城市建筑物出口與道路連接處通行能力研究

熊文華 林 思

（1.廣州市交通規(guī)劃研究院 廣州510030；2.佛山市交通運行監(jiān)測中心 廣東 佛山528011）

0 引 言

交通影響評估工作是提高城市土地開發(fā)利用科學(xué)性和合理性的重要手段之一。近年來，國內(nèi)城市已越來越重視交通影響評估工作，尤其像廣州等大城市已將此工作納入城市規(guī)劃管理的主要環(huán)節(jié)。但如何確定城市道路兩側(cè)的建筑物出口與道路連接處的通行能力，歷來是交通影響評估研究的難點所在。國外的相關(guān)研究中，以美國的研究工作最具代表性。從文獻［1-4］可以看出，美國主要是利用出入口管理手冊（access management manual，AM）對大型公共建筑機動車出入口交通問題進行研究，其研究對象為各級道路的出入口。但美國主要是通過對開發(fā)地塊通道和交叉口的有效治理來保證道路出入口交通的安全與順暢，對建筑物出入口到底能夠有多少車流可以插入到主路的研究并不多。在國內(nèi)的研究中，主要還是集中在道路路段和道路交叉口的通行能力研究等方面，如文獻［6］提出了系統(tǒng)的道路通行能力理論，文獻［7-8］對信號交叉口的插入間隙模型進行了研究，文獻［9-11］主要是對非信號交叉口通行能力等有所研究。上述研究對道路和交叉口的，但建筑物出口對道路交通的影響主要在于車輛通過道路車流間的交通流特性進行了研究，對本次研究具有一定參考意義。

但建筑物出入口車流從出口匯入到道路的過程中，匯入車輛會對道路的上游車流造成干擾，從而降低上游車流通過能力；而車輛在匯入道路后，也會增加道路外側(cè)車道的流量，伴隨著道路車流量的增加，道路車流速度和道路飽和度也隨著變化，從而影響道路車流的通行。由于一直以來都忽視了對這一問題的研究，導(dǎo)致在進行城市道路交通影響評估時，總是難于獲得理想的效果。因此，近年來國內(nèi)交通界開始針對建筑物出入口進行研究，其中文獻［5］通過分析機動車出入口的車頭時距，利用排隊論的方法建立了出入口通行能力和服務(wù)水平的模型，但該研究成果主要是為解決出入口設(shè)置的問題，并未回答“建筑物出入口處能夠插入多少車流”這個問題。

實際上，從幾何特征來看，建筑物出口與道路之間組成一個“T”形的交叉口形式，這與主路優(yōu)先的無信號“T”形交叉口的圖譜結(jié)構(gòu)具有一較高的相似性。因此，本次研究主要是參照主路優(yōu)先的無信號交叉口次要道路車流插入的可接受間隙理論模。但是目前的可接受插入間隙理論模型主要是針對城市道路主次干道相交路口進行的理論研究，與城市道路兩側(cè)的建筑物出口與道路連接處的通行能力研究還存在一定的差異性。因此本文在參照主路優(yōu)先的無信號交叉口次要道路的車流插入間隙理論模型基礎(chǔ)上，通過實際調(diào)查數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行修正和標定，獲得了城市建筑物出口與道路連接處的通行能力模型，較好地解決交通影響評估存在的難于合理確定城市土地利用開發(fā)對道路交通影響的難題。

1 可接受間隙理論模型及其局限性分析

可接受間隙理論模型主要是針對主要道路與次要道路組成的交叉口。模型假設(shè)主路車流優(yōu)先通過交叉口，即通過交叉口時不受影響，不產(chǎn)生延誤，而從離開的車輛（次路車流）必須在交叉口前等待，只有當主路車流出現(xiàn)足夠大的間隔，次要道路的車輛才能利用主路車流的間隙通過。在該假設(shè)下，若已知主路車流的流率及車流中車頭間隙的分布規(guī)律，則能求出次要道路在一定時段內(nèi)經(jīng)間隙插入主路車流的車輛數(shù)［4－5］。

根據(jù)上述假設(shè)可得到

式中：Q為主路車流的流量；Qm為次路車流的流量；tc為主路車流可插入臨界間隙；tf為次路車流跟隨時間，一般情況下tc＝6～8s，tf＝3～5s。

由可接受間隙理論前提假設(shè)可知，該模型應(yīng)用于建筑物出口可插入車流能力計算時，還存在以下局限性。

1）主路可接受間隙tc和次要道路車輛跟隨間隙tf是固定值，不能體現(xiàn)不同等級道路對建筑物的可插入流量的容忍差異。

2）模型假設(shè)次要道路可容納無窮多輛車排隊，即n可以為無窮大，而實際上，建筑物出口前因空間有限，可容納排隊車輛數(shù)為有限值。

2 模型的修正及參數(shù)標定

根據(jù)對現(xiàn)有模型的分析可知，建筑物出口前因空間有限，可容納排隊車輛數(shù)n為有限值，同時Q，tc等2個參數(shù)會受主路車流速度的影響而變化。因此筆者主要研究建筑出口可容納排隊車輛數(shù)n、主路車流速度對模型的影響，并加以修正。

2.1 建筑物出口可容納排隊車輛數(shù)對模型的影響分析

假設(shè)建筑物出口最多可容納n輛車排隊，則為當主路車流間隙為t時，有k輛建筑物的車輛進入主路 （k≤n），其概率pk（t）有

則建筑物的車輛利用間隙t進入主路的車輛數(shù)為：

由于建筑物出口可以容納n輛車排隊，因此當t＞tc＋ntf時，次路進入主路車輛達到最大數(shù)n，車輛數(shù)并不會隨著主路的間隙t的增大而增加。故原推導(dǎo)公式（t）·g（t）dt應(yīng)分為2個階段，即當tc＋（n－1）tf≤t≤tc＋ntf時，有Qm＝f（t）·g（t）dt，當t＞tc＋ntf時，有Qm＝f（t）dt，因此建筑物出口車流Qm應(yīng)為

由上式可知，建筑物出口可容納排隊車輛數(shù)對原模型的影響系數(shù)a為 （1－e－nQtf），該系數(shù)的取值范圍小于或等于1，說明建筑物出口的可容納排隊車輛數(shù)對原模型具有折減作用，下圖是a隨著n增大的變化情況（假設(shè)Q＝600pcu，tf＝3s）。

圖1 折減系數(shù)a隨可容納車輛數(shù)n的變化情況Fig.1 The relationship between reduction factor a and accommodate vehicle number n

2.2 主路車流速度對主路可接受間隙tc的影響分析

根據(jù)既有理論可知，主路的臨界間隙（tc）是指在主路車流中出現(xiàn)的駕駛?cè)四芙邮艿淖钚￠g隙，一般情況下，駕駛?cè)藭芙^1個小于臨界間隙的時間間隔而接受1個大于臨界間隙的時間間隔。實際上，駕駛?cè)丝山邮艿呐R界間隙不是1個常量，它的分布函數(shù)及其參數(shù)值不能直接測量獲得，目前大多數(shù)的應(yīng)用多取其經(jīng)驗值（大型車取10～8s，混合車取8～6s，小型車取6s）。

假設(shè)建筑物出口是右轉(zhuǎn)進入主路，初始速度為v0，主路車流速度為v，車身長度為L0，主路車流行駛時最小安全間距為h（前車后懸與后車前懸之間的距離），建筑物出口車輛可匯入主路時主路車流的間距為L（前車后懸與后車前懸之間的距離），次路車輛匯入主路所用時間為t。

在次路車輛匯入主路過程中，次路車輛從速度v0加速到速度v，其在主路行駛的距離為：S1

此過程中，主路前車和后車行駛的距離為：S2＝v·t

為了使建筑物出口車輛匯入主路過程中不影響主路車輛行駛，應(yīng)該滿足插入車輛與前車和后車均要保持安全距離，即：前車與插入車之間間距（前車后懸與后車前懸之間的距離）L1＝S2－S1

插入車與后車之間間距（前車后懸與后車前懸之間的距離）

得出：L≥L0＋h＋

于是得出主路車流可插入臨界間距L與主路車流速度v、次路車輛速度v0之間的關(guān)系，Lmin

若把次路車輛在插車過程中，看作是勻加速運動，汽車加速度為a，根據(jù)物理學(xué)定義，汽車在加速過程中有

v＝v0＋a·t得，代入上式，可得

（1）參數(shù)標定。車輛長度L0。汽車長度跟汽車車型設(shè)計有關(guān)，參考規(guī)定中的機動車尺寸如下。

表1 不同車型車長參考值Tab.1 The vehicle length reference value of different types

（2）安全間距h。是指車輛在行駛過程中后車車頭與前車車尾間距離，是保證前后2車不發(fā)生追尾事故的重要參數(shù)，一般而言，前車發(fā)生制動操作后，后車駕駛?cè)嗽陂_始制動前需要0.7s的反應(yīng)時間（駕駛?cè)朔磻?yīng)時間與制動器反應(yīng)時間），因此安全間距是保證在此反應(yīng)時間內(nèi)，后車不會追上前車的距離。表2是在不同速度下的安全間距要求。

表2 不同速度下車輛制動反應(yīng)縱向安全間距情況Tab.2 The reaction safe distance with different speeds

（3）加速度a。本次定義的加速度是汽車在操作過程中的平均加速度，其大小不僅與汽車性能有關(guān)，還與在操作過程中駕駛?cè)说牟僮魇炀毘潭扔嘘P(guān)，通過在不同路段的右轉(zhuǎn)車輛匯入主路加速時間的調(diào)查，可以統(tǒng)計得出車輛在不同情況下的平均加速度，本次研究建議加速度a的取值為2.5～3.5m／s2。

表3 不同速度下車輛右轉(zhuǎn)匯入主路時間統(tǒng)計情況Tab.3 The time of turn right into the main road with different speeds

2）主路車流可插入臨界間距L的回歸分析。通過多次調(diào)查記錄主路上每個間距的大小L和在該間距中插入的車輛數(shù)，再以每輛車的可插入平均間距進行線性回歸，得出可插入臨界間距L的觀測值，與公式推導(dǎo)的計算值（取小客車L0＝5 m，a＝3m／s2）進行對比分析，見表4。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主路的可插入臨界間距隨著主路速度的增加而增加，通過回歸分析，主路不同速度的情況下，主路可插入臨界間距的觀測值與推導(dǎo)公式計算值之間的偏差范圍在10%以內(nèi)，屬于可接受偏差范圍，可見模型公式的建立是可接受的。

3）可接受的臨界間隙（tc）的修正。根據(jù)定義，主路可接受間隙tc是主路車流中2輛車的車頭時距，即

由以上函數(shù)關(guān)系式可知，主路車流可接受臨界間隙tc與主路車流速度（v）、次路車輛起始速度（v0）、車型（L0）和插車過程的操作（a）等因素有關(guān)。主路車流速度越大，需要的可接受臨界間隙越大；車型越大，可接受臨界間隙越大；插車過程操作越困難，需要的可接受臨界間隙越大；低速插入比停車插入通過的可接受臨界間隙小。

式中，對于停車待機通過者，若取v0＝0，a＝3m／s2，小汽車L0＝5m，則

2.3 主路車流速度與主路流量的關(guān)系對模型的影響分析

車流速度v、道路交通量流Q和交通流密度是交通流理論三大參數(shù)，車流速度與交通流量之間有著內(nèi)在的聯(lián)系，同一道路的不同流量，車流速度也不一樣，兩者關(guān)系可以用v＝v（Q）來表示。從定性上分析，車流在穩(wěn)定流范圍內(nèi)，Q越大，速度v越小。本次研究通過參照廣州模型采用的速度流量函數(shù)關(guān)系，歸納得出v與Q的定量關(guān)系式，各路段類型流量速度關(guān)系見表5。

另一方面，隨著建筑物的車流插入到主路，主路車流下游的流量將增加，伴隨著主路車流速度將會降低，從而進一步影響建筑物插入的車輛數(shù)，主路車流與建筑物出口可插入車流量相互制約的過程是1個動態(tài)的過程。

表5 各路段類型的速度流量函數(shù)關(guān)系Tab.5 The V-C function relationship of different road grade

3 不同等級道路建筑物出口可插入車流能力模型

綜合以上各種情況分析可知，不同等級道路情況下建筑物出口可插入車流量是不同的，此數(shù)值與建筑物出口的可容納排隊車輛數(shù)有關(guān)，更與主要道路的車流速度有關(guān)，主路車流速度又與主路流量息息相關(guān)，會隨著主路車流量的變化而變化，綜合考慮以上各因影響因素，得出不同等級道路條件下，建筑物出口可插入車流量的計算過程如下。

第1步。根據(jù)主路的車流狀況Q，結(jié)合道路等級，根據(jù)表5中函數(shù)關(guān)系計算出主路車流速度。

第3步。根據(jù)公式Qm＝Q·（1－e－nQtf），計算出建筑物出口可插入車流量Qm1。

第4步。令Q＝Q＋Qm1，計算出建筑物出口可插入車流量初始值后，根據(jù)主路最新的流量情況，重復(fù)前3步操作，計算Qm2。

第5步。重復(fù)迭代計算，當前1次計算的Qm（n－1）與后 1 次計算的 Qm（n）相 等，即 Qm（n）＝Qm（n－1）或Qm（n）＝Qm（n－2）時，停止計算，次要道路最終的建筑物出口可插入車流量Qm＝Qm（n）。

根據(jù)以上的計算過程，計算不同道路等級道路條件下建筑物出口可插入車流量，得出建筑物出口可插入車流量隨道路等級變化關(guān)系圖，見圖2。

圖2 建筑物出口可插入車流量與道路等級關(guān)系圖Fig.1 The relationship between insertable traffic volume in entrance of buildings with road grad

4 結(jié)束語

為提高城市規(guī)劃的科學(xué)性和合理性，國內(nèi)外一些大城市都研究建立了基于城市土地利用開發(fā)的交通影響評估機制。筆者針對交通影響評估工作存在的難于準確確定城市道路兩側(cè)的建筑物出口的可插入車流量這一難點問題進行研究。本次研究目的主要是基于交通調(diào)查和廣州交通模型的成果而進行的。本次研究通過分析建筑出口可容納排隊車輛數(shù)及主路車流速度對建筑物出口可插入車流能力的影響，對既有可接受插入間隙理論模型的參數(shù)進行修正和標定，得出了不同等級道路兩側(cè)建筑物出入可插入車流量的計算模型。通過對建筑物出入口交通特征的觀察，本次研究建立的模型對實際運行狀具有更好的擬和性，比較接近實際交通運作特征，由此可見研究成果基本可以驗證該方法在技術(shù)上是基本可行的。目前該成果已在廣州市交通影響評估工作得到實際運用。但由于很多應(yīng)用項目尚處于規(guī)劃或建設(shè)階段，短期內(nèi)難以項目難以建成或達到正常運營的階段，因此，建筑物出入口開通前后的實測數(shù)據(jù)難以獲取，因此模型的精度等還需要今后進一步采集數(shù)據(jù)后驗證。同時，建筑物出口內(nèi)路側(cè)視距、公交汽車站、混合交通等均對建筑物出口與道路連接處的通行能力產(chǎn)生一定程度的影響，也需要在下一步將通過收集更多實際交通數(shù)據(jù)，進一步細化和校正模型的相關(guān)參數(shù)，以提高模型的準確性和實用性。

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