基于VISSIM的無信號環形交叉口與有信號十字交叉口通行延誤情況對比

楊建國

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國早期為避免交通沖突，在進行交叉口設計時優先考慮使用環形交叉。由于我國早期機動車保有量較少，因此在相當長的一段時期內，環形交叉口設計在城市道路交叉口運用較多。但隨著我國經濟的迅速發展，城市的機動車保有量急速上升，交通需求急劇增長。環形交叉口通行能力不足的弊端逐漸顯露，因此全國各地開始環形交叉口—信號環形交叉口—一般平交口的改造熱潮。但環形交叉口有其消滅沖突點以及在一定交通量條件下增加交叉口的通行效率的優點，因此國內外很多學者開始研究在多大的交通量情況下可以采用環形交叉口形式以提高通行效率。

目前國內外大多數研究都是基于間隙-接受理論[1]對環形交叉口的通行能力進行分析，也有部分采取經驗回歸公式[2]以及仿真模型[3-4]進行研究。本文通過VISSIM對無信號的環形交叉口與有信號的十字交叉口進行仿真模擬，根據仿真所得到的數據分析對比無信號環形交叉口與有信號十字交叉口的通行延誤情況。研究以三車道環形交叉口為例，十字交叉口的大小參考環形交叉口進行設置，提出兩種不同形式的交叉口所適應的交通量大小。為環形交叉口的設計與改造提供參考。

1 交通特性分析

1.1 無信號環形交叉口交通特性分析

無信號環形交叉口車輛無間斷駛入環島，因此進出口處在交通量較大時，在各個進口道處易發生擁堵。為了解決這一問題，國際上制定了環內車輛以及出環車輛優先行駛的規則，入環車輛需要等待環內車輛的可接受間隙排隊入環。但多車道環形交叉口內車輛行駛的優先權并不明顯，且國內真正遵守上述規則的車輛并不多，因而造成在無信號環形交叉口車輛相互爭搶通行權，使得環島的交通運行狀況變得更加復雜，增加車輛的延誤時間，尤其是在高峰時段，還可能造成環島“鎖死”導致交通癱瘓。而在環島內側車道，車流跟馳行駛，一般只有合流與出環車輛提前分流，一般情況下內側車道不會造成車輛大面積延誤或者擁堵。

1.2 環形交叉口交通特性分析

環形交叉口未進行信號控制時，車輛無間斷地進入環島與環島內部車輛發生交織運行。

根據趙小輝[5]的研究成果，內側車道無車流交織區域，車流運行相對順暢，更加接近自由流狀態，而中間車道與外側車道受到進、出環島的交織車流的影響。隨著環島車輛趨于飽和，環島內車流運行受到車輛交織影響越來越大。

環島內交通狀態變化分析如下：

a）當交通狀態處于暢通狀況下時，環島內交通流相互干擾較小，內外側車道車流均接近自由流狀態。

b）當交通狀態處于擁堵狀況下時，環島內側車道交通流所受干擾較小，接近自由流狀態，此時內側車道車流連續穩定運行，而外側車道受到交織運行的干擾較大。

c）當交通狀態處于擁堵狀況下時，環島內側車道交通流受到干擾較小，但外側車道受到交織運行的干擾較大，且環島外側車輛由于交通堵塞進出環島困難。

2 VISSIM仿真數據分析

2.1 VISSIM仿真參數及評價指標確定

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。假設各入口道輸入交通量均相同，確定入環讓行，環內優先的行駛規則，主要測試環島內側車輛運行延誤時間，環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，符合城市環島路段大部分車輛的運行情況。

圖1 環島仿真模型

圖2 十字交叉口仿真模型

設定Wiedemann模型作為仿真研究的跟馳模型。Wiedemann模型是德國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行特性。

因缺乏實測數據，研究模型假定環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行會呈現什么特性。選取車均延誤時間、車均停車延誤時間、排隊長度以及車均停車次數作為交叉口通行狀況的評價指標。并將車均運行延誤時間作為主要評價指標與《交通工程手冊》[6]中規定的交叉口車均運行延誤時間與交叉口服務水平之間的關系進行對比。評價不同形式的交叉口的服務水平，見表1。

表1 交叉口通行能力等級

2.2 無信號控制下延誤時間隨輸入交通量的變化

通過VISSIM仿真后得到無信號控制的環形交叉口各方向車均運行延誤時間圖（圖3），各方向車均停車延誤時間圖（圖4），各方向車均停車次數圖（圖5）以及排隊長度圖（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為入口道。

圖3 無信號控制下各方向車均運行延誤時間圖

圖4 無信號控制下各方向車均停車延誤時間圖

圖5 無信號控制下各方向車均停車次數圖

圖6 無信號控制下排隊長度圖

2.3 有信號控制下延誤時間隨輸入交通量的變化

通過VISSIM仿真后得到有信號控制十字交叉口各方向車均運行延誤時間圖（圖7），各方向車均停車延誤時間圖（圖8），各方向車均停車次數圖（圖9）以及排隊長度圖（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為入口道。

圖7 有信號控制下各方向車均運行延誤時間圖

圖8 有信號控制下各方向車均停車延誤時間圖

圖9 有信號控制下各方向車均停車次數圖

由圖中可看出東-北方向（右轉）交通車均運行延誤時間、車均停車延誤時間以及車均停車次數的規律基本相同，東-北方向（右轉）的車均運行延誤時間、車均停車延誤時間以及車均停車次數基本上呈線性增長，且增長速度緩慢，車均運行延誤時間基本低于1.5 s，車均停車延誤時間基本低于0.2 s，車均停車次數低于0.05次。這是由于在十字信號交叉口右轉車輛不受到信號燈的控制，運行過程中只有當直行車輛在等信號燈時的排隊長度過長導致專用右轉入口堵塞時才會造成延誤。因此，在有信號控制的十字交叉口右轉行駛的車流時可以順暢運行。而東-西方向（直行），在單入口道輸入交通量小于500 pcu/h時，車均運行延誤時間呈上升趨勢；當單入口道輸入交通量大于500 pcu/h時，車均運行延誤時間基本穩定在12～15 s之間，車均停車延誤時間基本上低于10 s，車均停車次數少于0.7次。可見在有信號控制的十字交叉口直行方向車輛運行主要受到信號燈的影響，當交通流趨于穩定時，每次放行的交通量和輸入的交通量之間達到一個相對的平衡，運行延誤時間基本穩定。而東-南方向（左轉），車均運行延誤時間隨著單入口道輸入交通量的增長呈現明顯的快速上升趨勢。當單入口道輸入交通量達到2 000 pcu/h時，車均運行延誤時間為34 s，通行能力為D級，左轉車輛與直行車輛之間的交通沖突是主要致因。可預想當交通量繼續增大時左轉車流溢出導致直行以及右轉等待車道堵塞，最終導致交叉口的癱瘓。

3 結論

根據《公路通行能力手冊》[7]中的相關規定，我國交叉口的設計服務水平為二級，即通過交叉口的車均延誤時間為15～30 s。由圖3及圖7中的數據所示，無信號環形交叉口當單個入口道的輸入交通量小于1 200 pcu/h時，車均延誤時間是低于20 s的，即當整個環形交叉口的輸入交通量為4 800 pcu/h時，無信號環形交叉口可以達到二級服務水平。對應表1中的服務水平為C級；對于有信號控制的十字交叉口，考慮延誤時間最長的左轉車道，當單個入口道的輸入交通量為1 500 pcu/h時，左轉延誤時間小于30 s，可以達到設計的二級服務水平。

對比分析無信號環形交叉口與有信號十字交叉口的延誤時間可以發現，當單個入口道的輸入交通量小于1 000 pcu/h時，即整個交叉口的輸入交通量小于4 000 pcu/h時，無信號環形交叉口的通行延誤時間相對來說優于有信號控制的十字交叉口（剔除不受信號控制的右轉車流）。但隨著輸入交通量的增加，無信號環形交叉口的車均延誤時間呈現2次方增長，當整個交叉口的輸入交通量到達8 000 pcu/h時，車均延誤時間超過了70 s，達到了F級的服務水平，這時環形交叉口已處于堵塞狀態。反觀有信號控制的十字交叉口，車均延誤時間隨著輸入交通量的增長相對均衡，當單個入口道的輸入交通量在1 000～1 500 pcu/h時，車均延誤時間增長得最快；而當單個入口道的輸入交通量為2 000 pcu/h時，交叉口的車均延誤時間為34 s（最不利左轉運行），服務水平為D級。此時交叉口延誤較大，但依然可以通行。

由此可見，當整個交叉口的輸入交通量小于4 000 pcu/h時，選用無信號控制的環形交叉口可以充分發揮其減少沖突、增加運行效率的優點。而當交叉口的輸入交通量遠遠超過4 000 pcu/h時，應考慮將無信號的環形交叉口改為有信號的十字交叉口以減少車輛的運行延誤時間。