城市大流量道路交叉口可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)了一種可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道。該可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道由旋轉(zhuǎn)控制主體和相關(guān)配套設(shè)施組成，可以根據(jù)道路交叉口不同時(shí)期的交通流情況，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流車道的多方位旋轉(zhuǎn)切換控制，以快速疏導(dǎo)階段性的大流量小型機(jī)動(dòng)車輛。本設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：可旋轉(zhuǎn)車道;立體交通;交通疏導(dǎo);道路交通

中圖分類號(hào)：U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(diǎn)，車輛和行人交織使該處的交通狀況尤為復(fù)雜。而車與車之間、人與車之間不斷發(fā)生的交通沖突導(dǎo)致交通擁堵時(shí)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(guó)內(nèi)外諸多研究表明，城市道路信號(hào)交叉口的擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重。相關(guān)資料顯示，85%以上的交通延誤集中在城市道路信號(hào)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(yán)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(guān)鍵道路交叉口興建立交橋或隧道，使大流量機(jī)動(dòng)車不受路口交通信號(hào)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(jiǎn)單立交和有匝道立交兩種。其中，簡(jiǎn)單立交的主要工程是修筑隧道或高架橋，在一定程度上實(shí)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(hào)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(shè)置交通信號(hào)燈進(jìn)行管理。但是，興建立體橋或隧道造價(jià)高、投資大、占地多、工期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)條件一般的城市難以承擔(dān)嚴(yán)重的財(cái)政負(fù)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(jī)動(dòng)車，基于此，本研究設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在城市大流量交叉口的可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道，其可根據(jù)路面車輛的通行情況，通過旋轉(zhuǎn)控制適時(shí)切換導(dǎo)流車道，專供小型機(jī)動(dòng)車輛不受路口信號(hào)燈控制無障礙直行。該設(shè)計(jì)具有造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)單、占地較少、操作方便、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)應(yīng)用前景。

2 可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

本研究設(shè)計(jì)的可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道適用于東西、南北向車道數(shù)相同且道路內(nèi)側(cè)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(shè)置可旋轉(zhuǎn)的控制平臺(tái)，利用可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)架設(shè)可旋轉(zhuǎn)控制的導(dǎo)流車道，在路面設(shè)置嵌入式圓形軌道，導(dǎo)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(zhuǎn)以進(jìn)行車道切換[1]?？尚D(zhuǎn)導(dǎo)流車道外觀如圖2所示。

2.2 可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道設(shè)計(jì)方案

可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道包括可旋轉(zhuǎn)控制中心平臺(tái)、車道主體和地面輪軌三部分。

2.2.1 可旋轉(zhuǎn)控制中心平臺(tái)設(shè)計(jì)?？尚D(zhuǎn)控制中心平臺(tái)位于道路交叉口的中心位置，下方由柱體支撐，柱體頂端設(shè)置承接雙向?qū)Я鬈嚨赖目尚D(zhuǎn)托盤?？尚D(zhuǎn)控制中心平臺(tái)的高度可依據(jù)不同路段交通限高要求設(shè)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(dǎo)流車道下方安全通行。

在設(shè)計(jì)該平臺(tái)時(shí)，由于平臺(tái)在不同方向要承受不同作用的荷載力，因此，支撐梁的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)采用柱式框架墩，柱式框架墩的直徑可以根據(jù)導(dǎo)流車道數(shù)量的設(shè)置情況設(shè)定。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)可以采用環(huán)道與中心支承相結(jié)合的球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)體系。

2.2.2 車道主體設(shè)計(jì)。根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 37—2012），車道可以根據(jù)道路交叉口的實(shí)際設(shè)計(jì)雙向2道或4道導(dǎo)流車道，每條車道寬3.5 m，車道坡長(zhǎng)不小于10 m，坡度低于30°。導(dǎo)流車道上部通過軸承與固定平臺(tái)連接，下端通過滾輪與嵌入地面的圓軌連接。雙向?qū)Я鬈嚨乐虚g設(shè)置中央隔離護(hù)欄，車道兩側(cè)邊緣加裝防護(hù)欄，以保證車輛通行安全。導(dǎo)流車道主體由高強(qiáng)鋼焊接制成，并且具備抗壓、抗拉等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到導(dǎo)流車道施工架設(shè)的便利性，相關(guān)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為裝配式構(gòu)件，便于快速安裝和拆卸。車道主體設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2.3 地面輪軌設(shè)計(jì)。地面輪軌供支撐導(dǎo)流車道在地面進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。為了不影響路面車輛正常通行，旋轉(zhuǎn)軌道采用路面嵌入形式[2]。導(dǎo)流車道通過軌道輪支撐與路面軌道銜接，在進(jìn)行導(dǎo)流車道旋轉(zhuǎn)時(shí)，支撐導(dǎo)流車道的軌道輪在嵌入路面的軌道轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

嵌入式軌道結(jié)構(gòu)中的槽型軌與軌道板的連接方式不同于傳統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)中離散的扣件連接方式，它是在路面混凝土或?yàn)r青材料整體道床中設(shè)置一個(gè)凹槽，槽型軌放置在凹槽內(nèi)，高分子彈性材料敷設(shè)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(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，且維修養(yǎng)護(hù)工作量少。嵌入路面式軌道如圖4所示。

2.3 控制方案設(shè)計(jì)

導(dǎo)流車道的控制方案包括道路狀況研判方案與自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)方案。導(dǎo)流車道運(yùn)行邏輯如圖5所示。

2.3.1 道路狀況研判方案。對(duì)采集到的道路車輛行駛速度、交通量等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用交通流理論剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并利用歷史數(shù)據(jù)法補(bǔ)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(kù)，并用其計(jì)算路段的交通飽和度。在信號(hào)交叉口，車流的飽和度是該車流的實(shí)際交通流量與該車流的飽和通行能力的比值。

旋轉(zhuǎn)切換導(dǎo)流車道的基礎(chǔ)條件由道路交叉口的交通擁堵度決定。本研究采用學(xué)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(jìn)行綜合模糊判斷分級(jí)。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(yīng)的模糊推理規(guī)則，如表1所示[3]。當(dāng)模糊判定為擁堵時(shí)，符合調(diào)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道的初步條件。

2.3.2 自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)方案。因旋轉(zhuǎn)過程牽涉的組件較多，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道從模式啟動(dòng)到正式啟用大約需要1 min的時(shí)間，且導(dǎo)流車道的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)駕駛員駕駛心理產(chǎn)生一定影響。因此，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道的啟用應(yīng)克服局部因素?cái)_動(dòng)的影響，需要在連續(xù)觀察若干個(gè)路口信號(hào)周期車流量變化情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行研判和確定，不能因?yàn)橹毙熊嚵髟诙虝r(shí)間內(nèi)出現(xiàn)流量增大而頻繁旋轉(zhuǎn)切換導(dǎo)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(gè)信號(hào)周期擁堵時(shí)，才能夠啟用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道。根據(jù)前述分析，借鑒學(xué)者傅立駿等基于動(dòng)態(tài)交通流量的可變車道自適應(yīng)控制方法研究，確定基于反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道自適應(yīng)控制方案[4]，如圖6所示（N為連續(xù)觀測(cè)的周期數(shù)）。

2.4 導(dǎo)流車道旋轉(zhuǎn)過程設(shè)計(jì)

以雙向8車道的道路交叉口為例。假設(shè)導(dǎo)流車道初始階段架設(shè)在東西向直行車道上，當(dāng)南北向直行流量過大時(shí)，且道路狀況經(jīng)過設(shè)定的若干信號(hào)周期被研判為道路交通擁堵時(shí)，要立即啟動(dòng)導(dǎo)流車道旋轉(zhuǎn)切換程序，即將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道由東西方向旋轉(zhuǎn)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(hào)燈控制的通行便利[5]。導(dǎo)流車道的旋轉(zhuǎn)過程分為預(yù)信號(hào)提醒、清空交叉口車輛行人、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道三個(gè)步驟。

2.4.1 預(yù)信號(hào)提醒。預(yù)信號(hào)是在導(dǎo)流車道旋轉(zhuǎn)切換前對(duì)過往車輛或行人的提醒和警示，其設(shè)置在導(dǎo)流車道不同方位前方駛?cè)敕较?。根?jù)道路交叉口通行情況，當(dāng)研判進(jìn)入導(dǎo)流車道切換模式，需要啟用導(dǎo)流車道時(shí)，預(yù)信號(hào)開始工作，對(duì)交叉口的過往車輛和行人進(jìn)行信號(hào)提示。預(yù)信號(hào)由交通信號(hào)電子顯示屏、警示燈、語音播報(bào)器、警鐘鳴示器等組成。交通信號(hào)電子顯示屏、警示燈、警鐘鳴示器設(shè)置在導(dǎo)流車道前方駛?cè)敕较?0～60 m處，語音播報(bào)器設(shè)置在道路交叉口4個(gè)不同方位，提醒過往車輛和行人注意即將進(jìn)行車道旋轉(zhuǎn)切換。

2.4.2 清空交叉口車輛行人。在道路交叉口進(jìn)入車道切換模式時(shí)，各方向車道上的預(yù)信號(hào)進(jìn)行警示提醒，給已經(jīng)進(jìn)入交叉口的過往車輛和行人以足夠時(shí)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(shí)間。行人的過路時(shí)間一般為道路整體寬度與行人平均速度的比值。當(dāng)?shù)缆方徊婵谝曨l檢測(cè)裝置檢測(cè)到交叉口流量為0時(shí)，表明車輛和行人已清空，此時(shí)交叉口各方向預(yù)信號(hào)顯示“禁止通行”，并進(jìn)行語音播報(bào)：“現(xiàn)在進(jìn)行導(dǎo)流車道旋轉(zhuǎn)切換，禁止通行。”

2.4.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道。當(dāng)?shù)缆方徊婵谲囕v和行人清空后，導(dǎo)流車道利用頂端帶有軸承的旋轉(zhuǎn)控制平臺(tái)，底端連接地面的圓形軌道，經(jīng)過20～30 s的時(shí)間，由東西方向順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°切換至南北方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)完成后，各方向預(yù)信號(hào)顯示“允許通行”，并進(jìn)行播報(bào)：“導(dǎo)流車道旋轉(zhuǎn)切換完成，允許通行。”此時(shí)，南北方向擁堵的小型車輛可以借助導(dǎo)流車道不受路口信號(hào)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(hào)燈的指示下通行。導(dǎo)流車道旋轉(zhuǎn)始末狀態(tài)如圖7和圖8所示。

3 創(chuàng)新特色

針對(duì)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(yùn)用車路橋協(xié)同的理念，設(shè)計(jì)了一種可旋轉(zhuǎn)切換的導(dǎo)流車道。該車道可以避免道路交叉口小型直行車輛沖突，達(dá)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(shè)計(jì)主要?jiǎng)?chuàng)新之處有以下三點(diǎn)。

3.1 可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道可根據(jù)道路交叉口的交通情況進(jìn)行旋轉(zhuǎn)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(duì)通行的車道進(jìn)行調(diào)整。而可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道可以根據(jù)道路交叉口通行情況旋轉(zhuǎn)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(hào)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(diǎn)。

3.2 可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道采用鋼架單元模塊化的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將整體的鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為若干單元模塊，這些單元模塊在施工時(shí)可以快速拼裝架接和拆卸。同時(shí)，由于單元模塊化設(shè)計(jì)，一旦有單元模塊構(gòu)件出現(xiàn)問題，可以迅速進(jìn)行更換維修，而不會(huì)影響導(dǎo)流車道的整體運(yùn)行。

3.3 可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道具有完善的自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

通過MATLAB模糊推理和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道的自適應(yīng)控制。MATLAB模糊推理根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的車流信息推斷出道路暢通情況，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制導(dǎo)流車道的旋轉(zhuǎn)，符合我國(guó)交通智能化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。

3.4 可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流車道建造占地少，周期短，成本低

首先，導(dǎo)流車道可以在現(xiàn)有符合條件的道路交叉口進(jìn)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(duì)道路交叉口進(jìn)行大規(guī)模拆建。其次，鋼架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流車道只需進(jìn)行拼接安裝，不需要進(jìn)行混凝土整體澆筑，故整體建造安裝速度快，工期短，不會(huì)對(duì)路面交通產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間影響。再次，鋼架結(jié)構(gòu)單元模塊制造成本較低，不需要較大的財(cái)政投入，一般經(jīng)濟(jì)條件城市都可以承受。

4 應(yīng)用前景

對(duì)于本設(shè)計(jì)，還可以在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上更好地拓展新的功能。第一，可以在現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，延伸拓展其道路交叉口的左轉(zhuǎn)彎車輛導(dǎo)流車道，解決某些道路交叉口左轉(zhuǎn)方向交通擁堵的問題。第二，可以在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，延伸拓展其可移動(dòng)轉(zhuǎn)移功能，以應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其局部進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其具有更強(qiáng)的遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)功能，將其應(yīng)用在高速公路事故救援、交通擁堵路段小型車輛借助對(duì)向車道導(dǎo)流等，以緩解高速公路突發(fā)的交通擁堵問題。

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