城市道路十字交叉口通行能力研究*

胡永舉, 施俊慶, 陶玨強, 劉錦俐

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

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城市道路十字交叉口通行能力研究*

胡永舉, 施俊慶, 陶玨強, 劉錦俐

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

道路交叉口是城市路網(wǎng)的瓶頸，十字交叉口是交叉口的典型類型，這與城市建筑布局密切相關(guān).通過對車道通行能力、無信號控制交叉口及有信號控制交叉口通行能力的研究，提出了提升交叉口通行能力的手段和措施，以便更好地滿足道路通行的要求，進而最大限度地發(fā)揮城市道路的交通效率.

城市道路；十字交叉口；通行能力；車道

0 引 言

道路通行能力是指道路設(shè)施所能疏導(dǎo)交通流的能力.即在一定的時段(通常取15 min或l h)和正常的道路、交通、管制及運行質(zhì)量要求下，道路設(shè)施通過交通流質(zhì)點的能力.通行能力一般以veh/h(輛/小時)、pcu/h(當量標準小汽車/小時)表示，基本單位是：pcu/(h5ln)(當量標準小汽車/(小時5車道)).

通行能力實質(zhì)上是道路負荷性能的一種量度，它既反映了道路交通的最大能力，也反映了在規(guī)定特性前提下道路所能承擔車輛通行的極限值.

通行能力可分為基本通行能力、可能通行能力和實用通行能力.基本通行能力是指道路和交通都處于理想條件下，由技術(shù)性能相同的一種標準車，以最小的車頭間距連續(xù)行駛的理想交通流，在單位時間內(nèi)能通過道路斷面的最大車輛數(shù)，也稱理論通行能力.因為它是假定理想條件下的通行能力，實際上不可能達到.可能通行能力是指考慮到道路和交通條件的影響，并對基本通行能力進行修正后得到的通行能力，實際上是指道路所能承擔的最大交通量.實用通行能力是指用來作為道路規(guī)劃和設(shè)計標準而要求道路承擔的通行能力[1].

各國對道路通行能力的研究由來已久，其研究的進展和成果與各國汽車業(yè)的發(fā)展密切相關(guān).如美國的《道路通行能力手冊》[2-3]、德國的《道路通行能力手冊》[4]、日本的“道路交通容量”[5]、加拿大的《通行能力和交叉口服務(wù)水平規(guī)范》[6]、澳大利亞的“道路通行能力與交通信號配時分析”[7]、瑞典的《通行能力手冊》[8]等.

本文通過對車道通行能力、無信號控制交叉口及有信號控制交叉口通行能力的研究，提出一些提升交叉口通行能力的手段和措施.

1 車道通行能力計算

1.1 車道的通行能力

車道的通行能力是指車輛(標準小汽車)在單位時間內(nèi)通過道路上某一點或某一斷面的車輛數(shù).通過的車輛數(shù)越多，說明車道的通行能力越強.通常一條車道的寬度在3.25～3.75 m.我國信號控制交叉口通行能力的計算方法主要有2種：一種是《城市道路設(shè)計規(guī)范》(CJJ37—90)所推薦采用的方法[9]；另外一種是由北京市政設(shè)計院提出的停車線法.

1)一條專用直行車道的通行能力

以小汽車為研究對象，在不受任何影響的前提下，當車輛間車頭時距為2.5 s時，一條車道的最大通行能力

式(1)中：T周為信號燈周期時間(s)；t間為前后兩輛車通過停車線的平均間隔時間，通常小汽車的平均間隔時間為2.5 s，大型車的平均間隔時間為3.5 s，特大型車(鉸接車、半掛車)的平均間隔時間為7.5 s.

2)受信號控制影響時，一條直行車道的通行能力計算公式為

式(2)中：Tc為信號周期(s)；tg為每一個周期內(nèi)的綠燈時間(s)，各方向的綠燈時間根據(jù)各自的流量大小確定；to為變?yōu)榫G燈后第1輛車通過停車線的時間(s)，一般取2.3 s；ti為直行或右轉(zhuǎn)車輛通過停車線的平均時間間隔(s/pcu)；δ為直行車道通行能力折減系數(shù)，可采用0.9.

3)一條右轉(zhuǎn)專用車道的通行能力

原則上可按直行方法計算，將直行的通過時間換成右轉(zhuǎn)的通過時間，一般采用下式計算:

4)一條直左車道的通行能力為

5)一條直左右車道的通行能力為

Cslr=Csl. (5)

1.2 入口引道設(shè)計通行能力

可以根據(jù)入口引道的車道種類和車輛左右轉(zhuǎn)比例，計算入口引道的通行能力.

1)入口引道設(shè)有專用左轉(zhuǎn)和專用右轉(zhuǎn)車道時，入口引道的設(shè)計通行能力為

式(6)中：Celr為設(shè)有專用左轉(zhuǎn)和專用右轉(zhuǎn)車道時，入口引道的設(shè)計通行能力(pcu/h)；∑Cs為入口引道直行車道的通行能力之和(pcu/h)；βl為左轉(zhuǎn)車占入口引道車輛的比例；βr為右轉(zhuǎn)車占入口引道車輛的比例.

2)入口引道設(shè)有左轉(zhuǎn)專用車道而未設(shè)有右轉(zhuǎn)專用車道時，入口引道的設(shè)計通行能力為

式(7)中：Cel為設(shè)有專用左轉(zhuǎn)車道時，入口引道的設(shè)計通行能力(pcu/h)；∑Cs為入口引道直行車道的通行能力之和(pcu/h)；∑Csr為入口引道直右車道的通行能力之和(pcu/h).

專用左轉(zhuǎn)車道的設(shè)計通行能力為

3)入口引道設(shè)有右轉(zhuǎn)專用車道而未設(shè)左轉(zhuǎn)專用車道時，入口引道的設(shè)計通行能力為

式(9)中：Cer為設(shè)有專用右轉(zhuǎn)車道時，入口引道的設(shè)計通行能力(pcu/h)；∑Cs為入口引道直行車道的通行能力之和(pcu/h)；∑Csl為入口引道直左車道的通行能力之和(pcu/h).

專用右轉(zhuǎn)車道的設(shè)計通行能力為

1.3 道路交叉口的通行能力

整個交叉口的總通行能力為交叉口各個進口的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)各項通行能力之和.

2 信號燈與左轉(zhuǎn)專用相位設(shè)置條件

2.1 信號燈設(shè)置條件

設(shè)置信號燈的目的是使路口安全暢通、減少延誤、提高通行能力、方便行人.但如果設(shè)置不當，就有可能造成延誤加大、通行能力減小、事故增加的后果.那么是否需要設(shè)置信號燈呢？從理論上分析，需要考察不同方向來車經(jīng)過交叉口時，是否有足夠間隙供車輛安全通過.一般是先分清主要道路和次要道路，主路優(yōu)先通行，次路設(shè)置停車(讓路)標志，即當次路車輛通過路口時，應(yīng)先停車或者減速觀察，當主路無車或者間隙較大時，方可安全駛過.那么,主路有多少機會可供次路車輛通過呢？

假設(shè)沒有信號燈影響，次路車輛利用主路間隙左轉(zhuǎn)，其通行能力為

當左轉(zhuǎn)車輛滿足左轉(zhuǎn)要求時，可以不設(shè)置信號燈.

2.2 信號交叉口左轉(zhuǎn)專用相位設(shè)置條件

十字交叉口信號燈控制最少為二相位，即東西放行和南北放行.由于只有2個相位，所以左轉(zhuǎn)車輛應(yīng)該讓直行車輛先行.當直行車輛可以滿足左轉(zhuǎn)車輛所需間隙通過時，不需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專用相位，否則，需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專用相位.通常,當小型交叉口每個信號周期左轉(zhuǎn)車輛大于3輛、大型交叉口大于4輛時，需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專用相位.

3 信號燈設(shè)置對道路通行能力影響實例分析

例1在某二信號相位十字交叉口，每個方向上的2個入口的車流量相差不大，各進口關(guān)鍵車道的流量與飽和流量見表1.該交叉口車輛的前(啟動)損失時間為3 s，后損失時間為1 s，綠燈間隔時間為6 s(其中黃燈時間4 s，全紅燈時間2 s)，車道分布情況如圖1所示.

3.1 交通信號配時

按照韋伯斯特最佳信號周期計算公式，確定該交叉口信號控制的最佳周期C0，并進行信號配時.

1)計算流量比Y

Y=∑y=y東西+y南北=0.46+0.29=0.75.

2)計算周期總損失L

一個周期總時間損失L包括東西方向前后損失時間、南北方向前后損失時間和2次全紅燈時間.L取12 s.

3)計算最佳信號周期

4)計算周期有效綠燈時間Ge

Ge=C0-L=92-12=80 s.

5)計算相位有效綠燈時間Gei

3.2 信號控制交叉口通行能力計算

根據(jù)上述配時結(jié)果，假設(shè)車道設(shè)置如圖2所示，東西、南北方向左轉(zhuǎn)車輛占進口道交通量的15%，右轉(zhuǎn)車輛占10%，計算該交叉口通行能力.

先計算東西方向干道，東西向分別設(shè)有專用左轉(zhuǎn)、直行和直右3種車道.

1)計算東西直行車道的通行能力

取t0=2.3 s，δ=0.9，ti=2 s,則直行車道通行能力為

直右車道通行能力

Csr=Cs=858 pcu/h.

東西設(shè)置左轉(zhuǎn)專用車道而未設(shè)置右轉(zhuǎn)專用車道，其設(shè)計通行能力為

左轉(zhuǎn)車道設(shè)計通行能力為

Cl=Cel×βl=2 019×0.15=303 pcu/h.

2)計算南北直右、直左行車道的通行能力

取to=2.3 s，δ=0.9，ti=3 s,則

Csl=Cs(1-βl)=372×0.925=344 pcu/h.

3.3 交叉口重要性分析

1)全部為直行路段的通行能力

2)設(shè)置不同轉(zhuǎn)向車道后的通行能力

假設(shè)沒有信號燈影響，東西向直行和直右的通行能力不變，而左轉(zhuǎn)車輛只能在直行車輛的空隙間隔內(nèi)通過，那么可根據(jù)式(11)計算其通行能力.

若例1為一個無信號控制交叉口，則轉(zhuǎn)彎車輛只能在直行車輛安全間隙內(nèi)通過，車輛到達符合泊松分布，車流允許次要道路穿越或左右轉(zhuǎn)彎并線的車頭時距為6 s；如果次要道路采用讓路控制，平均車頭時距為3 s,那么，按照給定的交通量水平，理論上可計算出轉(zhuǎn)彎通過的交通量.經(jīng)過計算得到如下結(jié)果：

東西向通行能力為(1 800×2+147)×2=7 494 pcu/h；

3)設(shè)置信號燈控制后的通行能力

在交叉口設(shè)置信號燈控制后，每個方向只能在減去啟動、停車損失時間后，再按照每個小時各個方向可用時間比例通行.

4 提升道路交叉口通行能力的措施

4.1 道路交叉口現(xiàn)有服務(wù)水平評價

平面交叉口的服務(wù)水平要受到交通控制及通過交叉口所需時間、延誤時間、停車時間、停車次數(shù)和頻率等的影響，因此，它是評價道路交叉口通行能力的重要指標之一.一般地，可根據(jù)表2確定交叉口道路服務(wù)水平等級，通常采用交通負荷系數(shù)指標[10].

根據(jù)上述計算結(jié)果，東西方向入口道的通行能力為2 019 pcu/h，南北方向入口道的通行能力為372+344=716 pcu/h.實際交通流量為Q東西=830 輛/h，Q南北=520輛/h.則負荷系數(shù)Z為：

東西方向：Z東西=830/2 019=0.41;

南北方向：Z南北=5 20/716=0.73.

綜合東西、南北2個方向，通過查表2得知該交叉口服務(wù)水平接近三級.

4.2 提高道路交叉口服務(wù)水平的措施與方法

1)每個方向新增1條直行車道

通過渠化增加十字交叉路口進口車道數(shù).在十字交叉路口進口處可適當減少車道寬度，同時對車道兩側(cè)的綠化帶進行渠化設(shè)計，這樣就能通過增加入口車道數(shù)提高其通行能力.通?？筛鶕?jù)實際交通流量，確定拓寬新增交叉口入口車道的車道類別.本文采取每個方向新增1條直行車道和開辟一條右轉(zhuǎn)導(dǎo)向車道2種方案，考察該交叉口服務(wù)水平變化.

如圖3所示，在每個方向各增加1條直行車道，那么其通行能力為：

南北向：C南北=Csr+Cs+Csl=372+372+344=1 088 pcu/h.

負荷水平為：

東西方向：Z東西=830/3 028=0.27;南北方向：Z南北=520/1 088=0.48.

其服務(wù)水平達到一級標準.

2)開辟右轉(zhuǎn)導(dǎo)向車道

右轉(zhuǎn)車輛在非箭頭信號燈控制的前提下，可以不受信號紅燈限制通行.但當直行和右轉(zhuǎn)共用一個車道且直行車輛受信號燈限制通行時，由于直行車輛無法通行，就會對右轉(zhuǎn)車輛產(chǎn)生影響.因此，在有條件的路口，可開辟右轉(zhuǎn)導(dǎo)向車道，使右轉(zhuǎn)車輛在進入交叉口前離開，這樣，在信號放行時，就不會對右轉(zhuǎn)車輛產(chǎn)生任何影響.如圖4所示.

例1中，若右轉(zhuǎn)車所占比例為10%,則

東西方向：Z東西=830×90%/2 019=0.37;南北方向：Z南北=520×90%/716=0.66.

綜合東西、南北2個方向，通過查表2得知該交叉口服務(wù)水平為二級.

3)利用對向車道設(shè)置左轉(zhuǎn)車道

一般地，在本方向車輛沒有放行時，旁邊的對向車道是沒有車輛的，一般小型交叉口左轉(zhuǎn)車輛在3輛/信號周期、大型交叉口左轉(zhuǎn)車輛在4 輛/信號周期時需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專用相位，否則可采用二相位信號控制，即東西放行、南北放行.在這種情況下，可以采用如圖5所示方案，提高交叉口通行效率.在二信號相位十字路口采用本設(shè)計方案時,要求左轉(zhuǎn)車輛提前通過，因此可在對向車道前設(shè)置雙白虛線方式，提示直行車輛讓行.如果左轉(zhuǎn)車輛數(shù)增加，可設(shè)置左轉(zhuǎn)專用信號相位，由于增加了左轉(zhuǎn)車道數(shù)，可大大提高左轉(zhuǎn)通行效率.

5 結(jié) 論

本文綜合分析了路段通行能力、設(shè)置不同行駛方向后的車道通行能力及設(shè)置信號控制后交叉口的通行能力，通過計算分析，得出交叉口的實際通行能力僅僅為路段通行能力的1/3左右，平面交叉口是影響交通通行能力的關(guān)鍵所在.通過實例分析，對平面十字交叉口進行了信號配時、通行能力計算和服務(wù)水平評價,提出了改善該交叉口服務(wù)水平的具體措施;并對不同措施的改善效果進行了評價.改進后的交叉口服務(wù)水平從接近三級提升到二級和一級，證明了改善措施的有效性.

[1]徐吉謙，陳學(xué)武.交通工程總論[M].北京：人民交通出版社，2008：120-122.

[2]Transportation Research Board.Highway capacity manual[M].Washington D C:Transportation Research Board,2000．

[3]Transportation Research Board.HCM2010：Highway capacity manual[M].Washington D C: Transportation Research Board,2010.

[4]Federal Highway Research Institute.HBS 2010:German highway capacity manual[M].Koeln:FGSV FGSV Verlag Gmbh,2010.

[5]Japan Road Association.Highway capacity[M].Tokyo:Japan Road Association,1984.

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[7]Akcelik R.Traffic signals:capacity and timing analysis[M].Melbourne:Australian Road Research Board,1981.

[8]Peterson B E,Hansson A,Bang K,et al.Swedish capacity manual[M].Borl Nge:National Swedish Road Administration,1977.

[9]城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護部.城市道路設(shè)計規(guī)范(CJJ37—90)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.

[10]北京市市政工程設(shè)計研究總院.城市道路工程設(shè)計規(guī)范(CJJ37—2012)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

(責(zé)任編輯 陶立方)

Researchontrafficcapacityofurbanroadrightangleintersection

HU Yongju, SHI Junqing, TAO Jueqiang, LIU Jinli

(CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

The intersections was always the bottleneck of urban road network. The right angle intersection was a typical type of intersections, which was closely related to the urban construction layout. Through studies on lane capacity, no signal control intersection capacity and signal control intersection capacity, means and measures which could improve intersection capacity were put forward in order to meet the requirements of road traffic better and to maximize the traffic efficiency of urban roads.

urban road; right angle intersection; traffic capacity; lane

10.16218/j.issn.1001-5051.2015.04.018

2015-06-20；

：2015-09-06

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LQ15E080005);湖北省交通運輸廳科技項目(2014-721-3-13)

胡永舉(1967-)，男，黑龍江鶴崗人，教授.研究方向：交通規(guī)劃與管理.

U491.51

：A

：1001-5051(2015)04-0466-07