设施，平均延误时间短。缺点是占地面积大，绕行距离长；其次是当交通量达到一定程度时，环形交叉就会增大延误，并且容易引起混合和拥塞。因此，当交通量过大时，应考虑设置信号灯或者对其进行交叉口的物理改造。

1.2 环形交叉口的交通流特点

环形交叉口的交通流具有以下特点[1]:

（1）在环形交叉口的进口道，右侧车道中绝大部分车辆直接右转驶入出口的右侧车道，少数车辆入环与出环车流相交，穿插进人环形车道。左侧车道中绝大部分车辆为左转或直行车辆，与出环车流相交，穿插进人环形车道。

（2）在环形交叉口的外侧车道中，绝大部分车辆为出环车辆，与入环车辆相交，穿插进入出口的右侧车道;内侧车道中，多数车辆绕环行驶，小部分车辆与入环车辆发生冲突，等待入环车流中的可穿插间隙，进入出口的右侧车道。

（3）在流量较小的情况下，进环车流和出环车流的车头时距较大，车辆可以自由通过冲突点，几乎不受冲突车流的影响。随着流量的增加，进环车辆与出环车辆需寻找冲突车流的可穿插间隙交替通过，当流量较大，已无法满足可穿插间隙的需求时，车辆则会在冲突点前排队等候。

2 环形交叉口的通行能力

在环形交叉口，环行车流为主路，进环车流为支路，主路上的车流可自由通过，而支路上的车流必须在主路上的车流出现大于某一临界间隙时才能进入交叉口，否则就必须等待。以间隙接受理论为基础计算模型可以分析在各种道路交通条件下的交叉口的通行能力，是目前广泛采用的方法，也比较适合我国环形交叉口交通流运行特征。环形交叉口通行能力的计算方法按交叉口控制方式分为无信号控制和信号控制两种。

2.1 无信号控制环形交叉口通行能力（见图1）

目前我国的环形交叉口进口车道和环道多为两条。当进口车道为两条，车辆进入交叉口时，左侧车流需与两条环道车流进行穿插，而右侧车流则只需与外侧环道车流进行穿插。设Ce1为左侧进口道能够进入交叉口的车辆数，Ce2为右侧进口道能够进入的车辆数，则Ce=Ce1+Ce2。其中的计算方法与单环道环形交叉口的通行能力计算方法相同，其计算公式为：

图1 无信号控制环岛交叉口交通冲突示意图

对Ce1进行计算，可以把左侧进入交叉口的环道车流假设成一当量车流，则此当量车流与原两环道车流的对应关系为：

当量交通量qr等于内、外两侧环道上交通量，即：qr=qr1+qr2。

当量车流的车头时距小于tm时，其服从均匀分布；当量车流的车头时距大于或等于tm时，则服从移位负指数分布。

假设当量车流车头时距小于等于tm的概率为P，两条环道上车流的平均车头时距均值为h。因车头时距小于tm的车流服从均匀分布，故可合理假设，同时满足 P（t≤tm）+P（t≤tm）=1。

可以推出左侧车道通行能力的计算方法如公式（2）：

综上所述，可以得出进环车辆的总通行能力为：

以上所述的都是交叉口的基本通行能力，是交叉口在理想状态下能够达到的最大通行能力。而交叉口的实际通行能力要受到很多因素的影响，因此要结合交叉口的实际情况进行修正。修正后的通行能力即为实际通行能力。交叉口进口车流的流向比、流量比和交叉口的横向干扰系数都会直接影响到环形交叉口的实际通行能力[2]，下面分别进行说明。

2.1.1 横向干扰系数

横向干扰系数Fs的影响如表1所列。

表1 环形交叉口横向干扰系数Fs一览表

2.1.2 左转修正系数

通过对式（1）和式（2）进行模拟运算，用回归的方法可得出左转车流的修正系数：

式中：βL为左转车流向比例。

2.1.3 右转修正系数

与上式同理可得到右转修正系数为：

式中：βR为右转车流向比例。

2.1.4 流量比修正系数

在实际的交通情况中，各方向进口车道的车流量不可能完全相等。通常为两条相连接道路的流量较小，而另两条连接道路的流量较大。用表示较大流量与较小流量之比，对结果进行回归分析可以得到流量比的修正系数：

环形交叉口的实际通行能力为其基本通行能力与以上各修正系数的乘积。

2.2 环形交叉口服务水平标准

环形交叉口的通行能力可以反映环形交叉口的性质与功能，环形交叉口通行能力可以用来估算环形交叉口在规定的运行质量条件下所能适应的最大交通量，它是交叉口规划、设计及管理等方面的基本参数，其具体数值的变化随交叉口相交道路等级、线形、路况、交通管理与交通状况的不同而有显著的变化[3]。

在交叉口的服务水平评价中，就主要采用交通量与通行能力的比较来进行，即通常所说的V/C。交叉口服务水平评估标准如表2所列[4]。

表2 交叉口服务水平评估标准一览表

3 环形交叉口优化及改善策略

3.1 环形交叉口适用条件

当无信号控制环形交叉的交通量小于3000 pcu/h（交通流没有达到饱和状态)的情况下，进入环形交叉口的车辆可以连续不断地单向行驶，减少了车辆在交叉口的延误时间，此时环形交叉口是一种经济、有效、连续的交通组织方式，同时还可以美化环境，改善城市形象。然而，随着进入无信号控制环形交叉口交通量的增加，交通流之间的交织、穿插存在困难时，交叉口交通流变成紊乱交通流，容易引起交通拥堵。

此时，为了使交通流更为有序地运行，需要对交叉口采取相应的改善措施，以提高环形交叉口的通行能力。因此，环形交叉口主要在交通量不大的道路上或因美化环境等特殊需要时采用。

当一条干路的交通接近或已经达到饱和状态时，道路上的环形交叉口必然成为整条道路的“瓶颈”，在高峰时段极易引发交通拥堵。环形交叉口是该区域所在道路的“瓶颈”节点，在早晚高峰时期常发生交通拥堵。因此，目前的无信号控制环形交叉口的交通组织方式难以适应当前的交通需求，亟待进行改善。

3.2 环形交叉口优化及改善策略

通常，交通拥堵是由拥堵点的交通积累速度大于其疏散速度造成交通大量滞留所致。环形交叉口的拥堵可分为交通疏散能力不足导致的拥堵，主要原因为通行能力不足；交通积累过快导致的拥堵，主要原因是路网结构不合理[5]。

3.2.1 优化思路

针对环形交叉口交通拥堵产生的原因，环形交叉口总体优化思路是“分流、扩能、有序”。

（1）分流是指通过一定的交通组织措施，分流拥堵环形交叉的部分交通量，使交通压力发生转移，即转移到通行能力尚有富余的交叉口上。

（2）扩能是指通过对拥堵环形交叉软、硬件设施的改造或实施规划方案，提高环形交叉口的通行能力，缓解交通拥堵。

（3）有序是指对拥堵环形交叉口实施软、硬件改造，并通过增设路口车辆控制信号灯、人行过街信号灯，改善环形交叉口的交通秩序，进而提高交叉口通行能力，缓解该路口的交通拥堵。

3.2.2 宏观改善策略

（1）分流部分交通量，缓解交叉口拥堵。如果环形交叉口的交通压力过于集中，可以通过完善区域路网结构，分流拥堵环形交叉口的流量，均衡区域路网内各路口的交通压力，实现缓解环形交叉口拥堵的目的。

（2）实施规划方案，提高交叉口通行能力。在制订缓解环形交叉口拥堵方案时，要考虑是否存在尚未实施的立交匝道或立体人行过街设施等规划方案，如果方案实施对交叉口通行能力提高很大且与路网通行能力相匹配，则可考虑实施。

3.2.3 微观改善策略

（1）拆除环岛，将环形交叉口改造成普通平面交叉口，增设进口道信号灯。这是目前普通环形交叉口优化处理最常用的方法。由于环岛最初提出时是用在车流量较小的路口，不设信号灯，让冲突点转变为通行点。而当车流量超过一定的负荷时，环岛便失去了它当初存在的意义，所以，应取消环岛并改成一般的平面交叉口。通过设置信号灯不仅改善了交通压力，也使交叉路口的信号控制变得简单，不至于使人们一进入环岛就有绕“晕”的感觉。但拆除环岛工程量较大，资金投入也比较多。

（2）缩小或保留环岛，直接在环形交叉口增设信号灯。采用顺时针逐一单口放行方式，即每次只放行一个方向的交通流，通常用在较小的环形交叉口。此方法配时设计简单，各进口道绿信比较低，但能更好地均衡各流向车道的利用率，同时也可避免环形交叉口交通“死锁”的问题。造价低，有一定的可实施性。

4 环形交叉口优化改善实例分析

4.1 环岛交叉口现状

南昌外顺立交桥位于南昌火车站附近，其环岛由2条道路相交形成一个环形交叉口（见图2），并设有行人过街设施，各条道路的特征如表3所列。该环岛立交是城区道路网上一个重要的交通节点，承担着中心城区南北和东西轴向上的交通集疏功能。因此，研究该路口的改造方式是提高路口通行能力和道路节点及路网服务水平的关键，也是保证东西、南北交通畅通的必要条件。

图2 环岛道路交通运营现状图

表3 环岛相交道路现状一览表

根据《公路路线设计规范》（JTJ011-94）要求，当交叉口的总交通量为500～3000 pcu/h时，可设环形交叉，而现在根据交通流量调查的结果来看：目前交通主流向为南北向；环岛交叉口交通量已超过5000 pcu/h，高峰小时达到6841 pcu/h；已远远超出《公路路线设计规范》所要求的交通量范围。该环岛运行的总量远超过环形交叉口的设计通行能力，交叉口高峰时间处于非常拥堵状态。此外，还存在交通出行秩序较混乱，交通管理措施缺失；既有道路及配套交通设施资源紧张，难以满足和适应近、远期交通需求。具体表现为：（1）环岛交叉口服务水平较低，成为城市东西轴线上突出的交通瓶颈；（2）环岛通行能力有限，交织段短，交织流量大，西进口的交织矛盾突出；（3）缺少有效的交通控制且交通组织方式混乱。

表4为环岛叉口流量调查表。由表4可以看出，根据上文论述的模型计算，其设计通行能力为6104 pcu/h（含右转机动车），饱和度约为1.06，服务水平为F级，且由于车辆从停车线起至出交叉口的时间较长，信号控制采取长周期且相位配时不合理，这就造成了交叉口车辆延误大，实施的效果不太理想。从交通量现状可以看出，各个进口几乎都处于饱和或过饱和的状态，交通拥堵严重。

表4 环岛交叉口流量调查表（单位：pcu/h）

4.2 改善措施及方案评价

基于该交叉口在地理、景观、交通等方面的特殊性，以及交通特征和道路交通条件从经济性和近远期相结合的角度，遵循交通控制及管理技术和充分利用“时空资源”的策略，提出具体的交叉口改善措施。即：采用在宏观上的交通引导及微观上的优化信号控制来改善该交叉口的通行能力相结合的方法。具体改建交叉口的方法如下：

（1）按需引导交通流。利用标志牌等提供原节点信息，将长距离出行车流引导至上层的立交，将短距离出行车流引导至地面交通，合理调配交叉口流量。

（2）地面交叉口车道重新划分。将地面的进口和出口车道分别拓宽为3车道。

（3）合理配置信号相位。第一相位：洪都大道的南北向直行放行，左转车辆在环岛内左转等待区内排队；第二相位：环岛内左转等待区内放行，岛外禁止车辆进入交叉口；第三相位：北京西路和北京东路的东西向直行放行，左转车辆在环岛内左转等待区内排队；第四相位：环岛内左转等待区内放行（见图3）。

图3 信号相位配置方式示意图

由改善后交叉口的各效益评价指标计算结果（见表5）可以看出：改善后的交叉口的通行能力较原来有很大提高，饱和度降低很多，每车平均延误中虽左转车有些偏高，但还在驾驶员可接受程度内，且平均水平较原有水平减少近10 s左右。

表5 交叉口改善效益评价表

5 结语

环形交叉口与一般平面交叉口相比，有着能够减少冲突点、降低冲突程度、提高车辆行驶安全性等优点；但大型环形交叉口（环岛车道数较多时）往往成为城市交通网络中的“瓶颈”，交通事故急剧增加，交通安全问题亟待解决。本文在对环形交叉口道路、交通、事故数据调查的基础上，定量分析环形交叉口道路交通特性及交通事故数据；结合环形交叉口的实际情况，从城市客运结构、路网结构、工程设计、交通管控等方面提出了改善措施，并提高了原有无信号控制的环形交叉口通行能力及服务水平。

[1]王震远,吴海燕.环形交叉口交通仿真研究[A],第七次城市道路与交通工程学术会议论文集[C],2002:216-220.

[2]徐立群,吴聪,杨兆升.信号交叉口通行能力计算方法[J].交通运输工程学报,2001，(2):82-85.

[3]薄春宇,崔海梁,王炜，等.环行交叉口服务通行能力研究[J].华中科技大学学报,2002，(5):47-49.

[4]项乔君,王炜,高海龙，等.低渠化环形交叉口通行能力理论模型及其应用[J],交通运输工程与信息学报，2005，(1):104-107.

[5]冬煜.红博环形交叉口交通改善对策研究[D].西安:长安大学.