饒 中，劉 遠，劉 濤，代 萱

(1.深圳高速公路股份有限公司，深圳 518026；2.長安大學運輸工程學院，西安 710061；3.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，西安 710075)

0 引言

主干道作為城市交通的骨架與分區(qū)間相互連接的動脈，要求具備行駛速度高、道路干擾小、服務水平高的特點，一般具有道路寬度≥40 m、路段長度≥500 m的特征，并且往往設(shè)置綠化帶式中央分隔帶.由于主干道的道路設(shè)施構(gòu)造和功能特性，弱化了道路兩側(cè)的聯(lián)系，導致路段交通產(chǎn)生了較高的掉頭需求.傳統(tǒng)掉頭組織主要通過在交叉口設(shè)置掉頭車道，不僅增加了車輛繞行距離，而且降低了交叉口通行能力[1].近年來，在主干道路段實施掉頭組織成為城市交通設(shè)計發(fā)展趨勢.已有的路段掉頭控制方法，通常采用無信號控制形式將掉頭車道設(shè)置在緊鄰中央分隔帶的位置.在中央分隔帶寬度較小的情況下，存在掉頭車輛行駛不順暢、與對向直行車輛沖突嚴重等問題[2].如何降低掉頭車輛對直行交通通行安全和效率的影響，成為主干道路段掉頭交通組織亟需解決的問題.

國內(nèi)外學者對交叉口掉頭、路段掉頭2種城市掉頭交通組織方式進行了廣泛研究.在系統(tǒng)和全局規(guī)劃方面，Access Management[3]通過道路重要性、設(shè)計速度、交通量、交通運行安全性、交通組織方式、土地使用性質(zhì)等因素的綜合考慮，構(gòu)建了掉頭交通組織的相關(guān)技術(shù)標準.張寧等[4]借鑒高速公路相關(guān)交織理論，提出了遠引掉頭方式下中央分隔帶開口間距模型.陳愷等[5]結(jié)合我國道路交通特性，從中央分隔帶開口選址與布局、機非分離的交通組織等方面對遠引掉頭進行了系統(tǒng)規(guī)劃.Prasanta Bhuyan等[6]通過統(tǒng)計分析印度海得拉巴市4車道、6車道和8車道道路中央分隔帶開口的掉頭車輛行駛數(shù)據(jù)，提出了駕駛?cè)藢﹂_口尺寸的可接受間隙.在掉頭安全性研究方面，Yang Zhao等[7]綜合考慮掉頭車輛安全、效率與環(huán)境的影響，提出了一種考慮多重外部影響的掉頭組織多目標分析方法.Olarte等[8]針對無信號控制的鄉(xiāng)村公路交叉口，提出了掉頭交通安全性及適應性分析方法.沈超群等[9]綜合考慮行車安全性及行車效率，研究了遠引掉頭交通組織對城市路網(wǎng)交通流的影響.

隨著道路設(shè)施通行潛力挖掘需求不斷增加，在掉頭交通安全性得到保障后，掉頭位置的交通運行效率研究成為當前研究熱點[10-13].劉仁文[15]通過車輛到達率和服務率等因素分析，提出了掉頭開口的尺寸設(shè)計方法.成衛(wèi)等[16]為分析遠引掉頭對下游交叉口通行效率的影響，構(gòu)建了通行能力與車頭時距的關(guān)系模型.Ben-Edigbe[17]針對路段中央分隔帶開口處交通流量的不均勻性，構(gòu)建了基于動力學和回歸理論的路段掉頭開口處的通行能力估算模型.此外，部分學者還對掉頭交通組織方法進行了探討.例如張衛(wèi)華等[18]構(gòu)建了遠引掉頭位置計算模型，林陪群等[19]分析了交叉口不同掉頭交通組織模式下的整體延誤特性.

綜上所述，國內(nèi)外研究內(nèi)容主要集中于交叉口遠引掉頭組織的安全性、掉頭位置選址和掉頭開口間距等方面，較少關(guān)注通過掉頭空間精細化設(shè)計提高掉頭交通組織安全和效率方面的研究.鑒于此，本文提出了一種城市主干道路段交通掉頭控制方法，以交通流量和道路設(shè)施信息為基礎(chǔ)，結(jié)合車輛掉頭軌跡需求，構(gòu)建城市主干道路段掉頭空間設(shè)計模型和信號控制模型.

1 空間幾何設(shè)計方法

1.1 車道數(shù)設(shè)計

根據(jù)不同車型的折算系數(shù)，確定上行方向、下行方向的直行交通等效流量與掉頭交通等效流量.其計算方法如式(1)所示：

(1)

式中，Edir,str、Edir,tur分別為各行駛方向的直行、掉頭交通等效流量(pcu/h)；Fdir,str、Fdir,tur分別為各行駛方向的直行、掉頭交通流量(veh/h)；Sdir,str、Ldir,str分別為各行駛方向直行交通的小型車、大型車比例；Sdir,tur、Ldir,tur分別為各行駛方向掉頭交通的小型車、大型車比例；λsml、λlrg分別為小型車、大型車的當量小汽車換算系數(shù)，且λsml=1，λlrg=2.

考慮到路段內(nèi)各進口方向直行、掉頭交通流量的差異性，從滿足掉頭交通流量通行需求和提高道路資源利用率角度出發(fā)，確定各進口方向的機動車道數(shù)，計算方法如式(2)、(3)所示：

(2)

(3)

式中，Nup、Ndown分別為上行方向的機動車道數(shù)、下行方向的機動車道數(shù)；Nsum為該路段的總機動車道數(shù)；Esum為等效流量，且Esum=Eup,str+Eup,tur+Edown,str+Edown,tur.

在各進口方向機動車道數(shù)確定的基礎(chǔ)上，構(gòu)建每個進口方向直行車道數(shù)和掉頭車道數(shù)的求解模型，計算方法如式(4)、(5)所示：

(4)

(5)

式中，Ndir,str為上行(下行)方向的直行車道數(shù)；Edir,tur為上行(下行)方向的掉頭車道數(shù)；Ndir為上行(下行)方向的機動車道總數(shù)；Edir,str為上行(下行)方向的直行交通等效流量；Edir,tur為上行(下行)方向的掉頭交通等效流量.

1.2 車道位置設(shè)計

從減少中央分隔帶寬度和提高駕駛員行車舒適性的角度出發(fā)，結(jié)合掉頭車輛的交通運行特征，確定各進口方向的掉頭車道位置.機動車道從中央分隔帶向道路兩側(cè)由1開始編號，則上行方向與下行方向起始掉頭車道的編號計算方法如式(6)所示：

(6)

式中，N為上行方向和下行方向起始掉頭車道的編號；r為機動車的最小轉(zhuǎn)彎半徑，且大型車r=1 000、小型車r=600(cm)；d為機動車的車輛寬度，且大型車d=250、小型車d=180(cm)；Lsep為中央分隔帶寬度；Lveh為每條機動車道寬度；ceil表示返回大于或者等于指定表達式的最小整數(shù).

1.3 中央分隔帶開口尺寸設(shè)計

城市主干道中央分隔帶開口尺寸應滿足設(shè)計車輛能順暢回轉(zhuǎn).結(jié)合我國設(shè)計車輛特征，以滿足上行方向和下行方向車輛同時掉頭為基本要求，提出路段中央分隔帶開口尺寸設(shè)計方法，計算如式(7)所示：

Ssep=2r+d+ε

(7)

式中，ε為安全行駛距離，且ε=200 cm.

2 交通信號控制模型

在降低掉頭車輛與直行車輛的沖突，以及保障行車安全的前提下，構(gòu)建路段掉頭兩相位信號控制模型，使得路段綜合通行效率最大化.

2.1 掉頭交通信號周期值

掉頭位置的交通信號周期應以直行、掉頭交通的通行延誤最小為目標，根據(jù)路段交通量和直行交通停車率，進行信號配時設(shè)計.計算方法如式(8)、(9)所示：

(8)

(9)

式中，T為路段掉頭交通控制的信號周期(s)；ceil表示返回大于或者等于指定表達式的最小整數(shù)；Ve為路段車道設(shè)計交通量(pcu/h)；α為直行交通停車率.

2.2 相位控制策略

(10)

(11)

3 VISSIM仿真分析

為驗證所提城市主干道掉頭控制方法的有效性，選取西安市棗園東路(漢城北路—大慶路)為研究對象，使用激光測距儀和AxleLight便攜式路側(cè)激光交通調(diào)查儀對其道路設(shè)施、交通流量進行調(diào)查.調(diào)查路段為雙向8車道，設(shè)計速度60 km/h，機動車道寬度3.75 m，非機動車道6.0 m，中央分隔帶寬度2 m，路段開口尺寸12 m.原路段掉頭交通控制方式如圖1所示.調(diào)查時間為2018-12-17(星期一)—2018-12-21(星期五)間的高峰時段(07:00—09:00、17:00—19:00).交通運行數(shù)據(jù)見表1所示.

圖1 原路段掉頭交通組織示意圖

表1 交通運行數(shù)據(jù)

3.1 仿真建模

直行交通停車率取0.3，根據(jù)實測交通數(shù)據(jù)和所提路段掉頭控制方法，利用VISSIM建立道路仿真模型，對不同流量及掉頭流量比例下掉頭交通運行情況進行仿真，掉頭交通組織優(yōu)化設(shè)計仿真參數(shù)如表2所示，平面圖如圖2所示.仿真時長設(shè)為4 200 s，選取評價參數(shù)中的交通延誤和平均排隊長度作為評價指標，對每次模擬采用不同的隨機因子進行6次獨立的仿真實驗，最終取所有仿真結(jié)果的平均值，以保證仿真結(jié)果的穩(wěn)定性.仿真模型如圖3所示.

表2 路段掉頭設(shè)計參數(shù)

圖2 優(yōu)化后路段掉頭交通組織示意圖

圖3 路段掉頭交通仿真模型

3.2 仿真結(jié)果

考慮到模擬交通流的穩(wěn)定性與仿真時間有關(guān)，剔除0～600 s的運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計600～4 200 s的仿真結(jié)果.依據(jù)所提掉頭交通組織方法的實施效果仿真評價結(jié)果如表3所示.

表3 實施效果的仿真評價結(jié)果

由表3結(jié)果及圖1、2可知，通過所提方法優(yōu)化掉頭交通組織設(shè)計，合理調(diào)控車輛時空通行路權(quán)，減少了掉頭車輛與直行車輛之間的相互干擾.

1)在高峰流量高掉頭比例下，掉頭交通、直行交通流延誤相比原路段分別降低了19.8%、11.2%，平均排隊長度分別減少了5 m、2 m，降低幅度為31.3%、18.2%.

2)在高峰流量低掉頭比例下，掉頭交通、直行交通流延誤相比原路段分別降低了10.9%、8.7%，平均排隊長度分別減少了2 m、1 m，降低幅度為18.2%、14.3%.

3)在平峰流量高掉頭比例下，掉頭交通、直行交通流延誤相比原路段分別降低了9.6%、9.8%，平均排隊長度分別減少了1 m、1 m，降低幅度為14.3%、20.0%.

4)在高峰流量低掉頭比例下，掉頭交通、直行交通流延誤相比原路段分別降低了7.0%、8.5%，平均排隊長度分別減少了2 m、1 m，降低幅度為40.0%、33.3%.

由此可見，掉頭車輛、直行車輛的路段交通延誤和排隊長度均有所降低，所提城市主干道路段掉頭控制方法能有效降低掉頭車輛與對向直行車輛的沖突，提高路段通行效率.

4 結(jié)束語

針對主干道路段實施掉頭組織時，掉頭車輛行駛不順暢、掉頭效率低等問題，且對過境交通干擾較大，影響主干路快速通達功能發(fā)揮的問題，提出一種城市主干道路段掉頭控制方法，研究結(jié)論如下：

1)在綜合考慮車輛交通運行特征和運行需求的基礎(chǔ)上，提出了直行車道、掉頭車道數(shù)量和位置布設(shè)的方法，對路段掉頭空間布局進行優(yōu)化.

2)以掉頭交通和直行交通通行延誤最小為目標，提出兩相位的掉頭交通組織信號周期模型，以及相位控制策略，使得綜合通行效率最大化.

3)選取西安市棗園東路主干道為研究對象，利用VISSIM對所提方法的實施效果進行仿真驗證，結(jié)果表明所提方法能顯著提高掉頭交通運行效率.

面對城市主干道過境交通通行要求的不斷提高，以及城市交通運輸壓力的不斷增加，通過所提路段交通掉頭組織方法能顯著改善車輛時空通行路權(quán)，提高交通運行效率，為城市道路設(shè)計提供智力指導支持.