丁小龍

摘 要：為提高城市大流量交叉口的通行能力，緩解城市交通壓力，有效減少道路交叉口車輛和行人的沖突，本文設計了一種可旋轉導流車道。該可旋轉導流車道由旋轉控制主體和相關配套設施組成，可以根據(jù)道路交叉口不同時期的交通流情況，實現(xiàn)導流車道的多方位旋轉切換控制，以快速疏導階段性的大流量小型機動車輛。本設計能在確保行車安全的前提下，有效緩解道路交叉口的交通擁堵情況，提高人們的出行效率。

關鍵詞：可旋轉車道;立體交通;交通疏導;道路交通

中圖分類號：U491文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0066-04

Research on the Design of Rotatable Diversion Lane at the Intersection of Urban High-Flow Road

DING Xiaolong

（Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127）

Abstract： In order to improve the traffic capacity of urban high flow intersection， alleviate the urban traffic pressure， and effectively reduce the conflict of vehicle and pedestrian traffic at Road intersection， a kind of rotatable diversion lane was designed in this paper. The rotatable diversion lane is composed of the main body of rotation control and related supporting facilities. According to the traffic flow situation of different periods of Road intersection， the multi-directional rotation switching control of the diversion lane can be realized， so as to quickly dredge the large flow small motor vehicles. This design can effectively alleviate the traffic congestion at road intersections and improve people's travel efficiency on the premise of ensuring driving safety.

Keywords： rotary lane;three-dimensional traffic;traffic diversion;road traffic

1 研究背景

道路交叉口是城市道路交通的重要節(jié)點，車輛和行人交織使該處的交通狀況尤為復雜。而車與車之間、人與車之間不斷發(fā)生的交通沖突導致交通擁堵時有發(fā)生，直接影響人們的出行效率和城市形象。因此，解決道路交叉口的擁堵問題尤為必要。國內(nèi)外諸多研究表明，城市道路信號交叉口的擁堵現(xiàn)象嚴重。相關資料顯示，85%以上的交通延誤集中在城市道路信號交叉口，平面交叉口的通行能力不及普通路段的50%，日常交通擁堵絕大部分是由于平面交叉口的通行能力不足造成的，如圖1所示。

為了解決城市道路交叉口日益嚴重的交通沖突引發(fā)的交通擁堵和交通安全事故等問題，部分城市在關鍵道路交叉口興建立交橋或隧道，使大流量機動車不受路口交通信號燈控制而快速通行，以減少道路交叉口的平面交通沖突。目前，立體交叉形式主要有簡單立交和有匝道立交兩種。其中，簡單立交的主要工程是修筑隧道或高架橋，在一定程度上實現(xiàn)車輛在道路交叉口的空間分流，但平面通行車輛仍受交通信號燈控制;有匝道立交可使車輛在道路交叉口無沖突地快速直行和左行，而無須設置交通信號燈進行管理。但是，興建立體橋或隧道造價高、投資大、占地多、工期長，經(jīng)濟條件一般的城市難以承擔嚴重的財政負荷。

考慮到一般城市道路交叉口的交通擁堵和交通安全問題多是源于小型機動車，基于此，本研究設計了一種應用在城市大流量交叉口的可旋轉導流車道，其可根據(jù)路面車輛的通行情況，通過旋轉控制適時切換導流車道，專供小型機動車輛不受路口信號燈控制無障礙直行。該設計具有造價低廉、施工簡單、占地較少、操作方便、機動靈活的優(yōu)點，可有效改善道路交叉口的通行能力，緩解交通擁堵，具有較廣闊的市場應用前景。

2 可旋轉導流車道設計原理

2.1 設計思路

本研究設計的可旋轉導流車道適用于東西、南北向車道數(shù)相同且道路內(nèi)側為直行車道的平面交叉口。具體思路是：在道路交叉口中心位置設置可旋轉的控制平臺，利用可旋轉平臺架設可旋轉控制的導流車道，在路面設置嵌入式圓形軌道，導流車道兩邊末端路面接觸部位采用軌道輪在地面圓軌旋轉以進行車道切換[1]?？尚D導流車道外觀如圖2所示。

2.2 可旋轉導流車道設計方案

可旋轉導流車道包括可旋轉控制中心平臺、車道主體和地面輪軌三部分。

2.2.1 可旋轉控制中心平臺設計?？尚D控制中心平臺位于道路交叉口的中心位置，下方由柱體支撐，柱體頂端設置承接雙向導流車道的可旋轉托盤?？尚D控制中心平臺的高度可依據(jù)不同路段交通限高要求設定。一般情況下，選取4.5 m作為凈空高度，能保證大型車輛在導流車道下方安全通行。

在設計該平臺時，由于平臺在不同方向要承受不同作用的荷載力，因此，支撐梁的設計可采用縱橫垂直加勁肋的方式，使梁的受力能滿足道路車道路面7座以下小型車輛的交通荷載要求。下部支撐結構采用柱式框架墩，柱式框架墩的直徑可以根據(jù)導流車道數(shù)量的設置情況設定。轉盤結構可以采用環(huán)道與中心支承相結合的球鉸轉動體系。

2.2.2 車道主體設計。根據(jù)《城市道路工程設計規(guī)范》（CJJ 37—2012），車道可以根據(jù)道路交叉口的實際設計雙向2道或4道導流車道，每條車道寬3.5 m，車道坡長不小于10 m，坡度低于30°。導流車道上部通過軸承與固定平臺連接，下端通過滾輪與嵌入地面的圓軌連接。雙向導流車道中間設置中央隔離護欄，車道兩側邊緣加裝防護欄，以保證車輛通行安全。導流車道主體由高強鋼焊接制成，并且具備抗壓、抗拉等優(yōu)點?？紤]到導流車道施工架設的便利性，相關結構可設計為裝配式構件，便于快速安裝和拆卸。車道主體設計如圖3所示。

2.2.3 地面輪軌設計。地面輪軌供支撐導流車道在地面進行轉動旋轉。為了不影響路面車輛正常通行，旋轉軌道采用路面嵌入形式[2]。導流車道通過軌道輪支撐與路面軌道銜接，在進行導流車道旋轉時，支撐導流車道的軌道輪在嵌入路面的軌道轉動旋轉。

嵌入式軌道結構中的槽型軌與軌道板的連接方式不同于傳統(tǒng)軌道結構中離散的扣件連接方式，它是在路面混凝土或瀝青材料整體道床中設置一個凹槽，槽型軌放置在凹槽內(nèi)，高分子彈性材料敷設在鋼軌下方。這種支承方式將大大降低因傳統(tǒng)離散支承引起的軌道結構振動和噪聲，結構穩(wěn)定性好，且維修養(yǎng)護工作量少。嵌入路面式軌道如圖4所示。

2.3 控制方案設計

導流車道的控制方案包括道路狀況研判方案與自適應旋轉方案。導流車道運行邏輯如圖5所示。

2.3.1 道路狀況研判方案。對采集到的道路車輛行駛速度、交通量等數(shù)據(jù)進行預處理，運用交通流理論剔除錯誤數(shù)據(jù)，并利用歷史數(shù)據(jù)法補齊缺少的數(shù)據(jù)，之后將有效數(shù)據(jù)保存至車流數(shù)據(jù)庫，并用其計算路段的交通飽和度。在信號交叉口，車流的飽和度是該車流的實際交通流量與該車流的飽和通行能力的比值。

旋轉切換導流車道的基礎條件由道路交叉口的交通擁堵度決定。本研究采用學者郭澤斌、李振龍?zhí)岢龅腗ATLAB模糊推理系統(tǒng)，通過平均車輛行駛速度、交通飽和度進行綜合模糊判斷分級。郭、李的研究確立了速度、飽和度和擁堵度的隸屬度函數(shù)及相應的模糊推理規(guī)則，如表1所示[3]。當模糊判定為擁堵時，符合調(diào)用旋轉導流車道的初步條件。

2.3.2 自適應旋轉方案。因旋轉過程牽涉的組件較多，旋轉導流車道從模式啟動到正式啟用大約需要1 min的時間，且導流車道的旋轉會對駕駛員駕駛心理產(chǎn)生一定影響。因此，旋轉導流車道的啟用應克服局部因素擾動的影響，需要在連續(xù)觀察若干個路口信號周期車流量變化情況的基礎上進行研判和確定，不能因為直行車流在短時間內(nèi)出現(xiàn)流量增大而頻繁旋轉切換導流車道。根據(jù)道路條件及歷史交通數(shù)據(jù)，一般選擇道路狀況為連續(xù)10個信號周期擁堵時，才能夠啟用旋轉導流車道。根據(jù)前述分析，借鑒學者傅立駿等基于動態(tài)交通流量的可變車道自適應控制方法研究，確定基于反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡的旋轉導流車道自適應控制方案[4]，如圖6所示（N為連續(xù)觀測的周期數(shù)）。

2.4 導流車道旋轉過程設計

以雙向8車道的道路交叉口為例。假設導流車道初始階段架設在東西向直行車道上，當南北向直行流量過大時，且道路狀況經(jīng)過設定的若干信號周期被研判為道路交通擁堵時，要立即啟動導流車道旋轉切換程序，即將旋轉導流車道由東西方向旋轉切換至南北方向，為南北方向的直行車輛提供免受道路交叉口信號燈控制的通行便利[5]。導流車道的旋轉過程分為預信號提醒、清空交叉口車輛行人、旋轉導流車道三個步驟。

2.4.1 預信號提醒。預信號是在導流車道旋轉切換前對過往車輛或行人的提醒和警示，其設置在導流車道不同方位前方駛入方向。根據(jù)道路交叉口通行情況，當研判進入導流車道切換模式，需要啟用導流車道時，預信號開始工作，對交叉口的過往車輛和行人進行信號提示。預信號由交通信號電子顯示屏、警示燈、語音播報器、警鐘鳴示器等組成。交通信號電子顯示屏、警示燈、警鐘鳴示器設置在導流車道前方駛入方向50～60 m處，語音播報器設置在道路交叉口4個不同方位，提醒過往車輛和行人注意即將進行車道旋轉切換。

2.4.2 清空交叉口車輛行人。在道路交叉口進入車道切換模式時，各方向車道上的預信號進行警示提醒，給已經(jīng)進入交叉口的過往車輛和行人以足夠時間盡快駛離道路交叉口?？紤]到行人步行速度較慢，一般要留足行人步行通過的時間。行人的過路時間一般為道路整體寬度與行人平均速度的比值。當?shù)缆方徊婵谝曨l檢測裝置檢測到交叉口流量為0時，表明車輛和行人已清空，此時交叉口各方向預信號顯示“禁止通行”，并進行語音播報：“現(xiàn)在進行導流車道旋轉切換，禁止通行?！?/p>

2.4.3 旋轉導流車道。當?shù)缆方徊婵谲囕v和行人清空后，導流車道利用頂端帶有軸承的旋轉控制平臺，底端連接地面的圓形軌道，經(jīng)過20～30 s的時間，由東西方向順時針或逆時針旋轉90°切換至南北方向。當旋轉完成后，各方向預信號顯示“允許通行”，并進行播報：“導流車道旋轉切換完成，允許通行。”此時，南北方向擁堵的小型車輛可以借助導流車道不受路口信號燈控制暢通無阻地直行，其他車道的車輛和行人則在道路交叉口原有信號燈的指示下通行。導流車道旋轉始末狀態(tài)如圖7和圖8所示。

3 創(chuàng)新特色

針對城市大流量道路交叉口經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的交通擁堵問題，本文運用車路橋協(xié)同的理念，設計了一種可旋轉切換的導流車道。該車道可以避免道路交叉口小型直行車輛沖突，達到有效緩解交通擁堵、提升行車安全和提高道路通行效率的目的。本設計主要創(chuàng)新之處有以下三點。

3.1 可旋轉導流車道可根據(jù)道路交叉口的交通情況進行旋轉切換

一般立交橋或隧道建成后便成為永久固定的通行模式，無法對通行的車道進行調(diào)整。而可旋轉導流車道可以根據(jù)道路交叉口通行情況旋轉切換至交通擁堵的路面方向，使擁堵方向的小型車輛可以不受路口信號燈的控制直行無阻。這極大程度上克服了固定式混凝土立交橋或隧道建筑不可調(diào)節(jié)的缺點。

3.2 可旋轉導流車道采用鋼架單元模塊化的裝配式結構設計

本設計將整體的鋼架結構設計分為若干單元模塊，這些單元模塊在施工時可以快速拼裝架接和拆卸。同時，由于單元模塊化設計，一旦有單元模塊構件出現(xiàn)問題，可以迅速進行更換維修，而不會影響導流車道的整體運行。

3.3 可旋轉導流車道具有完善的自適應旋轉控制系統(tǒng)

通過MATLAB模糊推理和BP神經(jīng)網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)旋轉導流車道的自適應控制。MATLAB模糊推理根據(jù)實時檢測的車流信息推斷出道路暢通情況，BP神經(jīng)網(wǎng)絡控制導流車道的旋轉，符合我國交通智能化、自動化的發(fā)展趨勢。

3.4 可旋轉導流車道建造占地少，周期短，成本低

首先，導流車道可以在現(xiàn)有符合條件的道路交叉口進行搭建，不需要額外占用現(xiàn)有道路交叉口的土地資源，故無須對道路交叉口進行大規(guī)模拆建。其次，鋼架結構的導流車道只需進行拼接安裝，不需要進行混凝土整體澆筑，故整體建造安裝速度快，工期短，不會對路面交通產(chǎn)生長時間影響。再次，鋼架結構單元模塊制造成本較低，不需要較大的財政投入，一般經(jīng)濟條件城市都可以承受。

4 應用前景

對于本設計，還可以在現(xiàn)有研究的基礎上更好地拓展新的功能。第一，可以在現(xiàn)有設計基礎上，延伸拓展其道路交叉口的左轉彎車輛導流車道，解決某些道路交叉口左轉方向交通擁堵的問題。第二，可以在現(xiàn)有設計的基礎上，延伸拓展其可移動轉移功能，以應對不同道路交叉口的局部交通擁堵問題。第三，可以在現(xiàn)有設計研究的基礎上，對其局部進行改進設計，使其具有更強的遠程機動功能，將其應用在高速公路事故救援、交通擁堵路段小型車輛借助對向車道導流等，以緩解高速公路突發(fā)的交通擁堵問題。

參考文獻：

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[3]郭澤斌，李振龍.城市道路擁堵程度評判方法研究[J].交通標準化，2013（11）：62-65.

[4]傅立駿，郭海鋒，董紅召.基于動態(tài)交通流量的可變車道自適應控制方法[J].科技通報，2011（6）：899-903.

[5]孟志廣.交通擁堵及潮汐車道技術的研究[D].西安：長安大學，2015：9.