北京市交叉口轉(zhuǎn)角凈距研究

曲曉博，楊孝寬

(北京工業(yè)大學)

1 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，整個社會對交通運輸?shù)男枨笕找嬖黾?，造成交通所面臨的形勢也不容樂觀，交通擁堵日趨嚴重，伴隨而來的是一系列的交通問題，道路擁堵、車輛秩序混亂、事故頻發(fā)、污染嚴重等等。為了應對目前的交通問題就需要提出新的理論及策略。對于城市道路而言，交叉口是整個路網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點，交叉口的交通特性比路段上的交通特性更為復雜，交叉口區(qū)域內(nèi)的交通混亂和事故必然會影響到整個路網(wǎng)的通行能力。主要研究道路交叉口重要的一方面內(nèi)容-交叉口轉(zhuǎn)角凈距。

交叉口轉(zhuǎn)角凈距指交叉口和最近的連接道之間所提供的距離。轉(zhuǎn)角凈距設(shè)計直接關(guān)系到交叉口交通的運營效率。連接道路車輛進出會給主干路車輛帶來干擾，從而引起交通延誤甚至造成交通事故。研究的主要目的通過探討連接道與信號交叉口的合理間距，降低連接道進出車輛對主干路車輛的影響，提高道路運營效率。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外，尤其是在美國，對出入口管理進行了一系列實質(zhì)性的系統(tǒng)研究，并且得以實施，從規(guī)劃開發(fā)、設(shè)計到實施運行以及管理階段，都進行了全面地系統(tǒng)地分析研究。而中國在這方面起步比較晚，近幾年一些學者對美國出入口管理策略進行借鑒提出符合中國的理論，但是缺乏系統(tǒng)性，完整性，還遠不能進行實踐應用。

在國外由Texas Department of Transportation(T X D O T)編著的Access Management Manual一書中提出出入口管理規(guī)范，以及各等級道路出入口布置時應注意的問題。Mc-Coy和Heimann對轉(zhuǎn)角凈距對飽和流率的影響進行評估。Long and Cheng-Tin推導轉(zhuǎn)角凈距計算公式。Kaub建立了轉(zhuǎn)角凈距計算模型。從中發(fā)現(xiàn)連接道的交通能夠減少信號交叉口的飽和流率，減少量取決于轉(zhuǎn)角凈距大小以及外側(cè)車道進出連接道的交通流量比例。Gluck等人指出連接道交通擁堵是交叉口轉(zhuǎn)角凈距不足引起的最普遍的問題，交叉口特征多樣性以及轉(zhuǎn)角凈距不足會造成碰撞事故增加。

國內(nèi)學者是在近幾年對出入口間距進行研究，而對于信號交叉口轉(zhuǎn)角凈距的研究更少。卓曦，張寧對城市大型公共建筑同向和對向出入口間距分別進行研究，提出了基于AM策略的大型公建出入口布局和交通組織方法?！兜缆方煌ńM織優(yōu)化中》從工程實踐出發(fā)，對城市道路開口設(shè)計組織等提出了合理管理手段。鄧亞娟提出了城市快速路立交出入口絕對最小間距，一般最小間距和最佳、最小間距三個不同概念，并提出了針對每一類的確定方法。朱勝躍對城市快速路出入口設(shè)置進行相關(guān)了研究。孫有望對城市快速路出入口設(shè)置進行了改進研究。賀玉龍等從道路使用者的心理特性的角度出發(fā)，將駕駛員的不同駕駛狀況與駕駛條件進行結(jié)合，通過實測數(shù)據(jù)，提出了城市快速路互通立交的最小間距的計算方法。曹榮青通過分析出入口間距的交通沖突，事故率，及同行能力間的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立建立城市主干路出入口間距模型。

3 最小轉(zhuǎn)角凈距模型

3.1 交叉口功能區(qū)

在傳統(tǒng)意義上交叉口僅僅被作為相交道路的一個交叉點，但是在機動車進入交叉口時需要進行一系列復雜的操作:反應、減速、排隊等待、轉(zhuǎn)向或穿越、加速等。交叉口功能區(qū)則是實施這一系列復雜操作的面積范圍，或者說是交叉口對其相交道路的影響區(qū)域范圍。交叉口功能區(qū)就是駛?cè)牒婉偝鼋徊婵诘能囕v受交叉口影響的區(qū)域，區(qū)別于其物理區(qū)域。交叉口功能區(qū)包括上游功能區(qū)和下游功能區(qū)。

車輛在進入交叉口時會進行減速，變換車道，排隊等待等操作，對于駕駛員心理負擔加重，車輛駕駛操作比在路段上更為復雜。這一影響區(qū)域被定義為交叉口上游功能區(qū)。交叉口上游功能區(qū)主要由三部分組成:(1)在反應時間內(nèi)車輛行駛的距離L1;(2)車輛減速行駛的距離L2;(3)車輛排隊長度L3。因此交叉口上游功能區(qū)距離L

車輛在駛離交叉口時會進行加速操作，與車輛進入交叉口相比，這一區(qū)域?qū)︸{駛員的影響較小。交叉口下游功能區(qū)距離主要由兩部分組成:加速車道長度和停車視距，由于在中國，交叉口下游普遍沒有設(shè)置加速車道，所以下游功能區(qū)距離主要由停車視距所決定。

3.2 上游最小轉(zhuǎn)角凈距模型

對于交叉口上游，出入口的位置要避免設(shè)置在交叉口上游功能區(qū)內(nèi)。交叉口上游功能區(qū)構(gòu)成了主干道上游的最小轉(zhuǎn)角凈距，主要包括上文提到的距離L1+L2+L3。L1在反應時間內(nèi)車輛速度不變，采用公式(2)計算，L2駕駛員采取制動，車輛減速運動采用公式(3)計算。

式中:Qn為第n周期的最大排隊長度，veh;Dn為第n周期滯留的排隊車輛數(shù)，veh;qn為第 n周期的車輛達到流率，veh·s;R為紅燈時間，s;G為綠燈時間，s;S為飽和流率，veh·s;C為周期長度，s;L為起動損失，veh。

3.3 下游最小轉(zhuǎn)角凈距模型

對于交叉口下游轉(zhuǎn)角凈距從下面三個方面進行考慮，交叉口下游功能區(qū)范圍，出入口影響距離，對于出入口通行能力的影響。

(1)交叉口下游功能區(qū)范圍

交叉口功能區(qū)為駛?cè)牒婉偝鼋徊婵诘能囕v受交叉口影響的區(qū)域，這就要求需要交叉口下游的出入口不能設(shè)置在交叉口功能區(qū)之內(nèi)，避免出入口出入車輛對主干路的車輛造成干擾。

在中國由于普遍沒有設(shè)置加速車道，交叉口下游功能區(qū)的距離就是停車視距。一般在非高峰期，小汽車在城市交叉口時速大約20～40 km間?！冻鞘械缆方徊婵谝?guī)劃規(guī)范》對于交叉口安全停車視距給出了對應標準。見表1。

式中:V為車輛行駛速度;t為駕駛員反應時間;a為車輛制動減速度。

信號交叉口車輛排隊模型國內(nèi)外都已經(jīng)得到深入的研究，先后提出了多種排隊長度計算模型，其中較為經(jīng)典的是MILLER、AKCELIK、SYNCHRO3、SIGNAL94、TRANSYT 排隊長度模型，但是與中國的實際交通流情況不完全符合，本文采用適合北京實際情況的情況的排隊長度優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型在SIGNAL 94的基礎(chǔ)上，針對北京市交通狀況，利用實測數(shù)據(jù)進行精度分析證明了優(yōu)化模型的有效性，其計算精度在通常交通流狀況下可達到95%左右。根據(jù)此排隊長度模型對交叉口上游排隊長度進行計算。

表1 交叉口安全停車視距

(2)影響距離

主干道車輛進行右轉(zhuǎn)駛?cè)脒B接道，后面直行車采取制動。直行車采取制動的位置到連接道出入口的位置之間的距離稱為影響距離。交叉口轉(zhuǎn)角凈距必須大于影響距離，這樣才能避免制動車輛交叉口車輛的影響。表2中所提供的距離可以為建立出轉(zhuǎn)角凈距的原則和標準。在出入口連接處前車進行右轉(zhuǎn)，直行車對于這種右轉(zhuǎn)做出的反應是進行制動，因此，就發(fā)生了回溢。理論上講，道路等級越高，可接受的回溢比例越低，主干道可接受的回溢比例不大于2%，次干道可接受的回溢比例為5%。

表2 影響距離

(3)不影響連接道出口通行能力

在保證主干道車輛不受連接道車輛影響的同時，又要避免在交叉口右轉(zhuǎn)進入主干道的車輛對駛出連接道車輛產(chǎn)生干擾。1號車右拐駛出交叉口，2號車在可接受間隙內(nèi)駛出連接道，與1號車進行合流。此時若交叉口轉(zhuǎn)角凈距不足，2號車所需間隙無法滿足，則1，2號車的合流行為無法協(xié)調(diào)，易導致追尾碰撞，同時連接道的車輛也不能順利駛?cè)胫鞲傻溃鐖D1。在圖2的條件下，轉(zhuǎn)角凈距足夠大，1車與下游車隊直接存在足夠大的間隙，允許2車匯入車流中。所以最小轉(zhuǎn)角凈距需考慮1號車與主要道路車流的合流距離，1車與2車合流距離和臨界可插車間隙三部分長度。建立模型如下

圖1 模型1

圖2 模型2

式中:L為轉(zhuǎn)角凈距;L1為1號車進入主路時的前進距離;L2為2號車駛出出入口，1號車前進距離;m為安全間距;a1為車輛合流時加速度;a2為車輛合流時減速度;W為出入口單車道寬度;V1為車輛離開連接道速度;V為主干道車輛速度。

通過比較三個約束條件下的交叉口轉(zhuǎn)角凈距的大小，其中的最大值為交叉口最小轉(zhuǎn)角凈距。

4 轉(zhuǎn)角凈距仿真模型

4.1 轉(zhuǎn)角凈距仿真方案設(shè)計

交叉口臨近的連接道車輛出入不僅會對主路道路交通產(chǎn)生影響，同時，主路交通也會對連接道交通帶來影響。因此，在進行仿真方案設(shè)計時主要考慮以上兩個方面。仿真研究設(shè)計兩個實驗方案:方案一研究在連接道交通量一定的情況下，分析不同的主路交通量以及不同的間距對連接道交通的影響;方案二研究在主路交通量一定的情況下，分析不同的連接道交通量以及不同的間距對主路交通的影響。

交叉口轉(zhuǎn)角凈距仿真以車輛平均延誤作為評價指標，并用于仿真結(jié)果分析。對北京西大望路地鐵站附近交叉口交通數(shù)據(jù)調(diào)查，并通過這些調(diào)查數(shù)據(jù)對仿真參數(shù)進行校核。實驗方案如下。

表3 仿真方案

4.2 仿真結(jié)果分析

依據(jù)仿真結(jié)果，繪制了主干路交叉口上游以及下游在不同交通流量下，轉(zhuǎn)角凈距對出入口平均每輛車延誤的影響曲線。

圖3 轉(zhuǎn)角凈距上游延誤曲線

通過對圖3和圖4分析可以發(fā)現(xiàn):

(1)對于連接道平均每輛車延誤與主路交通量成正比，即交通量越大，出入口次路平均每輛車的延誤越長。比較分析可以發(fā)現(xiàn)主路交通流量對交叉口上游比交叉口下游影響大;

(2)在既定的主路交通流量下，平均每輛車延誤與出入口轉(zhuǎn)角凈距成反比，即凈距越長，則平均每輛車延誤越小;凈距越短，則平均每輛車延誤越大。

圖4 轉(zhuǎn)角凈距下游延誤曲線

圖5 轉(zhuǎn)角凈距下游延誤曲線

(3)在既定的間距標準下，不同的交通流量對出入口每輛車延誤的影響程度不同。從圖中曲線斜率變化可以看出，交通流量大的條件下，不同間距對延誤的影響差別較小;而較小交通流量大條件下，不同間距產(chǎn)生的延誤影響差別較大。

通過對圖5分析可以發(fā)現(xiàn)。

(1)在既定的連接道交通流量下，主路平均每輛車延誤與出入口轉(zhuǎn)角凈距成反比，即凈距越長，則平均每輛車延誤越小;凈距越短，則平均每輛車延誤越大。

(2)在既定的間距標準下，不同的連接道交通流量對出入口每輛車延誤的影響程度不同，但影響差別相對較小。

(3)交叉口下游連接道出入的車輛對主路交通影響較小。

5 結(jié)論

分析了交叉口轉(zhuǎn)角凈距的約束條件，確定影響因素，并在此基礎(chǔ)上建立了信號交叉口轉(zhuǎn)角凈距模型。通過轉(zhuǎn)角凈距影響因素分析，應用微觀交通仿真的方法，建立VISSIM仿真模型，針對VISSIM輸出的出入口車輛平均延誤為評價指標，確定不同交通流量和不同轉(zhuǎn)角凈距條件下對出入口車輛延誤的影響。由于交通事故數(shù)據(jù)不易獲得，分析轉(zhuǎn)角凈距約束條件時沒有考慮安全因素，故下一步工作需要結(jié)合交通事故數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)角凈距模型做進一步修正。

［1］ 卓曦，錢振東，張寧.大型公共建筑同向機動車出入口間距計算［J］.東南大學學報，2012，42(3).

［2］ 卓曦，張寧，錢振東.大型公建對向機動車出入口間距計算及優(yōu)選［J］.交通運輸工程學報，2010，10(4).

［3］ 翟忠民.道路交通組織優(yōu)化［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 鄧亞娟.城市快速路與常規(guī)道路銜接問題研究［D］.長安大學碩士學位論文，2004.

［5］ 朱勝躍.城市快速路出入口設(shè)置探討［J］.城市交通，2004，(4).