四路環形交叉口與十字信號交叉口通行性能比較實例分析

摘 要：隨著交通流量的不斷增長，交叉口設計對緩解交通擁堵至關重要。本研究以金華市北二環路—康濟北街信號控制交叉口為例，比較了信號交叉口與改造后環形交叉口在相同占地面積下的通行性能。通過實地調研，收集了該信號交叉口的交通流數據，并設計了六種不同的環形交叉口方案。通過計算和VISSIM仿真分析，得出結論：改造后的環形交叉口最大通行能力約為信號交叉口的70.4%。研究還表明，當交通流量超過4500輛/小時時，信號交叉口更具優勢；而在交通流量低于4000輛/小時時，環形交叉口能顯著提高通行效率。研究為交叉口的優化設計與改造提供了參考。

關鍵詞：性能比較 通行能力 VISSIM仿真 環形交叉口 信號交叉口

隨著交通流量增長，交叉口的擁堵問題日益嚴重，合理的規劃和設計對于提升通行效率、減少擁堵至關重要。信號交叉口和環形交叉口是兩種主要的平面交叉口，各自有不同的優勢。環形交叉口通過降低車速和減少沖突點，有助于降低事故發生率，通常比信號交叉口更安全。環形交叉口建設成本較高，但運營與維護成本低于信號交叉口。占地方面，環形交叉口占地更多，而信號交叉口更適合空間有限的城市環境。

已有不少學者對這兩種交叉口的通行性能進行過對比研究。張海楠[1]計算比較了信號控制交叉口與不同控制方式下環形交叉口的通行能力，并分析了在不同交通條件下兩者的適應性。Danesh等[2]進一步探討了信號控制、環形交叉口與雙向停車控制的適應性，認為在高流量和較高左轉比例時，信號控制效果更好。邱穎[3]基于模糊綜合評價模型，建立了交叉口控制方式選擇的綜合評價模型董瑞娟[4]從通行能力和飽和度角度分析了環形交叉口的控制方式選擇，認為在低渠化條件下，選擇信號控制應綜合考慮通行能力和延誤。

目前，關于在相同占地面積下信號交叉口與環形交叉口通行性能的研究較少。本研究通過實地調查收集了信號交叉口的交通流量和車頭時距等數據，并繪制了交叉口的平面圖。然后，設計了6種四路環形交叉口改造方案。通過計算和VISSIM仿真分析，比較了兩類交叉口在不同交通量下的通行能力、平均延誤和停車次數。最終，綜合評估了兩種交叉口的通行能力和服務性能，為交叉口優化設計提供了參考。

1 交叉口現狀調查

本研究選取浙江省金華市北二環東路—康濟北街的信號控制交叉口，該交叉口周圍建筑較少，環境較為開闊，干擾交通建筑物較少，具備改造條件。交叉口衛星圖及示意圖如圖1所示。

本研究于2024年10月29日對該交叉口進行實地調查。交叉口東西方向北二環東路為主路，南北方向康濟北街為輔路。采用典型的四相位信號控制，信號周期為140s，黃燈時長為3s，具體配時為：東西直行54s、左轉24s，南北直行34s、左轉16s。

調查人員在高峰期（17：00～18：00）進行了交通流量調查。結果顯示，東西主路進口道的貨車比例較高，而南北進口道的主要車型為小型車，貨車等大型車輛比例較低。通過數據處理與分析，得到該交叉口各進口道的交通流量如表1所示。

2 環形交叉口方案設計

本研究基于對交叉口現狀的調查，使用奧維互動地圖測得該交叉口的南北道路寬約28m，東西道路寬約46m，交叉口占地面積約9325m2。然后，基于相同面積，設計了改造為環形交叉口的方案。研究中，環島半徑和車道數進行了調整，設計了6種環形交叉口方案（如圖2所示）。具體設計參數如表2所示。

雖然這些方案中面積最大的方案6和最小的方案1的面積相差較大，但它們仍然處于實際信號交叉口可改建范圍內，與信號交叉口占地面積相差約在18%以內。

3 信號交叉口與環形交叉口通行能力比較

本文分別采用相關的通行能力公式，對上述信號交叉口和幾種改造設計的環形交叉口的通行能力進行了計算和對比分析。

3.1 信號交叉口通行能力計算

由于該信號控制交叉口采用四相位控制，左轉車與直行車互不干擾，因此采用停車線法[5]計算其通行能力。結合交叉口的實地調查數據，具體計算方法如下。

（1）一條直行車道的通行能力計算公式：

式中，Cs為一條直行車道的通行能力，輛/小時；為信號周期內的綠燈時間；為信號燈周期；直行車輛的平均車頭時距，本文根據實測數據取4.2s；為1個周期內的綠燈損失時間，包括起動、加速時間，通常取2.3s。

（2）當設有左轉專用相位時，一條左轉專用車道的通行能力計算公式：

式中， 為一條左轉專用車道的通行能力；為左轉車輛通過交叉口的行車速度；為一個信號周期內的左轉彎信號時長；為左轉車輛連續通過交叉口的平均車頭時距；a為車輛啟動時的平均加速度。

（3）一條右轉車道的通行能力計算公式：

式中，為一條右轉車道的通行能力；為前后兩車連續通過某一停車線斷面的右轉彎車輛的平均車頭時距。

整個交叉口的通行能力為各個入口所有車道通行能力的總和。根據上述公式以及交叉口實測數據，計算得出信號交叉口的通行能力Ci=6480輛/小時。

3.2 環形交叉口通行能力計算

研究設計的環形交叉口屬于常規環形交叉口，故本研究應用英國環境部暫行公式[5]進行計算：

式中，C為交織段上的最大通行能力；為交織段長度；為交織段寬度； 為環交入口平均寬度；為入口引道寬度；為環道突出部分的寬度；為交織段內交織車輛與總車輛之比。如重型車超過15% 時應對該式進行修正，用于設計通行能力時須乘以85%。

根據上述公式，計算出改造設計的6個環形交叉口的通行能力如下表3。

3.3 通行能力對比分析

對比分析信號交叉口與6種環形交叉口的通行能力，結果表明，在大致相同占地面積下，信號交叉口的通行能力較高，但環形交叉口的設計參數對通行能力影響顯著。小半徑設計（25m）因轉彎半徑較小，通行能力較低，僅為信號交叉口的48%-60%。隨著環道半徑和車道數增加，通行能力顯著提升。中等半徑設計（30m）的通行能力為信號交叉口的50%-64%。方案6的通行能力為4560輛/小時，約為信號交叉口的70.4%。同時可以發現增加車道數對提升環形交叉口通行能力效果顯著，4車道設計比3車道設計提高了25%-32%，而增加環道半徑的提升幅度較小，僅為5%-7%。

4 基于VISSIM仿真的交叉口性能對比

基于第3節中的通行能力計算結果，篩選出通行能力較高的方案2、4、6，利用VISSIM仿真軟件進行研究，分別對不同交叉口進口道輸入1000-4000輛/小時的車流量（增量為1000輛/小時），選擇車輛平均延誤和平均停車次數為性能評估指標以對比相同占地面積下信號交叉口與環形交叉口在不同流量條件下的性能表現。

4.1 仿真參數設置

仿真中的進口道車流比例和轉向比例基于實地調查數據，平均車頭時距為4.2s。仿真時間為4200s，其中0-600s為預熱時間，600s-4200s為記錄數據時間。每組仿真場景使用不同的隨機種子數，進行3次仿真，取3次結果的平均值作為最終結果。

4.2 仿真結果分析

仿真得出不同流量下信號交叉口和3個方案環形交叉口的車輛平均延誤以及平均停車次數各3組數據，取平均值并繪制折線圖如圖3所示。

仿真結果表明，在大致相同占地面積下，信號交叉口在高流量條件下具有較強的適應性。在4000輛/小時流量時，信號交叉口的平均延誤為40.7秒，停車次數為1.28次，能夠穩定運行，適用于高交通需求場景。然而，在低流量條件下，信號交叉口的延誤和停車次數較高，效率低于優化設計的環形交叉口。

環形交叉口的性能受設計參數影響顯著。方案6（大半徑、4車道）在所有流量條件下表現最佳，在4000輛/小時流量下，平均延誤僅為20.4秒，停車次數為0.68次，明顯優于信號交叉口及其他環形交叉口方案。相比之下，方案2和方案4在高流量條件下性能較差，延誤和停車次數高于方案6，但在中低流量條件下仍優于信號交叉口。

5 結論

本研究通過對金華市北二環東路—康濟北街信號控制交叉口的實地調查，基于相同占地面積設計了6種環形交叉口方案。通過計算與仿真對比，研究了信號交叉口與環形交叉口在不同流量下的通行能力與性能。結果表明，信號交叉口的通行能力為6480輛/小時，顯著高于環形交叉口的4560輛/小時（約為信號交叉口的70.4%）。在中低流量條件下，環形交叉口表現出更高的通行效率，延誤時間和停車次數較少。

因此，在大致相同占地面積條件下，建議當交通量超過4500輛/小時時選擇信號控制交叉口，以保證通行能力和穩定性；而在交通量低于4000輛/小時時，選擇環形交叉口設計可以有效減少延誤和停車次數，提高通行效率。

參考文獻：

[1]張海楠.城市環形交叉口通行能力分析及其改善措施研究[D].西安：長安大學，2013.

[2]DANESH A， MA W， WANG L. Identifying the Adaptability of Different Control Types Based on Delay and Capacity for Isolated Intersection [J].Transportation Research Record，2022.

[3]邱穎.城市平面交叉口控制方式選擇問題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2005.

[4]董瑞娟.道路環形交叉口控制方式選擇與時空設計方法研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[5]張亞平主編.道路通行能力理論[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.