道路交通交叉口與路段設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘要 為了提升道路交通的安全性與通行效率，該文深入探討了道路交通交叉口與路段設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過介紹交叉口角度優(yōu)化、渠道設(shè)計(jì)調(diào)整等關(guān)鍵措施，分析了這些優(yōu)化手段對(duì)緩解交通擁堵、減少事故風(fēng)險(xiǎn)的作用。同時(shí)，針對(duì)路段交通標(biāo)志設(shè)施，構(gòu)建了標(biāo)志視認(rèn)模型并探討了標(biāo)志結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明：這些優(yōu)化措施顯著提升了交通流的順暢度與駕駛員的視認(rèn)效果，為道路交通的智能化、安全化管理提供了有力支持。

關(guān)鍵詞 道路交通；交叉口；路段設(shè)施；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）04-0037-03

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，人口向城市聚集，車輛保有量激增，尤其是小汽車及電動(dòng)汽車的普及，給城市交通系統(tǒng)帶來了前所未有的壓力。這些變化導(dǎo)致城市交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——交叉口，成為交通擁堵和事故的高發(fā)地。交叉口作為交通流交匯的重要場(chǎng)所，其通行效率直接影響整個(gè)城市交通的順暢程度[1]。然而，當(dāng)前許多城市的道路交叉口設(shè)計(jì)存在諸多不足，如車道劃分不清晰、轉(zhuǎn)向半徑不足、信號(hào)配時(shí)不合理等，現(xiàn)有問題不僅降低了通行效率，還增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。

在此背景下，優(yōu)化道路交通交叉口與路段設(shè)施設(shè)計(jì)顯得尤為迫切。通過科學(xué)規(guī)劃、合理設(shè)計(jì)，可以顯著提升交叉口的通行能力，減少交通延誤和沖突，提高交通安全水平[2]。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)還能推動(dòng)城市交通向綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變，為城市居民提供更加便捷、舒適的出行環(huán)境。

1 公路交叉口交通工程設(shè)施優(yōu)化

1.1 交叉口角度優(yōu)化設(shè)計(jì)

交叉口角度通常指的是相交道路之間的夾角。在理想情況下，為了最大化交通流的順暢性和減少?zèng)_突點(diǎn)，兩相交道路的夾角應(yīng)接近90°（直角交叉口）[3]。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于地形、現(xiàn)有道路布局等因素的限制，夾角可能會(huì)有所不同。

假設(shè)兩相交道路的中心線分別由直線l1、l2構(gòu)成，可用下述公式，進(jìn)行直線l1、l2的描述。

式中，l1、l2——兩相交道路的中心線；a——直線方向；x——直線橫向坐標(biāo)；b——直線斜率；y——直線縱向坐標(biāo)；c1、c2——描述兩條直線特性的常數(shù)。

根據(jù)上述公式，則兩直線的夾角可以通過以下公式計(jì)算得到。

式中，ε——兩直線的夾角（°）。

上述計(jì)算公式給出的是正切值，實(shí)際角度需要通過反正切函數(shù)求得，并考慮角度范圍（0～180°），以此為依據(jù)，進(jìn)行公路交叉口角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。計(jì)算公式如下。

式中，——優(yōu)化后的公路交叉口角度（°）。由于直接計(jì)算可能得到的是銳角，而實(shí)際夾角可能是鈍角，因此需要根據(jù)具體情況調(diào)整角度值。

1.2交叉口渠道設(shè)計(jì)

交叉口渠道設(shè)計(jì)是道路交通工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它涉及如何合理地劃分交叉口內(nèi)的車道，以確保交通流的順暢和安全。渠道設(shè)計(jì)通常包括確定車道的數(shù)量、寬度、轉(zhuǎn)向車道和直行車道的布局等。

標(biāo)準(zhǔn)車道寬度通常是一個(gè)固定值或根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中的表格選取[5]。例如，在高速公路上，標(biāo)準(zhǔn)車道寬度可能為3.75 m。如果需要考慮特殊車輛（如大型貨車、公交車）的通行，可能需要增加車道寬度。

轉(zhuǎn)向車道（包括左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)車道）的長(zhǎng)度是確保車輛能夠安全完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作的關(guān)鍵。其長(zhǎng)度取決于設(shè)計(jì)速度、車輛加速度、駕駛員反應(yīng)時(shí)間以及交叉口幾何形狀[6]。

以左轉(zhuǎn)車道為例，其長(zhǎng)度可以基于車輛行駛速度和加速度進(jìn)行計(jì)算，公式如下。

式中，——左轉(zhuǎn)車道長(zhǎng)度（m）；v——車輛進(jìn)入左轉(zhuǎn)車道時(shí)的速度（km/h）；e——車輛的平均減速度

（km/h）；d1——駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車輛行駛的距離（m）；d2——為了安全起見而增加的額外距離（m）。

完成上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)后，為提升左轉(zhuǎn)車道的通行效率與行人過街安全，可采用壓縮中間帶并設(shè)置平交渠化島的策略。通過合理布局渠化島，不僅為左轉(zhuǎn)車輛提供了清晰的行駛路徑，還結(jié)合了行人二次過街工程島，實(shí)現(xiàn)了人車分流的雙重保障[7]。同時(shí)，在渠化島內(nèi)設(shè)置行人二次過街工程島，配合清晰的斑馬線標(biāo)識(shí)，為行人提供了一個(gè)安全、便捷的過街通道[8]。這樣的設(shè)計(jì)有效縮短了行人單次過街的距離，減少了與車輛發(fā)生沖突的風(fēng)險(xiǎn)，提升了整體交通安全性。平交渠化島設(shè)計(jì)方案如下圖1所示。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)于未壓縮中間帶的平面交叉口，針對(duì)左轉(zhuǎn)車道未獨(dú)立設(shè)置的情況，常采用中間式二次過街工程島與斑馬線相結(jié)合的布設(shè)方式，以優(yōu)化交通流組織和提升行人安全，方案如圖2所示。此種設(shè)計(jì)策略通過在交叉口中央設(shè)置工程島，將左轉(zhuǎn)車道與直行車道在物理上進(jìn)行分隔，為左轉(zhuǎn)車輛提供明確的行駛軌跡，同時(shí)減少與直行車輛的沖突。

2 路段交通標(biāo)志設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)志視認(rèn)模型構(gòu)建

在探討道路標(biāo)志優(yōu)化設(shè)計(jì)以提升駕駛員即時(shí)信息獲取效率的過程中，深入分析駕駛者識(shí)別交通標(biāo)志的動(dòng)態(tài)流程顯得尤為重要。這一過程不僅涵蓋了從標(biāo)志的視覺捕獲到信息解碼，再到相應(yīng)駕駛行為調(diào)整的連續(xù)反應(yīng)鏈，還深刻受到標(biāo)志布局與位置因素的影響。圖3中展示了該標(biāo)志視認(rèn)模型的基本內(nèi)容，作為模型的核心組成部分，直觀揭示了不同位置下標(biāo)志可見性、清晰度及駕駛者反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)。

駕駛?cè)藛T在看清標(biāo)志信息到其將標(biāo)志信息完全認(rèn)讀清楚后，車輛的行駛距離可稱為標(biāo)志認(rèn)讀距離，其公式為：

式中，L——標(biāo)志認(rèn)讀距離（m）；V1——車輛在標(biāo)志位置上的行駛速度（km/h）；T1——駕駛?cè)藛T認(rèn)讀完標(biāo)志中主要信息所需要的時(shí)間（s）。結(jié)合現(xiàn)有資料，根據(jù)不同車速情況，給出駕駛?cè)藛T對(duì)交通標(biāo)志認(rèn)讀距離，如表1所示。

行駛在道路上時(shí)，駕駛?cè)藛T識(shí)讀完交通標(biāo)志后，在識(shí)讀時(shí)間中，車輛前進(jìn)的距離稱為反應(yīng)距離，其表達(dá)式為：

式中，J——反應(yīng)距離（m）；T2——判斷時(shí)間（s）。

駕駛?cè)藛T結(jié)合道路交通標(biāo)志要求，進(jìn)行變道或減速時(shí)所需的距離可稱為行動(dòng)距離，可依據(jù)下述公式確定：

式中，——行動(dòng)距離（m）；、——系數(shù)，當(dāng)存在某方面駕駛行為時(shí)取值為1，沒有取值為0；N——車輛變道次數(shù)（次）；T3——車輛完成一次變道需要的時(shí)間（s）；F——滾動(dòng)摩擦系數(shù)；——路面附著系數(shù)；V2——車輛變道后的速度（km/h）。

在車輛行駛過程中，存在一個(gè)特定位置，當(dāng)車輛接近該點(diǎn)時(shí)，駕駛員的視線將無(wú)法清晰辨認(rèn)前方的交通標(biāo)志，這一臨界點(diǎn)被定義為“標(biāo)志的消失點(diǎn)”。而該消失點(diǎn)與交通標(biāo)志之間的直線距離，稱之為“消失距離”，它直觀反映了標(biāo)志在何種距離下開始失去其應(yīng)有的視認(rèn)效果，如圖4所示。

基于上述運(yùn)算，最終得到交通標(biāo)志的前置距離：

式中，——交通標(biāo)志的前置距離（m）。

2.2 標(biāo)志結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

交通標(biāo)志的構(gòu)造主要由混凝土與鋼結(jié)構(gòu)組合而成，其中，上部鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)常借助先進(jìn)的有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值模擬，特別是針對(duì)其承受的風(fēng)荷載進(jìn)行詳盡的力學(xué)分析。而下部結(jié)構(gòu)的混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，則更多依賴于純粹的理論計(jì)算框架。

在評(píng)估交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度時(shí)，傳統(tǒng)做法聚焦于構(gòu)件的極限承載能力分析，通過施加預(yù)設(shè)的額外荷載來模擬實(shí)際工況，進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的形變趨勢(shì)及應(yīng)力分布。另一方面，當(dāng)考量結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)下的變形特性時(shí)，盡管連接部位普遍采用螺栓緊固，但在進(jìn)行此類計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析過程，往往會(huì)忽略螺栓孔對(duì)截面強(qiáng)度的潛在削弱影響。在對(duì)交通標(biāo)志進(jìn)行荷載影響的計(jì)算中，最不利的組合設(shè)計(jì)值應(yīng)低于結(jié)構(gòu)抗力作用設(shè)計(jì)值。

式中，——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；——標(biāo)志的恒定荷載（N）；——結(jié)構(gòu)荷載截面應(yīng)力效應(yīng)（N/m2）；FD——結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接的強(qiáng)度額定值（N/m2）。同時(shí)，在計(jì)算荷載時(shí)，還需要考慮到不同荷載的組合效應(yīng)。

式中，V——結(jié)構(gòu)變形量（m）；VG——恒定荷載所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形量（m）；VQ——可變荷載所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形量（m），——結(jié)構(gòu)與連接部位所能夠承受的主要變形量（m）。在設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合上述公式，進(jìn)行交通標(biāo)志基礎(chǔ)驗(yàn)算。依據(jù)標(biāo)志物的具體設(shè)計(jì)規(guī)格，精準(zhǔn)確定基礎(chǔ)的埋設(shè)深度及構(gòu)造細(xì)節(jié)。

3 優(yōu)化效果分析

將提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到具體工程項(xiàng)目中，得到如下表2所示的結(jié)果。

根據(jù)上述表2中內(nèi)容，結(jié)合實(shí)踐結(jié)果，可以得到如下所示的結(jié)論：

（1）以交叉口為例，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括增設(shè)左轉(zhuǎn)車道、調(diào)整信號(hào)配時(shí)等措施后，該交叉口左轉(zhuǎn)車輛平均等待時(shí)間從優(yōu)化前的120 s縮短至80 s，減少了33.3%。同時(shí)，直行車輛通過量從每小時(shí)1 200輛提升至1 500輛，通行能力提高了25%。

（2）在另一路段，通過增設(shè)行人二次過街工程島和配合斑馬線使用，行人過街平均時(shí)間從優(yōu)化前的45 s縮短至30 s。同時(shí)，該路段的月平均事故率從優(yōu)化前的3.5次降低至0次，實(shí)現(xiàn)了事故率的顯著下降。

4 結(jié)論

綜上所述，道路交通交叉口與路段設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升城市交通效率、保障交通安全的重要途徑。通過綜合應(yīng)用多種優(yōu)化措施和智能化技術(shù)，可以顯著改善城市交通狀況，為城市居民提供更加便捷、安全的出行環(huán)境。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和城市化進(jìn)程的加速，道路交通交叉口與路段設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)將呈現(xiàn)更加多樣化、智能化的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]呂悅晶，吳耀，張萌萌，等.異質(zhì)交通流環(huán)境下無(wú)信號(hào)T形交叉口控制策略[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2024（4）：387-395.

[2]張學(xué)芳.基于無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的交叉口幾何設(shè)計(jì)與交通運(yùn)行影響分析[J].中國(guó)市政工程， 2024（3）：121-126+160-161.

[3]陳帥，金星龍，王曉艷.基于校內(nèi)混合流的無(wú)信號(hào)交叉口交通嚴(yán)重性分析[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2024（2）：13-19.

[4]羅盛平，石巍，竇亮.基于YOLO和尺度匹配的城市交叉口交通狀態(tài)變量提取與信號(hào)優(yōu)化[J].交通世界， 2024（11）：11-13.

[5]王方凱，楊曉光，江澤浩，等.新型混合交通流場(chǎng)景下交叉口信號(hào)控制和軌跡控制協(xié)同優(yōu)化方法[J].交通信息與安全， 2024（1）：76-83+123.

[6]呂潭，茍啟文，陳家旭.基于交通流飽和度趨向的交叉口信號(hào)配時(shí)快速優(yōu)化算法[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2024（2）：142-144.

[7]張?jiān)娢?，齊濤.基于VISSIM的城市道路交叉口交通仿真與優(yōu)化分析[J].山東交通科技， 2024（1）：65-68.

[8]時(shí)柏營(yíng)，韓懷治，程遠(yuǎn)，等.基于多目標(biāo)配時(shí)優(yōu)化模型和交通設(shè)計(jì)的城市交叉口協(xié)同優(yōu)化研究[J].物流科技， 2024，47（4）：84-91.

收稿日期：2024-08-09

作者簡(jiǎn)介：季旻（1989—），男，本科，工程師，從事道路交通安全設(shè)施施工工作。