城市隧道口交通優(yōu)化方案研究

徐曉丹，林 麗

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037)

城市隧道使城市道路交通形成立體交通模式，消除了城市道路交叉口車流、人流的相互影響，減少了地面車流的干擾，使交通流能夠快速地通過(guò)路段，減少了道路的占用時(shí)間。我國(guó)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范［1］規(guī)定了隧道出口與平面交叉口的距離要滿足具體的設(shè)計(jì)要求，但是由于城市地下道路構(gòu)造上的特點(diǎn)，決定了其交通受限于出入口，幾乎所有的城市隧道都不同程度地存在著出入口交通瓶頸問(wèn)題［2］。嚴(yán)重時(shí)造成城市隧道及其周邊道路交通阻塞，影響了道路的通行能力。目前，城市隧道出口的對(duì)外銜接組織形式有多種，本文選用的“隧道+地面”形式主要是車輛駛出城市隧道出口后在較短距離內(nèi)，立即進(jìn)入信號(hào)交叉口區(qū)域的這樣一種情況，具體組織形式如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，分析觀測(cè)數(shù)據(jù)與通行能力計(jì)算結(jié)果，形成城市隧道出口銜接路段長(zhǎng)度模型，并結(jié)合實(shí)例仿真驗(yàn)證。隧道出口銜接路段的合理設(shè)置，有利于提高銜接路段的通行能力，便于交通組織和交通管理，同時(shí)對(duì)于提高行車安全也具有重要意義。

圖1 出入口與十字型路口銜接［3］Fig.1 The entrance and exit link up with intersection

1 城市隧道出口安全距離的確定

1.1 城市隧道出口安全距離的影響因素

將隧道出口段滿足車輛安全行駛所需的距離定義為隧道出口安全距離 (簡(jiǎn)稱L安)。影響安全距離的因素有很多，但是根據(jù)研究表明，駕駛員在駕駛過(guò)程中接收的所有信息中，憑借瞳孔所獲取的占80%～90%，所以駕駛員的瞳孔是獲取外界信息的主要方式，由于駕駛員受到隧道進(jìn)出口明暗適應(yīng)的影響，其駕駛行為存在一定的危險(xiǎn)性;另外，隧道出口線形直接會(huì)使車輛產(chǎn)生加速或減速。

(1)駕駛?cè)艘曈X(jué)適應(yīng)能力分析。首先定義駕駛?cè)斯膺m應(yīng)過(guò)程中的瞬時(shí)盲期現(xiàn)象為視覺(jué)震蕩。通過(guò)瞳孔面積最大瞬態(tài)速度值 (MTPA)指標(biāo)，將瞳孔面積變化速度及換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間結(jié)合，能合理解釋隧道進(jìn)出口路段視覺(jué)負(fù)荷。

表1 VeTPA與視覺(jué)舒適度關(guān)系［4］Tab.1 Relationship between VeTPAand visual comfort degree of tunnel entrance and exit

表2 隧道進(jìn)出口行車試驗(yàn)換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間Tab.2 Conversion duration for visual turbulence of tunnel entrance and exit by driving experiment

綜合考慮城市隧道的限制條件，結(jié)合道路通行能力及車速限制等城市道路環(huán)境的安全因素，主要考慮了城市隧道出口視覺(jué)震蕩對(duì)行車安全的影響。由表1、表2可知，當(dāng)換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間大于1.5 s時(shí)，駕駛員的主觀感覺(jué)為極不舒適;城市隧道出口的一般限速V為40～60 km/h，根據(jù)L安=V×tc，當(dāng)tc取1.5 s時(shí)，算出的隧道出口安全距離為17～25 m，所以為了保證安全，取換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間tc為2 s，得到隧道出口安全距離公式L安=2V，V為隧道出口的設(shè)計(jì)車速(規(guī)定的最大行駛車速，暫不考慮線形產(chǎn)生的加速度)。

圖2 出口加速度與線形危險(xiǎn)度關(guān)系［7］Fig.2 Relationship between the export acceleration and the alignment risk degree

(2)道路線形的影響分析。在不同的道路交通環(huán)境下，道路線形對(duì)車輛的行駛速度有較大影響，且不同的線形指標(biāo)對(duì)車速的影響程度也不一樣。為綜合反映道路線形與車速變化的關(guān)系，引入線形危險(xiǎn)度的概念［5］。隧道出口加速度與線形危險(xiǎn)度的關(guān)系如圖2所示。

可能受到道路條件和照明條件的影響，加速度與線形危險(xiǎn)度有一定的離散性，但是仍可以得出結(jié)論:出口線形危險(xiǎn)度越大(線形越差)，其加速度值越大，即車速變化越大，行車越不安全。當(dāng)車輛駛出隧道時(shí)，駕駛?cè)藭?huì)根據(jù)前方線形采取駕駛操作，當(dāng)線形較好時(shí)會(huì)采用較大的加速行為，當(dāng)線形差時(shí)會(huì)采用較小的加速行為，甚至?xí)p速，這時(shí)隧道出口外與隧道出口處存在車速差［6］。

1.2 隧道出口車速的變化

駕駛?cè)诵睦硇袨椤缀尉€形和道路環(huán)境等多方面要素最終都以車輛運(yùn)行速度的形式反映出來(lái)。因此，本文將車速作為建立隧道出口道路線形、駕駛?cè)艘曈X(jué)影響和道路交通安全的“橋梁”。當(dāng)車速有較大落差時(shí)，往往會(huì)使駕駛?cè)舜胧植患埃瑢?dǎo)致行車事故，而這種速度的不連續(xù)一般是由于線形突變所致。車速的變化影響安全距離的變化，道路線形和駕駛員的視覺(jué)震蕩現(xiàn)象都是以車速變化的方式體現(xiàn)，本文在建立隧道出口安全距離模型中，將車速作為重要參量。

1.3 安全距離分析與確定

受到視覺(jué)震蕩的影響，假設(shè)駕駛員在這段時(shí)間內(nèi)不采取任何駕駛操作，則車輛在隧道出口的坡道上減速，其加速度值與隧道坡度i有關(guān)，即得隧道出口安全長(zhǎng)度L安公式:

式中:tc為視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間，取2 s;V0為車輛剛出隧道時(shí)的初速度 (取隧道出口設(shè)計(jì)車速)，m/s;g為重力加速度，取9.8 m/s2;i為計(jì)算范圍內(nèi)的平均坡度。

城市隧道出口與相鄰交叉口之間的銜接段長(zhǎng)度比高速公路隧道出口銜接段長(zhǎng)度短很多，城市隧道出口的最大縱坡不超過(guò)6%［8］，在視覺(jué)震蕩期間，根據(jù)公式 (1)中的第二項(xiàng)，可知0.5×9.8×6%×22=1.176 m，值較小，出口縱坡對(duì)車速的影響程度可以考慮不計(jì)，因此公式1可調(diào)整為:

在公式 (2)中，2 s為視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間(tc)。由此，可以明顯看出，影響隧道出口安全距離的因素最終用車輛行駛速度來(lái)體現(xiàn)。

2 交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度的確定

信號(hào)交叉口制約了城市主干路的通行能力，由于信號(hào)交叉口的通行能力低于路段通行能力，交通量稍微過(guò)大就會(huì)誘發(fā)交通擁擠，導(dǎo)致車輛在交叉口排隊(duì)。信號(hào)交叉口的排隊(duì)長(zhǎng)度，能反映交叉口車流的運(yùn)行情況，它對(duì)評(píng)價(jià)交叉口的運(yùn)行效率、現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案的優(yōu)劣等都有重要意義。

2.1 排隊(duì)長(zhǎng)度模型選取

本文選定SIGNAL94的優(yōu)化模型［9－12］作為基本框架，該模型只有離散系數(shù)需要標(biāo)定，模型精度高，且利用現(xiàn)有觀測(cè)的數(shù)據(jù)可以很好地對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。通過(guò)分析其在實(shí)際交通流變化情況下的實(shí)用性，建立符合信號(hào)交叉口交通流特性的排隊(duì)長(zhǎng)度優(yōu)化模型。

圖3 各信號(hào)燈周期排隊(duì)車輛數(shù)Fig.3 Length of queues in the each signal cycle

圖4 來(lái)車排隊(duì)分布散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of queuing vehicles

模型中最關(guān)鍵的是確定路口飽和流率和確定車輛到達(dá)率。飽和流率是指當(dāng)交叉口有相當(dāng)長(zhǎng)的車輛排隊(duì)等待時(shí)，有效綠燈時(shí)間內(nèi)通過(guò)的最大小時(shí)車輛流率。車輛到達(dá)率是指單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)交叉口的車輛數(shù)。經(jīng)優(yōu)化后的SIGNAL94公式模型:

圖5 各信號(hào)燈周期放行車輛數(shù)Fig.5 Vehicles in green light period

式中:Dn為第n周期的最大排隊(duì)長(zhǎng)度，輛;Dn－1為第n－1周期滯留下來(lái)的車輛數(shù)，輛(無(wú)二次排隊(duì)，Dn－1=0);qn為第n周期的車輛到達(dá)流率，輛/s;T為信號(hào)燈周期的長(zhǎng)度，s;G為綠燈時(shí)長(zhǎng)，s;S為飽和流率，輛/s;D損為啟動(dòng)損失時(shí)間通過(guò)的車輛數(shù)，輛。

其中，T、G是通過(guò)實(shí)際觀測(cè);D損是通過(guò)數(shù)據(jù)后，繪制散點(diǎn)圖如圖3所示;qn、S是通過(guò)實(shí)測(cè)后擴(kuò)樣得到如圖4和圖5所示。對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出，在交叉口有效綠燈時(shí)間里，根據(jù)連續(xù)5 s以上車流通過(guò)的車輛到達(dá)數(shù)，可以計(jì)算出飽和流率與車輛到達(dá)率。得到車輛到達(dá)率的統(tǒng)計(jì)分布如圖6所示。

圖6 車輛到達(dá)率統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistical graph of approach flow rate

2.2 交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度的確定

由于排隊(duì)長(zhǎng)度L排隊(duì)=Dn×L間(車頭間距)，Dn根據(jù)公式 (3)得出，由此，交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度公式為:

在本次研究中，車輛能在交叉口功能區(qū)順暢通行的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為不發(fā)生二次排隊(duì)。根據(jù)對(duì)采集的玄武湖隧道出口車輛到達(dá)率、交叉口信號(hào)配時(shí)等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，建立了交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度模型。

3 隧道出口銜接段長(zhǎng)度模型確定

3.1 城市隧道出口銜接段長(zhǎng)度定義

城市隧道出口銜接段長(zhǎng)度由隧道出口安全距離和交叉口通行能力兩者共同影響確定，因此定義城市隧道出口(洞口開(kāi)始)與交叉口停車線之間的這段距離為城市隧道出口銜接段長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱L銜接。

3.2 銜接段長(zhǎng)度模型建立

通過(guò)前兩部分的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)城市隧道出口安全距離及交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度起主要影響作用的是車速和車輛到達(dá)率兩個(gè)因素，綜合考慮，優(yōu)化整合成如下模型:式中:a為調(diào)節(jié)交叉口車輛到達(dá)率對(duì)模型的影響程度;b為調(diào)節(jié)隧道出口車輛速度對(duì)模型的影響程度。

通過(guò)MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以分析得出系數(shù)a與b之間關(guān)系圖像如圖7所示。

圖7 銜接長(zhǎng)度符合要求時(shí)的a、b關(guān)系圖Fig.7 Relation graph of a and b when the connected-link meet the requirement

根據(jù)玄武湖隧道出口銜接的中央路—新模范馬路交叉口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)際分別計(jì)算的兩段長(zhǎng)度L安與L排隊(duì)之和是小于100 m的。根據(jù)分析結(jié)果，L銜接為100 m、110 m、120 m時(shí)，a、b線性相關(guān)且斜率相等，即:

在交叉路口流率、信號(hào)燈配時(shí)與隧道設(shè)計(jì)速度一定時(shí)，b≥1時(shí)，a＞1(如圖7所示)，這時(shí)長(zhǎng)度滿足所研究的通暢與安全的要求，無(wú)需改進(jìn);當(dāng)b＜1，a≥1時(shí)，說(shuō)明隧道出口安全距離實(shí)際值小于理論值，則要適當(dāng)降低隧道設(shè)計(jì)車速以保證行車安全;當(dāng)b≥1，a＜1時(shí)，說(shuō)明交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度不滿足理論要求，則要對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行配時(shí)優(yōu)化。

綜上所述，隧道出口處距交叉口停車線的實(shí)際長(zhǎng)度L實(shí)際小于理論值L理論時(shí) (L實(shí)際＜L理論)，根據(jù)公式 (5)對(duì)信號(hào)燈配時(shí)以及隧道設(shè)計(jì)車速進(jìn)行調(diào)整，使其滿足要求。

4 驗(yàn)證可靠度

4.1 建立仿真

針對(duì)提出的長(zhǎng)度計(jì)算模型，借助VISSIM進(jìn)行交叉口交通流仿真。具體以鼓樓隧道出口為例，該隧道出口與玄武湖隧道出口的組織形式相似，在很短距離內(nèi)直接與中央路－傅厚崗交叉口銜接，工作日高峰時(shí)期經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的排隊(duì)現(xiàn)象。以隧道出口實(shí)測(cè)的現(xiàn)狀交通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立仿真模型，得到現(xiàn)狀仿真效果如圖8所示。

圖8 隧道出口銜接相鄰交叉口Fig.8 Situation of the exit of urban connecting the nearest intersection

4.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出

現(xiàn)狀排隊(duì)長(zhǎng)度與改善后排長(zhǎng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表3 現(xiàn)狀排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出表Tab.3 Output of the detected queues at present

4.3 仿真結(jié)果分析

VISSIM的排隊(duì)計(jì)數(shù)器可以提供三類數(shù)據(jù):平均排隊(duì)長(zhǎng)度;最大排隊(duì)長(zhǎng)度;排隊(duì)車輛的停車次數(shù)。這里所指的排隊(duì)是從上游路段或連接器的排隊(duì)計(jì)數(shù)器的設(shè)置位置開(kāi)始計(jì)數(shù)，直至排隊(duì)狀態(tài)下的最后一輛車。從圖8可以看出，在現(xiàn)狀交通管理?xiàng)l件和道路條件下，高峰時(shí)段鼓樓隧道出口(南進(jìn)口)交叉口出現(xiàn)了嚴(yán)重的排隊(duì)現(xiàn)象，已經(jīng)排到隧道里面，故該段隧道出口銜接段長(zhǎng)度設(shè)置有待完善。通過(guò)改善優(yōu)化后，重新建立仿真，得到仿真效果如圖9所示，在該銜接段長(zhǎng)度上，排隊(duì)長(zhǎng)度已經(jīng)減小。由輸出數(shù)據(jù)表3和表4中也可以看出兩種情況的排隊(duì)長(zhǎng)度是有差別的，故證明該銜接段長(zhǎng)度模型有可行性。

4.4 具體改善措施

為了盡量減少工程量，對(duì)現(xiàn)狀的銜接段長(zhǎng)度不做大的改動(dòng)，根據(jù)鼓樓隧道出口與其相鄰交叉口的實(shí)例仿真，利用建立的銜接段長(zhǎng)度模型，可以提出相應(yīng)的交通管理改善方案。為減少隧道出口車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度，同時(shí)采取以下3種措施。

表4 改善后排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出表Tab.4 Output of the detected queues after improvement

(1)調(diào)整中央路—傅厚崗交叉口信號(hào)配時(shí)，盡量增加南北向直行的綠燈時(shí)長(zhǎng)，提高中央路的通暢性，減少車輛排隊(duì)長(zhǎng)度。

(2)拓寬傅厚崗東側(cè)一個(gè)出口車道，保證東西向不發(fā)生延誤。

(3)適當(dāng)降低隧道的設(shè)計(jì)車速，從而減少隧道出口車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從城市隧道出口交通流特性出發(fā)，根據(jù)駕駛?cè)艘曈X(jué)適應(yīng)能力、隧道出口道路線形及車速等因素的分析，確定隧道出口的安全距離;并通過(guò)對(duì)相鄰交叉口的排隊(duì)延誤分析，提出了適應(yīng)此類交通流特性的排隊(duì)優(yōu)化模型。該模型分別考慮了隧道出口和交叉口兩個(gè)方面的不同因素，在已建城市隧道出口實(shí)際銜接長(zhǎng)度不滿足理論值的情況下，為減少對(duì)銜接路段的施工，可通過(guò)現(xiàn)狀交通流相關(guān)數(shù)據(jù)帶入長(zhǎng)度模型，改變交叉口信號(hào)配時(shí)、限制隧道出口車速等相關(guān)交通管理措施，來(lái)緩解交通擁擠，提高行車效率與安全性，同時(shí)該長(zhǎng)度模型對(duì)新建隧道出口銜接路段設(shè)計(jì)有重要參考價(jià)值。以上研究是根據(jù)玄武湖隧道出口的數(shù)據(jù)而進(jìn)行的分析，具有一定的特殊性，隨著研究和實(shí)踐的深入，模型將會(huì)得到進(jìn)一步的完善。

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