基于MUT和RCUT新型交叉口设计的性能研究

Alexander T. Fashakin, 乔枫, 孙昊琛, 王兆艳

(沈阳建筑大学，沈阳 110168)

1 国内外研究现状

交叉口在城市道路中极为重要，它将网络内各个方向的道路连接起来。如果没有适当的设计或改进，这些交叉口可能成为导致车辆延误、交通事故和环境污染的重要因素[1]。本文提出的两种交叉口的设计方案，对将来交通状况的改善及无人驾驶车辆的投入使用有很大的促进作用[1]。

1.1 交通信号的消除

根据Anthony Down的说法，如果不强制要求车流在有限的道路上排队等候，大多数道路没有足够的能力来处理高峰时段的车流负荷。因此，交叉口的拥堵可以定义为交叉口排队等候的现象[2]。

研究表明，在底特律市中心，至少有20个交通信号灯可以移除。Shrader和Hummer对此进行了更为深入地研究，在全市范围内对100个交通信号灯进行了测试，发现其中21个信号灯可以替换为干路双向优先标志，24个信号灯可以用四向停车标志替换。替换后，没有对交通流产生任何负面影响。以此为依据，Shrader和Hummer对底特律所有可能移除的1 021个信号灯进行研究，认为底特律可以移除460个信号灯，占全市总信号灯数的30%。该研究还表明，通过移除这些不必要的信号灯，可以有效降低运营和维护成本[3]。

1.2 交叉口设计

Savage将密歇根州的一条双向五车道的左转车道替换为中央分隔带U型掉头 (Median U-Turn, MUT) 交叉口，结果发现交叉口通行能力增加了20%～50%[4]。Stover的另一项研究计算了由两条六车道道路十字交叉所组成的交叉口的临界车道容积，并使用得到的车道容积，分析了将左转车道改为右转车道的影响。与单左转车道相比，双左转车道使得临界车道容积减少了12%，但仍需要多相位的交通信号控制。MUT交叉口减少了17%的临界车道容积[5]。

Bared和Kaiser使用CORSIM研究了一个有信号控制的典型双向四车道MUT交叉口的运行效益[6]。交叉口允许左转，因此，控制信号由3个信号相位组成。同时，主路的最外侧设置右转专用道。研究中使用的这两个特征与在密歇根州采用的典型MUT交叉口是不同的。仿真中的交叉口车辆流入率的范围是2 000～7 000 vph。该研究的主要发现如下：

(1) 与传统交叉口相比，当交叉口车辆流入率大于6 000 vph，其中有10%～20%的左转车辆时，MUT交叉口节省了大量的通行时间。

(2) 采用MUT交叉口可以有效地减少路网车辆的平均停车次数。当左转车辆占比为10%时，平均停车次数减少了20%～40%；当左转车辆占比为20%且交通流量到达4 500 vph时，平均停车率明显降低。

(3) 建议在交叉路口设置右转专用道，提高交通运行效率。

Topp和Hummer分别在干道和次干道上设置MUT交叉口，然后使用CORSIM进行对比分析。其中，干道的左转车辆流率为100～400 vph，直行车辆流率为1 000～2 000 vph；次干道的左转车辆流率为50～200 vph，直行车辆流率为500～1 000 vph。并在有需要信号控制的MUT交叉口设置信号灯[7]。结果表明，与MUT设置在主干道上相比，大多数情况下，在次干道上设置MUT交叉口可以有效地减少停车率、行程时间和延误。提供左转相位的准则如下：

1) 基于车流量

在高峰时段的四车道上，左转车辆数与对向车辆数的乘积大于100 000，或在高峰时段的双车道上，乘积大于50 000时，提供左转相位。

左转车辆高峰流率大于90 vph，或道路的直行车辆时速超过72 km/h，且左转车辆高峰流率大于50 vph时，提供左转相位。

在定时信号控制交叉口的高峰时段，绿灯结束时每周期每进口道的车辆数大2时，提供左转相位。

2) 基于延误

在高峰时段，如果每信号周期至少两次左转，且左转车辆的平均延误大于35秒，关键进口道左转车辆的小时车辆延误大于 2.0 vph时，提供左转相位。

3) 基于碰撞实验

对于一个进口道而言，左转碰撞数大于等于4次每年或6次每两年时，提供左转相位。

对于所有进口道而言，左转碰撞数大于等于6次每年或10次每两年时，提供左转相位。

上述标准不仅适用于确定是否在传统信号控制交叉口处设置左转相位，而且也适用于确定是否在MUT交叉口设置左转相位[7]。

2 研究目标

对交叉路口进行适当的设计，可以有效地减少交叉口的行车延误，并提高交叉口的通行能力。因此，交叉口的设计需要采用客观的方法得出缓解交叉口拥堵和延误的解决方案[8]。

本文将MUT和蝴蝶结型交叉口(Restricted Crossing U-Turn intersection, RCUT)与传统交叉口的性能进行对比分析，并以此为依据，对限制或降低传统交叉口交通信号控制需求的可行性进行评估，最后利用VISSIM进行仿真研究。

本文提出了一种改进的MUT和RCUT交叉口设计方法，与传统交叉口通行能力进行比较。并对通过将左转车道改为右转车道，以及在交叉口设置停止标志来限制或降低传统交叉口交通信号控制的需求进行了可行性调查研究。

3 问题分析和交叉口设计

交叉口存在潜在冲突，其安全性一直是研究的主要内容。包括日均车流量、视距、交叉口几何形状、路肩宽等交通环境因素在内的诸多参数，都会对交叉口的碰撞发生率产生一定的影响。

在交通控制策略方面的改进大多是对交通控制信号进行配时优化。以往的交通信号配时优化一般是基于历史交通数据，针对一天中的特定时间提出最优的信号固定配时方案。然而，现在可以通过感应控制或实时控制的策略，利用实时的交通数据确定最佳的配时方案[9]。

很多时候，实际交通量会超过交叉口的设计通行能力，使得信号控制策略的作用不能充分发挥。针对这类问题，增加车道数不失为一种解决方案，通过增加车道数来提高交叉口的设计通行能力。然而，增加车道数只能暂时缓解交通压力，且由于占地面积和建设资金等诸多限制因素的存在，不可能无休止地扩建道路，因此，这种方法并不具有可持续性。

鉴于日益增长的交通需求和传统解决方案的无效性，许多国家一直在考虑将交叉口的替换设计作为解决方案。环形交叉口是20世纪60年代用来解决英国交通安全和效率问题的早期交叉口替换设计方案之一。

目前，环岛已在国际上得到了广泛的应用，被认为是一种可以有效改善交叉口性能的解决方案，其优点包括降低严重碰撞率、提高通行能力和改善交通流量等[10]。

其他的创新型交叉口设计也被证明可以改善传统交叉口的运行和安全性能，这些设计主要包括主交叉口的左转车道改道和禁止左转等。

在中国采用这种MUT和RCUT方法解决交叉路口通行能力和提高其安全性的设计研究工作较少。从21世纪以来，中国学者开始借鉴西方在平面交通中采用的技术，研究交叉路口远引掉头技术[11-14]。

近年来，随着交通状况的恶化，以及适应无人驾驶汽车发展研究，在这方面的研究越来越多[15]。

3.1 交通信号

传统交叉口的左转车辆在十字路口处等待左转，这将会导致交叉口产生延误和拥堵。交通信号的使用有助于组织交通系统中的不同对象，如行人、车辆等。尽管取得了一定程度的成功，但信号灯的使用也成为交叉口部分问题产生的根源[16]。所面临的一些问题有[17]：

(1) 交通设施的安装与维护成本；

(2) 延误/等待时间；

(3) 交通流通行能力；

(4) 环境排放；

(5) 路怒行为/车辆碰撞。

在交通流量较低或非高峰时段，交通信号可以使车辆减速并在路口停车等待，而在其他路口则很少或没有车辆。直觉上，这样可以改善整体的交通安全，也许是因为在没有交通信号的情况下，包括驾驶员在内的每个交通参与者在过这种路口时都更加小心谨慎。

设置过多的交通指示牌会让驾驶员将视线从道路上移开，降低了交叉口的安全性能。当所有的驾驶员时刻保持警惕时，整个交通流的运行会更加的顺畅。而此时，传统交叉口中出现的停车和路怒现象也会几乎消失。

3.2 冲突区域

当我们对交叉口的安全性能进行评估时，需要引入冲突点这一概念。传统交叉口对行人和车辆均存在冲突点。传统交叉口中有32个冲突点，如图1所示。

图1 传统交叉路口、MUT和RCUT的冲突点分布

诸多研究分析了冲突点对不同类型交叉口的碰撞率的影响。促使人们需要设计更多的交叉口类型来减少交叉口车辆左转行为的发生，因此，应减少传统交叉口的冲突点数量。

左转冲突的减少是通过交叉口几何设计，改变左转车流发生的方式，从而简化决策以及最小化碰撞发生的可能性。在文献[18-19]中，有两种非常有效的基于U型掉头的设计方案，分别是MUT和RCUT。

虽然冲突点和车辆碰撞之间没有明确的数学关系，但冲突点常被用来表示车辆碰撞，尤其是比较不同形式的交叉口时。与传统交叉口相比，RCUT和MUT交叉口的车辆冲突点明显减少[20]。

研究人员通过优化信号配时和扩建道路，寻找改善这些因素的方法。近年来，诸多学者在研究移除某些交叉口信号灯的使用的可能性。

3.3 备选交叉路口

MUT和RCUT交叉口被认为是一种可以改善交通流量，减少行车延误时间的有效方法，如图2、图3所示。这种设计方法避免了交叉口内的车辆左转行为，当车辆需要从支路左转进入主路时，支路上的司机在交叉口向右转到主路，然后在主路的某一特定位置掉头，从而实现左转的需求。

图2 MUT交叉口的车辆运动

图3 RCUT交叉口的车辆运动

这两种交叉口设计，对于主干道车道数较多而支路的车流量低的交叉口是很有效的。

北非、中东和印度次大陆等地的城市主干道，RCUT交叉口设计已经使用多年。这些交叉口即使交通流量非常大，也没有交通信号灯的使用。在这些地区，这种设计提供了充足的交通通行能力，减少了交叉口的冲突和延误。RCUT交叉口是由美国的Richard Kramer首先提出的，而后在马里兰州和北卡罗莱纳州分别进行独立的开发研究。Kramer在20世纪80年代中期提出了关于郊区干道阻塞的观点，并列出一套基本原则，定义了一种理想的郊区干道模型来克服交通阻塞，通过一种被称为“超级街道”的设计方案，表明他所提出的理想郊区干道模型。

这种街道设计的核心特点包括干道的双向不间断车辆运行带，以及干道的直行车辆在运行中得到2/3～3/4的绿灯周期时间。Kramer一直对他所提出的概念进行研究，他的这一研究帮助阿拉巴马州在多森市界内的美国231号高速公路上建设了RCUT交叉口。

4 研究方法

要解决因信号灯而引起的交通问题，需要从其他角度进行研究。本文考虑了两种设计方案改善由信号灯引起的交通问题。

本文从以下4点进行分析：

(1) 3种交叉口的几何构造及其设计；

(2) 对每个交叉口进行低流量到高流量的评估，以模拟非高峰和高峰情形；

(3) 增加左转车流量，以便更好地分析交叉口的性能；

(4) 对比分析各交叉口的车辆延误和灵敏度。

4.1 交叉口几何形状

为了保证对比分析的一致性，采用相类似的测量方法对交叉口进行测量。十字交叉口包括4个进口道，由主干道和次干道组成。

传统交叉口主干道上有两条直行车道、一条左转车道和一条右转车道；次干道上有直行车道、左转车道和右转车道各一条。车辆在交叉口的主干道和次干道均可左转，但需要在路口停车等待，当左转信号为绿灯时，方可左转。

MUT和RCUT交叉口的主路有着相同的几何构成，而支路的所有车辆均要求在交叉口处右转，如图4所示。

这种交叉口对左转车道重新定向，支路上的司机在交叉口处右转至主路，然后在掉头交叉口处掉头。为了确保车辆行驶的安全，需要设立停止标志。主路车辆有较高的优先级，因此当主路无车时，支路车辆方可右转进入主路。这种交叉口的设计对主路有较多的车道数、且支路车辆不多的相交路段是很有益的[19]。

图4 MUT交叉口设计

根据美国联邦高速公路管理局 (FHWA)对MUT和RCUT交叉口设计所提出的建议[19-20]，假定有以下规则：

(1) 在主路上设置港湾式右转车道；

(2) 红灯时允许右转，且交叉口内禁止左转；

(3) 道路的中央隔离带宽度为20 m；

(4) U型掉头点与交叉口距离d为180 m；

(5) 主路限速72 km/h；

(6) 72 km/h主干道限速；

(7) 没有巴士站；

(8) 设置50 m长的港湾式左转车道。

RCUT交叉口几何设计是在主路上设置50 m的港湾式左转车道，以便于主路车辆左转至支路，如图5所示。

图5 RCUT交叉口设计

4.2 交通需求分析

为了分析不同交叉口的交通需求，假设了不同的交通流量。对每个交叉口在不同交通流量下的表现进行评估，以达到对每种交叉口在不同高峰和非高峰流量情形下进行性能评价的目的。

此外，调整左转交通量以便更好地评估其对交叉口交通流量的影响。

为了更好的分析各交叉口的进口道通行能力，分别采用1 000 vph、2 000 vph、3 000 vph、4 000 vph、5 000 vph和6 000 vph 6种小时车流量值进行研究。采用15%的左转占比表示交叉口的低左转量，采用25%的左转占比表示交叉口的高左转量。

5 结果与讨论

选择延误时间作为所有交叉口的测量指标。 此外，使用不同的交通流量和左转车辆占比进行分析。最后，对延误时间进行灵敏度分析，选择适应每一种交通流情形的最佳交叉口替换方案。

5.1 冲突点

MUT和RCUT交叉口设计有效地减少和降低了交叉口冲突点的个数和风险。 如表1所示，传统交叉口有32个冲突点，包括8个合并点，8个分离点和16个直行车辆冲突点。而在MUT和RCUT交叉口中分别只有12个和14个冲突点。

表1 传统交叉口与MUT、RCUT交叉口的冲突点个数比较

5.2 交通流量分布

这3个交叉口均在VISSIM平台上完成设计，并针对不同的交通环境进行对比分析。采用3种交通流量情况：低流量(1 000～2 000 vph)，中等流量(3 000～4 000 vph)和高流量(5 000～6 000 vph)。

为了更准确地分析3种交叉口的性能，对左转车流量进行调整。然后对比研究了所有交叉口的通行能力、行程时间和平均延误。

5.3 延误时间

对15%左转占比和25%左转占比两种情形下的6种不同交通流量进行对比分析。

当左转占比为15%，且交通流量为1 000 vph时，MUT交叉口相较于其他两种交叉口有着更短的平均延误时间，但随着交通流量的增加，当车流量达到5 000 vph甚至更大时，RCUT交叉口表现更佳。总体而言，MUT和RCUT交叉口在各种交通流量情形下的表现均优于传统交叉口，如表2所示。

对于15%左转比例，在交通量为1 000 vph时，与其他交叉口相比，MUT交叉口平均延误时间较短，而随着交通流量的增加(尤其在大于等于5 000 vph)，RCUT则表现更佳更好的结果。如表2所示，MUT和RCUT在低流量和高流量情况下的表现都优于传统交叉口。

表2 所有交叉路口的平均车辆延误时间为15%左转比例

表3 所有交叉路口的平均车辆延误时间为25%左转比例

当左转弯占比较高时，在低流量(1 000～2 000 vph)情形下，MUT交叉口表现较好；而在中、高流量(大于2 000 vph)情形下，RCUT交叉口表现得更好，如图6、图7所示。

图6 与15%左转比例的所有交叉口的平均延迟时间比较

图7 与25%左转比例的所有交叉口的平均延迟时间比较

5.4 平均延误时间的灵敏度分析

通过灵敏度分析，确定了适用于不同交通流等级的交叉口代替设计方案。灵敏度函数通常有两种形式：解析函数和经验函数。解析函数通常以偏导数的形式对有明确定义的系统进行灵敏度分析，而经验函数则是通过观察因某些参数变化而导致的系统状态的变化而得出参数的灵敏度，此方法常用于非模型化的系统[21]。

Steve Cherry对每个交叉口的平均延误时间进行了灵敏度分析，以比较每个路口的平均延误时间。经过分析，确定了在不同交通流量情形下，各种交通场景的一致性。为了比较各种交叉口的延误时间，提出了对交通系统的延误表现进行百分制评分。例如，假设作为基准值的最低平均延误时间为6秒(记为100分)，那么当实际平均延误时间为10秒时，该交叉口的得分为(100×6/10)分，即60分，当将所有情形下的交叉口得分求出后，得分最高的为最佳替换方案。

该方法适用于交叉口平均延误的分析。然后，在不同的交叉口环境下，对不同的车辆流入流量，及不同流量下的不同左转车流占比进行比较。通过灵敏度分析可知，低流量时，MUT交叉口在不同左转占比下均为最佳选择；中、高流量时，因RCUT交叉口在不同左转占比下均明显地降低了交叉口平均延误时间，所以RCUT为中、高流量时的最佳选择。分析结果如图8、图9所示。

图8 15% 左转运动的敏感性分析

图9 25%左转运动的敏感性分析

6 结语

对于交通流量低(1 000～2 000 vph)的交叉口，MUT交叉口表现得更好，可以替代传统交叉口。而对于流量较高的交叉口(3 000～6 000 vph)，RCUT交叉口则会产生更好的效果，可以替代传统交叉口。

这项研究在提高传统交叉口的性能方面提供了指导方针。同时，也提供了替换信号灯的方案选择方法。

在本次研究中存在一些限制，如无法通过获得现场数据校准模型更真实地重现交通状态。此外，交通数据是在假定条件下生成的，并不是基于现场评估生成的。

未来，需要进行安全性分析，以确定哪一种交叉口替换方案是最安全的，同时还应考虑使用其他的交叉口性能评价指标对交叉口进行评价。在可替换的交叉口设计中，要考虑更加合理的渠化设计，以确保车辆安全行驶。