胡永舉, 施俊慶, 陶玨強(qiáng), 劉錦俐

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

?

城市道路十字交叉口通行能力研究*

胡永舉, 施俊慶, 陶玨強(qiáng), 劉錦俐

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

道路交叉口是城市路網(wǎng)的瓶頸，十字交叉口是交叉口的典型類(lèi)型，這與城市建筑布局密切相關(guān).通過(guò)對(duì)車(chē)道通行能力、無(wú)信號(hào)控制交叉口及有信號(hào)控制交叉口通行能力的研究，提出了提升交叉口通行能力的手段和措施，以便更好地滿足道路通行的要求，進(jìn)而最大限度地發(fā)揮城市道路的交通效率.

城市道路；十字交叉口；通行能力；車(chē)道

0 引 言

道路通行能力是指道路設(shè)施所能疏導(dǎo)交通流的能力.即在一定的時(shí)段(通常取15 min或l h)和正常的道路、交通、管制及運(yùn)行質(zhì)量要求下，道路設(shè)施通過(guò)交通流質(zhì)點(diǎn)的能力.通行能力一般以veh/h(輛/小時(shí))、pcu/h(當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)小汽車(chē)/小時(shí))表示，基本單位是：pcu/(h5ln)(當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)小汽車(chē)/(小時(shí)5車(chē)道)).

通行能力實(shí)質(zhì)上是道路負(fù)荷性能的一種量度，它既反映了道路交通的最大能力，也反映了在規(guī)定特性前提下道路所能承擔(dān)車(chē)輛通行的極限值.

通行能力可分為基本通行能力、可能通行能力和實(shí)用通行能力.基本通行能力是指道路和交通都處于理想條件下，由技術(shù)性能相同的一種標(biāo)準(zhǔn)車(chē)，以最小的車(chē)頭間距連續(xù)行駛的理想交通流，在單位時(shí)間內(nèi)能通過(guò)道路斷面的最大車(chē)輛數(shù)，也稱(chēng)理論通行能力.因?yàn)樗羌俣ɡ硐霔l件下的通行能力，實(shí)際上不可能達(dá)到.可能通行能力是指考慮到道路和交通條件的影響，并對(duì)基本通行能力進(jìn)行修正后得到的通行能力，實(shí)際上是指道路所能承擔(dān)的最大交通量.實(shí)用通行能力是指用來(lái)作為道路規(guī)劃和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而要求道路承擔(dān)的通行能力[1].

各國(guó)對(duì)道路通行能力的研究由來(lái)已久，其研究的進(jìn)展和成果與各國(guó)汽車(chē)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān).如美國(guó)的《道路通行能力手冊(cè)》[2-3]、德國(guó)的《道路通行能力手冊(cè)》[4]、日本的“道路交通容量”[5]、加拿大的《通行能力和交叉口服務(wù)水平規(guī)范》[6]、澳大利亞的“道路通行能力與交通信號(hào)配時(shí)分析”[7]、瑞典的《通行能力手冊(cè)》[8]等.

本文通過(guò)對(duì)車(chē)道通行能力、無(wú)信號(hào)控制交叉口及有信號(hào)控制交叉口通行能力的研究，提出一些提升交叉口通行能力的手段和措施.

1 車(chē)道通行能力計(jì)算

1.1 車(chē)道的通行能力

車(chē)道的通行能力是指車(chē)輛(標(biāo)準(zhǔn)小汽車(chē))在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)道路上某一點(diǎn)或某一斷面的車(chē)輛數(shù).通過(guò)的車(chē)輛數(shù)越多，說(shuō)明車(chē)道的通行能力越強(qiáng).通常一條車(chē)道的寬度在3.25～3.75 m.我國(guó)信號(hào)控制交叉口通行能力的計(jì)算方法主要有2種：一種是《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37—90)所推薦采用的方法[9]；另外一種是由北京市政設(shè)計(jì)院提出的停車(chē)線法.

1)一條專(zhuān)用直行車(chē)道的通行能力

以小汽車(chē)為研究對(duì)象，在不受任何影響的前提下，當(dāng)車(chē)輛間車(chē)頭時(shí)距為2.5 s時(shí)，一條車(chē)道的最大通行能力

式(1)中：T周為信號(hào)燈周期時(shí)間(s)；t間為前后兩輛車(chē)通過(guò)停車(chē)線的平均間隔時(shí)間，通常小汽車(chē)的平均間隔時(shí)間為2.5 s，大型車(chē)的平均間隔時(shí)間為3.5 s，特大型車(chē)(鉸接車(chē)、半掛車(chē))的平均間隔時(shí)間為7.5 s.

2)受信號(hào)控制影響時(shí)，一條直行車(chē)道的通行能力計(jì)算公式為

式(2)中：Tc為信號(hào)周期(s)；tg為每一個(gè)周期內(nèi)的綠燈時(shí)間(s)，各方向的綠燈時(shí)間根據(jù)各自的流量大小確定；to為變?yōu)榫G燈后第1輛車(chē)通過(guò)停車(chē)線的時(shí)間(s)，一般取2.3 s；ti為直行或右轉(zhuǎn)車(chē)輛通過(guò)停車(chē)線的平均時(shí)間間隔(s/pcu)；δ為直行車(chē)道通行能力折減系數(shù)，可采用0.9.

3)一條右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道的通行能力

原則上可按直行方法計(jì)算，將直行的通過(guò)時(shí)間換成右轉(zhuǎn)的通過(guò)時(shí)間，一般采用下式計(jì)算:

4)一條直左車(chē)道的通行能力為

5)一條直左右車(chē)道的通行能力為

Cslr=Csl. (5)

1.2 入口引道設(shè)計(jì)通行能力

可以根據(jù)入口引道的車(chē)道種類(lèi)和車(chē)輛左右轉(zhuǎn)比例，計(jì)算入口引道的通行能力.

1)入口引道設(shè)有專(zhuān)用左轉(zhuǎn)和專(zhuān)用右轉(zhuǎn)車(chē)道時(shí)，入口引道的設(shè)計(jì)通行能力為

式(6)中：Celr為設(shè)有專(zhuān)用左轉(zhuǎn)和專(zhuān)用右轉(zhuǎn)車(chē)道時(shí)，入口引道的設(shè)計(jì)通行能力(pcu/h)；∑Cs為入口引道直行車(chē)道的通行能力之和(pcu/h)；βl為左轉(zhuǎn)車(chē)占入口引道車(chē)輛的比例；βr為右轉(zhuǎn)車(chē)占入口引道車(chē)輛的比例.

2)入口引道設(shè)有左轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道而未設(shè)有右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道時(shí)，入口引道的設(shè)計(jì)通行能力為

式(7)中：Cel為設(shè)有專(zhuān)用左轉(zhuǎn)車(chē)道時(shí)，入口引道的設(shè)計(jì)通行能力(pcu/h)；∑Cs為入口引道直行車(chē)道的通行能力之和(pcu/h)；∑Csr為入口引道直右車(chē)道的通行能力之和(pcu/h).

專(zhuān)用左轉(zhuǎn)車(chē)道的設(shè)計(jì)通行能力為

3)入口引道設(shè)有右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道而未設(shè)左轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道時(shí)，入口引道的設(shè)計(jì)通行能力為

式(9)中：Cer為設(shè)有專(zhuān)用右轉(zhuǎn)車(chē)道時(shí)，入口引道的設(shè)計(jì)通行能力(pcu/h)；∑Cs為入口引道直行車(chē)道的通行能力之和(pcu/h)；∑Csl為入口引道直左車(chē)道的通行能力之和(pcu/h).

專(zhuān)用右轉(zhuǎn)車(chē)道的設(shè)計(jì)通行能力為

1.3 道路交叉口的通行能力

整個(gè)交叉口的總通行能力為交叉口各個(gè)進(jìn)口的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)各項(xiàng)通行能力之和.

2 信號(hào)燈與左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位設(shè)置條件

2.1 信號(hào)燈設(shè)置條件

設(shè)置信號(hào)燈的目的是使路口安全暢通、減少延誤、提高通行能力、方便行人.但如果設(shè)置不當(dāng)，就有可能造成延誤加大、通行能力減小、事故增加的后果.那么是否需要設(shè)置信號(hào)燈呢？從理論上分析，需要考察不同方向來(lái)車(chē)經(jīng)過(guò)交叉口時(shí)，是否有足夠間隙供車(chē)輛安全通過(guò).一般是先分清主要道路和次要道路，主路優(yōu)先通行，次路設(shè)置停車(chē)(讓路)標(biāo)志，即當(dāng)次路車(chē)輛通過(guò)路口時(shí)，應(yīng)先停車(chē)或者減速觀察，當(dāng)主路無(wú)車(chē)或者間隙較大時(shí)，方可安全駛過(guò).那么,主路有多少機(jī)會(huì)可供次路車(chē)輛通過(guò)呢？

假設(shè)沒(méi)有信號(hào)燈影響，次路車(chē)輛利用主路間隙左轉(zhuǎn)，其通行能力為

當(dāng)左轉(zhuǎn)車(chē)輛滿足左轉(zhuǎn)要求時(shí)，可以不設(shè)置信號(hào)燈.

2.2 信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位設(shè)置條件

十字交叉口信號(hào)燈控制最少為二相位，即東西放行和南北放行.由于只有2個(gè)相位，所以左轉(zhuǎn)車(chē)輛應(yīng)該讓直行車(chē)輛先行.當(dāng)直行車(chē)輛可以滿足左轉(zhuǎn)車(chē)輛所需間隙通過(guò)時(shí)，不需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位，否則，需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位.通常,當(dāng)小型交叉口每個(gè)信號(hào)周期左轉(zhuǎn)車(chē)輛大于3輛、大型交叉口大于4輛時(shí)，需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位.

3 信號(hào)燈設(shè)置對(duì)道路通行能力影響實(shí)例分析

例1在某二信號(hào)相位十字交叉口，每個(gè)方向上的2個(gè)入口的車(chē)流量相差不大，各進(jìn)口關(guān)鍵車(chē)道的流量與飽和流量見(jiàn)表1.該交叉口車(chē)輛的前(啟動(dòng))損失時(shí)間為3 s，后損失時(shí)間為1 s，綠燈間隔時(shí)間為6 s(其中黃燈時(shí)間4 s，全紅燈時(shí)間2 s)，車(chē)道分布情況如圖1所示.

3.1 交通信號(hào)配時(shí)

按照韋伯斯特最佳信號(hào)周期計(jì)算公式，確定該交叉口信號(hào)控制的最佳周期C0，并進(jìn)行信號(hào)配時(shí).

1)計(jì)算流量比Y

Y=∑y=y東西+y南北=0.46+0.29=0.75.

2)計(jì)算周期總損失L

一個(gè)周期總時(shí)間損失L包括東西方向前后損失時(shí)間、南北方向前后損失時(shí)間和2次全紅燈時(shí)間.L取12 s.

3)計(jì)算最佳信號(hào)周期

4)計(jì)算周期有效綠燈時(shí)間Ge

Ge=C0-L=92-12=80 s.

5)計(jì)算相位有效綠燈時(shí)間Gei

3.2 信號(hào)控制交叉口通行能力計(jì)算

根據(jù)上述配時(shí)結(jié)果，假設(shè)車(chē)道設(shè)置如圖2所示，東西、南北方向左轉(zhuǎn)車(chē)輛占進(jìn)口道交通量的15%，右轉(zhuǎn)車(chē)輛占10%，計(jì)算該交叉口通行能力.

先計(jì)算東西方向干道，東西向分別設(shè)有專(zhuān)用左轉(zhuǎn)、直行和直右3種車(chē)道.

1)計(jì)算東西直行車(chē)道的通行能力

取t0=2.3 s，δ=0.9，ti=2 s,則直行車(chē)道通行能力為

直右車(chē)道通行能力

Csr=Cs=858 pcu/h.

東西設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道而未設(shè)置右轉(zhuǎn)專(zhuān)用車(chē)道，其設(shè)計(jì)通行能力為

左轉(zhuǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)通行能力為

Cl=Cel×βl=2 019×0.15=303 pcu/h.

2)計(jì)算南北直右、直左行車(chē)道的通行能力

取to=2.3 s，δ=0.9，ti=3 s,則

Csl=Cs(1-βl)=372×0.925=344 pcu/h.

3.3 交叉口重要性分析

1)全部為直行路段的通行能力

2)設(shè)置不同轉(zhuǎn)向車(chē)道后的通行能力

假設(shè)沒(méi)有信號(hào)燈影響，東西向直行和直右的通行能力不變，而左轉(zhuǎn)車(chē)輛只能在直行車(chē)輛的空隙間隔內(nèi)通過(guò)，那么可根據(jù)式(11)計(jì)算其通行能力.

若例1為一個(gè)無(wú)信號(hào)控制交叉口，則轉(zhuǎn)彎車(chē)輛只能在直行車(chē)輛安全間隙內(nèi)通過(guò)，車(chē)輛到達(dá)符合泊松分布，車(chē)流允許次要道路穿越或左右轉(zhuǎn)彎并線的車(chē)頭時(shí)距為6 s；如果次要道路采用讓路控制，平均車(chē)頭時(shí)距為3 s,那么，按照給定的交通量水平，理論上可計(jì)算出轉(zhuǎn)彎通過(guò)的交通量.經(jīng)過(guò)計(jì)算得到如下結(jié)果：

東西向通行能力為(1 800×2+147)×2=7 494 pcu/h；

3)設(shè)置信號(hào)燈控制后的通行能力

在交叉口設(shè)置信號(hào)燈控制后，每個(gè)方向只能在減去啟動(dòng)、停車(chē)損失時(shí)間后，再按照每個(gè)小時(shí)各個(gè)方向可用時(shí)間比例通行.

4 提升道路交叉口通行能力的措施

4.1 道路交叉口現(xiàn)有服務(wù)水平評(píng)價(jià)

平面交叉口的服務(wù)水平要受到交通控制及通過(guò)交叉口所需時(shí)間、延誤時(shí)間、停車(chē)時(shí)間、停車(chē)次數(shù)和頻率等的影響，因此，它是評(píng)價(jià)道路交叉口通行能力的重要指標(biāo)之一.一般地，可根據(jù)表2確定交叉口道路服務(wù)水平等級(jí)，通常采用交通負(fù)荷系數(shù)指標(biāo)[10].

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，東西方向入口道的通行能力為2 019 pcu/h，南北方向入口道的通行能力為372+344=716 pcu/h.實(shí)際交通流量為Q東西=830 輛/h，Q南北=520輛/h.則負(fù)荷系數(shù)Z為：

東西方向：Z東西=830/2 019=0.41;

南北方向：Z南北=5 20/716=0.73.

綜合東西、南北2個(gè)方向，通過(guò)查表2得知該交叉口服務(wù)水平接近三級(jí).

4.2 提高道路交叉口服務(wù)水平的措施與方法

1)每個(gè)方向新增1條直行車(chē)道

通過(guò)渠化增加十字交叉路口進(jìn)口車(chē)道數(shù).在十字交叉路口進(jìn)口處可適當(dāng)減少車(chē)道寬度，同時(shí)對(duì)車(chē)道兩側(cè)的綠化帶進(jìn)行渠化設(shè)計(jì)，這樣就能通過(guò)增加入口車(chē)道數(shù)提高其通行能力.通?？筛鶕?jù)實(shí)際交通流量，確定拓寬新增交叉口入口車(chē)道的車(chē)道類(lèi)別.本文采取每個(gè)方向新增1條直行車(chē)道和開(kāi)辟一條右轉(zhuǎn)導(dǎo)向車(chē)道2種方案，考察該交叉口服務(wù)水平變化.

如圖3所示，在每個(gè)方向各增加1條直行車(chē)道，那么其通行能力為：

南北向：C南北=Csr+Cs+Csl=372+372+344=1 088 pcu/h.

負(fù)荷水平為：

東西方向：Z東西=830/3 028=0.27;南北方向：Z南北=520/1 088=0.48.

其服務(wù)水平達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

2)開(kāi)辟右轉(zhuǎn)導(dǎo)向車(chē)道

右轉(zhuǎn)車(chē)輛在非箭頭信號(hào)燈控制的前提下，可以不受信號(hào)紅燈限制通行.但當(dāng)直行和右轉(zhuǎn)共用一個(gè)車(chē)道且直行車(chē)輛受信號(hào)燈限制通行時(shí)，由于直行車(chē)輛無(wú)法通行，就會(huì)對(duì)右轉(zhuǎn)車(chē)輛產(chǎn)生影響.因此，在有條件的路口，可開(kāi)辟右轉(zhuǎn)導(dǎo)向車(chē)道，使右轉(zhuǎn)車(chē)輛在進(jìn)入交叉口前離開(kāi)，這樣，在信號(hào)放行時(shí)，就不會(huì)對(duì)右轉(zhuǎn)車(chē)輛產(chǎn)生任何影響.如圖4所示.

例1中，若右轉(zhuǎn)車(chē)所占比例為10%,則

東西方向：Z東西=830×90%/2 019=0.37;南北方向：Z南北=520×90%/716=0.66.

綜合東西、南北2個(gè)方向，通過(guò)查表2得知該交叉口服務(wù)水平為二級(jí).

3)利用對(duì)向車(chē)道設(shè)置左轉(zhuǎn)車(chē)道

一般地，在本方向車(chē)輛沒(méi)有放行時(shí)，旁邊的對(duì)向車(chē)道是沒(méi)有車(chē)輛的，一般小型交叉口左轉(zhuǎn)車(chē)輛在3輛/信號(hào)周期、大型交叉口左轉(zhuǎn)車(chē)輛在4 輛/信號(hào)周期時(shí)需要設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位，否則可采用二相位信號(hào)控制，即東西放行、南北放行.在這種情況下，可以采用如圖5所示方案，提高交叉口通行效率.在二信號(hào)相位十字路口采用本設(shè)計(jì)方案時(shí),要求左轉(zhuǎn)車(chē)輛提前通過(guò)，因此可在對(duì)向車(chē)道前設(shè)置雙白虛線方式，提示直行車(chē)輛讓行.如果左轉(zhuǎn)車(chē)輛數(shù)增加，可設(shè)置左轉(zhuǎn)專(zhuān)用信號(hào)相位，由于增加了左轉(zhuǎn)車(chē)道數(shù)，可大大提高左轉(zhuǎn)通行效率.

5 結(jié) 論

本文綜合分析了路段通行能力、設(shè)置不同行駛方向后的車(chē)道通行能力及設(shè)置信號(hào)控制后交叉口的通行能力，通過(guò)計(jì)算分析，得出交叉口的實(shí)際通行能力僅僅為路段通行能力的1/3左右，平面交叉口是影響交通通行能力的關(guān)鍵所在.通過(guò)實(shí)例分析，對(duì)平面十字交叉口進(jìn)行了信號(hào)配時(shí)、通行能力計(jì)算和服務(wù)水平評(píng)價(jià),提出了改善該交叉口服務(wù)水平的具體措施;并對(duì)不同措施的改善效果進(jìn)行了評(píng)價(jià).改進(jìn)后的交叉口服務(wù)水平從接近三級(jí)提升到二級(jí)和一級(jí)，證明了改善措施的有效性.

[1]徐吉謙，陳學(xué)武.交通工程總論[M].北京：人民交通出版社，2008：120-122.

[2]Transportation Research Board.Highway capacity manual[M].Washington D C:Transportation Research Board,2000．

[3]Transportation Research Board.HCM2010：Highway capacity manual[M].Washington D C: Transportation Research Board,2010.

[4]Federal Highway Research Institute.HBS 2010:German highway capacity manual[M].Koeln:FGSV FGSV Verlag Gmbh,2010.

[5]Japan Road Association.Highway capacity[M].Tokyo:Japan Road Association,1984.

[6]Teply S,Allingham D I,Richardson D B,et al.Canadian capacity guide for signalized intersections[M].3rd ed.Ottawa:Institute of Transportation Engineers,2008.

[7]Akcelik R.Traffic signals:capacity and timing analysis[M].Melbourne:Australian Road Research Board,1981.

[8]Peterson B E,Hansson A,Bang K,et al.Swedish capacity manual[M].Borl Nge:National Swedish Road Administration,1977.

[9]城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部.城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ37—90)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1991.

[10]北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ37—2012)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

(責(zé)任編輯 陶立方)

Researchontrafficcapacityofurbanroadrightangleintersection

HU Yongju, SHI Junqing, TAO Jueqiang, LIU Jinli

(CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

The intersections was always the bottleneck of urban road network. The right angle intersection was a typical type of intersections, which was closely related to the urban construction layout. Through studies on lane capacity, no signal control intersection capacity and signal control intersection capacity, means and measures which could improve intersection capacity were put forward in order to meet the requirements of road traffic better and to maximize the traffic efficiency of urban roads.

urban road; right angle intersection; traffic capacity; lane

10.16218/j.issn.1001-5051.2015.04.018

2015-06-20；

：2015-09-06

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ15E080005);湖北省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2014-721-3-13)

胡永舉(1967-)，男，黑龍江鶴崗人，教授.研究方向：交通規(guī)劃與管理.

U491.51

：A

：1001-5051(2015)04-0466-07