道路平面交叉口交通设计方法研究文献综述

一、选题背景和意义：

近年来，伴随着社会经济的发展和人们生活水平的普遍提高，整个社会对交通运输的需求日益增加，交通出现了日趋紧张的局面，拥堵时常发生，伴随而来的是一系列的交通问题：道路拥堵、车辆秩序混乱、事故频发、污染严重等等。整个城市的经济发展受到了制约，缓解交通拥堵问题迫在眉睫。对于城市道路而言，交叉口是城市交通的关键，相对与道路路段而言，交叉口内由于不同流向车流的转向而引起的各种车流之间的交织、分流以及合流等行为，形成若干冲突点，也正是由于其复杂的交通特性，使得交叉口成为交通持续混乱和事故的多发点，降低了道路网通行能力，成为整个城市道路的瓶颈地带。

随着城市人口规模的扩大、机动车数量的迅猛增长，城市交通将面临更加严峻的考验，研究和改善交叉口的交通设计,对于缓解城市的交通状况有着至关重要的作用。合理的交通设计有助于充分利用交叉口的时空资源、挖掘道路通行潜力、提高整个道路系统的通行能力和服务水平，并提高交通安全性。同时,交叉口交通设计相对于道路基础设建设而言,具有投资少、见效快、效果明显、便于采用等明显优势,在改善城市交通状况上更具有现实意义。

另一方面，由于交叉口的交通组织渠化需要考虑的因素众多，从不同的角度出发就可能得出不同的设计结果，因此这是一项具有“创造性”的工作。但长期以来我国在交叉口设计理论方面的研究大都比较凌乱，对交叉口渠化设计的方法、理论研究虽层出不穷，但大都是“就事论事”，缺乏系统的方法，而相关的技术和规范也侧重“停留”在应用上，虽然国内发布了一系列有关交叉口设计规范，如《城市道路设计规范》、《城市道路交叉口规划设计规范》、《城市道路平面交叉口规划设计规程》等，以及一些地方配套发布的相关交叉口设计实施条例，但在相关理论研究及设计系统性方面并不多见。因此，交叉口交通设计急需从系统的角度进行研究，逐步形成较详实、完善的理论框架。

本文基于上述问题，在借鉴国内外相关交叉口交通流组织及渠化设计研究成果的基础上，结合我国城市道路交通的实际情况，从通行能力和交通安全两方面对平面交叉口交通设计的相关理论进行总结、完善和深入研究，分析平面交叉口选型方法、平面交叉口主要设计参数确定方法，提出交叉口交通组织理论框架及渠化设计关键指标，为提高路网通行能力和交通安全打下基础，达到更好地指导实践的目的。

通过对城市道路交叉口设计方法的研究，可为解决以下问题提供依据：

1. 研究交通流特征参数与交叉口几何条件之间的关系，为改善交叉口的通行能力提供依据。
2. 掌握城市道路平面交叉口的交通流运行特征，为分析平面交叉口的交通安全影响因素提供依据。
3. 为优化城市道路平面交叉口交通设计提高依据。分析平面交叉口选型方法、平面交叉口主要设计参数确定方法，提出交叉口交通组织理论框架及渠化设计关键指标，从通行能力和交通安全两方面对平面交叉口交通设计的相关理论进行总结、完善和深入研究。

二、国内外研究概况

围绕平面交叉口，国内外学者和研究人员做了深入的研究，取得了很多研究成果。下面对国内外研究现状从交叉口通行能力、交通冲突、渠化设计、信号控制和交叉口组织优化五个方面分别予以介绍。

1、国外研究概况

在通行能力研究方面，目前，诸如美国、加拿大、瑞典、澳大利亚、德国、印尼等许多国家均已根据本国的实际交通状况，出版了具有实践指导意义的道路通行能力手册或指南。其中，最具有代表性的是美国《道路通行能力手册》（Highway Capacity Manual，HCM2000）所提出的方法^[1]。该方法的基本思路是：以信号交叉口的车道或车道组的饱和流率为基础，通过各种折减系数考虑影响因素对车道或车道组的通行能力的折减效用。得克萨斯运输学院研究小组提出了临界车道法的概念^[2]，对每个入口的临界车道求出一个通行能力，那么对于整个交叉路口可以求出一个临界车道容量，从而得出临界车道通行能力与周期成反比关系，同时表明周期相同的条件下，入口数越多临界车道通行能力也相应降低。该研究成果在某种程度上有助于理解信号周期对交叉口通行能力的影响。

在交叉口交通冲突方面，Rauml;sauml;nen M等人认为交通规则的优先权不同设置在引发冲突的因素中对机动车与自行车的行为起决定作用^[3]。Mohamed A等人认为，平面交叉口由于多个方向的交通流汇入，致使交通量大幅增加，而且各方向行驶的车辆存在许多可能导致事故发生地潜在冲突点。交叉口由于交通量大、冲突点多及视线盲区大，所发生的交通事故也多^[4]。因此，国外多将交通冲突作为一种非事故统计的安全评价方法，已被世界各国广泛应用到交叉口的交通安全研究中，并已取得了许多成果。但由于各国交通政策、交通现状存在差别，并且由于研究项目的范围和遵循的原则不同，交通冲突技术研究和应用程序相差很大。

在交叉口渠化设计研究方面，国外的渠化设计研究较为成熟，对左转弯车道的设置^[5]、右转弯车道设计、进口道宽度、进口道车道数、掉头车道^[6]等做了大量研究，另外关于交叉口渠化、交叉口交角、交叉口缘石半径也有相关的研究。目前，渠化设计在国外一般都形成了规范或手册。如美国的 MUTCD 手册^[7]，介绍了各种渠化措施以及设施的尺寸、颜色以及使用时需要注意的问题。日本的《平面交叉路口的规划与设计》中对交叉口的渠化作了很多论述，认为渠化对解决交通拥堵非常有效^[8]。其中，渠化的定义是：“为了减轻、改善平面交叉路口处交通流的交错数量及性质，在正常交通流不利用的位置设置适当的lsquo;岛rsquo;，规定车辆的行驶位置，诱导车辆按正常方向行驶，为行人提供避车场所，以整顿交通流为目的，这就叫平面交叉路口的渠化。”国外所用的渠化手段主要有交通岛、导流设施、路障、中心圈等^[9]。各种不同形式的交通岛可以有效的分隔车流、保护行人；导流设施可以使行驶车辆明确行驶路线，提高安全水平；路障的功能主要是阻隔禁止通行的车辆，让交通设施为特定的交通对象服务。

在信号控制研究方面，上世纪50年代，以英国学者Webster为代表的交通专家开展了城市信号交叉口最优配时的研究工作，研究主要围绕单点交叉口信号配时参数进行^[10]。1999年，日本学者Inoue T等通过仿真模型再现交通状况，用事件扫描法对设计方案进行评价，并在十字路口进行试验的方法，研究了在交通高峰时段的拥挤状态下，信号协调控制系统相位差的设计方法^[11]。2001年，美国Abbas等提出了一种交通信号相位差的转换运算法则，这种方法的独特之处在于优化过程同时考虑了交通量和占有率的影响，并且这种方法与传统的信号协调控制系统有较好的兼容性^[12]。

在交叉口组织优化研究方面，1974年，AI-Salman等对信号交叉口右转机动车组织方法进行了研究，提出了红灯期间右转方式下，右转车流的通行能力及其延误计算模型以及不同的右转车道结构形式对交叉口安全效率的影响^[13]。1995 年，Shebeeb研究了道路左转专用车道的设置依据及其安全和效率的评价，指明设置左转专用车道可以有效地对进入交叉口的左转车流进行组织^[14]。1997年，Sen和Head提出一种用于交叉口实时信号控制的通用算法，这种方法基于动态规划，能对交叉口的各种性能指标进行优化，如延迟、停止和排队长度^[15]。

2、国内研究概况

我国在平面交叉口方面的研究起步较晚，但我国交通工作者借鉴国外先进的交通研究理论与经验，结合我国的交通特征，对信号交叉口进行了大量研究。

在通行能力方面，国内的主要研究方法包括：①停车线法，以进口道停车线为控制面，车辆只要通过该断面就被认为通过交叉口。②冲突点法，提出信号交叉口通行能力真正起作用的地点为交叉口中的冲突点，以冲突点为控制点，只有通过冲突点的车辆才认为通过了交叉口。另外，赵靖、杨晓光等根据车流在交叉口到达驶离特性，研究了上游交织段对信号交叉口通行能力的影响，建立了考虑交织段情况下的车道组通行能力计算模型，并通过仿真对模型进行了检验^[16]。东南大学王炜等引入交叉口极限通行能力和有序度的概念，为交叉口通行能力的计算给出一种简便而又通用的算法^[17]。徐立群等比较了冲突点法、停车线法、美国法，并将结果与实测通行能力进行比较后得出，冲突点法算得的结果与实测结果最接近，而停车线法和美国法算得的结果都偏大。认为冲突点法是一种较适用于我国交通条件及混合交通流特性的通行能力计算方法^[18]。

在交叉口交通冲突研究方面，我国对城市道路交通拥挤管理技术的研究起步较晚，到目前为止，对于拥挤管理的研究基本处于探讨阶段。2004年，王海星等针对我国交通冲突技术发展尚处于起步阶段、交通冲突数据统计尚不充分的现状，研究了交通量和交通事故、交通冲突的密切关系，尝试建立以交通量为基础的交通冲突数学模型，力求更加准确地对平面交叉口进行安全评价，克服传统的基于事故统计的安全评价方法的不足^[19]。吉林大学交通学院王殿海等研究了混合交通环境下机动车、自行车和行人的冲突情况对交叉口通行能力的影响，提出设置左转自行车相位和自行车、行人相位提前截止等解决方案，建立了左转自行车相位设置流量临界值的概念和自行车、行人提前截止时间的计算模型，这些理论成果可用于缓解混合交通环境下机动车、自行车和行人的冲突问题^[20]。2007年，单晋等分析了城市交叉口区域左转、直行、右转非机动车流的各类交通冲突，以及常见的交叉口非机动车违章行为所引起的交通冲突，并从设施设计、信号相位组织、交通管理等角度提出了相应的对策，对于指导我国城市道路交叉口交通规划设计有意义^[21]。这些研究填补了我国在这一领域的空白，对进行城市交通拥挤的管理提供了基础条件，但还有待进一步研究和探讨，如拥挤指标的选择、拥堵评价指标体系的建立等，这方面还缺乏理论体系的建立和使用技术的开发。

在渠化设计方面，2005年，佟炳勋针对“饱和、超饱和”状态下运行的城市道路网中，在疏导交通缓解平交路口交通阻塞时，传统的路口渠化设计方法，已不能适应当前城市道路交通量骤增的形势，对路口渠化长度和拓宽车道渐变段长度的确定，提出了新的补充意见^[22]。2006年，北京交通大学赵伟等从左转车道设置的原则、设置左转车道的常用方式、左转车道的长度和宽度等角度对左转车道的设计问题进行了探讨，提出对左转车道进行合理偏移可有助于提高驾驶员的视距^[23]。2007年，窦瑞军从理论上分析了交叉口处产生交通阻塞的原因，提出交叉口范围内渠化交通管理措施，讨论了渠化交通的适用原则、技术要求和应用方法，实现人车分流^[24]。2008年，同济大学杨晓光等从交叉口渠化设计的约束条件等角度对交叉口停车线设计进行研究，认为交叉口停车线的设计位置与交叉口的角度有较大关系^[25]。

在信号控制研究方面，基本上依据英国 Webster公式来计算信号周期，由于该公式的应用具有一定的使用范围，对较低饱和度的交叉口才有达到优化的目的。1998年，东南大学王炜等针对我国城市道路交叉口的交通流特性，提出了交叉口交通信号配时的模拟退火全局优化算法，对交叉口的信号周期时长进行优化^[26]。2003年，东南大学葛亮、王炜等研究了在不同配时方案条件下，直行与转向车流的延误计算方法，深入研究了混合通行情况下的相位设计方案，提出了多相位控制适用的定量条件，提出了信号配时的优化方法^[27]。2006年，东南大学颜艳霞、李文权以延误时间、停车次数和通行能力作为性能指标，提出交叉口实时配时，采用一种新型随机搜索思想——蚂蚁优化算法来求解此模型的非线形问题。仿真试验表明，所得结果优于经典方法，降低了交叉口的总延误时间和停车次数，提高了通行能力^[28]。2009年，吉林大学李剑锋对信号交叉口配时方法进行了一定的改进，对启动损失时间、右转车辆绿信比优化等进行了深入的研究^[29]。

在交叉口组织优化研究方面，2002年，刘德武通过对平面交叉口的交通特性进行研究，提出了道路平面交叉口的交通组织与管制的具体方法和措施^[30]。2007年，张政基于交叉口交通组织优化设计的理论研究，总结了目前国内外关于交叉口交通组织优化设计的一些方法，从硬件设计、软件设计两方面详细论述了平面交叉口的交通组织优化设计^[31]。2013年，廖晓强分析了城市道路平面交叉口交通流特征对交叉口交通组织的影响和要求，总结分析出各种平面交叉口形式的主要缺陷和适用场合^[32]。

国内对于交叉口设计较为系统的研究主要集中在以下文献著作中，上海市2001年出版的《城市道路平面交叉口规划与设计规程》对平面交叉口的规划和设计做出了规定和设计流程^[33]。同济大学杨晓光于2003年编著了《城市道路交通设计指南》，书中在国内尚属首次从交通设计层面对于平面交叉口的渠化设计、信号配时等总结了改善设计的方法和技术^[34]。东南大学陆建、项乔君等编著了《公路平面交叉口交通安全设计理论与方法》等，针对平交口的选位、几何安全设计、交通控制安全保障设计及交通安全评价诊断与改善等，总结了公路平交口交通设计方法^[35]。

3、国内外研究总结

（1）国内外可借鉴的成果

1. 城市平面交叉口交通流运行特性与交通安全分析方法

目前对城市平面交叉口交通流运行特征的研究有较多的成果，主要通过对交通流特征研究，分析交通流运行状态，确定交叉口通行能力与交通安全的影响因素。

1. 城市平面交叉口各部分的交通组织设计方法研究

目前针对城市平面交叉口设计的研究成果较多，虽然大多是对交叉口某个部分（如左转车道、掉头车道）、抑或某种控制（如停车让行、信号配时）等的研究，但对整合梳理平面交叉口的交通设计方法研究有较大的参考价值。

（2）国内外研究存在的不足

1. 缺乏合理的平面交叉口设计参数确定方法

目前的研究主要集中于对不同类型的交叉口提出相应的设计规范，而对规范中的设计参数的确定缺乏系统的方法，不能从通行能力和交通安全两个方面对各设计参数的获取提供合理的解释。

1. 缺少对平面交叉口综合设计的研究

虽然国内外对于交叉口设计的成果很多，但多是针对交叉口某个方面的研究，且限于理论层面，抑或是规范指南，缺少理论性原理性的分析，对平面交叉口的设计缺少整体的协调设计的研究，交叉口各方面的设计难以相互协调。

三、主要研究内容

本文以城市道路平面交叉口作为研究对象，旨在从通行能力和交通安全两方面分析平面交叉口选型方法、平面交叉口主要设计参数确定方法，以及从通行能力和交通安全两方面优化设计参数，形成系统的交叉口设计理论框架。因此，论文主要从以下几个部分展开：

1. 城市道路平面交叉口交通拥挤及事故原因分析

城市道路平面交叉口交通拥挤及交通事故原因的分析，对掌握平面交叉口交通设计方法有重要意义。本文主要分析造成平面交叉口交通拥挤和事故发生的主要因素以及交叉口设计要素对交叉口通行能力和安全性的影响。

1. 道路平面交叉口交通行为研究

平交口的交通流运行特征分析，是平交口交通冲突和通行能力研究的基础。本文研究交叉口空间范围内机动车、非机动车和行人的交通行为，分析交通行为对交叉口通行能力和交通安全性的影响。

1. 城市道路平面交叉口交通设计研究

平面交叉口的交通设计主要包括交叉口交通组织设计、交通控制设计、综合渠化设计及几何安全设计等。本文综合考虑通行能力和交通安全两个层面，对上述各方面的设计理论分别进行归纳总结，提出主要参数的确定方法和优化措施，将有助于更全面地对不同类型交叉口的优化设计。

1. 城市道路平面交叉口交通安全评价方法研究

交通安全评价主要分为基于事故和机遇冲突的方法。本文主要包括交通事故的定义和分类以及各种交通事故评价方法，交通冲突的定义和分类、交通冲突严重性划分等。

四、研究方法与技术路线

1、研究步骤

1. 文献检索与处理

研读与研究课题相关的参考文献，了解不同类型平面交叉口存在的主要问题并对原因进行分析，现有文献中涉及的内容亦可列为参考。根据本课题的内容，对文献中的优化改进设计方案进行分类，完成有关案例收集、设计方法的整合。

1. 城市道路平面交叉口设计方法与理论分析

基于平面交叉口设计的基本原理，从提高通行能力和改善交通安全两个角度，对交叉口的选型方法、交通组织设计方法、交通控制设计方法、综合渠化设计方法及附属设施设计方法分别进行理论性的阐述说明，结合具体案例，明确各部分设计过程中应考虑的主要参数，提出对主要参数的优化方法及针对不同问题的优化措施。

1. 城市平面交叉口交通安全评价

本文介绍基于事故和机遇冲突的方法，主要包括交通事故的定义和分类以及各种交通事故评价方法，交通冲突的定义和分类、交通冲突严重性划分等。

2、技术路线

五、课题关键问题及难点

本课题的主要目的是，从通行能力和交通安全两方面分析平面交叉口选型方法、平面交叉口主要设计参数确定方法，以及从通行能力和交通安全两方面优化设计参数，形成系统的交叉口设计理论框架。因此，本课题研究的关键问题及难点为：

1. 分析不同类型交叉口的特性及适用性

平面交叉口类型繁多，从几何造型来看，分为十字交叉口、T型交叉口、X型交叉口、Y型交叉口、环形交叉口等；从交通控制来看，分为信号控制交叉口、优先控制交叉口和全无控制交叉口。本课题将深入分析不同类型交叉口的交通特性及可能存在的问题及原因，提出改进方案。

1. 平面交叉口主要设计参数的确定及优化

平面交叉口的交通设计主要包括交叉口交通组织设计、交通控制设计、综合渠化设计及附属设施设计等。而已有文献对平交口设计往往侧重某一方面，未能从上述各方面综合考虑。本课题综合考虑通行能力和交通安全两个层面，对上述各方面的设计理论分别进行归纳总结，提出主要参数的确定方法和优化措施，将有助于更全面地对不同类型交叉口的优化设计。

六、参考文献：

[1] Manual H C. Highway capacity manual [J]. Washington, DC, 2000.

[2] 段里仁. 道路交通自动控制[M]. 北京: 中国人民公安大学出版社, 1991.

[3] Rauml;sauml;nen M, Koivisto I, Summala H. Car driver and bicyclist behavior at bicycle crossings under different priority regulations [J]. Journal of Safety Research, 1999, 30(1): 67-77.

[4] Abdel-Aty M A, Radwan A E. Modeling traffic accident occurrence and involvement [J]. Accident Analysis amp; Prevention, 2000, 32(5): 633-642.

[5] Ackeret K W. Criteria for the geometric design of triple left-turn lanes [J]. Institute of Transportation Engineers. ITE Journal, 1994, 64(12): 27-35.

[6] Stamatiadis N, Kala T B, Agent K R. U-turns at signalized intersections [J]. 2004.

[7] Federal Highway Administration. Manual on Uniform Traffic Control Devices (MUTCD) [S]. 2003, Washington, DC.U.S.

[8] [日]交通工程研究会编.刘春华,刘憬译.平面交叉口的规划与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.

[9] Neuman T R. Intersection channelization design guide [J]. NCHRP Report, 1985 (279).

[10] Hongqiang Li, Dianhai Wang, Zhaowei Qu. Research on the Optimization Method of

Cycle Length for Signalized Intersection[C], ASCE, AATTrsquo;2004.

[11] Inoue T, Futamura M, Yokota T, et al. Traffic signal offset design using event scanning method simulation of traffic congestion[J]. Electronics and Communications in Japan (Part III: Fundamental Electronic Science), 1999, 82(8): 1-13.

[12] Abbas M, Bullock D, Head L. Real-time offset transitioning algorithm for coordinating traffic signals[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2001, 1748(1): 26-39.

[13] Al-Salman H S T, Salter R J. Control of right-turning vehicles at signal-controlled intersections [J]. Traffic engineering and Control, 1974, 15(15): 683-686.

[14] Shebeeb O. Safety and efficiency for exclusive left-turn lanes at signalized intersections [J]. ITE journal, 1995, 65(7): 52-52.

[15] Sen S, Head K L. Controlled optimization of phases at an intersection [J]. Transportation science, 1997, 31(1): 5-17.

[16] 赵靖,许建,杨晓光,等. 交织段对信号控制交叉口通行能力影响研究[J]. 交通与计算机, 2008, 26(2): 53-56.

[17] 王炜,高海龙,李文权. 公路交叉口通行能力分析方法[M]. 科学出版社, 2001:114-117.

[18] 徐立群,吴聪,杨兆升. 信号交叉口通行能力计算方法[J]. 交通运输工程学报, 2005, 1(1): 82-85.

[19] 王海星,肖贵平,聂磊. 基于交通量的平面信号控制交叉口交通冲突模拟研究[J]. 中国安全科学学报, 2004, 14(3): 20-22.

[20] 景春光,王殿海. 典型交叉口混合交通冲突分析与处理方法[J]. 土木工程学报, 2004, 37(6): 97-100.

[21] 单晋,罗崴. 交叉口区域非机动车交通冲突分析与对策研究[J]. 道路交通与安全, 2007, 7(3): 45-51.

[22] 佟炳勋. 饱和状态下路口的渠化设计[J]. 市政技术, 2005, 23(2): 73-74.

[23] 赵伟,肖贵平,苑红伟. 对城市道路交叉口左转专用车道设计的探讨[J]. 工业安全与环保, 2006, 32(11): 25-27.

[24] 窦瑞军,卜跃. 渠化交通在城市道路交叉口管理中的应用[J]. 科技与管理, 2007, 9(5): 47-49.

[25] Bai Y, Xue K, Yang X. The Analysis of Stop Line Arrangement for At-Grade Intersection[C]//Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA), 2008 International Conference on. IEEE, 2008, 2: 521-528.

[26] 顾怀中,王炜. 交叉口交通信号配时模拟退火全局优化算法[J]. 东南大学学报 (自然科学版), 1998, 3: 68-72.

[27] 葛亮,王炜,陈学武,邓卫. 信号控制交叉口配时优化研究[J]. 交通与计算机, 2004, 21(5): 7-10.

[28] 颜艳霞,李文权. 单点交叉口信号实时配时模型及蚂蚁算法[J]. 公路交通科技, 2006, 23(11): 116-119.

[29] 李剑峰. 单点信号配时改进方法研究[D]. 吉林大学, 2009.

[30] 刘德武. 平面交叉口的交通组织与管制[J]. 公路与汽运, 2002 (6): 60-62.

[31] 张政. 交叉口交通组织优化设计研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2007.

[32] 廖晓强. 城市道路平面交叉口交通组织与渠化设计研究[D]. 南京: 南京林业大学, 2013.

[33] 96-2001 D G J. 城市道路平面交叉口规划与设计规程 [S][D]. , 2001.

[34] 杨晓光. 城市道路交通设计指南[M]. 北京:人民交通出版社, 2003.

[35] 陆建,项乔君,张国强等. 公路平面交叉口交通安全设计理论与方法[M]. 北京:科学出版社,2009.