基于車道控制的城市主干道路段掉頭組織方法

饒 中，劉 遠(yuǎn)，劉 濤，代 萱

(1.深圳高速公路股份有限公司，深圳 518026；2.長(zhǎng)安大學(xué)運(yùn)輸工程學(xué)院，西安 710061；3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)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(dòng)脈，要求具備行駛速度高、道路干擾小、服務(wù)水平高的特點(diǎn)，一般具有道路寬度≥40 m、路段長(zhǎng)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(dǎo)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(guò)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(lái)，在主干道路段實(shí)施掉頭組織成為城市交通設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì).已有的路段掉頭控制方法，通常采用無(wú)信號(hào)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(duì)向直行車輛沖突嚴(yán)重等問(wèn)題[2].如何降低掉頭車輛對(duì)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(wèn)題.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交叉口掉頭、路段掉頭2種城市掉頭交通組織方式進(jìn)行了廣泛研究.在系統(tǒng)和全局規(guī)劃方面，Access Management[3]通過(guò)道路重要性、設(shè)計(jì)速度、交通量、交通運(yùn)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(biāo)準(zhǔn).張寧等[4]借鑒高速公路相關(guān)交織理論，提出了遠(yuǎn)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(guó)道路交通特性，從中央分隔帶開口選址與布局、機(jī)非分離的交通組織等方面對(duì)遠(yuǎn)引掉頭進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)劃.Prasanta Bhuyan等[6]通過(guò)統(tǒng)計(jì)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?duì)開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(biāo)分析方法.Olarte等[8]針對(duì)無(wú)信號(hào)控制的鄉(xiāng)村公路交叉口，提出了掉頭交通安全性及適應(yīng)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(yuǎn)引掉頭交通組織對(duì)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(yùn)行效率研究成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[10-13].劉仁文[15]通過(guò)車輛到達(dá)率和服務(wù)率等因素分析，提出了掉頭開口的尺寸設(shè)計(jì)方法.成衛(wèi)等[16]為分析遠(yuǎn)引掉頭對(duì)下游交叉口通行效率的影響，構(gòu)建了通行能力與車頭時(shí)距的關(guān)系模型.Ben-Edigbe[17]針對(duì)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(dòng)力學(xué)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(xué)者還對(duì)掉頭交通組織方法進(jìn)行了探討.例如張衛(wèi)華等[18]構(gòu)建了遠(yuǎn)引掉頭位置計(jì)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(guó)內(nèi)外研究?jī)?nèi)容主要集中于交叉口遠(yuǎn)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(guò)掉頭空間精細(xì)化設(shè)計(jì)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(jì)模型和信號(hào)控制模型.

1 空間幾何設(shè)計(jì)方法

1.1 車道數(shù)設(shè)計(jì)

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(jì)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(dāng)量小汽車換算系數(shù)，且λsml=1，λlrg=2.

考慮到路段內(nèi)各進(jìn)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(jìn)口方向的機(jī)動(dòng)車道數(shù)，計(jì)算方法如式(2)、(3)所示：

(2)

(3)

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

在各進(jìn)口方向機(jī)動(dòng)車道數(shù)確定的基礎(chǔ)上，構(gòu)建每個(gè)進(jìn)口方向直行車道數(shù)和掉頭車道數(shù)的求解模型，計(jì)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(jī)動(dòng)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(jì)

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(yùn)行特征，確定各進(jìn)口方向的掉頭車道位置.機(jī)動(dòng)車道從中央分隔帶向道路兩側(cè)由1開始編號(hào)，則上行方向與下行方向起始掉頭車道的編號(hào)計(jì)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(hào)；r為機(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)車道寬度；ceil表示返回大于或者等于指定表達(dá)式的最小整數(shù).

1.3 中央分隔帶開口尺寸設(shè)計(jì)

城市主干道中央分隔帶開口尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)車輛能順暢回轉(zhuǎn).結(jié)合我國(guó)設(shè)計(jì)車輛特征，以滿足上行方向和下行方向車輛同時(shí)掉頭為基本要求，提出路段中央分隔帶開口尺寸設(shè)計(jì)方法，計(jì)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(hào)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(hào)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(hào)周期值

掉頭位置的交通信號(hào)周期應(yīng)以直行、掉頭交通的通行延誤最小為目標(biāo)，根據(jù)路段交通量和直行交通停車率，進(jìn)行信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì).計(jì)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(hào)周期(s)；ceil表示返回大于或者等于指定表達(dá)式的最小整數(shù)；Ve為路段車道設(shè)計(jì)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(yàn)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(duì)象，使用激光測(cè)距儀和AxleLight便攜式路側(cè)激光交通調(diào)查儀對(duì)其道路設(shè)施、交通流量進(jìn)行調(diào)查.調(diào)查路段為雙向8車道，設(shè)計(jì)速度60 km/h，機(jī)動(dòng)車道寬度3.75 m，非機(jī)動(dòng)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(shí)間為2018-12-17(星期一)—2018-12-21(星期五)間的高峰時(shí)段(07:00—09:00、17:00—19:00).交通運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示.

圖1 原路段掉頭交通組織示意圖

表1 交通運(yùn)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(shí)測(cè)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(duì)不同流量及掉頭流量比例下掉頭交通運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，掉頭交通組織優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真參數(shù)如表2所示，平面圖如圖2所示.仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)為4 200 s，選取評(píng)價(jià)參數(shù)中的交通延誤和平均排隊(duì)長(zhǎng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)每次模擬采用不同的隨機(jī)因子進(jìn)行6次獨(dú)立的仿真實(shí)驗(yàn)，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(jì)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(shí)間有關(guān)，剔除0～600 s的運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)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(shí)施效果仿真評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示.

表3 實(shí)施效果的仿真評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3結(jié)果及圖1、2可知，通過(guò)所提方法優(yōu)化掉頭交通組織設(shè)計(jì)，合理調(diào)控車輛時(shí)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(duì)長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)度分別減少了2 m、1 m，降低幅度為40.0%、33.3%.

由此可見(jiàn)，掉頭車輛、直行車輛的路段交通延誤和排隊(duì)長(zhǎng)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(duì)向直行車輛的沖突，提高路段通行效率.

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)主干道路段實(shí)施掉頭組織時(shí)，掉頭車輛行駛不順暢、掉頭效率低等問(wèn)題，且對(duì)過(guò)境交通干擾較大，影響主干路快速通達(dá)功能發(fā)揮的問(wèn)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(yùn)行特征和運(yùn)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(duì)路段掉頭空間布局進(jìn)行優(yōu)化.

2)以掉頭交通和直行交通通行延誤最小為目標(biāo)，提出兩相位的掉頭交通組織信號(hào)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(duì)象，利用VISSIM對(duì)所提方法的實(shí)施效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法能顯著提高掉頭交通運(yùn)行效率.

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