道路交通通行能力均衡性研究

張軍華，黃鳳嬋，黃敏

1.湖北建科科技集團市政三院，湖北 武漢 430070；2.武漢工程科技學(xué)院經(jīng)濟與管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

道路交通通行能力均衡性研究

張軍華1，黃鳳嬋2，黃敏3*

1.湖北建科科技集團市政三院，湖北 武漢 430070；2.武漢工程科技學(xué)院經(jīng)濟與管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

我國道路交通存在著過度設(shè)計和過低設(shè)計兩個主要問題，導(dǎo)致道路通行能力與實際交通量不匹配.針對現(xiàn)有通行能力和交通量之間的矛盾，提出了道路通行能力均衡的概念，建立了道路通行能力均衡的模型.通過分析研究武漢市周莊路項目案例，比較了該項目的規(guī)劃方案和優(yōu)化方案，并采用VISSIM交通仿真，用實際數(shù)據(jù)和計算結(jié)果證實了計算結(jié)果與仿真結(jié)果相符合，驗證了系統(tǒng)均衡性模型的可行性和優(yōu)越性，進一步說明了均衡性模型能有效地應(yīng)用在道路交通設(shè)計中.

道路通行能力；均衡性；交通設(shè)計

0 引言

近年來，交通問題已成為世界各大城市關(guān)注問題之一.我國主要的交通問題之一為道路通行能力的過低設(shè)計和過度設(shè)計，造成其與交通量的不匹配.

本文通過研究城市道路的通行能力，分析相關(guān)影響因素，在此基礎(chǔ)上提出道路通行能力均衡性，并對通行能力均衡性建模，得出通行能力與交通量的關(guān)系，從而指導(dǎo)和完善道路交通設(shè)計.

1 影響道路通行能力的因素

為了使得交通系統(tǒng)通行能力達到均衡狀態(tài)，城市道路網(wǎng)規(guī)劃階段、城市道路設(shè)計階段、建設(shè)后評估階段等各個階段均需考慮通行能力的調(diào)整.

a．車道寬度.在道路寬度影響通行能力方面，國內(nèi)外文獻的實際觀測均認(rèn)為，道路的通行能力量隨著車道寬度數(shù)值的增大而增大，當(dāng)車道寬度達某一數(shù)值時，其通行能力能達到理論上的最大值.我國規(guī)定車道寬度是3.75 m，其中車道寬度為3.5 m時，修正系數(shù)為0.96［1-2］.通常在設(shè)計道路中采用3.75 m.

b．縱坡度、視距.縱坡越大，車速下降越快，通行能力也隨之降低.視距不足時，行車要求無法滿足，車速降低，通行能力也隨之降低.

c．道路等級.道路等級越高，車速越快，相互干擾越大，機動車道設(shè)計通行能力道路分類等級折減系數(shù)越小，如表1所示［3］.

表1 機動車道設(shè)計通行能力道路分類等級折減系數(shù)Table 1 The reduction factor of road classification for the design traffic capacity of motorway

d．車道位置.機動車道設(shè)計通行能力車道位置折減系數(shù)，按自中線向外以此取值1.0、0.8、0.65、0.5.

e．交叉口影響.交叉口按照《城市道路交叉口設(shè)計規(guī)程》［4］的劃分，主要有A、B、C三大類，對應(yīng)有不同的交通組織方式.流向分布增加，每一流向的車型分布增加，通行能力會隨之降低.通常交叉口間距越大，對通行能力影響越小.受上游沿途平面交叉口影響，進入路段的通行能力的折減系數(shù)取值0.40～0.70.進入路段為干道路段時取其高值，為支路路段時取其低值；沿途上游路段上的平面交叉口間距大時取高值，間距小時取低值［3］.

f．駕駛員的視覺系統(tǒng).隨著道路情況復(fù)雜度的增加，即交通量的增加，駕駛員要接收更多的交通信息，從而延長了反應(yīng)時間，進而對通行能力造成一定的折減［5］.

g．車流方向分布.車流方向分布對通行能力的影響主要是因交叉口的存在而產(chǎn)生，等同于交叉口間距對通行能力的影響.

h．車速管理.設(shè)計車速越高，道路通行能力越大，可等同于機動車道設(shè)計通行能力道路分類等級折減系數(shù).

i．步行管理.人行道越多，人流量越大，道路通行能力越低；另外是否設(shè)置行人信號燈也會影響道路的通行能力.

通過以上影響因素的比較分析，主要研究道路設(shè)計階段，對于可能通行能力的折減系數(shù)的取值：K1（道路等級、車道位置、交叉口影響）、K2（駕駛員的視覺系統(tǒng)）、K3（行人過街的折減系數(shù)）.設(shè)計中應(yīng)從提高通行能力折減系數(shù)的角度提高道路通行能力，如改變上游交叉口控制形式、取消行人過街等.

2 均衡性理念概述

針對目前交通組織優(yōu)化存在的兩大主要交通問題及相關(guān)影響因素分析，本論文提出衡量交通組織優(yōu)化合理性的理論，即通行能力均衡性理論，用以衡量交通組織優(yōu)化是否合理.通行能力均衡性總模型如下：

式（1）中：C為設(shè)計通行能力（pcu／h）；Q為交通量（pcu／h）；α1、α2為通行能力均衡性系數(shù).

式（2）中：Ci為任意斷面設(shè)計通行能力（pcu/h）；

C為設(shè)計通行能力（pcu/h）；β1、β2為通行能力均衡性系數(shù).

當(dāng)某一條道路的任意斷面或節(jié)點滿足公式（1）和公式（2）時，即可認(rèn)為該條道路符合道路通行能力均衡性理論.

3 均衡性模型的建立

3.1 路段均衡性模型

路段通行能力均衡性模型如下：

式（3）中：α1、α2為均衡性系數(shù).其中，α1取值為0.8、α2取值為2.（α1、α2暫按飽和度進行推算，飽和度按道路服務(wù)水平評價指標(biāo)［1］中的取值范圍為：0.35～0.9，詳見表2.該均衡性系數(shù)的具體取值需通過大量的試驗研究確定）.

式（4）（5）中：Co為基本通行能力（pcu/h）；K1、K2、K3為折減系數(shù).其中，K1為道路條件折減系數(shù)，K2為交通條件折減系數(shù)，K3為交通管理條件折減系數(shù)；v/c為對應(yīng)于某一服務(wù)水平下的飽和度；Q為交通量（pcu/h）；α1、α2為通行能力均衡性系數(shù)，其取值同式（3）.

應(yīng)特別指出的是，以往通行能力相關(guān)研究中，均沒有充分考慮各種影響條件，或者忽略了有著復(fù)雜影響的某些條件.本文認(rèn)為影響道路通行能力的因素包括道路條件、交通條件、交通管理條件三部分，在目前的道路通行能力分析中，不應(yīng)忽略任何一個影響條件，特別是交通管理條件.

式（6）中：Ci為任意路段設(shè)計通行能力（pcu/h）；C為設(shè)計通行能力（pcu／h）；β1、β2為通行能力均衡性系數(shù).其中，β1取值為0.8，β2取值為1.2.［β1、β2暫按交叉口間距（表3）進行推算，具體均衡性系數(shù)的取值則需要通過大量的試驗研究確定］.

表2 道路服務(wù)水平評價指標(biāo)Table 2 The evaluation index of the road service level

3.2 交叉口

交叉口通行能力均衡性模型如式（7）.

表3 各級道路平面交叉口合理間距Table 3 The reasonable distance of plane intersection for various roadm

式（7）中：α1、α2為均衡性系數(shù).其中，α1取值0.6，α2取值0.9.［α1、α2暫按飽和度進行推算，飽和度按交叉口服務(wù)水平評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)（表4）［6］中的取值范圍為：0.6～0.9］.

表4 平面交叉口服務(wù)水平評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 The scoring criteria of service level evaluation index for plane intersection

目前關(guān)于交叉口通行能力的計算公式比較明確，本文采用《城市道路設(shè)計規(guī)范》中通行能力的計算方法，公式如下：

式（8）中：Cj為任意方向j的通行能力（pcu/h）；Qj為任意方向j的交通量（pcu／h）；α1、α2為均衡性系數(shù)，其取值同式（7）.

式（10）中：Ci為車道i的通行能力（pcu/h）；Q為交通量（pcu／h）；α1、α2為均衡性系數(shù).其中，α1取值0.6，α2取值0.9.

該方法可用于城市道路網(wǎng)規(guī)劃、工程可行性研究、城市道路設(shè)計、建設(shè)后評估等方面提供更為科學(xué)的理論依據(jù).當(dāng)C＜α1Q，設(shè)計通行能力小于α1倍設(shè)計交通量為過低設(shè)計；當(dāng)C＞α2Q，設(shè)計通行能力大于α2倍設(shè)計交通量為過度設(shè)計.在實際設(shè)計中可有效避免過度設(shè)計和過低設(shè)計.

4 研究案例

上述均衡性模型通過周莊路項目實例來進行分析研究.周莊路位于武漢市未來科技城，未來科技城位于東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)東部高新大道南北沿線，總體規(guī)劃面積為66.8 km2，約占東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)面積的1/8.

4.1 方案設(shè)計

上大路與城市主干道高新大道之間的距離為143 m，上大路路幅寬度為30 m，高新大道路幅寬度為65 m，規(guī)劃方案上大路與周莊路交叉口采用簡單平面交叉型式，考慮上大路交叉口與高新大道交叉口之間距離很小，影響路段通行能力，優(yōu)化方案將上大路與周莊路交叉口改為右進右出交叉口，左轉(zhuǎn)車輛在高新大道交叉口處實現(xiàn)左轉(zhuǎn).

本文實例對交叉口的設(shè)計方案進行對比，找出更有利于增加路段及交叉口通行能力的方案，對比方案將上大路由簡單交叉口型式改為右進右出交叉口型式，避免了左轉(zhuǎn)交通和直行交通之間的沖突，由于從空間上對左轉(zhuǎn)車流和直行車流進行了分離，不存在左轉(zhuǎn)車流與直行車流之間的沖突，并且取消了交叉口信號燈控制，不存在等待時間.

上大路交叉口通過渠化交通島分離了不同方向的交通，使得本交叉口的不同方向交通流盡可能分離.通過方案的改進，總體上降低了兩個交叉口的交通組織復(fù)雜程度，降低了交叉口沖突點和沖突面積.通過優(yōu)化方案設(shè)計，是該交叉口的交通特點趨向于道路基本路段的交通狀況.

左轉(zhuǎn)交通在高新大道交叉口實現(xiàn)左轉(zhuǎn)，由于高新大道為城市主干道，考慮各個方向的交通量，本交叉口交通控制信號為四相位，南北向（周莊路方向）有專用左轉(zhuǎn)相位，較好的減小了由上大路左轉(zhuǎn)交通帶來的壓力.原規(guī)劃方案和優(yōu)化方案的設(shè)計分別如圖1和2所示.

4.2 路段均衡性模型

4.2.1 規(guī)劃方案

C規(guī)劃=C0α1α2α3β1γ1=［1 690×0.85×0.5×（1+0.8+ 0.65+0.5）+1 690×0.85×0.4×（1+0.8+0.65）］×0.954= 3 363（pcu/h）

C路段=C規(guī)劃v/c=3 363×0.75=2 522(pcu/h)

其中，Co為基本通行能力（pcu/h），按設(shè)計車速為50 km/h對應(yīng)的基本通行能力計算［2］；

α1為機動車道設(shè)計通行能力道路分類等級折減系數(shù)，按快速路取值0.75；主干道取值0.8；次干道取值0.85；支路取值0.9，此處取值0.8.

α2為機動車道設(shè)計通行能力車道位置折減系數(shù)，按自中線向外以此取值1.0、0.8、0.65、0.5，此處取值0.5.

α3為進入路段的通行能力受上游沿途平面交叉口影響的折減系數(shù)，取值0.40～0.70，進入路段為干道路段時取高值，為支路路段時取低值；沿途上游路段上的平面交叉口間距大時取高值，間距小時取低值，此處取值0.65.

β1為駕駛員的視覺系統(tǒng)折減系數(shù)，取值0.954［11］.

γ1為行人過街的折減系數(shù)，本段無行人過街，折減系數(shù)為1.

v/c為飽和度，此處取值0.75.

圖1 平面交叉口規(guī)劃方案Fig.1 The planed scheme of plane intersection

圖2 右進右出平面交叉（優(yōu)化方案）Fig.2 The right in and right out of the plane cross（optimization scheme）

4.2.2 優(yōu)化方案優(yōu)化方案路段可能通行能力為：

C優(yōu)化=C0α1α2α3β1γ1=［1 690×0.85×0.7×（1+0.8+ 0.65+0.5）+1 690×0.85×0.4×（1+0.8+0.65）］×0.954= 4 173（pcu／h）

C路段=C優(yōu)化v/c=4 173×0.75=3 130(pcu/h)

4.3 VISSIM交通仿真

對高新大道-上大路路段2025年進行VISSIM交通仿真，得到結(jié)果如表5～8、圖3～6所示.

從表5～8、圖3～6數(shù)據(jù)可以看出：規(guī)劃方案中，高新大道—上大路雙向行駛時間分別為75和80，優(yōu)化方案中，高新大道—上大路雙向行駛時間分別為62和59，在行程時間上，優(yōu)化方案優(yōu)于規(guī)劃方案.規(guī)劃方案中，高新大道交叉口的南進口道平均排隊長度為54，北進口道平均排隊長度為39；優(yōu)化方案中，高新大道交叉口的南進口道平均排隊長度為34，北進口道平均排隊長度為23，在排隊長度上，優(yōu)化方案優(yōu)于規(guī)劃方案.規(guī)劃方案中，高新大道—上大路平均延誤時間為53，上大路—高新大道平均延誤時間為58；優(yōu)化方案中，高新大道—上大路平均延誤時間為35，上大路—高新大道平均延誤時間為32，優(yōu)化方案延誤時間較少.

表5 交叉口（高新大道-上大路）排隊長度表（規(guī)劃方案）Table 5 The queue length table of the intersection(Gaoxin-avenue to Shangda-road)(planed scheme)

表6 周莊路（高新大道-上大路）行程延誤時間表（規(guī)劃方案）Table 6 The travel delaying time table of the Zhouzhuang-road (Gaoxin-avenue to Shangda-road)(planed scheme)

4.4 仿真結(jié)果分析

在優(yōu)化方案中，上大路交叉口采用右進右出方案后，沒有排隊車輛，車流在該交叉口通暢無阻.上大路交叉口的車輛左轉(zhuǎn)分別要通過在高新大道或者神墩二路掉頭實現(xiàn)，增加了車輛的行程，會對高新大道和神墩二路交叉口的交通造成影響，但是由于減少了車流沖突點，降低了路段總體通行時間，該路段平均延誤時間減少，行程時間短，兩路口排隊車輛數(shù)少，綜合結(jié)果優(yōu)于規(guī)劃方案.

表7 交叉口（高新大道-上大路）排隊長度表（優(yōu)化方案）Table 7 The queue length table of the intersection(Gaoxin-avenue to Shangda-road)(optimization scheme)

表8 周莊路（高新大道-上大路）行程延誤時間表（優(yōu)化方案）Table 8 The t ravel delaying time table of the Zhouzhuang-road(Gaoxin-avenue to Shangda-road)(optimization scheme)

圖3 高新大道南北進口排隊長度（規(guī)劃方案）Fig.3 The queue length of Gaoxin Avenue southern entrance，Shangda road north entrance（planed scheme）

圖4 行車延誤時間（規(guī)劃方案）Fig.4 The travel delaying time（planed scheme）

圖5 高新大道南北進口排隊長度（優(yōu)化方案）Fig.5 The queue length of the south-north entrance for Gaoxin-avenue（optimization scheme）

圖6 行車延誤時間（優(yōu)化方案）Fig.6 The travel delaying time（optimization scheme）

5 結(jié)語

從以上表格數(shù)據(jù)可以看出：優(yōu)化方案在行程時間、在排隊長度上優(yōu)于規(guī)劃方案，且優(yōu)化方案延誤時間較少.系統(tǒng)通行能力均衡性模型計算結(jié)果與仿真結(jié)果相符合，驗證了系統(tǒng)均衡性模型的有效性和實用性.均衡性模型能有效地應(yīng)用在設(shè)計道路中.

［1］徐吉謙．交通工程總論［M］．北京：人民交通出版社，2001.

XU Ji－qian．General theory of traffic engineering［M］．Beijing：China Communications Press，2001．（in Chinese）

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ37－2012，城市道路設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］武漢市建設(shè)委員會.WJG203－2006，武漢市城市道路平面交叉口規(guī)劃、設(shè)計、管理技術(shù)規(guī)定［S］.［2015－5－22］http：//wenku．baidu．com/view/5bcff9c04028915f804d c2fd．html

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ152－2010，城市道路交叉口設(shè)計規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］褚建萍．典型城市信號交叉口通行能力及交通仿真分析［D］．西安：長安大學(xué)，2009.

ZHU Jian－ping．Analysis of typical city signalized intersection capacity and traffic simulation［D］．Xian: Chang＇an University，2009．（in Chinese）

［6］江欣國，倪立．城市道路交叉口評價指標(biāo)體系探討［J］．城市軌道交通研究，1999（4）：38－42．

JIANG Xin－guo，NI Li．Study on city road intersection evaluation index system［J］．Urban Mass Transit，1999（4）：38－42.（in Chinese）

Balance of road traffic capacity

ZHANG Jun－h(huán)ua1，HUANG Feng－chan2，HUANG Min3
1．The Municipal Third Branch of Hubei Jianke Technology Group Company，Wuhan 430070，China；2．School of Economics and Management，Wuhan University of Engineering Science，Wuhan 430070，China；3．School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

Over－h(huán)igh design and over－low design are two main problems in national road traffic，which results in the traffic capacity not matching the traffic volume．Aiming at the contradiction between the existing traffic capacity and the traffic volume，we put forward the concept of road traffic capacity balance and further established the model of road traffic capacity balance．We compared the planed scheme with optimization scheme in the case of Zhouzhuang Road project in Wuhan city，and proved the feasibility and superiority for the concept of balance model by adopting the VISSIM traffic simulation which tests the conformance between the calculation result and the simulation result with the actual data and calculated results．Therefore，we conclude that the balance model can be effectively applied in the road traffic design．

road traffic capacity；balance；traffic design

D631

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.08.004

1674－2869（2015）08－0020－06

本文編輯：龔曉寧

2015-03

張軍華（1982-），男，湖北荊州人，工程師，碩士.研究方向：道路交通工程.*通信聯(lián)系人.