城市道路平面交叉口優化設計與評價方法探討

柴皓

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢430056）

1 引言

隨著城市基礎設施網絡不斷完善和城鎮化持續推進，道路工程作為重要的交通樞紐，其建設步伐也日益加快。不同等級的城市道路相互交錯，在設計期間多條道路難免會產生交叉口。道路之間的平面交叉口屬于各種車輛及行人集散地，其設計質量的好壞直接干擾路網的正常運行。如果平面交叉口設計不當可能會造成嚴重的交通擁堵現象，影響行車安全性和舒適度，嚴重情況下可能造成局部路網的癱瘓[1]。為了改善道路服務水平，應當根據實際交通量級規劃需求，通過渠化和信號控制方案兩方面對平面交叉口展開優化。因此，研究平面交叉口優化設計與評價方法具有十分重要的工程意義和社會價值。

2 道路平面交叉口類型及適用性

道路平面交叉口通常是指2條或2條以上道路在同一平面的相交位置，屬于各種類型的交通流集散地，與單條道路交通特性有明顯區別。只有在充分理解各種類型平面交叉口適用性的前提下，才能更好地針對平面交叉口提出優化措施。

2.1 平面交叉口類型

道路平面交叉口根據其功能、平面相交形式、道路數量、交通組織方式等可劃分為多種類型，詳見表1。

表1 道路平面交叉口類型

2.2 平面交叉口適用性

不同類型交叉口適用性的情況也并不相同，在選擇平面交叉口時應對設計小時交通量、交通組成、自然條件、工程造價等因素綜合考慮，并開展技術性和經濟性對比，以確定最優的平交口方案。筆者以交通組織方式為依據，總結了無信號、有信號及環形平面交叉口使用工況如下[2]。

1）無信號燈控制交叉口

無信號燈控制的平面交叉口通行能力小，服務水平低，包括不設置控制或者優先選擇控制2種方式，前者要求交通量＜800 pcu/h，后者要求交通量＜800～1 500 pcu/h。

2）有信號燈控制交叉口

該平面交叉口是通過信號燈來對交叉口進行控制，確保車輛不出現擁堵，周期性強，在交通流組成復雜，且交通量較大的城市道路中取得了廣泛應用。

3）環形交叉口

環形交叉口是布置在平面交叉口的中間，總交通量不宜過大，一般＜2 000 pcu/h。環形交叉口內的車輛是沿著同一方向行駛，能確保車流的連續性。但工程造價較高，通常用于左轉交通量較大路口或美化城市環境。

3 道路平面交叉口優化思路和原則

3.1 平面交叉口優化思路

經濟水平的迅速發展使車輛的增長速率和交通需求遠超過道路提供的交通供給，加劇交通供需矛盾，必須對道路平面交叉口交通進行優化處理。平面交叉口的優化思路是從宏觀交通組織和微觀交通組織2個方面入手：前者要求交通流在時間上要削峰填谷，空間上控密補稀；后者要求平面交叉口的信號控制燈要提高車輛通行效率或采用一定的渠化措施來充分利用平交口空閑時間和空間[3]。

3.2 平面交叉口優化原則

1）交通分離

不同流向、不同種類交通流應在各自的空間行駛，如行人不得在機動車道漫步、機動車不得在非機動車道行駛等，以提高車輛的通行效率，降低各種類型交通流發生沖突的可能性。

2）交通負荷均勻

平面交叉口在交通優化期間應對交通流進行疏導，確保各路段交通壓力不會達到峰值。即：將交通負荷較大路口的交通流轉移到交通壓力小的路口，盡量使交通負荷均勻分布，避免某一路段交通壓力過大而導致擁堵。

3）方便出行

平面交叉口的交通組織優化不能單純地為了方便道路管理，而是應當以方便市民出行為主要原則。由于相同的路面范圍內，不同類型的交通流對交通需求是不同的，甚至是相互矛盾的。因此，在進行平交口交通組織時應首先弄清楚按照行人、非機動車、機動車的交通需求，并在此基礎上換位思考，分析不同交通流的路權分配是否合理。

4）動靜交通組織結合

傳統的道路平面交叉口通行資源配置往往是基于靜態交通組織方案，沒有考慮到車輛行駛期間路網各節點交通流負荷的變化，也就無法根據交通流的流向對不同節點的交通壓力進行動態調整，這樣，平面交叉口發生交通擁堵的可能性大大提高。

4 道路平面交叉口的優化設計

4.1 平面交叉口渠化設計

1）渠化設計原則

城市道路平面交叉口在開展渠化時應遵循以下幾方面的原則[4]：第一，簡潔明了。交叉口的渠化方案應簡潔明了，便于理解，否則會大幅提高交叉口的危險性。第二，滿足規范要求。交叉口范圍內各種標志標線、交通島的顏色、尺寸必須嚴格遵循相關設計規范，禁止任意修改。第三，保證視距。道路交叉口范圍的駕駛者與行人必須有足夠視距，如果交叉口附近的植物、市政設施妨礙了駕駛者與行人視距，應當及時拆除。第四，美觀醒目。平面交叉口范圍內的渠化設施宜與自然景觀相協調。

2）渠化設計階段劃分

道路平面交叉口渠化就是利用交通標志、導流線、交通島等措施來引導交通流，確保（非）機動車、行人等能互不干擾，安全有序前行。平面交叉口渠化設計過程比較復雜，主要可劃分成交通調查階段、渠化設計階段、方案確定階段。各階段的具體工作內容見表2。

表2 平面交叉口渠化設計階段與內容

3）機動車道渠化

城市道路機動車道的優化涉及進口車道、出口車道、平面交叉口內部渠化等內容。進口車道渠化一般是進行車道拓寬，具體措施包括外加平行車道、壓縮中央分隔帶等；出口車道渠化應盡可能和上游各進口道同一相位流入的最大進口車道數相匹配；平面交叉口內部渠化通常是利用白色導流線，適用于行駛條件復雜的交叉口。導流線形式應綜合考慮車流量、地形地勢等因素確定，以避免行駛車輛的軌跡沖突。

4）非機動車道渠化

城市道路非機動車道渠化方法包括設計非機動車左轉專用車道、停車線前移等。在非機動車道上設置左轉專用車道的標志，可以保證非機動車跟隨機動車的左轉車流通過交叉口，在一定程度上減輕了道路交通擁擠現象；在交叉口處將非機動車道的停車線前移，能確保綠色信號燈亮時非機動車先駛進平交口，減小機非車輛在轉向時的沖突碰撞。

4.2 平面交叉口信號控制

交叉口的信號控制內容包括信號相位和信號配時兩方面，其中，信號相位方案是信號配時的前提，信號配時是信號控制的最終目標[5]。

1）信號相位方案

道路平面交叉口信號相位設計既要考慮不同相位間的組合，還應該確保相位之間有序銜接。優化時的幾個要點闡述如下：第一，不同相位之間盡量保持時間上的連續性；第二，直行相位和左轉相位不宜與另一方向的直行相位和左轉相位相接；第三，如果拓寬車道進口左轉車輛多，宜選擇先左轉后直行的相序，如果直行車輛多，宜選擇先直行后左轉的相序；第四，左轉與直行軌跡長度不等的車道，應避免相位尾首過渡時段車輛在交叉口擁堵。

2）信號配時

目前，道路平面交叉口信號配時主要基于Webster信號模型，受交通量干擾程度大。交通量過小時信號配時周期短，影響行車安全性。交通量過小時信號配時周期長，行車等候時間長，使得平面交叉口通行效果差[6]。同時，Webster信號模型考慮的因素不夠全面，僅以“車輛延誤最小”為指標，配時效果還可以進一步優化。鑒于此，筆者基于延誤時間、停車次數、周期時長等參數提出一種多目標配時優化模型，并利用Matlab軟件中的粒子群優化算法對其進行求解。

5 道路平面交叉口的評價方法

道路平面交叉口優化設計效果好壞必須選取合適的評價指標和評價方法。

1）平面交叉口評價指標

平面交叉口設計相關的參數較多，沒有必要全部考慮進來，應分清主次，否則會大幅增加評價工作量和評價成本[7]。平面交叉口的評價指標應按照交叉口類型選擇，可參考表3。

表3 道路平面交叉口評價指標

2）平面交叉口評價方法

道路平面交叉口的評價方法可采用價值分析法。該方法計算簡單，適用性強，先根據指標的重要性程度來賦予單項指標相應的權重，再加權計算出平面交叉口的總價值。具體可按式（1）計算：

式中，V為平面交叉口的總價值；wi為交叉口單項評價指標價值；vi為交叉口單項評價指標權重，可邀請相關領域的專家進行打分得到。

6 結語

在總結道路平面交叉口類型和適用性的基礎上，分析了平交口的優化設計思路、原則及渠化、信號控制等內容，并提出了平交口評價方法，主要得到以下幾個方面的結論：（1）城市道路平面交叉口優化時應考慮設計小時交通量、交通組成、自然條件、工程造價等因素，并開展技術性和經濟性對比；（2）平面交叉口優化時應堅持交通分離、交通負荷均勻、方便出行、動靜交通組織結合等原則；（3）平面交叉口的優化設計主要從機動車渠化、非機動車道渠化、信號燈控制等方面著手，并采用價值分析法對其優化效果進行評價。