公路交叉口的通行能力利用率分析方法

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公路２００９年３月第３期

ＨＩＧＨＷＡＹＭａｒ．２００９Ｎｏ．３

文章编号：０４５１一０７１２（２００９）０３—０１１１一０５中图分类号：Ｕ４９１．２３文献标识码：Ｂ

公路交叉口的通行能力利用率分析方法

胡明伟

（深圳大学土木工程学院交通丁程系

深圳市５１８０６０）

摘

要：通行能力利用率分析方法是一种定量评估交叉口通行能力和服务水平的方法，在公路平面交叉口、分

离式立体交叉口和菱形立体交叉口的规划和设计中有重要应用。输出的交叉口通行能力利用率（ＩＣＵ）和服务水平

（ＩＣＵ

ＬＯＳ）指标，可直观地说明交叉口的饱和程度及剩余通行能力，利用Ｓｙｎｃｈｒｏ软件或Ｅｘｃｅｌ计算表，可快速完成

分析计算。

关键词：交叉口通行能力利用率；服务水平；平面交叉口；立体交叉口

通行能力及服务水平计算是公路规划和设计中的重要工作内容，现有规范和技术标准对公路路段通行能力及服务水平的计算比较成熟，但对交叉口的分析计算还存在不少问题。对常见的信号控制交叉口，以往的方法［１’２’副需先输人信号配时才可计算通行能力和服务水平，而在规划和设计阶段，往往不掌握交通信号配时信息，导致分析计算难以开展；对实际中常用的分离式立体交叉口和菱形立体交叉口，也缺少通行能力及服务水平分析的有效工具。而交叉口设计通行能力及服务水平不足，往往成为影响公路交通效率的瓶颈。本文研究的公路交叉口通行能力利用率分析方法，能有效解决上述困难，借助相应软件能快速计算公路交叉口的通行能力利用率和服务水平，有利于改善公路交叉口的规划和设计。

１

交叉口通行能力利用率方法概述

１．１特点和优势

交叉口通行能力利用率（Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ

Ｃａｐａｃｉｔｙ

Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，以下简称ＩＣＵ）方法是一种评价交叉口通行能力和服务水平的方法，最早由Ｒｏｂｅｒｔｍｅｌｉｎ¨ｏ提出，后来美国的Ｔｒａｆｆｉｃｗａｒｅ

Ｃｒｏｍ—

Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

发展了该方法，并将其集成在Ｓｙｎｃｈｒｏ软件中。

ＩＣＵ方法在不少实际工程和研究中被采用，例如在

美国的南加利福尼亚州和马里兰州被用于交通拥挤管理和交通影响分析，在交通规划软件ＴｒａｎｓＣＡＤ中被用于公路网的交叉口评价∞ｊ。本文讨论的ＩＣＵ方法是最新的ＩＣＵ２００３版，其特点如下。

（１）计算简单直观，容易为工程师理解，不仅能分析公路平面交叉口，而且能分析分离式立体交叉

收稿日期：２００８—０８—２７

期望值，直接影响到投标人的投标报价。按照本文建立的数学模型精确地揭示了评分参数与评标基准价之间存在的非线性关系，基本能指导实际招投标工作。

（２）招标人可根据招标项目的造价大小、技术难度、预算水平和预期目标对业主控制价、基准评标价下浮点数、业主控制价和投标人平均值权重等参数的取值进行计算和分析，取得最合适的组合以引导投标人进行投标报价，使最终中标价趋近于合理的工程造价。

（３）投标人应该对评标办法的参数进行分析，

理解招标人的引导意图，根据自身情况和对投标对手的分析采取不同的投标报价策略，才能心中有数，增大中标几率。

参考文献：

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［３］韩中庚．数学建模方法及其应用［Ｍ］．北京：高等教

育出版社，２００５．

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口和菱形立体交叉口，是辅助公路交叉口规划和设计的理想工具。

（２）评价指标能直接地说明交叉口是否已经达到饱和及剩余通行能力，估计发生交通拥堵的频率。

（３）不需要输入信号交叉口的详细配时方案，但由于信号控制影响交叉口通行能力，该方法又融入了对信号控制的考虑，这既体现了方法的科学性，又很好地切合公路规划和设计的实际情况。

（４）继承了以往交叉口通行能力分析法（如

ＨＣＭ２０００［２］和交通仿真方法）的优点，其默认的饱

和流率和流量调整与ＨＣＭ２０００兼容，部分计算公式源于交通仿真。Ｉ．２技术路线和流程

本文将公路交叉口分为平面交叉口和立体交叉口两类，两类交叉口的ＩＣＵ分析的输人数据和计算方法有差异，主要技术路线和流程如图１所示。

基础数据输人

车道数和分布，车流量，行人流量，行人通过

时间，右转弯形式，理想流率，损失时间，最

小绿灯时间，储流区长度（对菱形立交）

』

初级计算

组合流量，分离剩余流量，车道利用因子，流向调整因子，组合饱和流率，分离饱和流率，行人冲突时间，行人概率

０

调整参考时间计算

计算特定信号控制模式＿卜的调整参考时间，右

转弯的调整参考时间

０

ＩＣＵ计算

得出通行能力利用率和ＩＣＵ服务水平

图１公路交叉口的ＩＣＵ分析流程

上述分析可通过下列３种途径实现：

（１）利用ＴｒａｆｆｉｃｗａｒｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ的Ｓｙｎｃｈｒｏ软件完成，Ｓｙｎｃｈｒｏ为ＩＣＵ分析提供了图形化的交互界面，输人数据审核与结果分析非常方便；

（２）利用ＴｒａｆｆｉｃｗａｒｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ的Ｅｘｃｅｌ计算表完成；

（３）利用ＴｒａｎｓＣＡＤ软件内嵌的ＩＣＵ

Ｔｏｏｌｂｏｘ

完成，但要求先建立储存公路网信息的线层和流向信息的流向表。

考虑到途径（１）和（２）比较方便，而途径（３）要求

２００９年第３期

熟悉ＴｒａｎｓＣＡＤ软件且其版本是ＩＣＵ２０００，所以本研究选用Ｓｙｎｃｈｒｏ软件和Ｅｘｃｅｌ计算表完成公路交叉口的ＩＣＵ分析，详细过程如下。

步骤１：基础数据输入。

在Ｓｙｎｃｈｒｏ软件的ＭａｐＷｉｎｄｏｗ、ＬａｎｅＷｉｎ—

ｄｏｗ和ＶｏｌｕｍｅＷｉｎｄｏｗ的交互图形界面中输入交

叉口的基础数据。如果利用Ｅｘｃｅｌ计算表，就将基础数据填人表格。

步骤２：初级计算。

这一步骤主要为后续的步骤３和步骤４提供中间过程数据，平面交叉口和立体交叉口的计算内容和方法有所不同。

步骤３：调整参考时间计算。

此处对平面交叉口和立体交叉口的计算亦有所不同，主要算法是计算每种流向（直行、左转和右转）的调整参考时间Ｔ艋，（Ａｄｊｕｓｔｅｄ

ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅ），

关键流向的调整参考时间求和除以参考信号周期时

长即得到交叉口通行能力利用率。

％，一ｍａｘ（Ｒ，，Ｌｉ。）＋瓦。

（１）

式中：‰为调整参考时间；Ｔ。。。为最短绿灯时

间；Ｔ妇为信号控制损失时间；ｈ，为参考时间。

参考时间Ｒ，是每种流向在１００％通行能力下

的需要时间，参考时间通过下式得到

Ｔｍ，一警×ＣＬ

（２）

式中：Ｒ，为参考时间；Ｖ。为调整后车道组合

流量；Ｓ为车道饱和流率；ＣＬ为参考信号周期时长，

默认值为１２０

Ｓ。

步骤４：交叉口通行能力利用率和服务水平计算。利用步骤２和步骤３的输出数据，得出ＩＣＵ分析的评价指标，即交叉口通行能力利用率（ＩＣＵ）和通行能力利用率服务水平（ＩＣＵ

Ｌｅｖｅｌｏｆ

Ｓｅｒｖｉｃｅ，简

称ＩＣＵＬＯＳ），籍此定量评估交叉口的通行能力及服务水平，估计交通拥挤程度，如表１所示。

２公路平面交叉口的ＩＣＵ分析

公路平面交叉口ＩＣＵ分析的关键在于计算３种信号控制模式的调整参考时间及右转弯的调整参考时间，３种模式分别为保护模式（ＰｒｏｔｅｃｔｅｄＯｐｔｉｏｎ）、容许模式（ＰｅｒｍｉｔｔｅｄＯｐｔｉｏｎ）和分离模式（ＳｐｌｉｔＯｐｔｉｏｎ）。保护模式适用于有左转弯专用道时，并为左转弯设置专用保护相位。容许模式和分离模式适用于有左转直行共享车道时。限于篇幅，本文给出主要算法，详

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ｉｄＡ）ｃ３（

２００９年第３期

胡明伟：公路交叉口的通行能力利用率分析方法

表１

ＪＣＵ

ｊＣＵＬ（）Ｓ

ＩＣＵ和ＩＣＵ／Ａ］６的含义

含

义

≤５５．Ｏ％

Ａ

没有任何拥挤，不超过８０Ｓ的信号周期就能确保交通效率，所有车辆在一周期内放行，还可多容纳４０％的交通量。

５５．０％＜ＩＣＵ≤６４．０％

没有拥挤，几乎所有车辆在一周期内放行，不超过９０Ｓ的信号周期就能确保交通效率，还可多

Ｂ

容纳３０％的交通量。

６４．０％＜ＩＣＵ≤７３．ｏ％

无明显拥挤，主要交通在一周期内放行，不超过１００Ｓ的信号周期能确保交通效率，交通扰动可

Ｃ

能造成拥挤，还可多容纳２０％的交通量。

７３．０％＜ＩＣＵ≤８２．０％

Ｄ

正常情况下不发生拥挤．大多数车辆在一周期内放行，不超过１ｌＯＳ的信号周期能确保交通效率，交通扰动可能造成明显拥挤，还可多容纳１０％的交通量。

８２．０％＜ＩＣＵ≤９１．０％

处于发生拥挤的临界状态，许多车辆不能在一周期内放行，１２０Ｓ左右信号周期才能确保交通

Ｅ

运行，轻微的交通扰动可能造成明显拥挤，还有不足１０％的剩余通行能力。

９１．０％＜ＩＣＵ≤１００．０％

接近或达到通行能力，交通可能经历１５～６０ｍｉｎ的拥堵期，在绿灯结束时还有车辆未能放行，

Ｆ

１２０

ｓ以上的信号周期才能确保交通运行，小的扰动就会加剧拥堵。

１００．０％＜ＪＣＵ≤１０９．ｏ％

超过通行能力９％以内，交通可能经历６０～１２０ｍｉｎ的拥堵期，经常出现长排队，１２０Ｓ以上的信

Ｇ

号周期才能确保交通运行。

１０９．０％ＩＣＵ

Ｈ

超过通行能力９％以上，交通可能经历１２０ｍｉｎ以上的拥堵期，频繁出现长排队，１２０ｓ以上的信号周期才能确保交通运行。

细中间过程可参见有关文献∞］。下列公式中以符号ＥＢ、ＳＢ、ＷＢ、ＮＢ分别表示向东、向南、向西、向北的交通流，以Ｌ、丁、Ｒ分别表示左转、直行和右转，例如ＮＢＬ表示向北左转交通流。

（１）计算保护模式下的调整参考时间（单位：ｓ）。

Ｔ驯棚一了■ｓ硝舢Ｔ＋了■ｓ加瑚丁

ＴｓｍＥＷ

２

Ｔ＾ｄ｝ＳｍＥＢＴ＋ＴＡｄｊＳｐｌｉｔＷＢＴ

（５ｂ）（５ｃ）

％脚ｍ为分离模式下的调整参考时间，瓦州棚

为南北向调整参考时间，Ｔ。州，Ｅｗ为东西向调整参考

时间，丁ｍ删。为分离模式下的参考时间。

（４）计算右转弯的组合时间。包括ＴＥＢＲ、ＴｗｒＢＲ、ＴＮＢＲ、ＴＳ８Ｒ。

％，胁一瓦。＋ｍａｘ（Ｒ脚，ｋ）×（１一Ｐ删）＋

１ＴＩａＸ（Ｒ俨。，Ｒ。，Ｔ矗）×Ｐ州

ＴＰｒｏ￡Ｎｓ—ｍａｘ（了ｋ，ＰｒｏｔＮＢＬ＋了ｋ，Ｐｒ０瑚Ｔ，

１ｋｉＰ。舢Ｌ＋Ｔ削ｆＰ。。ＮＢｒ）

ＴＰｒｏｆＥｗ—ｍａｘ（了■，Ｐ。删Ｌ＋Ｔ艏ｉＰｒｏｔｗＢＴ，

Ｔ

』

（３ａ）

（３ｂ）

ＩＣＵ一婴卫巫堡李照州（６）

（５）计算ＪＣ【，和服务水平。

ＬＬ

ＰｒｏｔＷＢＬ

＋Ｔ刖ｉＰ』刖ｉＰｒｏｔＥＢ了’／了’）

＼

根据ＩＣＵ值查表１得到服务水平ＩＣＵＬＯＳ。

氏脚。为保护模式下的调整参考时间，Ｔｍ椰为

南北向调整参考时间，丁ｍ：￡Ⅳ为东西向调整参考时

（了ｋ。ＮＳ，ｋ鹏，了■。。ⅣＳ），Ｔ，均ａｗ—ｗｉｎ（１ｋ，删，

Ｒ。Ｅｗ，了■ｆ。删）。

３公路立体交叉口的ＩＣＵ分析

通行能力利用率分析方法还适用于分离式立体交叉口和菱形立体交叉口。分离式立交如图２所示，在交叉口处设置一座跨线桥或地道桥，供主要公路的直行交通通行，保证直行交通互不干扰，允许左转车辆与次要公路的直行车辆作平面交叉，相交道路上、下之间无特设匝道连通，适宜于直行交通交通量大、转弯车辆不多的情况。菱形立交如图３所示，直行交通以立交形式分离，设有连接上、下层公路的匝道，转弯车辆通过４条匝道与直行车道连通，适用于次要公路的交通量和左转车辆较少的交叉口。

式（６）中，％一‰Ｍ＋％肼，而％Ｍ—ｗｉｎ

间，Ｔ妇为信号控制损失时间，Ｒ伊。。为保护模式下

的参考时间，Ｔ州为行人通过时间，Ｐ州为行人概率。

（２）计算容许模式下的调整参考时间（单位：ｓ）。

Ｒ帅一Ｌ＋ｍａｘ（Ｒ脚，Ｌ。）×（卜％）＋

ｍａｘ（Ｒ肚。，Ｌ。，Ｔ删）×Ｐ州

Ｔ＾。Ｎｓ—ｍａｘ（Ｔ艋ｆＰ㈨ＮＢＴ，１ｋ以ｍｓＢＴ）了■。ＦⅣ一ｍａｘ（了ｋ，ＰｅｒｍＥＢｒ，了么，ｎ。孵ｒ）

（４ａ）

（４ｂ）（４ｃ）

ｋ，ｎ。。为容许模式下的调整参考时间，Ｔｎ。煳

为南北向调整参考时间，Ｔｎ。。Ｅｗ为东西向调整参考

时间，Ｒ伊一为容许模式下的参考时间。

（３）计算分离模式下的调整参考时间（单位：ｓ）。了ｋ，ｓ纠ｎ＝瓦。＋ｍａｘ（丁ｋ，剐“，１ｋ）×（１一Ｐ删）＋

ｍａｘ（Ｒ例ｎ，Ｌ。，ｋ）×Ｐ倒

（５ａ）

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（１）在次要公路上采用左转弯专用道和保护模式，不考虑容许左转模式、左转直行共享车道、分离模式，因此立体交叉口在调整参考时间的计算上与平面交叉口差异较大。

（２）信号控制损失时间更长，这是因为车辆驶过立体交叉口需要更长时间，立体交叉口对左转的默认损失时间是８Ｓ，对其他流向的默认损失时间是

６

Ｓ，而平面交叉口的默认损失时间是４

Ｓ。

（３）理想饱和流率更高，立体交叉口理想饱和流率的默认值为２

图２分离式立体交叉口

０００

ｖｅｈ／ｐｈ／ｐｌ，而平面交叉口理想

９００ｖｅｈ／ｐｈ／ｐｌ。

饱和流率的默认值为１

（４）菱形立体交叉口（图３）中，出入主要公路的匝道与次要公路形成２个交叉口Ａ和Ｂ，是ＩＣＵ分析的关键，两者之间（图中阴影部分）是进出主要公路匝道的储流区，储流区对防止交通流溢出非常关键，因此计算时需要输入储流区的设计长度。

４实例研究

下面分别使用Ｓｙｎｃｈｒｏ软件和Ｅｘｃｅｌ计算表，说明如何使用工具软件快速完成公路平面交叉口和菱形立体交叉口的ＩＣＵ分析，分离式立体交叉口比较简单，不再举例。

图３菱形立体交叉口

实例一：公路平面交叉口的ＩＣＵ分析

公路平面交叉口的车道分布和小时流量如图４所示。

公路立体交叉口ＩＣＵ分析的流程与平面交叉口大体相同，如下。

器一

ｏｏｏＮＮ口

Ｌ１２０

‘一５５０

＝

４弋￡厂—／

、ｒ

—、

√ｌ弋

：

２２０——一６６０——’

厂一２７０

、ｆ，ｏｏｏ

∞Ｎ∞

２８０—、

ｊ

图４公路平面交叉口的车道分布和小时流量

启动Ｓｙｎｃｈｒｏ软件，在ＭａｐＷｉｎｄｏｗ界面中，用ＡｄｄＬｉｎｋ工具绘制平面交叉口几何形状；在

Ｌａｎｅ

８２．０％，ＩＣＵＬＯＳ为Ｄ。

本例也可以用Ｅｘｃｅｌ计算表完成。输人数据后，计算表将按照（３ａ）～（５ｃ），得到保护模式下的调整参

Ｗｉｎｄｏｗ界面中，输入车道分布、理想流率、信

号控制损失时间等参数；切换到ＶｏｌｕｍｅＷｉｎｄｏｗ界面，输入小时流量。Ｓｙｎｃｈｒｏ软件计算出ＩＣＵ为

考时间为ｋ。Ｅｗ一４５．９Ｓ，ｋ郴一５２．５

ｓ；容许模式

下的调整参考时间为Ｒ。Ｅ。一２７３．３

ｓ，Ｒ。Ｎ。＝

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１８３．５

ｓ；分离模式下的调整参考时间为氏姑ｗ一

Ｓ。按照公式（６），得到：

Ｓ，

５０．７Ｓ，１乙跏Ｎ。一６２．６

一———————弦矿————一一面

ｍａｘ（９８．４，８２．７，５３．３，５１．５，４７．９）一８２．０

９８．４

了ｋ，Ｅｗ—ｍｉｎ（ＬｈＥｗ，Ｒ。Ｅｗ，Ｔ赢Ｅｗ）一４５．９

。丁■，＿Ｎｓ—ｍｉｎ（’丁＿“Ｎｓ，了、ｆｈ。Ｎｓ，’Ｉｋ酣：。～ｓ）一５２．５

ｓ；

查表１得到ＩＣＵＬＯＳ为Ｄ，正常情况下将不发生拥挤。

实例二：公路菱形立体交叉口的ＩＣＵ分析。公路菱形立体交叉口的车道分布和小时流量如图５所示。

Ｔ刖，＝丁倒，～ｓ＋了ｋ，Ｅｗ一９８．４

Ｓ。

而右转弯的组合时间％。一８２．７５，‰。＝

／ＣＵ一竺塑互玉≤霉卫型

５３．３Ｓ，ＴＮＢＲ一５１．５

Ｓ，民Ｒ一４７．９

Ｓ，于是：

８９磊

’。寸－＿寸《—一８００

公路

ＪＩＬ

ｒ４００

一

≥３５８

开，ｏＩｎ

次§公路

锷８ｊ７

目

吲图５

吲

罢３三ｏｏ

蚓

公路菱形立体交叉口的车道分布和小时流量

在Ｅｘｃｅｌ计算表中输入车道分布、理想流率、储流区、信号控制损失时间等数据，计算得到ＩＣＵ为７８．４％，ＩＣＵＬＯＳ为Ｄ，正常情况下将不发生拥挤。

从以上两个实例可见，利用Ｓｙｎｃｈｒｏ软件或Ｅｘ—ｅｅｌ计算表，能够快速完成公路交叉口的通行能力利用率分析。５结语

通行能力利用率分析方法是辅助公路交叉口规划和设计的有效工具，它能够定量、直观、方便地评估交叉口的通行能力和服务水平，不仅能分析公路平面交叉口，而且能分析分离式立体交叉口和菱形立体交叉口。其输出的交叉口通行能力利用率和通行能力利用率服务水平指标，可说明交叉口的饱和程度及剩余通行能力，估计交通拥挤程度。实例研究表明，利用Ｓｙｎｃｈｒｏ软件或Ｅｘｃｅｌ计算表，可快速完成公路交

叉口的通行能力利用率分析。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cnqi.html