面向行人混合式過(guò)街方式的交叉口設(shè)計(jì)

張冰辰，楊 楠，紀(jì) 超，程麗榮，楊春霞

(1.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024;2.河北勝康工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000)

隨著城市道路拓寬，行人過(guò)街長(zhǎng)度也不斷增加，導(dǎo)致行人無(wú)法在一個(gè)相位內(nèi)完成過(guò)街，不得不選擇在綠燈結(jié)束時(shí)停留在道路中央或者強(qiáng)行穿越機(jī)動(dòng)車流，會(huì)給交通造成極大的安全隱患，對(duì)于交叉口需要左轉(zhuǎn)的行人，此情況更為嚴(yán)重。行人過(guò)街方法研究中一般分為二次過(guò)街和行人專用相位過(guò)街兩種。

二次過(guò)街指在一個(gè)綠燈相位內(nèi)，行人無(wú)法穿越道路，從而在道路中間設(shè)立安全島，使行人在紅燈時(shí)在此停駐等待下一綠燈相位時(shí)通行。林雨平等[2]的研究結(jié)果表明，若交叉口采用二次行人過(guò)街方式后，行人過(guò)街延誤減小。楊睿[3]分析了行人過(guò)街的時(shí)間和空間需求，但在分析行人過(guò)街延誤時(shí)，沒(méi)有綜合考慮交叉口情況。從上述文獻(xiàn)可知，二次過(guò)街方法雖然解決了行人在一個(gè)相位內(nèi)無(wú)法一次性過(guò)街的問(wèn)題，但對(duì)于左轉(zhuǎn)的行人來(lái)說(shuō)，則需要四次過(guò)街才能實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，此方法存在較大延誤。

行人專用相位是指在某一信號(hào)相位，只有行人具有通行權(quán)的信號(hào)相位。張亮[4]的研究結(jié)果表明具有行人專用相位的過(guò)街方法較適用于過(guò)街行人數(shù)量大的交叉口。Shawn Tumer等對(duì)行人過(guò)街需求問(wèn)題進(jìn)行分析，提出設(shè)置行人安全島來(lái)解決交通問(wèn)題[5-6]行人專用相位能使左轉(zhuǎn)的行人在一個(gè)相位內(nèi)實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，但使用條件較高，對(duì)于機(jī)動(dòng)車飽和度、行人對(duì)角過(guò)街的需求、機(jī)動(dòng)車交叉口轉(zhuǎn)彎率都有相應(yīng)約束，而且對(duì)于行人專用相位剛結(jié)束時(shí)到達(dá)的過(guò)街行人，則需要等待一整個(gè)機(jī)動(dòng)車信號(hào)周期。

針對(duì)上述兩種方法的優(yōu)勢(shì)及不足，本文提出一種新型混合式行人過(guò)街方法，一方面利用行人專用相位彌補(bǔ)二次過(guò)街左轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺陷，另一方面利用二次過(guò)街的方法彌補(bǔ)行人專用相位過(guò)街方法中的缺點(diǎn)，比如行人專用相位剛結(jié)束時(shí)到達(dá)過(guò)街行人需要等待時(shí)間較長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)交叉口進(jìn)行渠化及信號(hào)控制方案設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)此方法的適用性進(jìn)行分析，提出適用范圍，最后為了充分保證過(guò)街行人的安全，給出了相應(yīng)安全設(shè)施設(shè)置方案。

1 交叉口混合式行人過(guò)街方法設(shè)計(jì)

1.1 交叉口渠化

混合式行人過(guò)街方法在交叉口渠化上，保留傳統(tǒng)二次過(guò)街人行道，同時(shí)增加對(duì)角式人行道，人行道相交處設(shè)立中央安全島，如圖1所示。交叉口渠化上，保留傳統(tǒng)二次過(guò)街人行道，同時(shí)增加對(duì)角式人行道。交通組織上，目的地為馬路對(duì)面的行人可按照傳統(tǒng)二次過(guò)街的路線過(guò)街，途中在中央隔離帶等待下次綠燈。需要對(duì)角方向過(guò)街的行人只需穿越交叉口中對(duì)角方向人行道，途中在中央安全島等待下次綠燈。

圖1 交叉口總體渠化圖Fig.1 The overall drainage diagram of the intersection

1.1.1 中央安全島大小

本文以某市雙向八車道與雙向六車道相交的交叉口為例，如圖2，兩條道路均有中央隔離帶，中央隔離帶寬為3 m，車道寬3.5 m，停止線距離人行橫道1.5 m，車輛左轉(zhuǎn)半徑為30m.當(dāng)中央安全島為菱形時(shí)面積最大，此時(shí)兩條對(duì)角線長(zhǎng)l均為10m.設(shè)安全島與機(jī)動(dòng)車的安全距離a為1 m[7]，根據(jù)菱形面積公式，求得此時(shí)中央安全島面積為45.125 m2，取45 m2.

圖2 中央安全島尺寸計(jì)算圖Fig.2 Central Safety Island dimensioning chart

當(dāng)行人站立面積為0.65 m2/人～0.93 m2/人時(shí)，服務(wù)水平為C級(jí)，行人可以站立和穿過(guò)等待區(qū)進(jìn)行有限制的活動(dòng)，但要干擾其他人，該密度在使人舒服的范圍內(nèi)[8]。本文將采用0.65 m2/人作為行人在安全島等待時(shí)占地面積，假設(shè)中央安全島上的信號(hào)燈占據(jù)一個(gè)行人的面積，即一個(gè)面積為45 m2的安全島，可站立行人68人。

為使研究更具有代表性，對(duì)常見城市道路進(jìn)行調(diào)查，計(jì)算表1中幾種交叉口的中央安全島面積以及可容納的行人量。假設(shè)道路中央隔離帶寬度均為3 m，機(jī)動(dòng)車車道寬3.5 m，計(jì)算結(jié)果詳見表1.

表1 中央安全島面積及可容納行人量Tab.1 Central Safety Island area and pedestrian capacity

1.1.2 人行道寬度

考慮行人通行的基本要求和舒適性，我國(guó)《城市道路工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51286-2018)[9]中規(guī)定了人行橫道的最小寬度不得低于1.5 m，本文將取4 m寬的人行橫道進(jìn)行研究。

1.2 混合式行人過(guò)街路線與信號(hào)控制

1.2.1 行人過(guò)街路線與信號(hào)相位

為了減少?zèng)_突區(qū)域，交叉口機(jī)動(dòng)車輛采用單進(jìn)口放行[10]的方法，如圖3所示，虛線表示機(jī)動(dòng)車行駛路線，實(shí)線表示行人行駛路線。

圖3 行人過(guò)街路線與相序圖Fig.3 Pedestrian crossing routes and phase sequence maps

第一相位時(shí)，南進(jìn)口左轉(zhuǎn)和直行的機(jī)動(dòng)車輛放行，行人放行方式如圖3(a)中實(shí)線所示，二、三、四相位與第一相位放行方法相同。本文以南進(jìn)口東側(cè)行人為例進(jìn)行分析。

1.2.2 行人過(guò)街信號(hào)配時(shí)

為方便表述，將每段過(guò)街人行道用字母表示，如圖4，行人從東向西穿過(guò)人行橫道，先經(jīng)歷EF段，再經(jīng)歷GH段，F(xiàn)G段為中央隔離帶，A、B、C、D分別為對(duì)角方向過(guò)街四段人行道，O為中央安全島。

圖4 交叉口人行橫道分段圖Fig.4 Crossroads segmented chart

本文所調(diào)查交叉口信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)180 s，黃燈時(shí)長(zhǎng)為3 s，根據(jù)圖3中行人二次過(guò)街相位設(shè)置方案與調(diào)查結(jié)果，交叉口信號(hào)配時(shí)為：g1=22 s、g2=32 s、g3=62 s、g4=52 s，其中g(shù)為綠燈時(shí)間，ty為黃燈時(shí)長(zhǎng)(s)，ty=3 s;C為周期時(shí)長(zhǎng)(s)即C=g1+g2+g3+g4+L，其中L=12 s為損失時(shí)間;南進(jìn)口人行橫道EF段在g1、g3時(shí)放行，GH段在g2、g3、g4時(shí)放行。對(duì)角方向過(guò)街人行道A段、B段、C段、D段放行時(shí)間分別為g1、g3、g4、g2.

2 行人混合式過(guò)街延誤分析與評(píng)價(jià)

行人延誤指信號(hào)交叉口一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)行人等待過(guò)街時(shí)間[11]。本節(jié)在上述信號(hào)配時(shí)基礎(chǔ)上，分析行人過(guò)街延誤并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 延誤模型

若以時(shí)間為橫坐標(biāo)、行人流量為縱坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系，假定行人到達(dá)率為飽和流率，且行人在綠燈期間內(nèi)全部消散。在一個(gè)周期內(nèi)，行人通過(guò)南進(jìn)口處人行橫道EF段所產(chǎn)生的延誤如圖5所示，行人體兩次到達(dá)EF段的時(shí)間分別為r′1與r′2，其中r′1=g2+ty、r′2=g4+ty，ty為黃燈時(shí)間。設(shè)行人駛離率為飽和流率，過(guò)街行人的消散時(shí)長(zhǎng)于綠燈時(shí)長(zhǎng)。

圖5 南進(jìn)口EF段行人到達(dá)與駛離圖Fig.5 Pedestrian arrival and departure in EF section of South Import

(1)

(2)

那么，在一個(gè)周期內(nèi)，行人通過(guò)南進(jìn)口處人行橫道EF段所產(chǎn)生的延誤為：

(3)

行人過(guò)街時(shí)一般聚集成一個(gè)行人體后再過(guò)街。行人體反應(yīng)時(shí)間一般取2 s，其與行人體過(guò)街時(shí)間之和為行人體消散時(shí)間。通過(guò)行人體的過(guò)街時(shí)長(zhǎng)可以計(jì)算出行人消散時(shí)間ts1與ts2，計(jì)算公式如下[12]：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：d為一個(gè)周期內(nèi)行人過(guò)街產(chǎn)生的延誤，P1、P2、P3、P4分別為行人到達(dá)率，以實(shí)際調(diào)查可得知，ts為行人體過(guò)街時(shí)長(zhǎng)，g為綠燈時(shí)長(zhǎng)，ty為黃燈時(shí)長(zhǎng)。

2.2 有效性評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證本文所提出的方法是否減小行人過(guò)街延誤，將運(yùn)用混合式過(guò)街方法與二次過(guò)街方法以及行人專用相位的過(guò)街方法進(jìn)行對(duì)比。傳統(tǒng)二次過(guò)街方式如圖6所示，實(shí)線表示行人過(guò)街軌跡，虛線表示機(jī)動(dòng)車行駛軌跡。

圖6 二次過(guò)街路線與相序圖Fig.6 Secondary cross-street routes and phase sequence maps

與混合式行人過(guò)街延誤模型建立的原理相同，g為綠燈時(shí)間，由于左轉(zhuǎn)行人需要橫穿兩條馬路，因此左轉(zhuǎn)行人過(guò)街延誤模型為相鄰兩個(gè)方向過(guò)街的延誤之和。得到南進(jìn)口EF、GH段的延誤模型分別為：

(g2+g3+2ty)

(8)

(9)

具有行人專用相位過(guò)街[13]方式如圖7所示，第五相位為行人專用相位。由于具有行人專用相位的過(guò)街方法中各個(gè)方向行人的等待時(shí)間均為整個(gè)機(jī)動(dòng)車相位時(shí)長(zhǎng)，因此各方向的行人過(guò)街延誤模型相同。

圖7 具有行人專用相位過(guò)街方法路線與相序圖Fig.7 There is a pedestrian-specific phase crossing method route and phase sequence map

同理可得到其中一個(gè)方向的延誤模型為：

(g1+g2+g3+g4+4ty+ts9)

(10)

以本文調(diào)查交叉口為例進(jìn)行延誤計(jì)算，行人過(guò)街速度1.2 m/s，1 h內(nèi)南進(jìn)口東側(cè)行人穿越馬路到南進(jìn)口西側(cè)、東進(jìn)口北側(cè)以及左轉(zhuǎn)的行人流量分別為345人、289人、424人，得到各個(gè)方向的行人過(guò)街延誤如表2所示，混合式過(guò)街在三個(gè)方向的延誤均有改善，東向西、南向北的行人過(guò)街延誤改善明顯，左轉(zhuǎn)產(chǎn)生的延誤相對(duì)二次過(guò)街改善明顯。

表2 三種過(guò)街方式的行人過(guò)街各方向平均延誤Tab.2 Average delay of pedestrian crossings in three ways

3 混合式過(guò)街模式適用性分析及闕值建議

為了更好地研究對(duì)角式過(guò)街的適用范圍，本文針對(duì)南進(jìn)口東側(cè)行人進(jìn)行分析，對(duì)不同的行人流量、不同的交叉口規(guī)模分別利用VISSIM[14]進(jìn)行仿真。

3.1 當(dāng)行人流量改變，車道數(shù)不變時(shí)

當(dāng)交叉口車道數(shù)為雙向六車道與雙向八車道相交，東向西方向、南向北方向、左轉(zhuǎn)方向?yàn)?00 per/h～2 000 per/h時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖8-10所示。

圖8 東向西延誤仿真結(jié)果圖Fig.8 East-to-west delay simulation results chart

圖9 南向北延誤仿真結(jié)果圖Fig.9 South-to-north delay simulation results chart

圖10 左轉(zhuǎn)延誤仿真結(jié)果圖Fig.10 Turn left to delay the simulation results

3.2 當(dāng)行人流量不變時(shí)，改變車道數(shù)

當(dāng)行人流量不變時(shí)，改變車道數(shù)1 h內(nèi)東向西、南向北、左轉(zhuǎn)方向的仿真結(jié)果如表3所示?；旌鲜叫腥诉^(guò)街方法能較好改善交叉口行人過(guò)街延誤，行人流量與過(guò)街距離略微改變，不會(huì)對(duì)行人過(guò)街產(chǎn)生的延誤造成過(guò)大影響?；旌鲜叫腥诉^(guò)街適用于渠化后兩條相交道路均不小于六車道，車速不大于40 km/h 的交叉口這樣的交叉口[15]。在行人流量方面，本方法適用于行人通行需求較大，尤其是對(duì)角通行行人較多的交叉口，左轉(zhuǎn)方向的延誤得到了很大的改善。

表3 不同車道數(shù)三種過(guò)街方式的行人過(guò)街各方向平均延誤Tab.3 The average delay of pedestrian crossing in each direction under three crossing modes with different number of lanes

4 安全設(shè)施

當(dāng)對(duì)角方向過(guò)街的行人在中央安全島停駐等待下一綠燈相位通行時(shí)，往往會(huì)有機(jī)動(dòng)車通過(guò)交叉口，行人的安全就得不到保障，行人作為交通參與者中的弱勢(shì)群體，保護(hù)行人的安全勢(shì)在必得。

位于交叉口中央的安全島存在很大的安全隱患，為了保護(hù)過(guò)街行人的安全，將從中央安全島防護(hù)設(shè)施、交通標(biāo)志、交通標(biāo)線三個(gè)方面實(shí)施。

(1)中央安全島防護(hù)設(shè)施

為了保護(hù)在中央安全島上停駐的過(guò)街行人不被機(jī)動(dòng)車碰撞，在菱形的中央安全島周圍安裝帶有反光標(biāo)記的突起路標(biāo)，既能保護(hù)過(guò)街行人的安全，也能引起夜間行駛駕駛員的注意力。中央安全島采用立體標(biāo)線畫出，既保障了機(jī)動(dòng)車的安全，又給行人一種視覺(jué)上的錯(cuò)覺(jué)。另外，在中央安全島的信號(hào)燈桿上安裝照明設(shè)施，用于安全島的照明。

在安全島周圍安裝上自動(dòng)感應(yīng)警報(bào)裝置，在紅燈時(shí)，當(dāng)有行人踏過(guò)安全島的邊緣，此裝置就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

(2)交通標(biāo)志

在交叉口進(jìn)口道處設(shè)置警告標(biāo)志，提醒司機(jī)前方路口有中央安全島，提前減速慢行。

(3)交通標(biāo)線

為了更好地明確左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的行駛軌跡，在交叉口中畫出左轉(zhuǎn)車輛導(dǎo)流線，左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車沿著導(dǎo)流線行駛，能有效地避免與中央安全島發(fā)生沖突。

5 結(jié)論

本文以渠化島交叉口為研究對(duì)象，利用交叉口內(nèi)機(jī)動(dòng)車無(wú)法利用到的空間，通過(guò)在交叉口設(shè)置中央安全島，提出一種混合式的過(guò)街方法，放行對(duì)角方向過(guò)街行人的同時(shí)，放行與機(jī)動(dòng)車無(wú)沖突區(qū)域的行人，最后經(jīng)過(guò)與二次過(guò)街方法和具有行人專用相位過(guò)街方法的對(duì)比，證明該方法降低了行人過(guò)街的延誤。該行人過(guò)街方法較為復(fù)雜，初實(shí)施時(shí)，要加強(qiáng)交通管制，引導(dǎo)行人正確過(guò)街，以確保行人的安全。中央安全島的大小要根據(jù)行人流量、交叉口規(guī)模來(lái)確定，但具體內(nèi)容還未做研究；由于此過(guò)街方法的行人會(huì)在中央安全島停駐等待二次過(guò)街，交叉口的安全性也是評(píng)價(jià)該方法的重要指標(biāo)，這將是下一步探討的內(nèi)容。