基于機動車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差的交叉口慢行優(yōu)化設計

鄢勇飛，吳 丹，張 燦

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023）

0 引言

城市道路平面交叉口是各種交通方式?jīng)_突最集中的區(qū)域。右轉(zhuǎn)彎機動車與行人、非機動車之間的沖突易被忽視，大型車輛在道路交叉口右轉(zhuǎn)彎碾壓行人、自行車或電動車騎行人導致的傷亡事故時有發(fā)生[1-3]，其中大貨車在路口右轉(zhuǎn)彎時剮蹭、碾壓行人或非機動車騎行人員致死的交通事故約占30%[4]。

大型車輛右轉(zhuǎn)彎引發(fā)的交通事故給非機動車騎行人員的生命財產(chǎn)造成了重大損失，諸多學者也從多方面因素開展相關研究。交通事故發(fā)生的原因與人、車、路和環(huán)境等因素相關，主觀方面有機動車駕駛員、非機動車騎行員、行人等行為因素；客觀方面有車輛技術參數(shù)、道路條件及現(xiàn)場環(huán)境因素等，機動車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差是影響因素之一。

范朔、李逸良等[5-7]分析了車輛轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差的形成機理及理論計算模型和影響參數(shù)關系。熊建昌、劉佳昆等[8-12]從減少駕駛員視覺盲區(qū)，提出了盲區(qū)預警、障礙物檢測、碰撞預警、駕駛員和車外人員輔助預警系統(tǒng)等輔助措施。王清洲[4]、龍可可[13]、白子建[14]分析了右轉(zhuǎn)盲區(qū)及內(nèi)輪差與交叉口區(qū)域沖突原因、提出了安全性評價方法模型及改善措施。少數(shù)城市的交管部門在交叉口地面施劃了右轉(zhuǎn)彎警示區(qū)，見圖1。已有研究多側(cè)重于車輛構造設計、機動車駕駛員視覺輔助、盲區(qū)預警檢測和安全評價等方面，沒有對典型設計車輛尺寸條件下機動車右轉(zhuǎn)彎與不同慢行空間位置所產(chǎn)生的沖突情景分析，缺少具體的交叉口優(yōu)化設計措施。

圖1 車輛右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差示意圖與現(xiàn)實圖

本文在機動車右轉(zhuǎn)內(nèi)輪差的形成機制及模型測算基礎上，分析了典型設計車輛內(nèi)輪差與車輛軸距、路緣石轉(zhuǎn)彎半徑的變化規(guī)律，利用仿真軟件對典型非機動車道斷面組合型式下機動車右轉(zhuǎn)彎與非機動、行人的沖突進行對比評估，為交叉口慢行空間優(yōu)化設計提供參考。

1 機動車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差

機動車在轉(zhuǎn)彎行駛時，同側(cè)的前后車輪行駛軌跡線是不重合的，存在一定偏差，后輪的軌跡半徑要小于前輪的軌跡半徑，它們之間的半徑差即“輪差”[6]，靠近轉(zhuǎn)彎圓心的為內(nèi)輪差，前后兩輪行駛軌跡形成半月形合圍區(qū)域，見圖2（使用Auto TURN 仿真軟件模擬的雙軸貨車右轉(zhuǎn)軌跡）。根據(jù)車輛構造和剛體運動學原理，現(xiàn)有車輛由于存在車輛非轉(zhuǎn)向輪的限制及前后車輪軸距，車輛轉(zhuǎn)彎過程中的輪差是客觀存在的。

圖2 內(nèi)輪差計算模型圖（雙軸車輛右轉(zhuǎn)向）

行駛中的輪差是動態(tài)變化的，其影響因素包括車輛前后輪軸距、輪距、轉(zhuǎn)向角度等[12]。右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差理論計算模型見圖2，由車輛剛體運動學理論及幾何關系可得到：

式中：R 為右轉(zhuǎn)內(nèi)輪差；R0為前外輪轉(zhuǎn)彎半徑，前輪轉(zhuǎn)角達到最大值的情況下，即為車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑，由設計車輛的自身動力性能參數(shù)決定（可通過車輛原地轉(zhuǎn)圈近似測定）；R1為前內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑，是駕駛員根據(jù)路口轉(zhuǎn)角情況操作方向盤轉(zhuǎn)彎時的半徑；R2為內(nèi)后輪轉(zhuǎn)彎半徑；D 為車輛輪距；L 為車輛前后輪軸距。

2 機動車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差

2.1 設計車輛與轉(zhuǎn)彎半徑

相關規(guī)范中的城市道路設計車輛分為小客車、大型車和鉸接車[15]，其相應車輛尺寸見表1。其中大型車包括“大型普通客車”和“重型普通貨車”。

表1 機動車設計車輛尺寸 單位：m

城市道路平面交叉口轉(zhuǎn)角緣石半徑根據(jù)右轉(zhuǎn)彎設計車速確定[16]，見表2。當有非機動車道時，推薦的轉(zhuǎn)彎半徑可減去非機動車道及機非分隔帶的寬度。

表2 平面交叉口路緣石右轉(zhuǎn)彎半徑

2.2 不同右轉(zhuǎn)彎半徑下的內(nèi)輪差

車輛在交叉口右轉(zhuǎn)彎時，駕駛員通常是參照車道邊路緣石半徑轉(zhuǎn)彎，同時盡量避免內(nèi)后輪碰撞路緣石，見圖2。為便于對比分析，根據(jù)以上三種設計車輛的參數(shù)，分別計算不同交叉口路緣石轉(zhuǎn)彎半徑下的內(nèi)輪差及其變化規(guī)律，見圖3?？傮w上，在相同轉(zhuǎn)彎半徑下，小客車的內(nèi)輪差要小于大型車和鉸接車；隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增大，三種車型的內(nèi)輪差都呈單調(diào)性減小。受最小轉(zhuǎn)彎半徑限制，三種車型根限內(nèi)輪差分別約為小型車1.75 m，大型車為2.5 m,鉸接車為3.4 m。

圖3 按不同緣石半徑右轉(zhuǎn)彎時車輛內(nèi)輪差變化圖

小型車在轉(zhuǎn)彎半徑5～15 m 的范圍內(nèi)，內(nèi)輪差由1.75 m 減少到0.5 m；大型車和鉸接車在轉(zhuǎn)彎半徑10～20 m 的范圍內(nèi)，內(nèi)輪差由3.4 m 減小到1.0 m。當轉(zhuǎn)彎半徑大于25 m 后，三種車型內(nèi)輪差減小幅度變小并趨于穩(wěn)定，大型車約為0.5～0.8 m，小客車約為0.2～0.3 m。

顯然，從減小右轉(zhuǎn)彎車輛內(nèi)輪差的角度看，交叉口路緣石設計半徑并不是越小越好，尤其是在大型車轉(zhuǎn)彎需求較多的交叉口。以小型車和大型客車為主的交叉口，路緣石設計半徑可取10～15 m；有大型貨車通行較多交叉口，路緣石設計半徑可取15～20 m。

2.3 不同軸距下的內(nèi)輪差

以小型車為例，在右轉(zhuǎn)彎半徑分別為10 m，15 m，20 m，25 m 的情況下，計算車輛在不同軸距尺寸下的內(nèi)輪差變化情況，見圖4?？梢钥闯?，在相同軸距下，轉(zhuǎn)彎半徑越小，內(nèi)輪差越大。在相同轉(zhuǎn)彎半徑下，車輛軸距越大，內(nèi)輪差越大。轉(zhuǎn)彎半徑越小，其對應的內(nèi)輪差隨軸距變化的曲線越陡，增加幅度越大。

圖4 不同軸距在確定轉(zhuǎn)彎半徑下的內(nèi)輪差變化圖

2.4 典型大型車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差分析

從與右轉(zhuǎn)彎事故發(fā)生的相關車輛類型分析[17]，大型貨車的事故占比達到了96%，大型客車（以公交車類為主）的占比僅約4%。

以在城市交通中通行的典型大車型為例，大貨車、自卸渣土車、攪拌車和公交車尺寸見表3，分別計算在交叉口路緣石設計轉(zhuǎn)彎半徑下的內(nèi)輪差。

表3 典型大型車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差 單位：m

可以看出，當交叉口路緣石設計轉(zhuǎn)彎半徑為30 m時，大型車的右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差最小約為0.4 m；設計轉(zhuǎn)彎半徑為10 m 時，右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差最大可達約2.5 m。另外，公交車與大貨車在軸距和轉(zhuǎn)彎半徑大致相同的情況下，其右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差也基本相同，但從現(xiàn)有事故的統(tǒng)計看，與公交車相關的右轉(zhuǎn)事故卻遠低于大貨車[17]。

3 機動車右轉(zhuǎn)彎與慢行沖突分析

利用Auto TURN 仿真軟件模擬大型車輛（為便于對比分析，模擬大型車輛選取軸距6.5 m）右轉(zhuǎn)彎軌跡變化情形，分析右轉(zhuǎn)彎與慢行沖突情況。

3.1 典型非機動車道斷面右轉(zhuǎn)彎沖突

如圖5 所示，組合（a1）為人非共板的情況下，右轉(zhuǎn)非機動車與右轉(zhuǎn)機動車是沒有沖突的，但直行非機動車與右轉(zhuǎn)機動車流線存在沖突，當機動車右轉(zhuǎn)不受信號燈控制時，在機動車的右轉(zhuǎn)內(nèi)輪差范圍內(nèi)（圖中斜線陰影部分，下同）易發(fā)生碰撞事故。

圖5 人非共板組合（左a 1）與機非共板且有物理隔離設施組合（右a 2）

組合（a2），機非共板且有機非物理隔離設施（如側(cè)分帶、欄桿或防撞墩等，下同）情況下，右轉(zhuǎn)非機動車與右轉(zhuǎn)機動車的沖突與組合（a1）是相同的，但直行非機車不受路緣石高差影響，更易連續(xù)的通過路口，其與右轉(zhuǎn)機動車的沖突更易發(fā)生。

如圖6 所示，組合（b1）機非混行情況下，如果機非之間沒有物理隔離設施，右轉(zhuǎn)機動車軌跡基本不受限制，較易偏離正常行駛車道，直行非機動車完全暴露在右轉(zhuǎn)機動車的內(nèi)輪差范圍內(nèi)。組合（b2）當機動車從有物理隔離設施道路向無隔離設施道路右轉(zhuǎn)向時，機動車軌跡線在出口時宜偏向同側(cè)的非機動道。組合（b3）當機動車從無物理隔離設施道路向有隔離設施道路右轉(zhuǎn)向時，為避開出口處的物理隔離設施端頭，駕駛員會往左打方向盤，增大轉(zhuǎn)彎半徑，從而偏離同側(cè)行駛的非機動車道，相對組合（b2）較安全。

圖6 人非共板組合

如圖7 所示，組合（c3）為路口設置有右轉(zhuǎn)導流島時，根據(jù)規(guī)范[16]，右轉(zhuǎn)專用車道曲線半徑應大于25 m，對應右轉(zhuǎn)設計車速為30 km/h。當非機動道與右轉(zhuǎn)專用道共板時，與組合（b1）的情況類似。當非機動車道與人行道共板共用時，與組合（a1）情況類似。

圖7 有右轉(zhuǎn)安全島的組合（c3）

根據(jù)模擬軌跡，可以分別計算上述組合形式中內(nèi)輪差與慢行過街區(qū)域的重疊面積，見表4。對比看出，交叉口有右轉(zhuǎn)安全島的內(nèi)輪差重疊面積最小為6.1 m2，機非共板且進出口均無機非物理隔離的內(nèi)輪差重疊面積最大為31.7 m2，其它情形的內(nèi)輪差重疊面積基本相同約為24.5 m2。

表4 慢行空間與內(nèi)輪差重疊面積比較

從減少內(nèi)輪差事故的角度看，交叉口慢行空間應優(yōu)先考慮設置右轉(zhuǎn)安全島，其次為采用人非共板斷面形式，當采用機非共板斷面形式時應設置機非物理隔離設施。

3.2 慢行過街位置沖突

從圖5 和圖6 中車輛仿真軌跡可以看出，在無右轉(zhuǎn)安全島的情況下，右轉(zhuǎn)機動車與行人、非機動車過街存在較大沖突。

對于有機非物理隔離設施的，可在物理隔離設施端頭增設慢行過街島，起到限制右轉(zhuǎn)車輛偏移的作用，如圖8 和圖5 對比所示，但右轉(zhuǎn)內(nèi)輪差與慢行過街的沖突區(qū)域面積基本沒有變化，只是沖突重疊面積位置更靠近路中。對于沒有物理隔離設施的機非共板斷面的交叉口，可將人行橫道線后移適當距離，以減少與內(nèi)輪差的沖突區(qū)域面積，如圖9 和圖6（a1）對比所示，人行橫道越靠近路口，其與內(nèi)輪差重合面積越大。

圖8 在物理分隔設施端頭增加慢行過街島

圖9 人行過街位置適當后移

路口人行橫道位置后移可減少右輛內(nèi)輪差與行人、非機動車等待空間的沖突區(qū)域面積。增加人行過街島，可以防止右轉(zhuǎn)車輛軌跡偏向路側(cè)慢行空間區(qū)域。但對于正在過街行進中的行人、非機動騎行人員而言，其與不受信號燈控制的右轉(zhuǎn)車輛的內(nèi)輪差仍然會存在較大沖突區(qū)域，同時由于行人視線是背對著右轉(zhuǎn)機動車來車方向，當處于機動車駕駛員視線盲區(qū)時沖突風險更大。

4 結(jié)論與討論

本文分析了典型設計車輛內(nèi)輪差隨車輛軸距、交叉口路緣石設計轉(zhuǎn)彎半徑的變化規(guī)律，討論了非機動車道斷面組合型式下機動車右轉(zhuǎn)彎與非機動、行人的沖突情形，并提出了相關優(yōu)化設計建議。

（1）交叉口路緣石設計半徑并不是越小越好，以小型車和大型客車為主的交叉口，路緣石設計半徑可取10～15 m；有大型貨車通行較多交叉口，路緣石設計半徑可取15～20 m。

（2）交叉口慢行空間應優(yōu)先考慮設置右轉(zhuǎn)安全島，其次為采用人非共板斷面，當采用機非共板斷面時應設置機非物理隔離設施。

（3）交叉口人行橫道過街位置后移，可減少右輛內(nèi)輪差與行人、非機動車的軌跡沖突區(qū)域面積。

（4）大型客車與大型貨車的內(nèi)輪差與現(xiàn)有事故統(tǒng)計分析，表明右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差并非導致右轉(zhuǎn)彎事故的必要因素。機動車的客貨外形構造、駕駛員視覺盲區(qū)動態(tài)變化、右轉(zhuǎn)彎車速、非機動車騎行速度及觀察視線受阻等因素的影響需要進一步研究。

（5）目前普遍認為，交叉口采用小半徑路緣石有利于增加慢行等待空間，減少慢行過街距離；但小半徑也會導致右轉(zhuǎn)機動車的內(nèi)輪差增加，從而增加與行人、非機動車的剮蹭碾壓風險，如何平衡還需要進一步研究。