1.前言
1.1研究背景与意义
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。而城市道路平面交叉口作为路网交通的主要节点形式，其交通问题更为突出。局部交叉口的拥堵往往会导致整条道路，甚至会导致一个区域的交通阻塞。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，而扩建道路及建设立体交通体系是缓解此类问题的有效方式，但由于工程规模大、费用高、用地紧张、工期长等问题，其受到了较大的限制。因此，利用现有的路网条件，以交通流量、流向为依据，通过理顺交叉口交通秩序、合理的分配路权、并进行科学的渠化设计，以此达到路口流量、流向的重新分配，缓解高负荷交叉口和路段上的流量，优化路网上的交通流量、流向分布、挖掘进出口的通行能力已经成为许多城市日益重视，并作为减少交通问题、规范行车秩序的经济方法和有效手段。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渠化设计结果，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渠化设计系统性方面并不多见。因此，交叉口交通流组织及渠化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。
1.2城市道路交叉口形式的发展现状
城市道路网络是一个复杂系统，而节点又是这一复杂系统的瓶颈部位，就是这样的一个关键环节，目前所采取的处理形式有五种，即无信号灯控制平交节点、信号灯控制平交2节点、展宽式信号灯控制平交节点、平面环形节点和立体交叉节点具有划时代意义的只有信号灯控制平交节点、平面环形节点和立体交叉节点这三种形式。
1.2.1信号灯控制平面交叉口
在出现路标和制定出交通规则以前，一些繁华路口上就出现了由交通警察指挥马车、汽车和行人通行，他们完全能够胜任自己的工作，但也有许多不便之处，特别是在天气条件不好的情况下，无论雨雪寒暑，人都得站在路口处，所以人们就开始研究路口的控制装置。1868年12月10日，在英国伦敦议会大厦旁的广场上（Westminster）安装了由奈特设计的世界第一台交通信号装置。是一种没有灯光照明的涂着油漆的信号装置，信号的变换借助于传动带系统来进行。为了在夜间和天气不好时使信号能让人看清楚，人们对信号灯做了改进，安装了带煤气管的灯笼。灯前一会儿换成红玻璃，一会换成绿玻璃。但是，这第一盏交通信号灯并没有存在多久，煤气管道由于设计不完善而爆炸了，值班警察被炸死。这次悲剧过后，交通信号灯被人们忘记了整整半个世纪，这时交通警察大多使用手提式照明灯来指挥交通。1914年，在美国的克利夫兰，稍晚些时候在纽约和芝加哥，出现了第一批电气交通信号灯，最初它是有红绿两种颜色的信号，警察靠长时间吹警笛来代替黄色的警告信号。从1918年起，交通信号灯变为三种颜色，欧洲开始用它来指挥交通。前苏联的第一个交通信号灯于1924年装设在莫斯科铁匠桥与彼得洛夫卡街的节点上，这是德国一家公司制造的箭头式信号灯。在普希金广场上装设了两个带有移动式“翅膀”的信号灯，样式很像铁路信号灯，由交通民警用手把翅膀旋转900。3年后，又安装了2个按照欧洲式样设计的新信号灯，样子像个表盘，上面分红、黄、绿3个部分，指针在绿区时允许驾驶员通过路口，在红区时则要求驾驶员停车等待，当指针再移到绿区才能行车。随着岁月的流逝，交通信号灯不断改进。1926年，世界上第一台自动控制道路交叉路口的交通信号机在英国研制成功并开始使用，它采用固定周期控制方式，随后又出现多时段固定周期控制方式。1928年，美国研制成功车辆感应式交通信号灯，使用橡皮管气压式检测器，几年后被英国和日本采用。1954年进行了一项重要的实验，即在夜间把交通信号灯改为黄灯闪烁，从而大大减少了交通事故的发生。1963年，加拿大多伦多市投入了一套使用IBM650型计算机集中协调感应控制信号系统，这标志着城市道路交通控制系统进入了一个新的阶段。其后，美国、英国、前联邦德国、日本、澳大利亚等国家相继建成了数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还合交通监视系统组成交通管制中心。到20世纪80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多个。
1.2.2平面环形交叉口
环行交叉口是一种特殊的平面交叉口形式，在几条交叉口中央设置圆岛或圆弧状岛，使进入交叉口的车辆均以同一方向绕岛环行，可避免车辆直接交叉冲突和大角度碰撞，其优点是车辆可以安全连续行驶，无须管理设施，车辆平均延误时间短，可降低油耗、减少噪音和污染，利于环境保护。缺点是占地面积和绕行距离大，不利于混合交通，当交通量趋近饱和时易出现混乱状态。当交通量接近于环行交叉口通行能力时，车辆行驶的自由度就逐渐降低，一般只能以同一速度列队循序行进，如稍有意外，就会发生降速、拥挤甚至阻塞。世界上最早的公路环行交叉口是1877年由法国工程师厄基尼·赫纳德设计的，其后不久，美国纽约市也建设了一些早期的小型环形交叉口，其目的是为了减少日益增长的公路交通事故和交通拥塞。英国采用环行交叉口较多，对环行交叉口的研究也较多。英国运输与道路研究室研究认为缩小环岛尺寸可以提高通行能力，因此，1963年英国开始将环行交叉口的环岛直径缩小至环交外缘的内切圆直径的三分之一左右，同时设置偏向出口的导向岛，以增宽进口车道。同时将路权规则作为交叉口管理规则执行，在环行交叉口的所有入口处设有让牌，这意味着环行交叉口入口处的车辆必须让在环道上的车辆先行。路权规则的应用使得环道上的交通始终能保持畅通，克服了传统环行交叉口在环路占满时即阻塞交通的弊端，在交通高峰期也能保持正常秩序，克服了传统环行交叉口在高峰期严重失效的缺点，大大改善了环行交叉口的运行秩序，提高了通行能力，降低了延误。由于环行交叉口性能的改善及其较低的运营费用，美国等国家正在将一些信号灯控制交叉口拆除而改建成环行交叉口，而我国却在拆除环岛，把环行交叉口改建成信号灯控制交叉口，这是值得关注和思索的，而且围绕平面交叉口，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。
2.城市道路交叉口的概念及其特征
2.1城市道路交叉口的概念及研究范围的界定
城市道路是城市中供行人和车辆行驶的交通设施，它以网络的形式分布于城市区域内。由于各向道路同处于一个地面体系，纵横交错的道路间不可避免地发生交叉和必要的连接，不同的交叉和连接方式以及其内部的交通组织与渠化形式不同，对交通流将产生不同的影响，如何进行城市道路间的交叉和连接就是本文研究的中心内容，从这个意义上讲，我们似乎可以把城市道路交叉口定义为城市道路间的交叉点和连接点。然而问题远没有这么简单，这个定义有很多纰漏。首先是定义中的城市道路的范围问题。我国《城市道路交通规划设计规范》GB50220-95[34]（以下简称《规范1》）和《城市道路交叉口规划规范》GB50647-2011[35]（以下简称《规范2》）中将城市道路划分为快速路、主干路、次干路和支路四类，而城市中除了这四种道路之外，还有其他类型的道路存在，如伸入或穿过市区的高速公路和一般公路、单位大院和居民小区等的进出道路、路段上的过街人行道等，这些道路都与规范所定义的城市道路间有所交叉或连接，其交叉和连接部位都会对所谓的城市道路产生这样或那样的影响，都是需要研究解决的重要部位，那么这些交叉点和连接点是否应当涵盖于城市道路交叉口的概念之中呢?如果从交通特性的角度来定义的话，似乎也很难得到一个统一定义，因为道路间不同的交叉和连接方式所表现出来的交通特性是不尽相同的，有的相去甚远，如平交和立交的特性就有较大的差异，而像简单立交这种交叉方式，其交通性质已与路段相似。我们所要做的工作，其实是要给我们的研究对象做一个概念上的描述，以界定我们的研究范围，同时找到一个合适的词汇来概括表达我们的概念，也就是由属性归纳出概念，然后再把给出的概念进行完整定义[36]。实际上，城市道路平面交叉口的概念可以分为四个层次：（1）仅指城市道路间在同一平面的交叉点和连接点，这里的城市道路即《规范1》中划分的快速路、主干路、次干路和支路；（2）指城市道路间以及其它道路与城市道路间在同一平面的交叉点和连接点，其它道路包括高速路和一般公路在城市中的部分以及辅路、匝道、进出口道路等；（3）泛指城市中各种道路间同一平面交叉点和连接点；（4）包括道路间的交叉点和连接点，即这类中以平面交叉的，包括诸如停车场、广场、车站、码头、航空港、交通枢纽等这样的道路服务端点。城市道路的服务端点是城市道路交通的产生源和吸引地，是城市道路网络的终端，亦即所谓网络树中的叶，交通个体的每次出行都是从道路的一个尽端走到另一个尽端。本文的研究主要是针对城市道路系统中的道路平面交叉和连接，也就是城市路网中的平面交叉口部分，不包括网络的终端部位，而且由于城市中各种道路以网络的形式结成一体，其间的平面交叉和连接相互关联，规划和设计要点具有一致性，因此采用前述的交叉机动车流的可插入间隙通过，也有当机非交通流相交时，一般是非机动车流被隔断。
2.2城市道路平面交叉口处非机动车运行特性
作为三大交通实体的非机动车，有着其独特的行驶特点，而且在平面交叉口处的运行会对其他类型的交通实体会造成一定的影响。
2.2.1非机动车流运行特性
与行人、机动车不同，尤其是近几年我国电动自行车的迅猛发展，非机动车具有体积小、操纵灵活、行车轨迹不确定等物理特征，因此它在平面交叉口行驶的过程中具有如下特性[37]：（1）摇摆性非机动车在交叉口内由于与机动车处于同一运行平面，无任何隔离防护，骑行速度慢，非机动车骑行人的畏惧心理使得车辆横向摇摆，以及非机动车之间的启动、速度差异，容易偏离原骑行轨迹。（2）成群性交叉口信号灯停车线处由于红灯信号聚集了大量的自行车，在绿灯信号开启时刻，自行车成群地涌进交叉口内，这使得交叉口短时间内进入的大量非机动车。（3）多变性由于非机车机动灵活，易于转向、加速或减速，而且骑行人技术、心理因素等差异较大，因而个体车辆的速度和方向常常变化，在交叉口内呈散点分布。（4）遵章性差自行车骑行人的心理状态是图省力抄近路和从众行为[38]，在通过灯控路口又无警察和协勤人员管理时，易于出现闯红灯和在交叉口内抢行的违章现象。（5）机动车与非机动车的不对等性非机动车与机动车具有明显的不对等性。非机动车的体量、速度、强度等都与机动车有着明显的区别，因此机非交通个体并不会混合成为单一的交通流。在交叉口内部不同方向的车流相遇时，除密集的非机动车队以外，在我国常规的交通现象是非机动车个体寻找
2.2.2非机动车的间隙穿越特性
在平面交叉口，非机动车与机动车的行驶轨迹总是存在一定的交叉，因此就产生了交通流穿插行为。而被穿插的交通流（即优先交通流）前后两车之间的车头距离就称为穿越间隙。非机动车的穿插行为分为两种：一是非机动车与非机动车之间的穿插行为；二是非机动车与机动车之间的穿插行为。由于非机动车之间的穿插的危险性不大，此类的穿插行为没有太大的研究价值。而对于机动车与非机动车之间的穿插行为，其危险性要大得多，对人造成的伤害也大为严重，因此这里说的是指此类穿插。与机动车的间隙穿插一样，非机动车的骑行者也存在一个临界穿越间隙。临界穿越间隙是交通个体（包括机动车、非机动车和行人）在某个具体情况下可接受的最小间隙持续时间。当实际间隙大于此值时，交通个体会选择穿越，否则会选择等待或者避让。临界穿越间隙的大小带有个人主观性，因此其具体数值大小因人而异。
2.2.3非机动车的聚集特性
非机动车的聚集主要发生在信号控制的平面交叉口。经过大量的观测，在平峰时段非机动车以及机动车数量都不多的时候，非机动车通常会停留在非机动车道内，或者停留在人行横道的进口道处，此时非机动车一般不会占用机动车道停车（在没有机非分隔带的道路），表现出来的是一种互不干扰、相对有序的状态；然而在高峰时段，随着机动车和非机动车数量的增多，它们之间的互相干扰程度也会逐渐加深，此时在交叉口处，非机动车因为数量庞大而占用大量面积停车，甚至会把非机车的进口道完全占用，后续的车辆占用人行道停留，而对于没有机非分隔带的道路，非机动车由于其体积较小、行驶灵活而穿插进机动车排队时所留下的空隙里停车，而机动车也会由于其面积的有限而占用非机动车道停车，这样一来，两者之间会造成严重的干扰。与机动车不同，非机动车在平面交叉口的聚集通常表现出来特征的是无序、随意的简单的集中而不是排队。因此非机动车的聚集特性可以通过对其占有的停车面积来衡量。非机动车的单位停车面积与聚集的非机动车的数量有关，并且呈一定的不稳定性。当自行车数量较小的时候，自行车的单位停车面积比较大，当自行车数量增多的时候，其单位停车面积便逐渐下降，但当其数量增加到一定程度之后，其单位停车面积就会趋于稳定。
2.2.4非机动车的疏散特性
由于非机动车比较灵活，因此在绿灯信号初期，它的起动一般要比机动车的起动要快。对于直行非机动车，处于前列的骑行者会迅速移动，力图以最小的时间通过交叉口，而处于相对较后位置的非机动车则因为对左转机动车的影响而不得不停车等待，因此直行非机动车在通过交叉口时呈现出一定的批次性。
2.3城市道路平面交叉口处行人特性
在我国的大多数交通设计中，设计者一般注重对机动车交通的考虑，而对行人交通所投入的考虑相对不多，因此行人交通在各种交通设计中一直是处于相对弱势的地位。事实上，在我国的交通主体中，行人交通是一个较为庞大的群体，而且从交通公平的原则以及以人为本的理念出发，都应该对行人交通给予足够的重视。为了在设计中可以对行人交通作更深入的考虑，有必要对行人交通流运行特性进行分析。2.3.1行人步行特性与机动车交通相比，行人交通的速度是比较慢的。有关研究表明国，由于心理成熟程度的不同，13-19岁人的步行速度可能要更快一些，达到2.7m/s；20-49岁为1.8m/s；50岁以上为1.5m/s。行人的步行速度还跟行人所处的状态有关，单人平均步行速度为1.29m/s；当人们结伴而行时，速度只有1.17m/s。另外，行人步行的速度和行人所处的位置有关。在影剧院、体育馆、学校附近，行人速度大约为1.2-1.5m/s；在商业、交通、游览场所的行人速度大约只有0.8-1.2m/s。在步行过程中，每个行人都有一定的动态空间需求。行人动态空间需求是指满足人在行走时所需要满足的二维立体空间的量度。行人动态空间需求可以分为步幅区域、感应区域以及避让与反应区域等。根据成年人身高以及步距，正常行走时平均步幅区域为64cm。感应区域主要受行人知觉、心理和安全等因素影响。在通常情况下感应区域为2.1m，在此距离下，视觉舒服，适合正常速度的行走。当步行者以正常速度行走时，会在自己前面预留一个可见的空间区域，从而保证有足够的反应时间以做出避让行为，这个区域称为反应区域，其具体大小为0.48-0.60m。
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