鄔 嵐,梁 棟,朱興貝

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引 言

城市道路連接段為進出城市的重要路段,也常因路段兩端的收費站節(jié)點和信號燈節(jié)點以及路段中客貨車流混行,貨車流量大而造成擁堵,形成交通瓶頸路段。對于路網(wǎng)中客貨繁忙道路,實施客貨分離的管理策略是緩解城市出入口連接段上交通擁擠的一種有效途徑。目前國內(nèi)客貨分離道路系統(tǒng)和貨車專用道理論研究的主要研究對象為高速公路和城市道路,研究車道數(shù)主要為雙向六車道、雙向八車道以及雙向十車道,研究內(nèi)容包括方案選擇指標體系、效果評價指標、評價方法等。貨車專用道在高速公路應(yīng)用中,主要為高速公路出口分流影響區(qū)進行研究[1-3];城市道路因服務(wù)對象為城市居民,因此鮮見貨車專用道;付春輝[4]對國內(nèi)外高速公路客貨分離情況進行了匯總;汪雯娟[5]從貨車車輛特性和交通行為特性,利用VISSIM仿真,從車流結(jié)構(gòu)與車流總量兩方面來對高速公路設(shè)置貨車專用道的車流條件進行了模擬分析和驗證;張弛等[6]采用Trucksim動力學(xué)仿真軟件建立車輛動力學(xué)閉環(huán)仿真模型,得到不同設(shè)計速度條件下典型大貨車極限最小轉(zhuǎn)彎半徑;霍少霜等[7]針對我國高速公路客車和貨車混合行駛造成的交通問題,提出了設(shè)置貨車專用道的交通管理方式;陳超等[8]對高速公路左出口交織區(qū)長度進行研究,給出了交織區(qū)長度和運行速度的一般計算方法;潘賓宏等[9]根據(jù)高速公路出口的實測交通數(shù)據(jù),提出了減速車道長度和漸變率的建議值。

城市出入口連接段是貨車通往物流公司的必經(jīng)之路,極易成為交通瓶頸,因此連接段處的交通暢通顯得尤為重要。筆者在貨車專用道研究的基礎(chǔ)上,以高速公路與城市道路連接段為研究對象,考慮連接段交叉口處交通流的復(fù)雜性及貨車和客車的轉(zhuǎn)向情況,對連接段的橫斷面設(shè)計、交織區(qū)長度計算、交叉口進口道渠化等方面展開研究。

1 高速公路與城市連接段的現(xiàn)狀

我國交通運輸業(yè)線路占比中,公路客運量占到了所有交通運輸方式客運量的50%以上[10]。高速公路路網(wǎng)中,貨車比例越來越高,在我國部分城市的周圍,建有大量的物流園區(qū),其周邊的高速公路與城市道路連接段處的比例增加尤為明顯,貨車比例的增長,對連接段道路的交通造成了巨大壓力。

并行車流管控車道指在全天或部分時段供特定車輛通行的與普通車道同方向但不完全分離的管控車道,其管理方式與公交專用道類似,可結(jié)合路段貨車配送車輛出行的高峰時段,對貨車專用道進行分時管控,在連接段處為貨車設(shè)置專有路權(quán)。貨車專用道在連接段處的設(shè)置,滿足了貨車行駛需求的同時,將小汽車與貨車分開,能夠提高道路通行能力和道路安全性[11]。

2 連接段平面設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

貨車專用道是實現(xiàn)客貨分離,賦予貨車獨立路權(quán)的道路模式[5],將從連接段處的交織區(qū)長度計算和交叉口渠化上進行分析研究。

2.1 交織區(qū)長度計算模型

高速公路實施客貨分線后,只存在同向客貨交通流的平面交叉,實質(zhì)是交織問題,若橫斷面車道布置為“內(nèi)貨外客”的型式,如果客貨車輛均要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,則貨車專用車道的貨車與客車專用車道的客車要提前結(jié)束交織,然后才能進入匝道。高速公路交織區(qū)的暢通程度與通行能力與交織類型、交織長度、車輛數(shù)量、車道總數(shù)等因素密切相關(guān)。

將右轉(zhuǎn)車輛在交織區(qū)內(nèi)穿越貨車專用道的過程看作次路車輛穿越主路車輛的過程,即右轉(zhuǎn)車輛需要尋找主路貨車的可穿越間隙右轉(zhuǎn),因此可以建立主次路相交的間隙理論模型。

在穿越模型中,主次路為單車道交匯,當(dāng)交織區(qū)出現(xiàn)臨界間隙tc時,次路右轉(zhuǎn)車輛可穿越貨車流,當(dāng)右轉(zhuǎn)車流量或者貨車流量較大時,穿越機會較少,交織區(qū)會發(fā)生右轉(zhuǎn)車排隊滯留現(xiàn)象,因此需要將交織區(qū)適當(dāng)延長,以支路或單位出入口形式為例,延長后的交織區(qū)如圖1。

圖1 交織區(qū)示意Fig. 1 Schematic diagram of the weaving area

與一般的主次路穿越情況不同,當(dāng)交織區(qū)延長時,次路車輛可以在交織區(qū)內(nèi)追趕主路間隙,就相當(dāng)于延長了主路車的可穿越車頭時距,延長后的交織區(qū)長度為L2,原交織區(qū)長度為L1,如圖1,延長的交織區(qū)長度即為L2-L1。

假設(shè)貨車到達交織區(qū)的情況服從泊松分布,貨車的平均到達率λ。根據(jù)交通流理論,此時貨車進入交織區(qū)的車頭時距t服從負指數(shù)分布。

貨車間的臨界間隙為tc,而轉(zhuǎn)彎車輛的跟隨時距為tf,當(dāng)貨車之間車頭時距t大于等于臨界間隙tc的車頭時距時,右轉(zhuǎn)車能通過的車輛數(shù)為Qr為:

Qr=Qb[xp(t≥tc)+p(t≥tc+tf)-p(t≥tc+htf)]

(1)

式中:x為延長交織區(qū)后額外通過的車輛數(shù);Qr為右轉(zhuǎn)車交通量;h為可穿越間隙內(nèi)最大右轉(zhuǎn)的車輛數(shù);p為概率符號。

當(dāng)h達到足夠大時,p(t≥tc+htf)=0,所以式(1)改寫為:

Qr=Qb[xp(t≥tc)+p(t≥tc+tf)]

(2)

當(dāng)貨車以速度v進入交織區(qū)行駛時,x取值為:

x=int[(L2-L1)/(vtf+l)]

(3)

式中:l為右轉(zhuǎn)客車車輛的車身長度,按標準車取值為6 m。

由式(2)和式(3)可知,交織區(qū)的長度與貨車小時交通量Qb,右轉(zhuǎn)客車小時交通量Qr存在式(4)關(guān)系:

(4)

式中:tc為臨界間隙,一般取值為5～7 s;tf為跟隨時距,一般取值為3～5 s;L1為拓展車道的開口寬度,一般取值為30 m;v為貨車在連接段的平均車速,取值為40 km/h。

通過建模過程可以看出,當(dāng)貨車進入交織區(qū)的車頭時距確定后,貨車和右轉(zhuǎn)車輛的小時交通量會引起交織區(qū)長度的變化,通過式(4)得到交織區(qū)長度與貨車車數(shù)和右轉(zhuǎn)車數(shù)的三維視圖,如圖2(a),將三維視圖切圖得到交織區(qū)長度與右轉(zhuǎn)車數(shù)的截面圖如圖2(b)。由圖2(b)可知,交織區(qū)長度隨著右轉(zhuǎn)車輛的增加而增加,當(dāng)右轉(zhuǎn)車輛小于80 veh/h,交織區(qū)的長度小于0,即可以不設(shè)置交織區(qū);當(dāng)右轉(zhuǎn)車輛為200 veh/h,對應(yīng)的交織區(qū)長度為80 m左右;根據(jù)式(4)計算,當(dāng)右轉(zhuǎn)交通量達到319 veh/h,交織區(qū)長度增加到150 m時,就不宜設(shè)置交織區(qū)。

圖2 交織區(qū)長度變化Fig. 2 Variation of weaving area length

2.2 交叉口進口道渠化

當(dāng)連接段實施貨車專用道后,即確定了客車專用車道與貨車專用車道的空間關(guān)系,為保障客貨交通流的順利轉(zhuǎn)換,重點解決在交叉口的交織問題,筆者以玄武大道與寧鎮(zhèn)公路連接處為起點,寶華鎮(zhèn)政府為終點,經(jīng)統(tǒng)計,十字交叉口有6個,T型交叉口有22個,T型交叉口占比達到78.6%,因此選擇從平面T型交叉口,對雙向四車道和雙向六車道的交叉口交通渠化設(shè)計。

2.2.1 雙向四車道

1)當(dāng)無右轉(zhuǎn)機動車交通流,貨車專用道可沿外側(cè)行駛直接設(shè)置至停車線,如圖3。

圖3 雙向四車道無右轉(zhuǎn)機動車進口道布置Fig.3 Layout of two-way four-lane non-right-turn vehicle entrance lane

2)當(dāng)具有右轉(zhuǎn)機動車流時,應(yīng)對路口進行拓寬渠化設(shè)計,設(shè)置一條右轉(zhuǎn)彎專用車道,這時貨車專用道應(yīng)設(shè)置至進口道停車線,右轉(zhuǎn)彎車道長應(yīng)按進口車道的長度要求控制,且還需要加上交織段長度,其中交織段長度宜根據(jù)右轉(zhuǎn)車流量的大小確定,以確保所有車輛均可以有序換道進入相應(yīng)的車道,如圖4。

圖4 雙向四車道有右轉(zhuǎn)機動車進口道布置Fig.4 Layout of two-way four-lane with right-turn vehicle entrance lane

2.2.2 雙向六車道

1)當(dāng)無右轉(zhuǎn)機動車交通流,貨車專用道可沿外側(cè)行駛直接設(shè)置至停車線,如圖5。

圖5 雙向六車道無右轉(zhuǎn)交通量時進口道布置Fig. 5 Layout of the entrance lane when there is no right-turn traffic on the two-way six-lane

2)當(dāng)右轉(zhuǎn)機動車流小于80 veh/h時,此時交織區(qū)長度不需要增加,可將道路的中間車道作為直行的貨車專用道,內(nèi)側(cè)的車道作為其余車輛的直行車道,最外側(cè)車道設(shè)置為右轉(zhuǎn)車道,右轉(zhuǎn)之前的貨車專用道應(yīng)設(shè)置至進口道停車線,右轉(zhuǎn)彎車道長應(yīng)按進口車道的長度要求控制,且還需要加上交織段長度,以確保所有車輛均可以有序換道進入相應(yīng)的車道,如圖6。

圖6 雙向六車道右轉(zhuǎn)交通量較少時進口道布置Fig. 6 Layout of the entrance lane when the right-turn traffic volume is low on the two-way six-lane

3)當(dāng)右轉(zhuǎn)交通量大于80 veh/h時,此時交織區(qū)長度需要增加,應(yīng)對路口進行拓寬渠化設(shè)計,設(shè)置一條右轉(zhuǎn)彎專用車道,如果直行的貨車較多時,中間兩條車道均作為直行的貨車專用道,如果直行的貨車車輛較少時,內(nèi)側(cè)兩條車道作為其余車輛的直行道路,第3條車道作為直行的貨車專用道,這時右轉(zhuǎn)前的貨車專用道應(yīng)設(shè)置至進口道停車線,右轉(zhuǎn)彎車道長應(yīng)按進口車道的長度要求控制,且還需要延長交織段長度,如圖7。

圖7 雙向六車道右轉(zhuǎn)交通量大時進口道布置Fig. 7 Layout of the entrance lane when the right-turn traffic volume is high on the two-way six-lane

2.3 貨車專用道管理方式

貨車專用道表示,除貨車外,其他車輛不得進入該車道。貨車專用道管理方式借鑒公交專用道的管理方式,貨車專用道采用分時管控的管理方式,在高峰時期,其他車輛不得進入貨車專用道,非高峰時期,其他車輛可進入貨車專用道,路段起終點須設(shè)置路面文字和指示標牌。

3 實例分析

3.1 現(xiàn)狀分析

南京于寶華312國道區(qū)段,就2015—2018年僅3年時間便增加了有20多家物流公司。這些物流公司位于國道旁,直接導(dǎo)致312國道該區(qū)段的大型貨車數(shù)量急劇上升,其與小汽車之間的矛盾降低了路段的通行能力,導(dǎo)致進出城市的延誤大大增加,在研究的環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路交叉口,平均延誤就達46.3 s。

選取南京主要的一條進出城連接段路七鄉(xiāng)河大道-寧鎮(zhèn)公路至環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路,該路段大型物流公司和中小型物流公司的分布較為集中。該路段為雙向四車道,道路寬為3.75 m,以中央分隔帶隔開,各有一條路側(cè)行車帶,寬為3.50 m。起始點七鄉(xiāng)河大道-寧鎮(zhèn)公路路側(cè)即為南京市東揚物流基地,終點環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路路側(cè)即為宏寶國際物流有限公司和東發(fā)物流園,沿線有如小樣快運等小型物流散點。

研究的環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路交叉口,由于左轉(zhuǎn)駛?cè)胴涇嚭椭毙械闹?、大型貨車交通量大、行駛速度慢且在交叉口的啟動時間長、車頭間距大,直接導(dǎo)致直行跟馳在貨車后的小汽車車流的等待時長增加,無法在一個信號周期內(nèi)駛出交叉口,如此加劇了小汽車占用路側(cè)行車帶超越等待車流直至交叉口停止線的現(xiàn)象。

受該路段路側(cè)周圍用地性質(zhì)影響,該路段交通流在交通量組成方面呈現(xiàn)明顯特征。在17:30—19:30時段貨車比例遠高于其他時段,尤其是在周末和節(jié)假日,出城車流與貨車車流混行在國道交叉口處極易造成擁堵。由于國道周圍即為鄉(xiāng)鎮(zhèn),存在非機動車占用路側(cè)行車帶的情況,因此在小汽車駛上路側(cè)行車帶時與非機動車混行,降低該路段的安全性。

綜上,從道路條件、路段周圍用地特征、道路交通流特征、交叉口信號控制4個方面分析研究路段的現(xiàn)狀,得出該路段存在的問題主要為貨車與小汽車的混行造成的國道交叉口擁堵和延誤嚴重,主要原因為貨車公司在國道周邊的聚集,該路段無法滿足貨車公司的貨車運輸?shù)男枨蟆?/p>

3.2 貨車專用道的應(yīng)用

環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路交叉口采用右轉(zhuǎn)不設(shè)限的信控方式,且直行與右轉(zhuǎn)車輛的貨車比例較大,因此將外側(cè)車道設(shè)置為貨車專用道,根據(jù)一天內(nèi)各時段交通量以及貨車比例的調(diào)查,對貨車專用道進行分時管控。在研究的貨車專用道中,由于該國道路段為雙向4車道,中間以中央分隔帶分開,選擇在原兩車道的基礎(chǔ)上將外側(cè)車道作為分時段管控的貨車專用道,與環(huán)山路次干路相連接,在交叉口處,擴展為三車道,最內(nèi)側(cè)車道為其他車輛的直行道,中間為貨車專用道,最外側(cè)為右轉(zhuǎn)專用道,具體組織方案分別如圖8和圖9。

圖8 實例貨車專用車道橫斷面設(shè)計方案(單位:m)Fig. 8 Design scheme for the cross-section of the truck dedicated lane

圖9 貨車專用道交叉口進口道設(shè)置方案Fig. 9 Layout scheme for the entrance lane of the truck dedicated lane intersection

當(dāng)研究路段實施外側(cè)車道作為貨車專用道后不僅可以消除車速差,在貨車占比較大的高峰時段客、貨車各行其道,互不干擾,消除了客、貨車之間的車速差,同時也可根據(jù)實際需要分別限定客車、貨車的最高時速,提高行車速度和通行效率。筆者提出的專用道方案在本實例中是否具有應(yīng)用條件,采用VISSIM進行仿真,查看交叉口的延誤等情況。

3.3 VISSIM仿真

通過 VISSIM 仿真軟件,對環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路交叉口及寧鎮(zhèn)公路路段進行現(xiàn)狀和組織方案仿真,將行車排隊長度、延誤等指標作為道路服務(wù)水平評判標準,對不同貨車比率研究。

在周六晚高峰17:30時,借助無人機對環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路交叉口進行視頻拍攝,拍攝時長為 15 min,將15 min的交通量擴展到一個小時交通量,得到該交叉口的基本交通流量數(shù)據(jù),見表1。通過式(4)計算出交織區(qū)的長度為28.99 m。VISSIM仿真結(jié)果如表2,通過對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)現(xiàn)狀交通量中貨車比例為38%時,設(shè)置貨車專用道后效果明顯,平均排隊長度降低了34.8%,平均延誤降低了41.5%。說明了該橫斷面的車道劃分與交叉口交通組織方案的合理性。在貨車比例由20%遞增至60%時,設(shè)置貨車專用道的情況下,平均排隊長度和平均延誤的增幅均明顯小于不設(shè)置貨車專用道的情況。

表1 環(huán)山路-寧鎮(zhèn)公路交叉口東進口交通量

表2 不同貨車比例下仿真結(jié)果

由表3及表4可以看出,當(dāng)交織區(qū)長度從40 m,以5 m為一個梯度遞減時,40 m到30 m的平均排隊長度和車輛平均延誤有所增加,但增加幅度不大,貨車專用道的平均排隊長度增加了7.8%,混行車道增加了5.6%,貨車專用道的車輛的平均延誤增加了6.7%,混行車道增加了5.2%。從30 m到25 m,平均排隊長度和車輛平均延誤都有了較大的增加,貨車專用道的平均排隊長度增加了21.3%,車輛平均延誤增加了31.4%。因此實例中的交織區(qū)長度設(shè)置為30 m較為適宜,與式(4)計算的結(jié)果相近。

表3 不同交織區(qū)長度下平均排隊長度

表4 不同交織區(qū)長度下車輛平均延誤

4 結(jié) 語

根據(jù)主次路相交的間隙理論與公交專用道交織區(qū)理論,依據(jù)連接段交叉口貨車與客車的轉(zhuǎn)向數(shù)量及比例,建立了交織區(qū)長度計算模型,計算交織區(qū)延長長度,確定交織區(qū)的長度。對不同車道數(shù)的T型交叉口,在不同車道劃分下的交通組織進行流線設(shè)計。通過實例仿真,驗證了交織區(qū)長度計算模型的準確性,實例中通過設(shè)置貨車專用道,平均排隊長度降低了34.8%,平均延誤降低了41.5%。 對比不同貨車比例下的交通仿真結(jié)果,設(shè)置貨車專用道,對交通擁堵具有一定的緩解作用。