城市道路路段行人立体过街设施设置条件研究

城市道路路段行人立体过街设施设置条件研究*

韩先科▲

(交通运输部规划研究院北京100028)

摘要为合理设置路段行人立体过街设施，保障过街行人安全，对某双向6车道主干路无信号人行横道处的过街行人等待时间、交通冲突时间及行驶车速进行了视频观测。定义了机动车流消散时间计算公式，根据调查获取的过街行人忍受等待时间阈值，给出了设置路段行人立体过街设施的机动车流率条件。基于调查数据，采用回归分析法构建了交通冲突时间与行驶车速的关系模型，依据安全行车所需满足的制动距离与冲突距离的关系，给出了设置路段行人立体过街设施的行驶车速条件。依据计算得到的信号控制人行横道设计通行能力，给出了设置路段行人立体过街设施的行人流率条件。研究结果表明，当机动车高峰时段每个信号周期内任意1个行驶方向机动车流消散时间大于60s，或行驶车速大于50km/h，或过街行人流率大于2200人/(hg·m)时，应考虑设置路段行人立体过街设施。

关键词交通工程；城市道路；行人立体过街设施；机动车流率；行驶车速；过街行人流率

中图分类号：U491文献标志码：A

收稿日期：2015-01-11修回日期：2015-07-09

基金项目*吉林省自然科学(批准号：201215176)资助

A Warranty Analysis of Grade Separated Pedestrian

Crossings of Urban Roadways

HAN Xianke

(TransportPlanningandResearchInstitute,MinistryofTransport,Beijing, 100028,Beijing,China)

Abstract:In order to set grade separated pedestrian crossing facilities reasonably on urban road sections and ensure the safety of crossing pedestrians, the video observation method was used to obtain the waiting time of crossing pedestrians, traffic conflicting times and driving speeds at an un-signalized crosswalk on an arterial road with two-way six lanes. Calculation formula of vehicle dispersing time was proposed, and the warrant of traffic volumes was defined for grade separated pedestrian crossing facilities according to investigated threshold value of crossing pedestrians′ tolerable waiting time. Based on observed data, regression method was applied to establish relationship model between pedestrian-vehicle traffic conflicting times and vehicle driving speeds. The warrant of driving speed for grade separated pedestrian facilities was determined based on the relationship between stopping sight distances and the width of conflict zones. The warrant of pedestrian volumes was defined by calculated design capacity of signalized crosswalks. The results show that grade separated pedestrian crossing facilities are warranted when vehicles’ dispersing time of any direction is more than 60 s during one cycle in peak hour, or driving speed is more than 50 km/h, or crossing pedestrian volume is more than 2 200 person/(hg·m).

Key words:traffic engineering; urban road; grade separated pedestrian crossing facilities; traffic volumes; speeds; pedestrian volumes

▲第一作者(通信作者)简介：韩先科(1978-)，博士，高级工程师.研究方向：公路与城市道路交通规划.E-mail：34275382@qq.com

0引言

路段行人立体过街实施是彻底将行人与机动车空间分离的有效手段。但在现有的行人过街设施中，常常会出现有的地方应该设置行人立体过街而没有设置，行人与车辆都存在巨大的安全隐患；而有的地方设置了人行天桥或者地道却没有多少行人使用，造成了资源的浪费。在现行的规范中，关于城市道路路段行人立体过街设施设置条件的描述相对较少。《城市道路工程设计规范》(CJJ37—2012)中规定[1]：快速路行人过街必须设置人行天桥或者人行地道，其他道路应跟据机动车交通量和行人过街需求设置人行天桥或者人行地道。《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69—95)规定[2]：行人横过市区封闭式道路或快速干道或机动车道宽度大于25m时，可设置人行天桥或地道；路段上双向当量小汽车交通量达1200pcu/h，或过街行人超过5000人/h时可设置人行天桥或地道。

在理论研究方面，Waizman 等[3]构建了基于微观仿真的人-车冲突的风险评价模型。Pawar等[4]研究了发展中国家的过街行人可接受的机动车时空间隔特性。Tulu等[5]调查分析了双向双车道道路的行人事故特征。Koopmans等[6]研究了儿童行人的受伤事故特征。Iryo-Asano等[7]研究了过街行人在绿灯闪烁期间的行为特征并进了建模。

黄文忠等[8]提出了行人和机动车延误的数学模型。吕纪伟[9]提出应综合考虑行人等待时间、机动车交通流特性、行人可接受穿越空挡等前提，确定行人过街设施的形式。袁进霞等[10]运用可插入间隙理论和概率论知识，分析了路段立体行人过街设施设置条件。李小鹏等[11]根据金阳新区 2020 年各主要干道上高峰小时机动车流量及行人过街量的情况，分析讨论了金阳新区各主要干道上 2020 年是否需要设置行人立体过街设施。

综上，国外对于过街行人行为特征及事故特征已开展了相关研究；国内对于城市道路路段行人立体过街设施设置条件的规定与研究，大部分都是文字性、概述性的描述；部分文献即使有定量分析，也只是给出建议值，并没有经过理论的推导与计算。所以笔者拟从机动车流消散时间、过街行人等待时间、交通冲突等方面进行分析，给出城市道路路段行人立体过街设施在机动车流率、行驶车速、行人过街流率量方面的设置条件，以期为道路交通规划、设计与管理部分提供参考与依据。

1数据调查分析

1.1调查方案

选取哈尔滨市黄河路路段上某无信号控制人行横道作为调查地点。黄河路为城市主干路，双向6车道，1块板断面，机动车交通量与过街行人数量均较大，具有代表性。调查时段为06:30～09:00时，同时采集了高峰时段与平峰时段，调查日天气状况良好，不会对调查结果产生不利影响。

首先在人行横道处停止线前10m和20m的道路上，用黄色的胶带粘贴出2条明显的黄线；然后在人行道上设置三脚架及录像设备，对调查道路由东向西方向的车流及过街行人进行观测。

观测的主要参数包括：过街行人等待时间、交通冲突时间及行驶车速。行驶车速通过车辆先后通过2条黄线的时间差间接计算得出；过街行人等待时间与交通冲突时间则在视频播放过程中采用秒表观测得出。本次调查的样本总量为1068人。

1.2数据分析

1.2.1过街行人等待时间

表1为调查时段内行人过街等待时间的调查统计结果。

表1　过街行人等待时间调查统计结果

由表1可见，随着行人过街等待时间的增长，选择强行穿越的比例会随之提高。调查过程中，除老年人过街等待时间超过60s外，其他年龄段的行人过街等待时间基本都在60s以下。

1.2.2交通冲突时间与行驶车速

交通冲突的标准定义为[12]：2个或多个道路使用者在一定的时间和空间上彼此接近到一定程度，此时若不改变其运动状态，就有发生碰撞的危险，这种现象称为交通冲突。交通冲突一般用时间或者距离来度量，笔者采用时间来表征过街行人与机动车的交通冲突程度，定义过街行人与机动车的交通冲突时间为：过街行人与机动车先后到达冲突地点的时间差值。其计算(观测)方法为：机动车到达冲突点的时间-行人到达冲突点的时间。其中，交通冲突点指行人与机动车运行轨迹的交点。在调查段时段内观测到60次行人与机动车冲突，统计出的数据见表2。

由表2可见，在这60组数据中，交通冲突时间分布在1.2～3.5s之间，在这个范围内，随着机动车车速的增加，行人与机动车的冲突时间减小，即交通冲突严重程度增加。在调查的时段内，人行过街横道没有出现人车相撞的交通事故，可以认为当人-车冲突时间大于1.2s时，不会有交通事故发生；而当冲突时间大于3.5s时，可以认为行人过街存在较大的穿越间隙，行人或者驾驶员有相对充裕的时间避让，行人与车辆的冲突较轻。

根据调查统计得到的数据，运用SPSS软件做出交通冲突时间与行驶车速散点，见图1。由图1可见，交通冲突时间随着行驶车速的提高而显著减小，即冲突更为严重。

选取幂函数、二次函数和指数函数，对已经得出的数据进行曲线拟合，结果见表3。由表3可见，幂函数和指数函数的拟合度都较高。但是，当自变量趋近为零时，指数函数趋近于1个正值；而当机动车车速趋近为零时，交通冲突时间是无限大的，这时候可以当作交通冲突不存在，所以交通冲突与机动车车速的关系模型选取幂函数更为合适，模型表达式为

Tc=82.671v-1.031

(1)

表2　行驶车速与交通冲突时间统计数据

图1　交通冲突时间与行驶车速散点 Fig.1　Traffic conflict time and driving speed

式中：Tc为机动车与过街行人的交通冲突时间，s；v为机动车车速，km/h。

表3　交通冲突时间与机动车车速关系模型

2行人立体过街设施设置的机动车流率条件

2.1机动车流消散时间

城市道路路段某一行驶方向的机动车流消散时间计算公式定义如下。

(2)

(3)

式中：Td为某一行驶方向的机动车流消散时间，s；qi为每个信号周期内，行驶方向i的车道平均到达率，veh/(s·ln)；h1为排队头车通过停车线的时间，可取2.3s[13]；ha为车通过停车线的平均时间，根据交通组成情况，可取为2.7～3.4s[12]；Q为机动车流率，veh/h；C为行人过街信号周期时间，s。

2.2设置条件

当路段人行横道处的机动车流率达到一定数值时，应该考虑设置行人过街信号。但随着机动车流率的继续增大，行人过街信号的周期就会相应增大，造成机动车或者过街行人等待时间增大。当机动车绿灯时间过大，甚至超过了行人可容忍的等待时间时，行人可能会强行穿越行人横道。此时，应考虑设置行人立体过街设施，其设置条件为：机动车高峰时段每个信号周期内任意1个行驶方向机动车流消散时间大于行人过街可忍受等待时间，即

(4)

式中：Tw为行人过街可忍受等待时间，s。

根据上述分析可知，除老年人外的其他年龄段的行人过街等待时间均在60s以下，为使研究具有代表性，行人过街可忍受等待时间可取为60s。将Td=60s代入式(2)，再根据式(3)，可计算得到设置行人立体过街设施的机动车流率条件为

Q>54100/C

(5)

3行人立体过街设施设置的行驶车速条件

3.1机动车制动过程分析

汽车紧急制动时一般可分为4个阶段[14]：①反应阶段。驾驶人从发现障碍物并意识到有危险，同时把脚放到制动踏板上的时间，即反应时间t0，t0的影响因素很多，一般取0.3～0.6s；在这个阶段可以把汽车看作是匀速运动。②制动力增加的阶段。驾驶员把脚放到制动踏板上，使之产生制动力并且使制动力从零增加到最大减速度的过程。对于不同的汽车，因为制动器类型不一样，制动力增加时间t1=0.15～0.9s，一般情况下取为0.6s。③制动力持续阶段。指汽车达到最大减速度后，以相同减速度减速直至停车的过程。④放松制动器间断。指驾驶员松开制动踏板阶段。

综上，汽车制动距离可分为3部分：驾驶人反应时间内车辆行驶距离S0、制动力增加阶段汽车行驶距离S1、持续制动阶段汽车行驶距离S2，即汽车制动距离S为

S= S0+ S1+S2

(6)

S0=vt0

(7)

(8)

式中：v为机动车制动前初始速度，m/s；g为重力加速度，取值9.8m/s2；φ为路面附着系数，对于城市道路，其取值一般为0.6～0.75。

式(8)中，由于t1较小，其平方值可以忽略不计。当车速v以km/h为单位时，汽车制动距离可以表示为

S= vt0+0.00394 v2/φ+0.139t1v

(9)

3.2设置条件

在路段人行过街横道处，当车速较高时，就会出现车辆的制动距离大于交通冲突距离的现象，从而引发交通事故。这时即使设置了行人横道信号灯，行人过街也会有危险，所以要避免这种情况发生。

根据已经建立的行驶速度v与交通冲突时间Tc关系模型，可得冲突距离Lc的计算式

Lc=Tcv=82.671v-0.031

(10)

当S>Lc时，应该设置行人立体过街设施，即

82.671v-0.031< t0+0.00394v2/φ+0.139t1v

(11)

因为表达式中系数一般都是1个范围，所以根据式(11)，计算出机动车的速度范围是50～67km/h之间。根据不同道路交通环境，当机动车速度大于50km/h时，就有可能出现S>Lc的情况，应该设置行人立体过街设施。而鉴于行人立体过街设施建设成本较高，当机动车速度小于50km/h时，可无需设置行人立体过街设施。

4行人立体过街设施设置的行人流率条件

4.1通行能力分析

设置过街信号的人行横道基本通行能力计算式为[12]

(12)

式中：Nbc为人行横道基本通行能力，人/ (hg·m)hg表示绿灯小时；vpc为行人过街速度，一般取1.2m/s；tgh为允许行人过街的绿灯小时，h；lp为行人行走时纵向间距，一般取1m；bp为每个人(1条步行带)占用的横向宽度，一般取0.75m。

人行横道的设计通行能力应该有相应的折减，一般情况下按照地区类型分别取值[13]：市中心、码头、商城等行人集中地区折减系数为0.75；大型商店、学校等行人较多地区折减系数为0.8；区域性文化商业中心地带折减系数为0.85。所以实际的人行横道设计通行能力为

(13)

式中：μ为实际运行中折减系数；δ为人行横道所在地区服务水平不同要求的折减系数。

根据式(12)与(13)，可计算得到人行横道的设计通行能力为：2000～2400人/(hg·m)。

4.2设置条件

设计服务水平条件下可以通过的行人流率Cp为

CP=NcW

(14)

式中：W为人行横道宽度，m。

当设计服务水平条件下可以通过的行人流率大于通行能力时，说明路段信号控制人行横道已无法满足行人过街需求，这时候应该考虑设置行人立体过街设施，即

(15)

本文取人行横道设计通行能力的中间值2200人/(hg·m)作为设置行人立体过街设施的过街行人流率阈值。

5结束语

1)通过对实测数据分析发现，当过街行人等待时间超过60s时，大部分行人会选择强行穿越道路。故当机动车高峰时段每个信号周期内任意1个行驶方向机动车流消散时间大于60s，即机动车流率大于54100/时 ，应考虑设置路段行人立体过街设施。

2)构建了过街行人-机动车交通冲突时间与行驶车速的关系模型，模型表明，随着行驶车速的提高，人—车冲突将更为严重。当车辆的制动距离大于交通冲突距离时会引发交通事故，故当机动车速度大于50km/h时，应考虑设置路段行人立体过街设施。

3)当过街行人流率大于信号控制人行横道设计通行能力，即大于2200人/(hg·m)时，应考虑设置路段行人立体过街设施。

上述3个条件，只需要满足1个条件，即建议设置行人立体过街设施。值得指出的是，本文是依据某一双向6车道、1块板断面的具体路段调查数据而进行的理论分析，样本量有限，是否适用于其他车道数及断面类型的城市道路路段，还有待于在今后研究中予以验证。

参考文献

[1] CJJ 37—2012 城市道路工程设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

CJJ 37—2012 Code for design of urban road engineering[S]. Beijing:China Architecture and Building Press, 2012. (in Chinese)

[2]CJJ 69—95 城市人行天桥与人行地道技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 1995.

CJJ 69—95 Technical specification of urban pedestrian overcrossing and underpass [S].Beijing:China Architecture and Building Press, 1995. (in Chinese)

[3]WAIZMAN G , SHOVAL S , BENENSON I . Micro-simulation model for assessing the risk of vehicle-pedestrian road accidents [J]. Journal of Intelligent Transportation Systems: Technology, Planning, and Operations, 2015, 19(1): 63-77.

[4]PAWAR D S, PATIL G R. Pedestrian temporal and spatial gap acceptance at mid-block street crossing in developing world[J]. Journal of Safety Research, 2015, 52(2): 39-46.

[5]TULU G S, WASHIONGTON S, HAQUE M M, et al. Investigation of pedestrian crashes on two-way two-lane rural roads in Ethiopia[J]. Accident Analysis and Prevention, 2015, 78(5): 118-126.

[6]KOOPMANS J M, FRIEDMAN L. Urban crash-related child pedestrian injury incidence and characteristics associated with injury severity[J]. Accident Analysis and Prevention, 2015, 78(4):127-136.

[7]IRYO-ASANO M, WAEL K M, NAKAMURA H.Analysis and modeling of pedestrian crossing behavior during the pedestrian flashing green interval [J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2015, 16(2): 958-969.

[8]黄文忠, 杨佩昆. 无控制行人横道处的行人和机动车延误分析[J]. 同济大学学报, 1995, 23(1): 31-36.

HUANG Wenzhong, YANG Peikun. Delay of pedestrians and vehicles at nonsignalized zebra crossing [J]. Journal of Tongji University, 1995, 23(1): 31-36. (in Chinese)

[9]吕纪伟. 城市行人过街设施的设置研究[J].黑龙江交通科技, 2010(6): 152-153.

LYU Jiwei. Setting of urban pedestrian crossing facilities [J]. Communications Science and Technology Heilongjiang, 2010(6): 152-153. (in Chinese)

[10] 袁进霞, 张卫华, 丁恒, 等. 城市道路路段立体行人过街设施设置的条件研究[J]. 合肥工业大学学报：自然科学版, 2010, 33(10) :1450-1453.

YUAN Jinxia, ZHANG Weihua, DING Heng, et al. Study of set condition of pedestrian overpass on urban road sections [J]. Journal of Hefei University of Technology, 2010, 33(10):1450-1453. (in Chinese)

[11]李小鹏, 陈锡泉. 城市新区行人立体过街设施设置分析：以贵阳市金阳新区为例[J]. 城市道桥与防洪, 2011(12):4-6.

LI Xiaopeng, CHEN Xiquan. Analysis on setup of elevated pedestrian crossing facilities in new area of city [J]. Urban Roads, Bridges & Flood Control, 2011(12):4-6.(in Chinese)

[12]裴玉龙, 冯树民. 基于交通冲突的行人过街危险度研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2007, 39(2): 285-287.

PEI Yulong, FENG Shumin. Study on hazard degree of pedestrians′ crossing based on traffic conflict[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(2): 285-287. (in Chinese)

[13]张亚平. 道路通行能力理论[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2007.

ZHANG Yaping. Highway capacity theory[M]. Harbin:Press of Harbin Institute of Technology, 2007. (in Chinese)

[14]王润琪，蒋科军. ABS汽车制动距离分析与计算[J].中南林学院学报, 2005, 25(2): 70-73.

WANG Runqi, JIANG Kejun. Analysis and calculation of braking distance of ABS automobiles[J]. Journal of Central South Forestry University, 2005, 25(2): 70-73. (in Chinese)