城市道路交叉口精細(xì)化規(guī)劃設(shè)計(jì)與控制管理

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院交通工程系，上海201804)

中國城市道路交通經(jīng)過近30年快速、粗放式發(fā)展，從滿足城市交通基本需求來說，已經(jīng)有了長足的進(jìn)步。但是精細(xì)化程度與國際先進(jìn)水平相比，尚存在較大差距。尤其是城市道路交叉口，在規(guī)劃設(shè)計(jì)和控制管理等方面的精細(xì)化值得研究。粗放型的規(guī)劃與管理導(dǎo)致交通無序混亂、效率低、安全無保障。精細(xì)化才是節(jié)約用地、保障安全、提高效率的必經(jīng)之路。

1 精細(xì)化的概念與內(nèi)涵

從20世紀(jì)四五十年代開始，歐美發(fā)達(dá)國家先后研究制定了一系列交叉口規(guī)劃設(shè)計(jì)和控制管理方面的工程和技術(shù)規(guī)范，例如德國在這方面的交通工程規(guī)范達(dá)80多本。相比之下，中國在此領(lǐng)域的工程規(guī)范嚴(yán)重缺失，現(xiàn)有的交叉口規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理普遍采用簡單化處理的方法套用某些固定模式。事實(shí)上，道路交通組成復(fù)雜、交通行為具有隨意性和不確定性，導(dǎo)致交通效率低和交通安全問題。例如，交叉口空間規(guī)劃不合理，片面強(qiáng)調(diào)對稱，看似工整，一旦車流增加便暴露出交通效率和安全等方面的問題；交叉口沖突區(qū)域面積過大，車道不匹配，進(jìn)口道展寬不足，路緣石半徑過大，實(shí)體(交通島和綠化帶)或劃線渠化不夠，標(biāo)志缺乏或設(shè)置不規(guī)范，無障礙設(shè)施流于形式，對行人過街設(shè)施規(guī)劃不足，對非機(jī)動(dòng)車過街空間規(guī)劃缺乏考慮，在空間規(guī)劃設(shè)計(jì)上很少考慮甚至不考慮對交通流的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性等。同時(shí)，城市道路交叉口信號控制基本停留在簡單定時(shí)多時(shí)段水平上，由于對基本問題認(rèn)識不足，存在很多誤區(qū)，例如對信號燈色及形式的理解和使用不當(dāng)，信號周期的選用過長，綠燈間隔時(shí)間的概念不明確，對區(qū)域自適應(yīng)控制模式盲目迷信等。

精細(xì)化是一種精益求精的理念和態(tài)度，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)要素的全面性和設(shè)計(jì)粒度的細(xì)致性上。對交叉口進(jìn)行精細(xì)化的規(guī)劃設(shè)計(jì)和控制管理要求交通工程師突破模式化、同質(zhì)化、表面化的觀念，充分結(jié)合道路交通實(shí)際情況，采取區(qū)別化、具體化、人性化的理念，對各要素的考慮更加全面、細(xì)致和深入。

在交叉口規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際交通需求和車流行進(jìn)流線的要求進(jìn)行合理的車道功能劃分和進(jìn)口道展寬設(shè)計(jì)，并通過反復(fù)調(diào)整獲得最優(yōu)方案；設(shè)置安全島時(shí)，應(yīng)充分考慮不同車輛在直行或轉(zhuǎn)向過程中的空間需求，并仔細(xì)校核交通島相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，避免出現(xiàn)車輛壓島的問題。此外，精細(xì)化的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求在交叉口范圍內(nèi)，細(xì)致劃分各類交通流(機(jī)動(dòng)車、公共汽車、非機(jī)動(dòng)車、行人等)的通行空間范圍，宜通過不同的地面鋪裝(特別是人行道和非機(jī)動(dòng)車道)、劃線或設(shè)置隔離設(shè)施標(biāo)識其邊界；尤其重要的是在交叉口中間的沖突區(qū)域，通過地面劃線為不同類別、不同流向的交通流以明確的引導(dǎo)。圖1為德國某城市交叉口規(guī)劃設(shè)計(jì)成果，可視為交叉口精細(xì)化規(guī)劃設(shè)計(jì)的典型案例。

在交叉口控制管理中，應(yīng)在對各類、各向交通流以及交通流之間的沖突進(jìn)行細(xì)致梳理和分析的基礎(chǔ)上，在不同等級、不同功能的道路和交叉口對機(jī)動(dòng)車、公共汽車、行人與非機(jī)動(dòng)車采取區(qū)別化的控制策略，并且根據(jù)實(shí)際交通流的特征采取合理的相位結(jié)構(gòu)，如有效的相位搭接與嵌套等。

2 交叉口規(guī)劃設(shè)計(jì)的精細(xì)化

圖1 德國某城市交叉口設(shè)計(jì)Fig.1 Intersection design in a Germany city

圖2 轉(zhuǎn)彎車輛壓島示意Fig.2 Illustration of turning vehicles impacting intersection islands

城市道路交叉口精細(xì)化規(guī)劃設(shè)計(jì)的內(nèi)容較多，本文以交通島和交叉口導(dǎo)行線的精細(xì)化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行闡述。

2.1 交通島精細(xì)化設(shè)計(jì)

中國較多城市在交叉口設(shè)計(jì)中設(shè)置了轉(zhuǎn)角交通島，隨著交通工程師設(shè)計(jì)理念的更新以及有關(guān)規(guī)范的強(qiáng)制要求，不少城市還在信號控制交叉口人行橫道中加設(shè)安全島。然而從實(shí)際運(yùn)行情況來看，轉(zhuǎn)角交通島和行人過街安全島若設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎車輛壓島的問題[1]。例如，右轉(zhuǎn)專用車道拓寬寬度不夠時(shí)，可能導(dǎo)致右轉(zhuǎn)車輛壓島(見圖2a)；由于交叉口出口道方向轉(zhuǎn)角島的設(shè)置位置距離交叉口進(jìn)口過近，或出口道寬度不夠，導(dǎo)致車輛左轉(zhuǎn)半徑不足壓上轉(zhuǎn)角島，還有可能出現(xiàn)與對向左轉(zhuǎn)軌跡重疊等問題(見圖2b)。

圖3 德國某城市交叉口交通島設(shè)置Fig.3 Traffic islands design at a city in Germany

為充分發(fā)揮交通島渠化交通及保護(hù)行人的功能，同時(shí)避免車輛撞島的安全隱患，需要對交通島的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究。本文通過提取與分析交叉口各流向的實(shí)際軌跡，綜合考慮交叉口類型、設(shè)計(jì)車型與車速、交叉口幾何尺寸等因素，確定不同交叉口類型、轉(zhuǎn)彎半徑條件下交通島關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

實(shí)際上，交通島的主要作用在于引導(dǎo)交通流，因此可不拘泥于特定形式。圖3為德國某城市道路交叉口內(nèi)部不同形式的交通島。圖片下方兩個(gè)交通島為轉(zhuǎn)角交通島，用于渠化右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車，并為行人和非機(jī)動(dòng)車提供過街通道；各條道路中央設(shè)有水滴形交通島，交叉口中央設(shè)有導(dǎo)流線，可很好地引導(dǎo)機(jī)動(dòng)車交通流安全、順暢運(yùn)行。

2.2 導(dǎo)行線精細(xì)化設(shè)計(jì)

在交叉口內(nèi)部施畫機(jī)動(dòng)車導(dǎo)行線、將非機(jī)動(dòng)車通道進(jìn)行彩色瀝青鋪裝等也是精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容(見圖4)。在交叉口內(nèi)部為機(jī)動(dòng)車施畫十字導(dǎo)行線或Y形導(dǎo)行線，一方面可以規(guī)范機(jī)動(dòng)車的行駛軌跡、提高駕駛的平順性和舒適性，另一方面也可提高交叉口行車的安全性，特別是在一些復(fù)雜交叉口、畸形交叉口、有橋墩或其他障礙物導(dǎo)致視距不良的交叉口。進(jìn)口道與出口道位置偏離的情況下，導(dǎo)行線可有效引導(dǎo)車輛行駛進(jìn)入正確的車道，避免車輛因駛?cè)脲e(cuò)誤車道導(dǎo)致事故發(fā)生。

3 交叉口控制管理的精細(xì)化

3.1 通行能力精細(xì)化校驗(yàn)

通行能力和飽和度是評價(jià)交叉口服務(wù)水平的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的通行能力和飽和度計(jì)算方法主要應(yīng)用于運(yùn)行階段，從交叉口各進(jìn)口方向、各相位入手計(jì)算進(jìn)口道通行能力和相位飽和度，而在規(guī)劃階段則缺少有效的指導(dǎo)方法。

其實(shí)，沖突點(diǎn)(區(qū)域)才是制約整個(gè)交叉口通行能力的關(guān)鍵，其通行能力不足導(dǎo)致車輛在交叉口內(nèi)部積壓、交叉口擁堵甚至癱瘓。本文提出基于關(guān)鍵沖突車流的交叉口通行能力快速精細(xì)化檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒徊婵陲柡投扔?jì)算方法，克服傳統(tǒng)方法只能在運(yùn)行階段計(jì)算各進(jìn)口道通行能力和相位飽和度的問題。

圖4 交叉口導(dǎo)行線Fig.4 Pavement markings at intersection

圖5 典型十字交叉口的交通沖突Fig.5 Traffic conflicts at a typical intersection

一個(gè)典型交叉口范圍內(nèi)的主要沖突可歸納為兩大類：1)出口道附近，其他3個(gè)進(jìn)口分別匯入的左直右車流沖突(見圖5a)，4個(gè)出口道對應(yīng)4組沖突；2)交叉口內(nèi)部垂直方向直行、左轉(zhuǎn)共4股車流之間的沖突(見圖5b)，4股車流中任意2股都不能同時(shí)放行，該類沖突共有4組[1]。因此，一個(gè)典型十字交叉口的沖突車流組合共有8組，如表2所示。

在多股車流沖突的區(qū)域，應(yīng)檢驗(yàn)各沖突方向的流量是否與該沖突區(qū)域的通行能力相匹配，即是否滿足

式中：Q為各沖突車流流量/輛；C為信號周期/s；tZ為綠燈間隔時(shí)間/s；tB為平均飽和車頭時(shí)距/(s·輛-1)。

該方法在考慮交叉口安全和效率相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，能快速精細(xì)化識別制約交叉口通行能力的關(guān)鍵車流組合，從而調(diào)整車道功能劃分和車道數(shù)，并能在規(guī)劃階段對交叉口服務(wù)水平進(jìn)行評價(jià)。

3.2 信號控制精細(xì)化分析

在信號控制方面，綠燈間隔時(shí)間的精細(xì)化計(jì)算、行人信號控制策略以及區(qū)別化的轉(zhuǎn)彎車輛控制策略等均是交叉口精細(xì)化控制管理的重要內(nèi)容，具體可參見文獻(xiàn)[3-4]。

4 交叉口精細(xì)化設(shè)計(jì)案例

圖6 交叉口精細(xì)化設(shè)計(jì)案例Fig.6 Example of detailed intersection design

表2 典型十字交叉口沖突車流組合Tab.2 Combination of conflicted traffic flow

本文以四川省眉山市某交叉口規(guī)劃設(shè)計(jì)與控制管理為例[5](見圖6)，簡要介紹復(fù)雜交叉口精細(xì)化處理的基本思路與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

首先，將畸形交叉口分解成3個(gè)具有明顯行車軌跡交叉空間的交叉口，通過流線分析，在交叉口內(nèi)部設(shè)置交通島、施畫導(dǎo)行線，有效渠化交通流，引導(dǎo)車輛安全平順通行。然后確定交叉口的主要流向，包括詩書路雙向，紅星路—三蘇大道雙向，以及三蘇路—三蘇大道方向等，信號控制設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮上述方向的協(xié)調(diào)，特別是短連線交叉口處應(yīng)避免車輛排隊(duì)溢出。此外，還需要考慮交叉口范圍內(nèi)存在公共汽車站(三蘇路—紅星路交叉口東進(jìn)口和東出口)，通過信號控制和交通標(biāo)志設(shè)計(jì)，盡量引導(dǎo)機(jī)動(dòng)車交通流由該交叉口的北出口左轉(zhuǎn)繞行，從而在短間距交叉口內(nèi)減少社會(huì)車輛運(yùn)行與公共汽車停靠之間的相互干擾，有利于提高乘客的安全性。經(jīng)過對交叉口空間渠化和信號周期進(jìn)行仔細(xì)分析和規(guī)劃設(shè)計(jì)，采用微觀仿真工具對其整體進(jìn)行仿真分析、評價(jià)和優(yōu)化，使各個(gè)方向的通行需求都能夠得到妥善兼顧，最后才能得到比較理想的運(yùn)行效果。

5 結(jié)語

對城市道路交叉口的研究和實(shí)踐永無止境，特別是在精細(xì)化規(guī)劃設(shè)計(jì)和控制管理的道路上，沒有最好，只有更好。希望有更多的學(xué)者、工程技術(shù)人員投入到這一領(lǐng)域的研究和實(shí)踐中；希望政府各管理部門更加重視道路交叉口這個(gè)“彈丸之地”，培育公平、合理、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)市場，提高中國城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的水平。

[1]戴京國.基于車輛行駛軌跡線的交叉口安全島位置研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2010.

[2]李克平，楊佩昆，倪穎.城市道路交叉口信號控制中的黃燈問題[J].城市交通，2010，8(4)：67-72.Li Keping,Yang Peikun,Ni Ying.Amber Interval Design at Urban Signalized Intersections[J].Urban Transport of China,2010,8(4):67-72.

[3]倪穎，李克平.基于關(guān)鍵沖突車流的交叉口飽和度計(jì)算及應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通工程與科學(xué)版)，2010，34(1)：31-34.Ni Ying,Li Keping.Degree of Saturation of Intersections Based on Critical Conflicting Flows[J].Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science&Engineering),2010,34(1):31-34.

[4]李克平，倪穎.信號控制交叉口行人過街交通組織與控制[J].城市交通，2011，9(1)：65-71.Li Keping,Ni Ying.Pedestrian Traffic Control at Signalized Intersections[J].Urban Transport of China,2011,9(1):65-71.

[5]李克平，繆立新，王靚，等.復(fù)雜交通流交通控制設(shè)計(jì)、設(shè)備研制及工程示范建設(shè)項(xiàng)目研究報(bào)告[R].眉山：眉山市人民政府，2005.