(濟(jì)南市公安局交通警察支隊(duì),山東濟(jì)南250000)
城市道路交叉口的交通組織對(duì)于合理利用道路資源、提高道路通行能力、減小交通延誤、緩解交通擁堵具有重大意義[1-2]。在城市道路交叉口應(yīng)用的交通組織方法有:提前右轉(zhuǎn)、提前掉頭、進(jìn)出口拓寬、左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)、直行待行區(qū)、禁止左轉(zhuǎn)、車道變窄、停車線前移、可變導(dǎo)向車道等[3-4]。如何在現(xiàn)有的道路資源下,進(jìn)一步挖掘道路潛力,充分利用交叉口時(shí)空資源,實(shí)現(xiàn)“時(shí)間上爭分奪秒,空間上寸土必爭”[5],濟(jì)南市探索了在交叉口出口道設(shè)置可變車道的新方法。
城市道路交叉口存在道路時(shí)空資源利用不充分的現(xiàn)象,以典型的十字型四相位信號(hào)控制交叉口東西向直行相位和左轉(zhuǎn)相位為例:1)當(dāng)東西方向進(jìn)口道直行車輛放行時(shí),南北方向出口道除少量東西方向進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車輛外,無車輛占用,造成南北方向出口道時(shí)空資源浪費(fèi);2)當(dāng)東西方向進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車輛通行時(shí),東西方向出口道除少量南北方向進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車輛外,無車輛占用,造成東西方向出口道時(shí)空資源浪費(fèi);3)當(dāng)東西方向進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車輛通行時(shí),相應(yīng)的南北方向出口道只有部分車道被占用,造成南北方向出口道時(shí)空資源浪費(fèi)。
城市道路交叉口交通組織優(yōu)化應(yīng)堅(jiān)持“小改造大暢通”和“時(shí)空互補(bǔ)促暢通”的理念,做到施工簡單化、工期最短化,投資及交通影響最小化、效益最大化,時(shí)間與空間互補(bǔ)、空中與地面互補(bǔ)、順向與逆向互補(bǔ)。為此,本文提出在城市道路交叉口出口道設(shè)置可變車道的方法。具體設(shè)置方法為:在交叉口出口道內(nèi)側(cè)設(shè)置可變車道,車道功能隨交叉口信號(hào)相位和其他因素的改變而變化,既具有出口道行車道功能又具有進(jìn)口道左轉(zhuǎn)導(dǎo)向車道功能。
出口道可變車道的設(shè)置需首先改變進(jìn)口道先直行后左轉(zhuǎn)的信號(hào)相序?yàn)橄茸筠D(zhuǎn)后直行,然后在條件適宜的中央隔離帶遠(yuǎn)離交叉口一定長度設(shè)置開口,最后設(shè)置必要的交通設(shè)施。具體使用方法為:相交方向直行相位時(shí)間內(nèi),開口后方排隊(duì)的左轉(zhuǎn)車輛在交通標(biāo)志標(biāo)線、誘導(dǎo)信號(hào)燈等配套設(shè)施誘導(dǎo)下進(jìn)入可變車道待行;在下一個(gè)綠燈相位即該方向左轉(zhuǎn)相位內(nèi),左轉(zhuǎn)車輛借助可變車道通行,可變車道具有進(jìn)口左轉(zhuǎn)車道功能;在其他相位內(nèi)可變車道為正常出口道行車道,如圖1所示。
出口道可變車道與進(jìn)口道內(nèi)側(cè)拓寬車道功能類似,均可提高道路交叉口通行能力、減小交通延誤。但是,進(jìn)口道內(nèi)側(cè)拓寬車道一般需要進(jìn)行中央綠化帶拆除或中央隔離帶偏移,需要對(duì)信號(hào)燈和市政管線進(jìn)行遷移,且需要較長時(shí)間的封閉施工。與進(jìn)口道內(nèi)側(cè)拓寬車道相比,在出口道設(shè)置可變車道的方法具有顯著優(yōu)點(diǎn):1)施工簡單;2)工期短,
圖1 出口道可變車道的設(shè)置Fig.1 Design of reversible exit lanes
對(duì)交通影響??;3)不會(huì)降低出口道的通行能力。根據(jù)道路交叉口實(shí)際狀況,設(shè)置進(jìn)口道內(nèi)側(cè)拓寬車道的交叉口還可設(shè)置出口道可變車道,進(jìn)一步提高交叉口通行能力。
出口道可變車道可在城市道路交叉口中廣泛應(yīng)用,但是并非適用于所有交叉口和交叉口的所有方向。在交叉口設(shè)置出口道可變車道應(yīng)滿足以下條件:
1)必須是平面信號(hào)控制交叉口,且有專用左轉(zhuǎn)相位。適宜設(shè)置的交叉口一般是十字型或T字型信號(hào)控制交叉口,立體交叉口、環(huán)形交叉口和某些畸形交叉口不適宜。
2)出口道車道數(shù)不小于3。由于中國城市大多數(shù)交叉口右轉(zhuǎn)車輛不受信號(hào)控制,出口道至少應(yīng)為相交方向右轉(zhuǎn)車輛保留1條車道,且可變車道至少占用出口道1條車道,再考慮安全因素,在設(shè)置可變車道時(shí)出口道車道數(shù)應(yīng)不小于3;此外,設(shè)置出口道可變車道需配套設(shè)置提前掉頭口,為滿足提前掉頭車輛的轉(zhuǎn)彎半徑要求,出口道車道數(shù)應(yīng)不小于3。
3)出口道可變車道應(yīng)滿足車輛左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎半徑的要求。設(shè)置可變車道后,若左轉(zhuǎn)車輛轉(zhuǎn)彎半徑過小,易導(dǎo)致車輛不能正常左轉(zhuǎn),引發(fā)交通事故。
4)進(jìn)口道飽和度較大且左轉(zhuǎn)交通量較大。當(dāng)左轉(zhuǎn)交通量較小、飽和度較小時(shí),交通運(yùn)行暢通,沒有必要在交叉口設(shè)置出口道可變車道。
上述前三個(gè)條件是設(shè)置出口道可變車道的靜態(tài)可行性約束條件,最后一個(gè)條件是設(shè)置的動(dòng)態(tài)必要性條件。
出口道可變車道的設(shè)置增加了進(jìn)口車道數(shù),如果車道長度和開閉時(shí)間設(shè)置合理,將能充分利用左轉(zhuǎn)相位綠燈時(shí)間,提高交叉口通行能力。其單條車道通行能力N逆/(輛·h-1)與進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道通行能力N左/(輛·h-1)相同,計(jì)算公式為[6]
式中:n為一個(gè)周期內(nèi)允許左轉(zhuǎn)的車輛數(shù)/輛;T周為信號(hào)周期/s;t綠為信號(hào)周期內(nèi)左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間/s;v左為左轉(zhuǎn)車輛行駛速度/(m·s-1);a為左轉(zhuǎn)車輛平均加速度/(m·s-2);t左為通過停車線的左轉(zhuǎn)車輛車頭時(shí)距/s。
出口道可變車道的車道數(shù)根據(jù)其設(shè)置多條可變車道的必要性和約束條件綜合確定。當(dāng)?shù)缆窌r(shí)空資源不足、不能重新進(jìn)行空間渠化和信號(hào)配時(shí)優(yōu)化緩解左轉(zhuǎn)交通壓力,而設(shè)置一條出口道可變車道仍不能有效緩解上述問題,左轉(zhuǎn)車道飽和度、排隊(duì)長度、交通延誤仍較大時(shí),若交叉口仍能滿足設(shè)置出口道可變車道的條件則可考慮設(shè)置多條。
出口道可變車道的車道數(shù)受左轉(zhuǎn)方向出口道車道數(shù)、對(duì)向右轉(zhuǎn)車道數(shù)及本方向進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道數(shù)的制約,出口道可變車道的車道數(shù)應(yīng)滿足以下要求:
式中:n逆為出口道可變車道數(shù)/條;n對(duì)出為左轉(zhuǎn)車輛轉(zhuǎn)彎對(duì)應(yīng)的出口道車道數(shù)/條;n左為本方向左轉(zhuǎn)車道數(shù)/條;n對(duì)右為對(duì)向方向右轉(zhuǎn)車道數(shù)/條。
同時(shí),出口道可變車道的車道數(shù)受左側(cè)出口道車道數(shù)、左側(cè)相交方向右轉(zhuǎn)車道數(shù)制約,因此出口道可變車道的車道數(shù)還應(yīng)滿足:
式中:n左出為左側(cè)出口道車道數(shù)/條;n交右為左側(cè)相交方向出口道右轉(zhuǎn)車道數(shù)/條。
因此,出口道可變車道最大車道數(shù)maxn逆=min{ }n對(duì)出-n左-n對(duì)右,n左出-n交右。
若出口道可變車道設(shè)置過短,則其綠燈相位內(nèi)通行的左轉(zhuǎn)車輛較少,通行能力過小,可變車道設(shè)置意義不大;如果設(shè)置過長,不僅影響相應(yīng)出口道通行能力,且由于出口道可變車道不能及時(shí)騰空導(dǎo)致車道內(nèi)滯留車輛與對(duì)向直行車流形成沖突,容易引發(fā)嚴(yán)重的交通擁堵和交通事故。因此,出口道可變車道長度應(yīng)滿足約束條件
式中:l逆為出口道可變車道的長度/m;l1為進(jìn)口道導(dǎo)向車道線長度/m;l2為進(jìn)口道第一組導(dǎo)向箭頭至停車線長度/m;l3為出口道路緣石轉(zhuǎn)彎處至下游第一組導(dǎo)向箭頭的長度/m;l4為進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道排隊(duì)長度/m;l5為出口道路緣石轉(zhuǎn)彎處至下游交叉口車輛排隊(duì)末尾處的長度/m。
在進(jìn)口道左轉(zhuǎn)綠燈開啟前,出口道可變車道需提前開啟,使車道開口處之后排隊(duì)的左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入可變車道待行,開啟時(shí)間可提前至相交方向直行相位綠燈開啟一定時(shí)間后。車道開啟時(shí)間不能過早,過早開啟車道意義不大且可能與相交方向左轉(zhuǎn)車輛沖突;車道開啟太晚將導(dǎo)致左轉(zhuǎn)相位綠燈開啟時(shí),第一輛進(jìn)入可變車道的左轉(zhuǎn)車輛不能到達(dá)停車線處,不能充分利用時(shí)間資源,影響可變車道的通行能力。為充分利用左轉(zhuǎn)相位綠燈時(shí)間,需要研究可變車道提前開啟最小時(shí)間,這一最小時(shí)間與車道長度有關(guān),車道越長,提前開啟最小時(shí)間越大。將左轉(zhuǎn)車輛啟動(dòng)進(jìn)入可變車道并在停車線處待行視為車輛低速、勻速行駛,提前開啟最小時(shí)間
式中:t開為出口道可變車道提前開啟最小時(shí)間/s;t0為第一輛車啟動(dòng)進(jìn)入出口道可變車道需要的時(shí)間/s,可采用2.3 s;l逆為出口道可變車道的長度/m;v開為左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入出口道可變車道待行的平均速度/(m·s-1),可通過實(shí)地測速取平均值確定。
左轉(zhuǎn)相位綠燈關(guān)閉前,出口道可變車道需提前關(guān)閉。關(guān)閉太早影響車道通行能力,太晚將導(dǎo)致出口道可變車道不能騰出空間,與下一相位對(duì)向直行車輛沖突。提前關(guān)閉最小時(shí)間與車道長度有關(guān),車道越長,提前關(guān)閉最小時(shí)間越大,其計(jì)算公式為
式中:t關(guān)為出口道可變車道提前關(guān)閉最小時(shí)間/s;v關(guān)為左轉(zhuǎn)車輛在出口道可變車道正常行駛的平均速度/(m·s-1),可通過實(shí)地測速取平均值確定。
在交叉口交通信號(hào)優(yōu)化中,一般通過調(diào)節(jié)周期時(shí)長、綠信比、相位相序、綠燈間隔時(shí)間(若為協(xié)調(diào)控制,還有相位差)四個(gè)參數(shù)改善交叉口通行效率。其中相位相序是一個(gè)較為特殊的參數(shù),是在信號(hào)控制交叉口交通組織優(yōu)化中踐行時(shí)空互補(bǔ)理念的關(guān)鍵因素,通過優(yōu)化相序提高交叉口運(yùn)行效益是提高交叉口時(shí)空資源利用率的重要手段。
由于城市道路交叉口左轉(zhuǎn)待行區(qū)的設(shè)置,中國大多數(shù)城市采用的信號(hào)相位相序?yàn)橄戎毙性僮筠D(zhuǎn)。設(shè)置出口道可變車道應(yīng)將相位相序調(diào)整為先左轉(zhuǎn)后直行,在相交方向車輛直行時(shí),本方向左轉(zhuǎn)車輛即可進(jìn)入出口道可變車道待行并利用本方向左轉(zhuǎn)相位通行,充分利用交叉口時(shí)空資源。
設(shè)置出口道可變車道后,進(jìn)口道左轉(zhuǎn)方向通行能力提高,應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行信號(hào)優(yōu)化和車道功能調(diào)整。根據(jù)交叉口靜態(tài)道路條件和動(dòng)態(tài)交通運(yùn)行狀況,其調(diào)整方式分為以下幾種情況:不調(diào)整信號(hào)周期,減小左轉(zhuǎn)相位綠燈時(shí)間,增大直行相位綠信比;縮短信號(hào)周期,減小左轉(zhuǎn)相位綠燈時(shí)間,優(yōu)化直行相位綠信比;調(diào)整車道功能,改變空間路權(quán)分配,重新進(jìn)行信號(hào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)等。
圖2 出口道可變車道標(biāo)線設(shè)置Fig.2 Design of reversible exit lane markings
圖3 出口道可變車道交通標(biāo)志版面設(shè)計(jì)Fig.3 Design of traffic signs for reversible exit lanes
出口道可變車道的標(biāo)線定位為指示功能的縱向標(biāo)線,設(shè)置在城市道路行車道上,組成形態(tài)為字符和線條??勺冘嚨罉?biāo)線采用線條和字符相結(jié)合的方式,并采用彩色鋪裝,顏色為綠色,具體設(shè)置方法為:車道兩側(cè)施劃寬度0.15 m的白色實(shí)線,并鋪設(shè)1 m寬綠色彩色路面,車道兩端中間位置分別設(shè)置一組兩端帶有黃色箭頭的可變車道文字標(biāo)志,車道靠近交叉口一端文字方向?yàn)閷?duì)向直行車流行車方向,車道遠(yuǎn)離交叉口一端文字方向?yàn)楸痉较蜃筠D(zhuǎn)車流行車方向,如圖2所示。
出口道可變車道的標(biāo)志定位為設(shè)置在車行道上方具有指示功能的靜態(tài)主標(biāo)志??勺冘嚨纼啥司柙O(shè)置指示標(biāo)志,按放置位置和面向車流的不同分為兩種:一種如圖3a所示,設(shè)置在交叉口處,面向?qū)ο蛑毙熊囕v,可懸掛于交叉口信號(hào)燈燈柱上;另一種如圖3b所示,設(shè)置在出口道可變車道開口處,面向本方向左轉(zhuǎn)車輛,可懸掛于出口道可變車道誘導(dǎo)信號(hào)燈燈柱上。
表1 經(jīng)十路-舜耕路交叉口晚高峰交通量Tab.1 PM peak traffic volume at the intersection of Jingshi Road and Shungeng Road pcu·h-1
表2 未設(shè)置出口道可變車道前晚高峰配時(shí)方案Tab.2 PM-peak signal timings before implementing the reversible exit lane s
表3 經(jīng)十路—舜耕路交叉口車道功能劃分Tab.3 Lane channelization at the intersection of Jingshi Road and Shungeng Road
交叉口掉頭車輛可能借用左轉(zhuǎn)車道或出口道可變車道,易導(dǎo)致以下問題:1)進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道掉頭車輛與出口道可變車道左轉(zhuǎn)車輛形成新的沖突點(diǎn),易引發(fā)交通擁堵和交通事故;2)出口道可變車道車輛掉頭相對(duì)較困難;3)掉頭車輛占用左轉(zhuǎn)道路資源和左轉(zhuǎn)相位綠燈時(shí)間。為避免出現(xiàn)以上問題,可在實(shí)施出口道可變車道的同時(shí),利用同一開口空間在可變車道開口后方開設(shè)掉頭開口并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志標(biāo)線,引導(dǎo)車輛提前掉頭。
圖4 西出口可變車道Fig.4 Reversible lane at the west exit
圖5 提前掉頭標(biāo)志標(biāo)線Fig.5 Traffic signs and markings of U-turn in advance
出口道可變車道的信號(hào)誘導(dǎo)控制設(shè)施采用左轉(zhuǎn)專用誘導(dǎo)車道信號(hào)燈(以下簡稱“誘導(dǎo)信號(hào)燈”)和LED誘導(dǎo)顯示屏(以下簡稱“誘導(dǎo)顯示屏”)與交叉口信號(hào)聯(lián)動(dòng)配合的方式。誘導(dǎo)信號(hào)燈設(shè)置在出口道可變車道開口處,誘導(dǎo)顯示屏設(shè)置在誘導(dǎo)信號(hào)燈燈柱上。
在相交方向直行相位綠燈開啟一定時(shí)間后,誘導(dǎo)信號(hào)燈綠燈開啟,誘導(dǎo)顯示屏顯示“允許左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入左側(cè)可變車道”綠色字樣,部分左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入可變車道待行,可變車道提前開啟;當(dāng)本方向左轉(zhuǎn)相位綠燈關(guān)閉前一定時(shí)間,誘導(dǎo)信號(hào)燈顯示黃燈3 s后紅燈開啟,誘導(dǎo)顯示屏顯示“禁止左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入左側(cè)可變車道”紅色字樣,可變車道提前關(guān)閉。可變車道提前開啟可作為左轉(zhuǎn)車輛的待行區(qū),增大可變車道通行能力;可變車道提前關(guān)閉可避免下一相位可變車道滯留車輛與對(duì)向直行車輛沖突。
經(jīng)十路為濟(jì)南市貫通東西并連接章丘和長清的主干路,承擔(dān)著過境交通和集散交通雙重功能,針對(duì)左轉(zhuǎn)需求較大、道路資源緊張的現(xiàn)狀,濟(jì)南市交通管理部門在經(jīng)十路—環(huán)山路交叉口東出口試驗(yàn)設(shè)置中國首條出口道可變車道,并在經(jīng)十路—舜耕路、經(jīng)十路—陽光新路等交叉口進(jìn)行推廣應(yīng)用。
經(jīng)十路—舜耕路交叉口是經(jīng)十路沿線重要節(jié)點(diǎn)之一,在未設(shè)置出口道可變車道之前交通擁堵嚴(yán)重,尤其是西進(jìn)口,左轉(zhuǎn)交通需求遠(yuǎn)超過車道通行能力,左轉(zhuǎn)車輛經(jīng)常排隊(duì)至上游玉函立交橋下橋口而影響順河高架車輛正常通行。經(jīng)十路—舜耕路交叉口晚高峰交通量如表1所示,未設(shè)置出口道可變車道前晚高峰配時(shí)方案如表2所示、車道功能劃分如表3所示。
圖6 出口道可變車道的誘導(dǎo)信號(hào)燈和誘導(dǎo)顯示屏Fig.6 Guidance signal and screen for the reversible exit lane
圖7 出口道可變車道設(shè)置前后交通運(yùn)行狀態(tài)仿真對(duì)比Fig.7 Comparison of traffic operation before and after the implementation of reversible exit lane by simulation
經(jīng)十路—舜耕路交叉口東出口和西出口滿足設(shè)置可變車道的條件,為緩解交通擁堵,交通管理部門對(duì)交叉口進(jìn)行了改造。設(shè)置出口道可變車道的具體措施有:1)分別在交叉口東出口40 m處和西出口50 m處設(shè)置開口,開辟出口道可變車道,如圖4所示;2)將4個(gè)方向信號(hào)相位相序由先直行后左轉(zhuǎn)調(diào)整為先左轉(zhuǎn)后直行,使東西向左轉(zhuǎn)車輛充分利用可變車道道路資源借道左轉(zhuǎn);3)設(shè)置出口道可變車道標(biāo)志標(biāo)線,在開口后方設(shè)置提前掉頭的標(biāo)志標(biāo)線,如圖5所示;4)設(shè)置出口道可變車道的誘導(dǎo)信號(hào)燈和誘導(dǎo)顯示屏,實(shí)現(xiàn)與交叉口信號(hào)聯(lián)動(dòng)。在相交方向直行相位綠燈關(guān)閉前12 s部分左轉(zhuǎn)車輛進(jìn)入出口道可變車道待行,隨后出口道可變車道關(guān)閉,如圖6所示。由于出口道可變車道的交通組織方法在中國首次使用,考慮到交通安全問題,濟(jì)南市交通管理部門采用較保守的做法,出口道可變車道僅發(fā)揮左轉(zhuǎn)車輛待行區(qū)的功能,隨著研究深入和經(jīng)驗(yàn)積累,未來將在適當(dāng)時(shí)機(jī)調(diào)整誘導(dǎo)信號(hào)燈開閉時(shí)間。
交通調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),每信號(hào)周期出口道可變車道可放行8~12輛左轉(zhuǎn)車輛,提高了交叉口通行能力。由于交叉口還應(yīng)用了其他交通組織方法,交通調(diào)查不能準(zhǔn)確反映設(shè)置出口道可變車道對(duì)交叉口交通效率的影響,因此應(yīng)用VISSIM仿真軟件在交通量、車道功能、信號(hào)配時(shí)等影響因素相同的條件下,分別建立出口道可變車道設(shè)置前和設(shè)置后的仿真平臺(tái),對(duì)比設(shè)置前后的交通運(yùn)行狀況,得出兩組不同的交通指標(biāo)數(shù)據(jù)。可變車道設(shè)置前后交通運(yùn)行狀況仿真如圖7所示。
交通仿真數(shù)據(jù)顯示,設(shè)置出口道可變車道后,在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)東西方向左轉(zhuǎn)交通量增加63%,停車線后最大排隊(duì)長度縮短35%,左轉(zhuǎn)車輛平均延誤降低29%,東西向直行、右轉(zhuǎn)及南北方向車輛交通指標(biāo)數(shù)據(jù)基本無變化。由于設(shè)置出口道可變車道會(huì)改變信號(hào)配時(shí)方案,對(duì)信號(hào)配時(shí)優(yōu)化后再次應(yīng)用VISSIM軟件進(jìn)行仿真,東西方向直行、右轉(zhuǎn)及南北方向車輛的交通效率得到提高,東西方向直行交通量增長11%、平均交通延誤降低8%,公共汽車通過交叉口的平均時(shí)間減少9 s。
本文在城市道路交叉口交通組織方面提出設(shè)置出口道可變車道的新方法,對(duì)出口道可變車道進(jìn)行定義,系統(tǒng)地研究出口道可變車道的設(shè)置條件,包括車道數(shù)、車道長度、車道開閉時(shí)間等設(shè)置參數(shù)及配套措施。這一方法充分利用道路現(xiàn)有時(shí)空資源,可提高交叉口的交通效率,在一定程度上有助于緩解交通擁堵。本文在出口道可變車道開閉時(shí)間的計(jì)算上考慮的因素不夠全面,下一步將結(jié)合排隊(duì)論、跟馳理論及車流波動(dòng)理論對(duì)其開展深入研究,完善車道開閉時(shí)間的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)一步對(duì)出口道可變車道設(shè)置后道路交叉口通行能力、交通延誤等進(jìn)行定量分析。
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