城市道路錯位交叉口交通組織優(yōu)化研究

范新科,秦杰運,何文強,王韓麒,范瀟瑩

(1.寧波寧工交通工程設計咨詢有限公司,寧波 315211;2.射陽縣公安局交通警察大隊,江蘇 鹽城 224300;3.浙江高專建筑設計研究院有限公司,寧波 315016)

0 引言

錯位交叉口是城市道路短間距交叉口的特殊情況,此類交叉口因間距較短且反向錯位常常導致城市道路擁堵或事故頻發(fā).城市道路錯位交叉口因交叉口空間大且沖突點明顯,導致此類交叉口的延誤率[1]和事故率[2]要遠遠高于其他類型的交叉口.以鹽城市射陽縣為例,城市錯位交叉口平均延誤和平均事故率比其他類型交叉口分別高7s和34%.近些年來,國內城市道路60%的事故發(fā)生在交叉口及其附近區(qū)域[3],其中錯位交叉口等短間距交叉口的事故情況更是不容樂觀.針對城市錯位交叉口進行交通組織優(yōu)化設計,對緩解城市道路關鍵節(jié)點的擁堵情況和事故隱患情況具有實際意義.

常見的交叉口交通組織優(yōu)化設計方法包括渠化設計、信號控制、土建改造、立體交叉[4]等方式,但對于交叉口而言后兩類優(yōu)化設計方法實施難度太大.國外對于交叉口渠化設計的研究開展較早,美國的MUTCD[5]針對各類交叉口渠化設計提出了需要注意的問題,日本《平面交叉口的規(guī)劃與設計》[6]一書中則明確了交叉口渠化設計是解決城市道路擁堵問題的有效方法.在國內,陳洪仁的《道路交叉設計》[7]一書中提出了交叉口渠化的具體措施,竇瑞軍等[8]通過交叉口渠化措施實現(xiàn)了人車分流.在信號控制方面,美國的單點信號控制方式在20世紀80年代后逐漸淘汰,取而代之的是Abbas等[9]提出的新的信號協(xié)調控制系統(tǒng);國內早期通過Webster公式研究交叉口信號控制的方法存在不適用高飽和度交叉口的局限性,基于此顧懷中等[10]提出了模擬退火全局優(yōu)化算法以解決各種交通狀況下信號優(yōu)化配時的問題,邵春福等[11]創(chuàng)造性地提出了人行信號配時的設計方法.思維方式的進步,使得更多的交通人在探索既能快速解決交叉口實際問題又經(jīng)濟便捷的交通組織優(yōu)化設計方法.

隨著千萬級人口大城市成為常態(tài),城市機動車保有量的提升導致各類錯位交叉口的擁堵日益嚴重.盡管國內外學者已進行了各類研究,但由于此類交叉口交通環(huán)境復雜,擁堵特征和事故特征數(shù)據(jù)難以獲取,以往較為成熟的土建改造或立體交叉的優(yōu)化方法成本過高,因此亟需通過其他方式來改善錯位交叉口的擁堵狀況及事故狀況.本文聚焦于城市錯位交叉口的交通組織優(yōu)化設計,為解決此類交叉口優(yōu)化改造的桎梏,提出渠化設計與信號優(yōu)化相結合的方法,通過Before-and-after方法進行典型錯位交叉口改造前后的對比,以期能為城市錯位交叉口的交通組織優(yōu)化設計提供新的思路.

1 相關理論知識

1.1 城市錯位交叉口

城市錯位交叉口是1種特殊的短間距交叉口,可視為節(jié)點距離極近2個反向的T型交叉口,一般由1條城市干路與兩條相交道路組成.短間距交叉口[12]是由于交叉口距離過近形成的,實際上屬于畸形交叉口的范疇.盡管規(guī)范要求[13]各類交叉口最小間距不宜小于150 m,但城市道路交叉口間距小于該規(guī)定的不在少數(shù),因短間距交叉口造成的擁堵現(xiàn)象比比皆是,嚴重時甚至出現(xiàn)車輛排隊溢出的現(xiàn)象,導致相交路段的車流無法駛入或通過.

圖1 錯位交叉口示意圖

圖2 短間距交叉口示意圖

城市錯位交叉口面積較大且交通秩序混亂,交叉口內人非沖突與機非沖突較為嚴重,且不同流向的機動車之間也存在轉向沖突.同時,由于干路流量較大,且雙向交通流基本趨于平衡,錯位交叉口的出現(xiàn)將造成交叉口范圍內較大的行車延誤,導致干路通行能力下降,誘發(fā)交通事故,嚴重影響整個城市道路系統(tǒng)的服務水平.

1.2 交叉口渠化設計

渠化是指通過導流島與路面標線互相結合,通過分離和控制車流,使其按照一定的流向駛入各自的路線,減少沖突或明確分開沖突,一般包括實體導渠化和標線渠化2種方式.交叉口經(jīng)過渠化設計后,可在時間和空間角度分隔交通沖突,提高交叉口的通行能力及安全性.

根據(jù)《公路路線設計規(guī)范》的規(guī)定,交叉口渠化設計應使車輛行駛路線簡單明了,避免車輛分流與合流位于一處.因此,在進行交叉口渠化設計時應遵循以下原則:

1)分離原則

交叉口渠化設計應以減少交通流之間不同流向的干擾為主,通過道路交通設施引導行人與機非車流各行其道.

2)疏導原則

通過設計單向交通、車種專用道、流向禁左等疏導方式,明確交通流不同流向的行駛路線.

交叉口渠化設計可從交叉口車道斷面的分布、功能的劃分、人非交通流的管控等3個方面著手.

1)車道斷面的分布

城市道路中,交叉口流量和飽和度一般高于路段流量和飽和度,交叉口車道斷面的合理布置是確保路段與交叉口通行能力匹配的重要條件,可通過路口展寬、壓縮機動車道或非機動車車道寬度及縮減綠化帶寬度實現(xiàn).但需要注意,壓縮非機動車道需要在非機動車流量較小的情況下進行.

2)車道功能的劃分

交叉口的快速分流很大程度上受到車道功能的影響,而車道功能劃分的先決條件是詳盡的交通量調查.比如,是否需要單獨設置轉彎車道就取決于轉彎車流量的大小.左轉車道的設置是車道功能劃分的重點內容,因其車流在交叉口與對向交通流的沖突最大,常常通過設置左轉導流線或左彎待轉區(qū)來引導車流減少沖突.同時,掉頭車道也可與左轉車道合并設置,共用1個信號相位.

3)人非交通流的管控

人非交通流過街一向是交通管理的難點,也是交叉口渠化設計中較難避免的環(huán)節(jié).相關規(guī)范中已對行人與非機動車過街作出了規(guī)定,主要目的是將機動車流與人非交通流從時空上分隔.同時,人非交通流的二次過街以及人行橫道線與停止線間距加長等措施也在提高人非交通流過街的安全性.

1.3 交叉口信號優(yōu)化

交叉口信號設計主要是通過設置合理的信號相位配時方案來達到最大限度提升交叉口通行能力的目的,并減少車輛通行延誤時間.交叉口信號周期越長,通行能力越高是1個明顯的認知誤區(qū).在確定的道路條件下,交叉口信號周期越長,車輛通行延誤時間就越大.國內大部分城市道路交叉口的信號燈均采用一組箭頭燈加一組圓盤燈的形式.車輛通過交叉口,綠燈亮時,允許擁有通行權的車輛駛入交叉口;紅燈亮時,僅允許右轉車輛在不妨礙相交單路交通通行的情況下駛入交叉口;黃燈亮時,車輛若已越過停止線駛入交叉口可繼續(xù)行駛,若未越過停止線則應停車等待.普通正交信號燈路口一般設置4個信號燈相位.

交叉口信號配時設計可有效提高交叉口通行效率和安全性,也是國內外交叉口改造提升研究的重點.交叉口信號相位應設置合理,以充分利用有效綠燈時間.人非信號燈在高峰期應盡可能采用小周期.當然,信號配時的設計主要依據(jù)還是交叉口各流向交通量的數(shù)據(jù),因此,信號相位的設計應結合實際交通量考慮.

1.4 Before-and-afte方法

Before-and-afte方法,顧名思義就是前后對比分析法.幾乎所有的交通組織優(yōu)化設計都應進行觀察性評估,即非實驗性的研究.針對交通組織方案的觀察性評估中最常見的方法就是方案的前后對比評估(Before-and-after評估)[14].

本文應用前后對比評估,目的是通過該方法評估對典型錯位交叉口實施一定的交通組織優(yōu)化設計方案前后,該交叉口的關鍵指標參數(shù)的變化情況是否達到了預期目標.

2 錯位交叉口交通組織優(yōu)化策略

城市錯位交叉口的交通組織優(yōu)化對提高整個道路網(wǎng)系統(tǒng)的服務水平均有促進作用.優(yōu)化思路是:將2個錯位交叉口看做單一交叉口進行整體處理.前文分析過,土建改造的成本太高,因此本文對錯位交叉口的交通組織優(yōu)化設計的內容一般包括:渠化交通設計、配套設施提升、信號配時優(yōu)化3部分內容.

2.1 渠化交通設計

錯位交叉口的渠化交通設計主要針對車道標線、渠化島、導流線等的設計.通過渠化島及導流線的設計,引導交通流按照軌跡進入交叉口.通過壓縮車道或取消車道來保證正方位進出口道車道數(shù)匹配,保持交通流的暢通有序.同時,應做好行人及非機動車過街保護.

2.2 配套設施提升

對應渠化交通設計,調整錯位交叉口相應標志設置,比如車道增加或減少標志、限速標志等.合理施劃地面標線,輔助引導交通流通過交叉口.設置隔離設施,針對人非交通流的安全,設置機非隔離欄;針對對向機動車流的安全,設置中央隔離欄.

2.3 信號配時優(yōu)化

在渠化交通組織設計與配套設施提升的基礎上,進行錯位交叉口信號配時優(yōu)化,將錯位交叉口看做單獨交叉口進行整體控制,保證交叉口各類交通流的通行秩序.

3 錯位交叉口交通組織優(yōu)化案例分析

3.1 交叉口現(xiàn)狀

3.1.1 交叉口狀況

開放大道與達陽路交叉口位于江蘇省鹽城市射陽縣,其中開放大道為東西向雙向六車道的城市主干路,達陽路為南北向次干路(北段為雙向四車道,南段為雙向兩車道),道路條件良好,開放大道與達陽路錯位相交,2個反向T型交叉口間距約20 m,人非交通流過節(jié)與機動車流存在較大沖突,嚴重影響交通安全.根據(jù)事故數(shù)據(jù)顯示,2020年9月至12月期間,該交叉口共發(fā)生31起各種類型的交通事故.

3.1.2 現(xiàn)狀交通流量

通過現(xiàn)狀流量調查,該交叉口流量平峰期主要以東西向開放大道流量為主,南北向達陽路流量相對較低.從流量轉向來看,交叉口內交通流量以直行流量為主,整體占比較高;轉彎流量中,開放大道東進口左轉流量占比較為突出,其他轉彎流量均在100veh/h以下.該交叉口平峰期整體飽和度較低.

表1 交叉口現(xiàn)狀平峰期交通流量 輛

圖3 交叉口現(xiàn)狀航拍圖

高峰期時,該交叉口總體流量顯著提升,以東西進口直行流量占比較高,南北向直行流量因道路條件限制,大部分由其他道路進行分流.盡管轉彎流量不高,但仍對直行流量造成較大的干擾,產(chǎn)生不同的流向沖突.

表2 交叉口現(xiàn)狀高峰期交通流量 輛

圖4 交叉口平峰期流量流向圖

3.1.3 現(xiàn)狀信號配時

根據(jù)現(xiàn)狀晚高峰信號配時方案,信號周期為100 s,共2個相位.其中,東西向交通統(tǒng)放55 s,有效綠燈時間為52 s;南北向交通統(tǒng)放45 s,有效率等時間42 s,具體見表3和圖5所示.

表3 交叉口現(xiàn)狀各進口道平均延誤 s

表4 晚高峰原信號配時方案 s

表5 晚高峰信號配時優(yōu)化方案 s

圖5 交叉口高峰期流量流向圖

3.2 存在問題

通過現(xiàn)場對現(xiàn)狀流量、信號相位的觀察,該交叉口主要存在以下問題:

1)交叉口范圍過大,轉彎車流在交叉口內浪費過多通行時間

交叉口整體間距過大,東西向左轉車流需要在交叉口范圍內行駛平均10 s左右才能駛出交叉口,導致車流在交叉口內浪費過多通行時間,交叉口平均延誤較大.

2)人行橫道線間距過遠,人非交通流過街選擇位置隨意性較大

交叉口南北兩側人行橫道線間距40 m左右,行人與非機動車任意選擇過街位置,易引發(fā)交通事故,與轉彎機動車流尤其左轉車流存在較大沖突.

3)東進口車道設置不合理,

交叉口東進口現(xiàn)狀為2個車道(左轉車道和左右轉車道),交織段過短,右轉車流在1個信號周期內無法清空.

4)交叉口內無渠化區(qū)域

東西向進口道無渠化區(qū)域,車道功能利用率不足,車道引導功能較差.

5)信號配時設計不合理

從晚高峰交通量數(shù)據(jù)來看,東西向交通流占比較大,但整體相位時間占比不夠,導致高峰期東西進口車流常常在1個信號周期內無法駛過交叉口.

3.3 優(yōu)化方法

根據(jù)文渠化交通設計及信號優(yōu)化的相關理論知識,結合開放大道與達陽路交叉口的實際狀況,對該交叉口提出優(yōu)化措施.

3.3.1 縮短交叉口間距

以交叉口停止線和人行橫道線前移為基準,縮短交叉口間距,降低2個T型交叉口的錯位程度,減少行人、非機動車、機動車通過交叉口的時間.

3.3.2 渠化交通組織設計

通過在東西進口道設置右轉標線導流島,將交叉口內未充分利用的空間由標線標出,明確車輛行車軌跡;通過施劃交叉口導流線,減小轉彎車輛的轉彎半徑;通過渠化壓縮東西進口車道寬度,降低車輛行駛速度,提高交叉口整體安全性;清除以前垂直式的人行橫道線,將其與導流島連接,縮短行人過街距離,提高行人過街安全性;調整西進口車道功能,由左轉+左右變?yōu)橹弊?直行,右轉車流通過渠化島駛出交叉口;壓縮東出口車道布局,將交叉口東方向調整為雙向四車道布局,與對面車道匹配,防止車輛駛出交叉口因搶道發(fā)生事故.

3.3.3 完善配套交通設施

對設置的右轉標線渠化島增設隔離欄加以保護,確保人非交通的安全;在交叉口4個方向增設中央隔離欄,分隔對向交通流;在近交叉口處增設機非隔離欄,分隔機非交通流.

3.3.4 信號配時優(yōu)化

根據(jù)晚高峰現(xiàn)狀了流量情況,調整該交叉口信號相位,重點保障開放大道東西向交通流的清空時間:提高東西相位統(tǒng)放時間至68 s,減少南北統(tǒng)放時間至32 s;確保2個相位的有效綠燈時間分別為65 s、29 s.

開放大道與達陽路交叉口交通組織優(yōu)化設計方案見圖6.

圖6 交叉口晚高峰期信號相位分布

圖7 交叉口高峰期信號相位配時優(yōu)化分布

3.4 效果評價

開放大道與達陽路交叉口于2021年5月改造完成,方案實施后的狀況見圖8.2021年9月至12月交叉口共發(fā)生4起各類型交通事故,事故率同比2020年改造之前下降87%,交叉口安全系數(shù)提升明顯.

圖8 開放大道與達陽路交叉口交通組織優(yōu)化設計

圖9 方案實施后的航拍圖

再次通過點樣本法調查各進口道的平均延誤,結果見表6所示.對比表3可知,交叉口整體平均延誤時間下降7.75 s,下降比例達到70%左右.其中,尤其以東西進口道的平均延誤時間下降最為明顯,而北進口因為改造后交叉口交叉口間距縮短的原因,其平均延誤時間也有大幅下降.

表6 交叉口改造后各進口道平均延誤

4 結束語

城市錯位(短間距)交叉口嚴重影響了城市道路的通行效率和交通安全,對此類交叉口進行渠化交通設計、配套設施提升、信號配時優(yōu)化,將其轉變?yōu)闀惩ò踩膯为毥徊婵?是此類交叉口優(yōu)化改造的關鍵思路.本文選取鹽城市射陽縣開放大道與達陽路交叉口為實例,通過提出城市錯位(短間距)交叉口的交通組織優(yōu)化策略,對此類交叉口的優(yōu)化設計進行了初步探討,并結合Before-and-after方法的思想對比分析了該交叉口改造前后的關鍵參數(shù)的變化,本文的研究對緩解城市道路關鍵節(jié)點的擁堵情況和事故隱患情況具有實際意義.