趙　靖，楊曉光

(1. 上海理工大學(xué)　管理學(xué)院，上?！?00093；2. 同濟大學(xué)　交通運輸工程學(xué)院，上海　201804)

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行人-自行車對兩種交叉口設(shè)計模式通行能力的影響

趙靖1，楊曉光2

(1. 上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海200093；2. 同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，上海201804)

為了更準(zhǔn)確地估算信號控制交叉口的通行能力，分析了行人-自行車在自行車左轉(zhuǎn)一次過街和自行車左轉(zhuǎn)二次過街這兩種交叉口設(shè)計模式條件下，對機動車通行能力的影響。首先, 針對我國交叉口信號控制和交通運行的實際情況，將行人-自行車影響分為綠燈信號期間沖突和清空上一相位滯留行人-自行車的時間損失兩種類型。 然后，運用理論解析與關(guān)鍵參數(shù)實際調(diào)查標(biāo)定相結(jié)合的方法，對兩種交叉口設(shè)計模式的兩類行人-自行車影響，分別給出了通行能力折減系數(shù)計算模型。最后，基于敏感性分析對兩種交叉口設(shè)計模式進行了對比。研究表明：在信號配時設(shè)計中已設(shè)置行人自行車清空時間的情況下，自行車左轉(zhuǎn)二次過街設(shè)計模式的機動車交通受行人-自行車的影響較自行車左轉(zhuǎn)一次過街設(shè)計模式略有增加，但差異不大；若信號配時設(shè)計中沒有考慮行人-自行車清空時間，則自行車左轉(zhuǎn)二次過街設(shè)計模式下行人-自行車對機動車通行的影響較小。

交通工程；通行能力；統(tǒng)計回歸分析；調(diào)查統(tǒng)計；行人-自行車；交叉口

0　引言

根據(jù)國家節(jié)能減排和建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的城市交通系統(tǒng)戰(zhàn)略，節(jié)能、環(huán)保、綠色的行人-自行車交通系統(tǒng)是城市綜合交通體系的重要組成部分[1]。但在信號控制交叉口處，由于機動車與行人-自行車共用通行空間，機動車與行人-自行車交通相互干擾嚴(yán)重，通行矛盾尤為顯著[2]。因此如何選擇合適的設(shè)計模式使兩者協(xié)調(diào)運行是提高行人-自行車交通系統(tǒng)出行環(huán)境和設(shè)施水平的基本保障。

為此，許多交通工程學(xué)方面的專家、學(xué)者對交叉口交通設(shè)計傾注了大量精力，提出了多種設(shè)計模式[3-4]。其中，根據(jù)自行車通行模式的不同，較為典型的交叉口渠化設(shè)計模式主要有自行車左轉(zhuǎn)一次過街(模式1)和自行車左轉(zhuǎn)二次過街(模式2)兩種。

本文針對這兩種渠化設(shè)計模式，研究行人-自行車對機動車通行能力的影響，為信號控制交叉口混合交通流的優(yōu)化設(shè)計和控制提供理論基礎(chǔ)。

1　研究綜述

1.1兩種典型交叉口設(shè)計模式簡介

根據(jù)左轉(zhuǎn)自行車在交叉口內(nèi)部通行路徑的不同，可將信號控制交叉口交通設(shè)計模式分為以下兩類：(1)左轉(zhuǎn)自行車按左轉(zhuǎn)機動車的通行路徑直接完成左轉(zhuǎn)，如圖1所示；(2)左轉(zhuǎn)自行車按行人的通行路徑通過兩次直行完成左轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖1　左轉(zhuǎn)自行車一次過街模式Fig.1　One-step crossing mode for left-turn bicycle

圖2　左轉(zhuǎn)自行車二次過街模式Fig.2　Two-step crossing mode for left-turn bicycle

1.2以往行人-自行車對通行能力影響的研究

信號控制交叉口通行能力計算中，考慮行人-自行車影響的折減方法主要包括以下3類：

(1)基于實測的飽和流率折減系數(shù)法

對信號控制交叉口飽和流率進行折減，是目前各國通行能力手冊中普遍采用的描述行人-自行車影響的方法[5-8]。該方法以綠燈小時行人-自行車流率為自變量，考慮車流流向、道路等級、車道功能、信號相位等影響因素，通過研究行人-自行車流率與機動車分別占用沖突區(qū)通行時間的比例[6-10]，建立飽和流率折減系數(shù)計算模型。該方法便于計算，可操作性強，獲取大量實測數(shù)據(jù)是影響其計算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

(2)基于間隙接受理論

間隙接受理論以往主要用于描述機動車流間的沖突區(qū)運行，通過定義交通流優(yōu)先級，標(biāo)定交通流到達分布、臨界可穿越間隙、車輛跟駛時間等參數(shù)，以描述沖突車流的相互作用，計算通行能力。后有學(xué)者將該理論應(yīng)用于行人-自行車與機動車流的相互作用，并在此基礎(chǔ)上提出了行人-自行車對機動車通行能力影響的一系列計算模型，主要包括：王殿海[11]研究了提前右轉(zhuǎn)機動車與自行車間的交織行為；馬澤丹[12]研究了機動車流出現(xiàn)可穿越間隙的分布；ZHANG[13]提出了自行車組的概念，并對機動車臨界可穿越間隙和車輛跟駛時間進行了標(biāo)定；陳曉明[14]研究了行人群到達行為和行人群穿越臨界間隙。該方法可移植性強，但計算復(fù)雜，限制了其在工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

(3)基于仿真的方法

隨著交通仿真技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者利用仿真軟件對行人-自行車與機動車的沖突進行研究，進而分析其通行能力[15]。該方法分析過程直觀，便于進行定性比較，但受限于交通流理論對行人-自行車的描述尚不完善，其分析結(jié)果絕對量的準(zhǔn)確性還有待進一步驗證。

1.3綜合評述

對行人-自行車交通對信號控制交叉口通行能力影響的研究已取得了一定的研究成果，但現(xiàn)階段研究尚存在以下兩方面不足：(1)缺乏對交叉口設(shè)計模式的考慮，不同設(shè)計模式情況下，沖突流量及沖突發(fā)生的時段均有差異;(2)缺乏對信號配時的考慮，尤其是行人-自行車綠燈間隔的設(shè)置與否會對機動車的通行效率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致行人-自行車對各流向機動車通行的阻滯作用在空間和時間上的分布無法得到體現(xiàn)。

本文基于飽和流率折減系數(shù)的方法，從以下兩個方面對現(xiàn)有模型進行改進：(1)在飽和流率折減系數(shù)中著重考慮交叉口渠化設(shè)計模式和信號相位設(shè)計的影響；(2)考慮我國信號配時設(shè)計的現(xiàn)狀，增加行人-自行車綠燈結(jié)束清空時間對機動車通行能力的影響。在此基礎(chǔ)上，從通行效率角度對兩種交叉口渠化設(shè)計模式進行對比分析。

2　數(shù)據(jù)調(diào)查

采用視頻錄像的方法，對上海市8個交叉口早晚高峰(7:30—8:30，17:00—18:00)進行調(diào)查，調(diào)查地點、日期及信號相位如表1所示。

表1　調(diào)查點基本情況Tab.1　Basic information of investigation sites

圖3　自行車左轉(zhuǎn)一次過街設(shè)計模式?jīng)_突點分布圖Fig.3　Distribution of conflict points for design type 1

3　定性分析

信號控制交叉口機動車在綠燈信號期間可能受到的行人-自行車干擾主要包括以下兩個方面：

(1)綠燈信號期間沖突：機動車與行人-自行車形成沖突導(dǎo)致通行能力下降。由于交叉口在一定的幾何設(shè)計及信號控制條件下，機動車與行人-自行車交通在時空上未能完全分離，由此形成的若干沖突點或沖突區(qū)域影響車輛的正常通行，使有效綠燈時間減少，導(dǎo)致機動車交通通行能力的折減。

(2)行人-自行車清空時間損失：機動車等待上一相位行人-自行車清空導(dǎo)致通行能力下降。由于我國信號配時設(shè)計往往以機動車為主導(dǎo)，對行人-自行車綠燈間隔時長考慮不足。在這種情況下，當(dāng)某一流向機動車綠燈信號啟亮?xí)r，仍有一部分上一相位的行人-自行車滯留在交叉口內(nèi)。機動車需等待其清空后才能正常通行，使得車輛啟動損失時間增加，有效綠燈時間減少，通行能力降低。

4　模型建立

4.1考慮沖突的通行能力修正

如圖3、圖4和表2所示，不同交叉口設(shè)計模式和信號控制條件下，各機動車流向與行人-自行車的沖突區(qū)均有所差異?？紤]上述因素，在綠燈信號期間，由于機動車與行人-自行車沖突而造成的機動車通行能力折減計算模型為：

式中，fpb1為考慮沖突的通行能力折減系數(shù)；Pv為車道組中所研究流向(左轉(zhuǎn)、直行或右轉(zhuǎn))的流量比例；ge為車道組有效綠燈時長；Tpbi為所研究流向機動車在信號相位i與行人-自行車沖突所損失的通行時間；Pa為所研究流向完全受保護(無其他沖突交通流)的綠燈時間與該流向總綠燈時間之比。

其中，機動車由于與行人-自行車沖突所損失的通行時間Tpbi與行人-自行車周期流量、行人-自行車綠燈時長、交叉口幾何設(shè)計模式等因素有關(guān)。通過對實測數(shù)據(jù)的多元線性回歸擬合分析得到該參數(shù)，其表達式為：

(2)

式中β1，β2，β3為回歸系數(shù)。

回歸系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示，通過各回歸系數(shù)置信區(qū)間分析，所有回歸系數(shù)的置信區(qū)間都不含零點，表明各回歸系數(shù)的解釋都是可靠的，即對于這兩種交通設(shè)計模式，行人-自行車周期流量和綠燈時長對損失的通行時間所產(chǎn)生的影響不會發(fā)生反復(fù)，表明模型具有較好的穩(wěn)定性。通過擬合優(yōu)度檢驗，分析檢驗統(tǒng)計量r可得：在置信度95%的條件下(顯著性水平α=0.05)，r值遠高于檢驗的臨界值，因而模型從整體來看是完全可用的。

圖4　自行車左轉(zhuǎn)二次過街設(shè)計模式?jīng)_突區(qū)域圖Fig.4　Distribution of conflict points for design type 2表2　兩種設(shè)計模式各流向各相位沖突行人-自行車流量表Tab.2　Conflicted pedestrian-bicycle volumes for 2 designing types under all movements and signal phases

幾何設(shè)計模式信號設(shè)計模式流向信號相位所分析進口機動車通行相位相交道路機動車通行相位直行相位左轉(zhuǎn)相位直行相位左轉(zhuǎn)相位自行車左轉(zhuǎn)一次過街兩相位左轉(zhuǎn)V*bt+V*pV*bt+V*p兩相位直行Vbl+V*blVbl+V*bl兩相位右轉(zhuǎn)Vbl+Vbt+V*bl+VpVbl+Vbt+V*bl+VpV**bt+V**pV**bt+V**p四相位右轉(zhuǎn)Vbt+VpVbl+V*blV**bt+V**p自行車左轉(zhuǎn)二次過街兩相位左轉(zhuǎn)V*bl+V*bt+V**bl+V*pV*bl+V*bt+V**bl+V*p兩相位直行兩相位右轉(zhuǎn)Vbl+Vbt+V**bl+VpVbl+Vbt+V**bl+VpV**bt+V*bl+V**bl+V**pV**bt+V*bl+V**bl+V**p四相位右轉(zhuǎn)Vbl+Vbt+V**bl+VpV**bt+V*bl+V**bl+V**p

表3　上海市8個交叉口機動車損失時間回歸分析(α=0.05)Tab.3　Regression analysis of vehicular lost time at 8 intersections in Shanghai(α=0.05)

4.2考慮清空時間的通行能力修正

上一相位滯留行人-自行車清空時間造成的機動車通行能力折減，主要受清空距離和清空速度的影響，修正系數(shù)計算模型為：

(3)

式中，fpb2為考慮清空時間的通行能力折減系數(shù)；Pv為車道組中所研究流向(左轉(zhuǎn)、直行或右轉(zhuǎn))的流量比例；Lp，Lb分別為行人、自行車的清空距離；tp，tb分別為信號配時中為行人、自行車設(shè)置的清空時間；vp1，vb1分別為行人、自行車的正常過街速度；vp2，vb2分別為行人、自行車受困于路中時的清空速度。

其中，行人-自行車的正常過街速度以及綠燈信號結(jié)束后受困于路中時的清空速度，通過對上海市8個交叉口的調(diào)查得到，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示?？傮w而言，行人受困于路中時的清空速度較正常的過街速度快，在置信度95%的水平下，受困于路中時的行人-自行車清空速度均值分別為1.53，4.37 m/s。

表4　上海市8個交叉口過街速度調(diào)查統(tǒng)計Tab.4　Investigation statistics for crossing speeds at 8 intersections in Shanghai

4.3行人-自行車修正

綜合考慮以上兩個方面，行人-自行車影響下的信號交叉口通行能力修正為：

(4)

式中fpb為行人-自行車對通行能力的折減系數(shù)。

5　兩種設(shè)計模式對比

圖5是根據(jù)上文理論分析及實測數(shù)據(jù)標(biāo)定結(jié)果，在不同行人-自行車流量、信號配時情況下，兩種設(shè)計模式下交叉口機動車通行能力受行人-自行車影響的對比。在分析中，各車道均為專用車道；信號周期對于兩相位和四相位的情況分別取60，120 s；機動車左轉(zhuǎn)、直行的有效綠燈時長取30 s，右轉(zhuǎn)有效綠燈時長取周期時長；行人、直行自行車、左轉(zhuǎn)自行車的流量比取5∶3∶2，不考慮右轉(zhuǎn)自行車；行人和直行自行車清空距離取10 m，左轉(zhuǎn)自行車清空距離取20 m；回歸系數(shù)β1，β2，β3以及行人-自行車車速均取上文中的調(diào)查值。

圖5　兩種設(shè)計模式下行人-自行車影響對比Fig.5　Comparison of pedestrian-bicycle impacts between 2 design types

總體上，通行能力受到的影響隨行人-自行車流量的增大而增大。

根據(jù)圖5(a)和圖5(b)，在信號配時設(shè)計時已設(shè)置行人-自行車清空時間的情況下，由于在模式2中，行人-自行車通行更為集中，且左轉(zhuǎn)自行車會產(chǎn)生多次干擾影響，其機動車交通受行人-自行車的影響比模式1略有增加。兩相位的情況下，對左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)流向影響增加3.9%和2.0%；四相位條件下，對右轉(zhuǎn)流向影響增加4.0%。但考慮到兩相位的情況下模式2可向左轉(zhuǎn)自行車提供更好的通行安全保障，因此在兩相位條件下，建議采用模式2；在四相位條件下，可采用模式1。

根據(jù)圖5(c)和(d)，若考慮信號配時設(shè)計時沒有設(shè)置行人-自行車清空時間的情況，模式2受行人-自行車的影響更小。兩相位的情況下，對直行流向影響減少5%；四相位的情況下，對直行流向影響減少12.9%。這是因為在模式2中，自行車過街距離縮短，清空時間也相應(yīng)減少；并且在兩相位情況下，左轉(zhuǎn)相位內(nèi)沒有行人-自行車通行，減少了對直行相位車流的影響。

對比圖5(c)、(d)與圖5(a)、(b)，發(fā)現(xiàn)信號配時中未考慮行人-自行車清空時間，將對下一相位的機動車通行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，占總體影響的41%。

6　結(jié)論

本研究針對自行車左轉(zhuǎn)一次過街和自行車左轉(zhuǎn)二次過街這兩種交叉口設(shè)計模式，研究了其在綠燈信號期間由于機動車與行人-自行車沖突，以及綠燈初期由于清空上一相位滯留行人-自行車兩種情況下機動車通行能力的損失?；谏虾Ｊ?個交叉口的調(diào)查數(shù)據(jù)，對模型的關(guān)鍵參數(shù)進行了標(biāo)定。得出以下結(jié)論：

(1)若在信號配時中未考慮行人-自行車清空時間，則綠燈結(jié)束滯留的行人-自行車將對下一相位的機動車通行產(chǎn)生一定影響，尤其是對于大型交叉口，算例中占總體影響的41%。

(2)在模式2條件下，機動車交通受行人-自行車的影響較模式1略有增加，約為3%。鑒于其在兩相位情況下可向左轉(zhuǎn)自行車提供更好的通行安全保障，建議在兩相位條件下采用模式2，在四相位條件下，可采用模式1。

(3)若考慮信號配時設(shè)計時沒有設(shè)置行人-自行車清空時間的情況，模式2下行人-自行車對直行機動車通行的影響較小，兩相位和四相位情況下，對影響分別減少5%和12.9%。

在本文分析中，未考慮行人-自行車與機動車同向通行中的側(cè)向干擾，此問題有待進一步探索。

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Impact of Pedestrian and Bicycle on Capacity of Two Design Types of Intersection

ZHAO Jing1，YANG Xiao-guang2

(1.SchoolofBusiness,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.SchoolofTransportationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Inordertoestimatethecapacityofsignalizedintersectionmoreexactly,weanalyzedthepedestrian-bicycleimpactsonvehicularcapacityunder2intersectiondesignpatterns,i.e.,one-stepcrossingforleft-turnbicycleandtwo-stepcrossingforleft-turnbicycle.First,aimingtheactualsignalcontrolandtrafficoperationconditioninChina,thepedestrian-bicycleimpactsaredividedinto2types,i.e.,theconflictduringthegreentimeandthelosttimeforclearingthestrandedpedestriansandbicyclesinthepreviousphase.Then,thecalculationmodelsofcapacityreductionfactorfortheimpactsof2typesofpedestrian-bicycleunder2intersectiondesigntypesarepresentedrespectivelybythecombinationoftheoreticalanalysisandkeyparameterscalibrationbasedonfielddata.Finally,thecomparisonismadebetweenthe2designtypesofsignalizedintersectionbasedonsensitivityanalysis.Theresultshowsthat(1)thepedestrianandbicyclemayimpactthevehiculartrafficofdesigntype2 (left-turnbicycleturnscircuitously)isslightlygreaterthanthatofdesigntype1 (left-turnbicycleturnsdirectly)inthecasethattheclearancetimeofpedestrianandbicyclehasproperlyconsideredinthesignaltiming; (2)theimpactunderdesigntype2ismuchsmallerwhentheclearancetimeofpedestrianandbicycleisnotconsidered.

trafficengineering；capacity；statisticalregressionanalysis；investigationandstatistics；pedestrian-bicycle；intersection

2015-09-01

國家自然科學(xué)基金項目(51238008)；上海理工大學(xué)國家級項目培育基金項目(16HJPY-QN14)

趙靖(1983-)，男，上海人，博士. (jing_zhao_traffic@163.com)

U491.2+3

A

1002-0268(2016)08-0114-06

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.017