楊川琪 姜守芳 李耀猛 王吉鵬 袁一凡 馬俊丞

西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712100

0 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,人們的購(gòu)買力持續(xù)增長(zhǎng),很多中小城市的私家車保有量增長(zhǎng)迅猛,但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的交通管理系統(tǒng)還不夠完善[1],同時(shí)由于很多中小城市沒(méi)有編制城市交通規(guī)劃,僅在總體規(guī)劃中概念性地?cái)M定了規(guī)劃路網(wǎng),且沒(méi)有考慮城市交通的發(fā)展需求[2],因此中小城市的交通堵塞問(wèn)題變得越來(lái)越突出。對(duì)如何解決在中小城市發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的交通擁堵問(wèn)題也迫切需要我們做出思考和回答。

平面交叉口是整個(gè)道路網(wǎng)中通行能力與交通安全的瓶頸[3],日常交通堵塞大部分都是由于平面交叉口的通行能力不足所導(dǎo)致的。VISSIM的交通模型是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具[4]。由德國(guó)Wiedemann教授提出的心理—物理車輛跟馳模型(psycho physical carfollowing model)是迄今為止用于計(jì)算機(jī)交通仿真的最為精確的模型之一[5],并且VISSIM也在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。此次研究采用以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、問(wèn)卷采訪、統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ),嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范制定有針對(duì)性和可實(shí)施性的解決方案,并通過(guò)相關(guān)仿真軟件驗(yàn)證方案的可行性的方法,對(duì)西農(nóng)路交叉口及其他方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 西農(nóng)路實(shí)況概述與現(xiàn)狀交通問(wèn)題

研究路段自五臺(tái)山環(huán)道為起點(diǎn),至西農(nóng)路立交北側(cè)進(jìn)出口為終點(diǎn),整條路線為直線,全長(zhǎng)約為980米。

1.1 道路橫斷面布置 西農(nóng)路—康樂(lè)路交叉口北進(jìn)口道橫斷面布置為雙向四車道,機(jī)動(dòng)車道單車道寬度為3.5m,機(jī)動(dòng)車道旁設(shè)置1.4m非機(jī)動(dòng)車道1,非機(jī)動(dòng)車道1外側(cè)設(shè)0.5m路緣帶,路緣帶外側(cè)綠化帶寬度為2.5m,綠化帶外側(cè)設(shè)2.5m非機(jī)動(dòng)車道2,非機(jī)動(dòng)車道2外側(cè)人行道寬度視道路兩側(cè)店鋪外富余空間而定,視人行道寬度為2m,道路雙黃線間距為0.2m,則自五臺(tái)山環(huán)道至西農(nóng)路—康樂(lè)路交叉口北進(jìn)口道路幅總寬度為32m。

西農(nóng)路—康樂(lè)路交叉口南側(cè)道路至研究終點(diǎn)機(jī)動(dòng)車道布置同北進(jìn)口道,但南出口道至研究終點(diǎn)不設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道,路緣帶外側(cè)人行道加綠化帶寬度為5.3m;南進(jìn)口道在綠化帶內(nèi)側(cè)設(shè)置2.5m非機(jī)動(dòng)車道。西農(nóng)路—康樂(lè)路交叉口東西向康樂(lè)路橫斷面布置除不設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道外,機(jī)動(dòng)車道布置同西農(nóng)路。

1.2 十字交叉口 西農(nóng)路—康樂(lè)路交叉口作為主要研究對(duì)象,交叉口均為平面交叉,信號(hào)相位設(shè)置為兩相位。西農(nóng)路與康樂(lè)路交叉口進(jìn)口道均設(shè)置為直左與直右混合行駛車道。交叉口四個(gè)方向均設(shè)置人行橫道,并配有行人過(guò)街信號(hào)燈。

西農(nóng)路與康樂(lè)路交叉口,南北向綠燈55s,東西向紅燈60s;南北向紅燈55s,東西向綠燈50s。全紅2s,黃燈3s,信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)為115s,行人過(guò)街信號(hào)燈配時(shí)同機(jī)動(dòng)車交通信號(hào)燈一致。西農(nóng)路與高干渠路的交叉口,南北向紅燈45s,東西向綠燈40s;南北向綠燈45s,東西向紅燈50s,全紅2s,黃燈3s。行人過(guò)街信號(hào)燈配時(shí)同機(jī)動(dòng)車交通信號(hào)燈一致。

通過(guò)實(shí)測(cè)交叉口在工作日早、中、晚三個(gè)高峰時(shí)段的交通流量,統(tǒng)計(jì)得到交通流量分布如圖1所示。

圖1 交通流量分布圖(單位:輛)

1.3 交通路癥分析 西農(nóng)路為貫穿南北方向的主干道,連接了西北農(nóng)林科技大學(xué)南北校區(qū),道路沿線為楊陵城區(qū)中心地帶,屬商業(yè)中心,交通量大,人流車流均很復(fù)雜。機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道之間無(wú)交通渠化設(shè)施,存在安全隱患。

西農(nóng)路—康樂(lè)路南出口道路段,屬于機(jī)非混合行駛車道,容易造成交通混亂以及交通事故[6]。

2 道路改進(jìn)設(shè)計(jì)

研究與改進(jìn)方向主要以道路橫斷面、交通相位設(shè)計(jì)、交通信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)三個(gè)方面為主。

2.1 道路橫斷面設(shè)計(jì) 原道路在機(jī)動(dòng)車道旁設(shè)置1.4m非機(jī)動(dòng)車道1,同時(shí)道路兩側(cè)綠化帶、人行道占有較大空間,故在交叉口進(jìn)口道附近對(duì)道路進(jìn)行拓寬,為遵循最小改動(dòng)量、最低成本的原則[7],設(shè)計(jì)取消西農(nóng)路段內(nèi)1.4m非機(jī)動(dòng)車道1,進(jìn)口道車道數(shù)增加為三車道,單車道寬度為3.5m;出口道仍保持雙車道,單車道寬度為3.5m,綠化帶、非機(jī)動(dòng)車道2與人行道均保持不變,道路寬度僅增加0.7m。根據(jù)《城市城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范》[8]中對(duì)展寬段的規(guī)定,取漸變段30m,展寬段80m。

除進(jìn)口道漸變段外,其余部分道路同取消1.4m非機(jī)動(dòng)車道,機(jī)動(dòng)車道仍保持雙向四車道其余部分不變。

2.2 交通信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì) 交叉口信號(hào)設(shè)計(jì)通常包括兩方面的內(nèi)容,一是確定信號(hào)相位設(shè)計(jì)方案,二是確定符合信號(hào)相位的信號(hào)配時(shí)方案[9]。

2.2.1 確定信號(hào)相位 根據(jù)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),是否設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位應(yīng)滿足以下條件:計(jì)算左轉(zhuǎn)交通量H應(yīng)大于100(pcu/h),并且對(duì)向單車道直行車流量乘積大于50000(pcu/h)[10]。西農(nóng)路與康樂(lè)路交叉口各進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車流量均大于等于100(pcu/h),除東進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車流量與對(duì)向單車道直行車流量乘積小于50000(pcu/h)外,其余均滿足要求,但為了減少更多沖突點(diǎn)故各相位均設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位。

2.2.2 確定最佳信號(hào)配時(shí) 飽和流率指的是某一車道或車道組在一次連續(xù)的綠燈信號(hào)時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)的最大流率值,飽和流率并非定值,受交叉口的幾何條件等的影響,比較復(fù)雜[11]。本交叉口無(wú)左轉(zhuǎn)專用車道,故本次直行車道的飽和流率公式(1)計(jì)算

fwfgfHVfRT按照《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]計(jì)算取值。

得到各進(jìn)口道直行車道飽和流率分別為:北進(jìn)口1542 pcu/h;南進(jìn)口1590 pcu/h;西進(jìn)口1559 pcu/h;東進(jìn)口1580pcu/h。

當(dāng)設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位時(shí)直行當(dāng)量換算系數(shù)為1.05;西農(nóng)路與康樂(lè)路交叉口行人數(shù)量影響右轉(zhuǎn)直行當(dāng)量換算系數(shù),本次仿真設(shè)計(jì)中取行人數(shù)量為100,根據(jù)文獻(xiàn)[10]表中內(nèi)插值計(jì)算得到右轉(zhuǎn)直行當(dāng)量換算系數(shù)為1.25。各進(jìn)口道直行當(dāng)量結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)直行當(dāng)量計(jì)算結(jié)果確定關(guān)鍵流率比,且取黃燈時(shí)間A=3s,全紅時(shí)間2s,啟動(dòng)損失l=3s,第一與第二相位和第三與第四相位之間只設(shè)黃燈,第二與第三相位和第四與第一相位之間設(shè)置黃燈3s,全紅2s,則整個(gè)周期損失時(shí)間L=16s,按則按照傳統(tǒng)的韋伯斯特信號(hào)配時(shí)方法[13]即式(6),計(jì)算得到的最佳信號(hào)周期為69.04s,取整為70s。

有效綠燈時(shí)間按式(7)計(jì)算:

表1 設(shè)計(jì)直行當(dāng)量(單位:輛)

顯示綠燈時(shí)間確定按式(8)計(jì)算:

通過(guò)式(7)、(8)計(jì)算得到綠燈信號(hào)配時(shí)如下:北、南入口左轉(zhuǎn)綠燈11s,直右左混合行駛綠燈17s,東、西入口左轉(zhuǎn)綠燈8s,直右左混合行駛綠燈18s。顯示綠燈時(shí)間要滿足大于行人過(guò)街時(shí)間。行人過(guò)街最短綠燈時(shí)間按式(9)計(jì)算。

其中行人過(guò)街長(zhǎng)度為18m,行人過(guò)街速度vp取1.4m/s[14],綠燈間隔時(shí)間I=5s,計(jì)算得最短綠燈時(shí)間為15s,本次設(shè)計(jì)一個(gè)周期內(nèi)行人過(guò)街綠燈設(shè)計(jì)為兩次,分別設(shè)置在第二相位與第四相位結(jié)束,綠燈時(shí)間分別為第三、四相位機(jī)動(dòng)車綠燈之和26s以及第一、二相位機(jī)動(dòng)車綠燈之和28s,滿足行人過(guò)街要求。

2 仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)原道路與新設(shè)計(jì)道路情況分別建立仿真路網(wǎng),以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄得到的高峰時(shí)段交通流量作為仿真數(shù)據(jù),并按照實(shí)際的公交車站、停車場(chǎng)、人行橫道位置建立相關(guān)模型,完成基礎(chǔ)實(shí)際道路模型的建立。在交叉口處按照我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置交叉口沖突區(qū)域交通優(yōu)先權(quán),同時(shí)也考慮行人過(guò)街,車輛讓行的影響,模擬車輛讓行行人的情景。分別帶入原道路與新設(shè)計(jì)理論信號(hào)配時(shí),以西農(nóng)路—康樂(lè)路交叉口各進(jìn)口道排隊(duì)長(zhǎng)度、行駛時(shí)間、延誤時(shí)間三個(gè)數(shù)據(jù)作為判定交叉口通行狀態(tài)的重要指標(biāo)[15],對(duì)同等交通流情況下得到的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

取各進(jìn)口道行駛方向平均排隊(duì)長(zhǎng)度最大值作為比較對(duì)象,結(jié)果見(jiàn)表2,通過(guò)排隊(duì)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)可看出,新設(shè)計(jì)交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度不大于15m,最大排隊(duì)長(zhǎng)度不大于64m,較之前兩種方案平均排隊(duì)長(zhǎng)度最大可減少65%,最大排隊(duì)長(zhǎng)度最大可減少40%。

表2 排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比(單位:m)

通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析獲得了行駛時(shí)間數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3),可以看出,新設(shè)計(jì)交叉口在直行方向的行駛速度在南北方向有較大提升,直行方向行駛速度仍保持在設(shè)計(jì)速度的60%以上,轉(zhuǎn)彎方向車輛行駛速度仍保持在設(shè)計(jì)速度的25%～45%之間,較原道路現(xiàn)狀有一定提升,最大可提升原速度的50%。

表3 行駛時(shí)間對(duì)比(單位:秒)

通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析獲得了延誤數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4),可以看出,新設(shè)計(jì)交叉口在信號(hào)相位增加的情況下高峰小時(shí)內(nèi)車輛總延誤約79min,較原交叉口減少了約31%,部分方向平均延誤雖有增加但總體改善效果較好,且新設(shè)計(jì)交叉口在高峰小時(shí)內(nèi)車輛總停車次數(shù)為384次,較原交叉口減少了約44%。

表4 車輛延誤對(duì)比

平均停車次數(shù)車輛平均延誤/s北至南直行 0.03 0.08 0.00 2.03 3.72 1.54北至東左轉(zhuǎn) 0.80 1.25 0.23 5.93 7.39 0.59東至西直行 0.01 0.01 0.07 0.71 0.78 1.62東至南左轉(zhuǎn) 0.50 0.42 0.25 3.26 4.12 2.20東至北右轉(zhuǎn) 0.47 0.26 0.56 4.00 1.11 2.97西至東直行 0.03 0.03 0.16 2.02 2.01 2.75西至南右轉(zhuǎn) 0.07 0.07 0.30 0.16 -0.44 2.81西至北左轉(zhuǎn) 0.74 0.57 0.11 9.9 5.07 2.82

4 結(jié)論

為了改善交叉口的通行情況,研究前期通過(guò)實(shí)地調(diào)查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并根據(jù)相關(guān)規(guī)范分析西農(nóng)路-康樂(lè)路交叉口在交通信號(hào)配時(shí)、道路橫斷面設(shè)計(jì)、交通渠化設(shè)計(jì)等方面所存在的問(wèn)題,研究發(fā)現(xiàn)其主要問(wèn)題有以下幾個(gè)方面:主干路空間利用不合理、機(jī)動(dòng)與非機(jī)動(dòng)車道間的連接缺少交通渠化、路段停車場(chǎng)入口設(shè)置不合理、部分路段機(jī)非混合行駛。在對(duì)現(xiàn)狀道路進(jìn)行仿真分析后,通過(guò)理論計(jì)算并進(jìn)行再度仿真對(duì)比后更驗(yàn)證了原交叉口設(shè)計(jì)的不合理性。

在以上問(wèn)題的基礎(chǔ)上對(duì)原道路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),在最小改動(dòng)量的原則下提出了對(duì)西農(nóng)路的改進(jìn)和優(yōu)化方案,通過(guò)VISSIM仿真軟件對(duì)新方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證,選取平均排隊(duì)長(zhǎng)度、交叉口行駛時(shí)間、車輛平均延誤等作為評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果表明本文提出的新方案能有效改善西農(nóng)路交叉口的交通運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)可為其他城市道路交通設(shè)計(jì)提供改進(jìn)思路,以減少交通擁堵情況,提高市民的出行效率。后期擬在混合交通狀況下開(kāi)展優(yōu)化和仿真分析研究。