基于VISSIM仿真的環(huán)形交叉口改善方案研究

康雅玲, 連培昆, 鄭似月, 江政毅, 岳小泉

(福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院， 福州 350002)

0 引言

環(huán)形交叉口作為早期交通要道，具有車流通行連續(xù)、交通組織簡便等特點，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化建設的加快，城市路網(wǎng)交通量日益增大，傳統(tǒng)的環(huán)形交叉口通行能力越發(fā)不能滿足日益增長的交通需求，環(huán)形交叉口的交通擁堵問題也日趨惡化. 由于環(huán)島中交通交織面積過大，加上導流渠化設計不夠精細，使得交織情況更為復雜，無信號控制的環(huán)形交叉口內(nèi)的通行車輛與駛?cè)虢徊婵诘能囕v在交織區(qū)形成沖突車流，車輛將產(chǎn)生更大的排隊長度和更多的交叉口延誤等問題. 對環(huán)形交叉口進行渠化或設置信號控制是改善該狀況的常用解決方法[1].

梁雪琴[2]對無信號環(huán)形交叉口提出了提高通行能力的渠化方案和信號控制方案，并利用VISSIM仿真軟件對不同方案進行對比評價；李天祥[3]分析了我國交通環(huán)島存在的問題，對比了現(xiàn)代環(huán)形交叉口與其他交叉口的優(yōu)劣，提出了環(huán)形交叉口需要解決的問題；王波等[4]根據(jù)現(xiàn)狀環(huán)島存在的問題，提出優(yōu)化方案，并運用VISSIM仿真軟件進行方案評價與驗證，得出最優(yōu)方案；周丹[5]在分析對城市郊區(qū)環(huán)形交叉口存在的問題的基礎上，提出改造方案，并將改造前后的通行能力進行對比分析；王秉通等[6]以唐山市衛(wèi)國路與建華西道交叉口為例，使用仿真軟件VISSIM進行畸形交叉口信號配時方案優(yōu)化，并對優(yōu)化方案進行仿真驗證與評價.

借鑒上述研究成果，本文以福州市馬尾區(qū)君竹環(huán)島為例，以減少交通沖突、提高通行能力以及減少工程造價為主要出發(fā)點，提出優(yōu)化方案，運用VISSIM仿真軟件對現(xiàn)狀和方案進行仿真模擬及方案對比評價，確定出推薦方案.

1 交叉口現(xiàn)狀及存在問題分析

1.1 現(xiàn)狀及問題

君竹環(huán)島是福州市馬尾區(qū)一處重要的進出交通樞紐，是馬尾老城區(qū)通往福州城區(qū)、連江、長樂、寧德等地區(qū)的重要交通節(jié)點，是一個五路交叉的畸形交叉口，平面構(gòu)型復雜，進口道包括君竹路、青洲路、G104國道、沈海高速、福馬路，其中心島直徑為36 m，車道數(shù)為3車道，屬于常規(guī)環(huán)形交叉口，君竹環(huán)島平面圖見圖1.

圖1 君竹環(huán)島平面圖

君竹環(huán)島現(xiàn)狀采用環(huán)島組織交通，各進口道均為無信號控制，車輛交織現(xiàn)象嚴重，通行較為混亂、無序. 該交叉口大貨車比例較大，車速緩慢，繞環(huán)島行駛加劇交通沖突，對整體交通流影響較大，極易造成擁堵，存在較大安全隱患. 同時，隨著馬尾區(qū)經(jīng)濟社會的日益發(fā)展，周邊路網(wǎng)的逐步完善，交通流量的不斷增長，君竹環(huán)島交通擁堵現(xiàn)象愈發(fā)突出；高峰期間，隨著交叉口到達流量的增加，交通沖突也增加. 君竹環(huán)島路口交通現(xiàn)狀見圖2，交通流特性見表1.

圖2 君竹環(huán)島交通現(xiàn)狀

1.2 問題產(chǎn)生的原因

1)環(huán)形交叉口的先天性缺陷：環(huán)形交叉口的通行能力瓶頸在環(huán)島內(nèi)的交織區(qū)域，根據(jù)《公路通行能力手冊》中環(huán)形交叉口的通行能力計算方法[7]：

表1 君竹環(huán)島交通流特性

式中,C為雙環(huán)行車道交叉口通行能力，pcu/h；Cw為雙環(huán)形車道交叉口中交織區(qū)通行能力，pcu/h，通常取1 700 pcu/h；p1為各進口的左轉(zhuǎn)車比例之和；pr為各進口的左轉(zhuǎn)車比例之和.

2)貨車影響：大貨車在環(huán)島區(qū)域內(nèi)的合流、交織和分流行為較小汽車困難，當大貨車占比較高時，環(huán)島區(qū)域內(nèi)的沖突交織將進一步加劇，環(huán)形交叉口的通行能力將急劇下降.

3)非機動車管理：部分非機動車違規(guī)從機動車道通行，由此造成環(huán)島區(qū)域內(nèi)的各種車輛混行，環(huán)島區(qū)域內(nèi)的沖突交織將進一步加劇，環(huán)形交叉口的通行能力將明顯下降.

2 方案設計

2.1 設計思路

首先對交叉口現(xiàn)狀進行系統(tǒng)的調(diào)查，收集大量有關該交叉口的基礎資料和信息；其次，對交叉口的幾何現(xiàn)狀、交通通行能力等進行分析；然后根據(jù)交叉口現(xiàn)有幾何條件，相交道路功能等級以及交通流運行情況等制定出針對該問題的解決對策、實施方案并分析結(jié)果. 由于立交橋占地面積大、施工周期長、造價較高以及對下游交叉口的影響較大等特點，為節(jié)約成本，減少工程耗費，盡可能不去形成立交，所以主要通過2種方式進行方案設計：①交叉口渠化；②設置信號控制. 其中信號配時方案采用韋伯斯特改進算法進行計算，通過最小延誤時間計算信號配時，以車輛延誤為基礎計算周期時長，最佳周期見式(1)[8]：

(1)

式中，L為相位總損失時間；Y為交叉口交通流量比；K為停車修正系數(shù).

2.2 解決對策

1)設置交通信號燈，并設置停車線、車道轉(zhuǎn)向標線、車道轉(zhuǎn)向標志等配套標志標線，從時間上分離沖突交通流，提高交通安全，減少交通擁堵.

2)拆除環(huán)島，改為平面交叉口，并進行相應的進口道拓寬和交叉口渠化，從而免去車輛繞行環(huán)島距離，大幅度地提高交叉口的通行能力，從根本上解決交通擁堵問題.

3)加強非機動車和行人管理，減少交通混行沖突.

4)禁止大貨車在該交叉口內(nèi)通行，但該措施將增大貨車繞行距離，對周邊工廠企業(yè)產(chǎn)生一定影響，其方案的可行性需要與交警部門進行詳細論證.

2.3 設計方案

依據(jù)解決對策，從提高交叉口通行能力，減少交通擁堵，提高交通安全的角度出發(fā)，提出以下5種改造方案：

2.3.1 保留環(huán)島，局部燈控

保留環(huán)島組織形式，在局部進口道增設信號燈，控制車輛分時進入環(huán)島通行. 3處進口道(君竹路、青洲路、104國道)增設交通信號控制，沈海高速下匝道、福馬路下匝道無控制，方案示意見圖3.

圖3 方案1仿真示意圖

信號控制采用3相位，3個進口道依次輪放. 第1相位為君竹路進口道通行，第2相位為青洲路進口道通行，第3相位為104國道進口道通行. 具體配時方案根據(jù)實際詳細的交通調(diào)查和利用韋伯斯特配時法進行精確的交通信號配時設計.

優(yōu)點：相比現(xiàn)狀，減少環(huán)島內(nèi)交通沖突數(shù)，提高環(huán)島通行能力；增加3個進口道信號控制和相配套的交通設施，較少工程改造，造價較低.

缺點：沈海高速下匝道、福馬路下匝道車輛未受控，仍存在一定數(shù)量的沖突；君竹路進口道交通量較大，信號控制后會產(chǎn)生較長排隊現(xiàn)象.

2.3.2 保留環(huán)島，全部燈控

保留環(huán)島，全入口增設信號燈控制，方案示意見圖4. 增加5個進口道信號控制和相配套的交通設施，較少工程改造，造價不高.

圖4 方案2仿真示意圖

信號燈采用4相位，1相位為君竹路進口道、2相位為沈海高速下匝道、3相位為福馬路下匝道(三環(huán)下來)、4相位為青洲路與104國道進口道. 具體配時方案根據(jù)實際詳細的交通調(diào)查和利用韋伯斯特配時法精確的交通信號配時設計.

優(yōu)點：減少了環(huán)島內(nèi)交通沖突數(shù)，減少了交通事故的發(fā)生，通行能力有較大改善；增加5個進口道信號控制和相配套的交通設施，造價不高.

缺點：當福馬路下匝道和沈海高速下匝道交通量較大的極端狀況發(fā)生時，排隊長度過長，容易溢流影響上游主線交通流，5個進口道的信號配時方案需要詳細的交通調(diào)查和精確的交通信號配時設計，防止排隊溢出.

2.3.3 拆除環(huán)島，平面交叉口多方案定時式燈控

拆除環(huán)島，改造為平面4路信號控制交叉口. 停車線可適當前移，縮小交叉口規(guī)模. 為配合燈控配時設計，福馬路下匝道應禁止左轉(zhuǎn)進入104國道，沈海高速下匝道應禁止右轉(zhuǎn)進入君竹路，沈海高速下匝道與福馬路下匝道(三環(huán)下來)相位合并控制. 交通設計時，青洲路進口道應增加一條車道，君竹路應力爭增設一條進口道，方案示意見圖5.

圖5 方案3仿真示意圖

交通信號采用多方案定時式4相位信號控制，1相位為君竹路進口道、2相位為青洲路進口道、3相位為沈海高速下匝道與福馬路下匝道、4相位為104國道進口道. 具體配時方案根據(jù)實際詳細的交通調(diào)查和利用韋伯斯特配時法精確的交通信號配時設計.

優(yōu)點：改為平面交叉口，大大地減少了交通事故的發(fā)生，解決環(huán)島通行能力瓶頸的問題，整個交叉口通行能力能顯著提升；免去車輛繞行環(huán)島距離.

缺點：需拆除環(huán)島進行工程改造，費用較高；福馬路下匝道和沈海高速下匝道在紅燈期間可能會發(fā)生排隊溢出，需要精細的交通信號配時設計.

2.3.4 拆除環(huán)島，平面交叉口自適應燈控

在方案3拆除環(huán)島改造為平面信控路口基礎上，對信號控制方案進行提升，將多方案定時式信號升級為自適應信號控制模式. 感應線圈分別鋪設于各個進口道各條車道停止線前，此外在福馬路下匝道(三環(huán)下來)進口道上游端口、沈海高速下匝道上游端口2處也鋪設感應線圈，用于采集排隊信息，防止排隊過長而溢流影響上游主路，方案示意見圖6. (停止線前藍色線為檢測器，紅色線為信號燈停止線).

圖6 方案4仿真示意圖

交通信號采用4相位，1相位為君竹路進口道、2相位為青洲路進口道、3相位為沈海高速下匝道與福馬路下匝道(三環(huán)下來)、4相位為104國道進口道. 與方案3不同，具體配時方案采用感應線圈采集交通量信息，通過自適應信號控制系統(tǒng)，精確的交通信號配時設計調(diào)整配時方案.

優(yōu)點：改為平面交叉口，解決環(huán)島沖突問題；大大地減少了交通事故的發(fā)生，提升了整個交叉口通行能力；免去環(huán)島繞行距離；自適應信號控制系統(tǒng)能依據(jù)實際交通量調(diào)整配時方案，減少排隊時間與綠時損失，相比方案3，更能適應交通流的動態(tài)變化.

缺點：自適應控制系統(tǒng)成本造價較高，后期需要持續(xù)的相應維護費用.

2.3.5 禁止大貨通行效果

大貨車的通行對該環(huán)島交通影響極大. 通過仿真，環(huán)島在禁止大貨車通行后通行能力較現(xiàn)狀提升25.56%. 但禁止大貨車通行將增大車輛繞行距離，對周邊工廠企業(yè)產(chǎn)生一定影響.

各方案周期(C)、各方案各相位綠信比(λ)見表2.

表2 各方案周期、各相位綠信比

3 仿真實驗

3.1 實驗方案

根據(jù)對交叉口各進口道的交通量調(diào)查，利用韋伯斯特配時法[7]進行信號配時計算，運用VISSIM軟件進行仿真驗證，輸出交通評價指標，并與現(xiàn)狀交叉口仿真數(shù)據(jù)進行對比分析[9]. 各方案采用晚高峰交通量數(shù)據(jù)進行仿真.

3.2 實驗結(jié)果

各方案的仿真結(jié)果及造價匡算如下表所示，其中，方案1～4仿真評價指標均在未禁止大貨車通行的條件下獲得.

從實驗結(jié)果表明5種方案均能在一定程度上減少環(huán)島內(nèi)車流沖突，提高通行能力；方案3、方案4的通行能力提升明顯優(yōu)于方案1、方案2，改善程度達到110%以上，但方案4的工程改造量較大，費用較高，同時該方案增設自適應信號控制系統(tǒng)，后期設備維護的難度加大；方案2的通行能力提升了35.10%，提升程度較方案1高，且只需進行較少的工程改造便可實現(xiàn)改善效果. 綜合考慮改善效果與改造成本，推薦方案2和方案3為較優(yōu)方案.

表3 方案仿真效果對比表

4 結(jié)論

本文以福州市馬尾區(qū)君竹環(huán)島交叉口為研究對象，提出5種交叉口改善方案，同時利用VISSIM仿真軟件進行改善效果驗證，并依據(jù)仿真結(jié)果及對應方案的改造成本，推薦方案2和方案3為較優(yōu)方案. 其中，推薦方案2在造價為325.8萬元的情況下，通行能力提升了31.5%；推薦方案3在造價5 614萬元的情況下，通行能力提升了113.1%.