城市大流量道路交叉口可旋转导流车道设计

丁小龙

摘 要：为提高城市大流量交叉口的通行能力，缓解城市交通压力，有效减少道路交叉口车辆和行人的冲突，本文设计了一种可旋转导流车道。该可旋转导流车道由旋转控制主体和相关配套设施组成，可以根据道路交叉口不同时期的交通流情况，实现导流车道的多方位旋转切换控制，以快速疏导阶段性的大流量小型机动车辆。本设计能在确保行车安全的前提下，有效缓解道路交叉口的交通拥堵情况，提高人们的出行效率。

关键词：可旋转车道;立体交通;交通疏导;道路交通

中图分类号：U491文献标识码：A文章编号：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节点，车辆和行人交织使该处的交通状况尤为复杂。而车与车之间、人与车之间不断发生的交通冲突导致交通拥堵时有发生，直接影响人们的出行效率和城市形象。因此，解决道路交叉口的拥堵问题尤为必要。国内外诸多研究表明，城市道路信号交叉口的拥堵现象严重。相关资料显示，85%以上的交通延误集中在城市道路信号交叉口，平面交叉口的通行能力不及普通路段的50%，日常交通拥堵绝大部分是由于平面交叉口的通行能力不足造成的，如图1所示。

为了解决城市道路交叉口日益严重的交通冲突引发的交通拥堵和交通安全事故等问题，部分城市在关键道路交叉口兴建立交桥或隧道，使大流量机动车不受路口交通信号灯控制而快速通行，以减少道路交叉口的平面交通冲突。目前，立体交叉形式主要有简单立交和有匝道立交两种。其中，简单立交的主要工程是修筑隧道或高架桥，在一定程度上实现车辆在道路交叉口的空间分流，但平面通行车辆仍受交通信号灯控制;有匝道立交可使车辆在道路交叉口无冲突地快速直行和左行，而无须设置交通信号灯进行管理。但是，兴建立体桥或隧道造价高、投资大、占地多、工期长，经济条件一般的城市难以承担严重的财政负荷。

考虑到一般城市道路交叉口的交通拥堵和交通安全问题多是源于小型机动车，基于此，本研究设计了一种应用在城市大流量交叉口的可旋转导流车道，其可根据路面车辆的通行情况，通过旋转控制适时切换导流车道，专供小型机动车辆不受路口信号灯控制无障碍直行。该设计具有造价低廉、施工简单、占地较少、操作方便、机动灵活的优点，可有效改善道路交叉口的通行能力，缓解交通拥堵，具有较广阔的市场应用前景。

2 可旋转导流车道设计原理

2.1 设计思路

本研究设计的可旋转导流车道适用于东西、南北向车道数相同且道路内侧为直行车道的平面交叉口。具体思路是：在道路交叉口中心位置设置可旋转的控制平台，利用可旋转平台架设可旋转控制的导流车道，在路面设置嵌入式圆形轨道，导流车道两边末端路面接触部位采用轨道輪在地面圆轨旋转以进行车道切换[1]。可旋转导流车道外观如图2所示。

2.2 可旋转导流车道设计方案

可旋转导流车道包括可旋转控制中心平台、车道主体和地面轮轨三部分。

2.2.1 可旋转控制中心平台设计。可旋转控制中心平台位于道路交叉口的中心位置，下方由柱体支撑，柱体顶端设置承接双向导流车道的可旋转托盘。可旋转控制中心平台的高度可依据不同路段交通限高要求设定。一般情况下，选取4.5 m作为净空高度，能保证大型车辆在导流车道下方安全通行。

在设计该平台时，由于平台在不同方向要承受不同作用的荷载力，因此，支撑梁的设计可采用纵横垂直加劲肋的方式，使梁的受力能满足道路车道路面7座以下小型车辆的交通荷载要求。下部支撑结构采用柱式框架墩，柱式框架墩的直径可以根据导流车道数量的设置情况设定。转盘结构可以采用环道与中心支承相结合的球铰转动体系。

2.2.2 车道主体设计。根据《城市道路工程设计规范》（CJJ 37—2012），车道可以根据道路交叉口的实际设计双向2道或4道导流车道，每条车道宽3.5 m，车道坡长不小于10 m，坡度低于30°。导流车道上部通过轴承与固定平台连接，下端通过滚轮与嵌入地面的圆轨连接。双向导流车道中间设置中央隔离护栏，车道两侧边缘加装防护栏，以保证车辆通行安全。导流车道主体由高强钢焊接制成，并且具备抗压、抗拉等优点。考虑到导流车道施工架设的便利性，相关结构可设计为装配式构件，便于快速安装和拆卸。车道主体设计如图3所示。

2.2.3 地面轮轨设计。地面轮轨供支撑导流车道在地面进行转动旋转。为了不影响路面车辆正常通行，旋转轨道采用路面嵌入形式[2]。导流车道通过轨道轮支撑与路面轨道衔接，在进行导流车道旋转时，支撑导流车道的轨道轮在嵌入路面的轨道转动旋转。

嵌入式轨道结构中的槽型轨与轨道板的连接方式不同于传统轨道结构中离散的扣件连接方式，它是在路面混凝土或沥青材料整体道床中设置一个凹槽，槽型轨放置在凹槽内，高分子弹性材料敷设在钢轨下方。这种支承方式将大大降低因传统离散支承引起的轨道结构振动和噪声，结构稳定性好，且維修养护工作量少。嵌入路面式轨道如图4所示。

2.3 控制方案设计

导流车道的控制方案包括道路状况研判方案与自适应旋转方案。导流车道运行逻辑如图5所示。

2.3.1 道路状况研判方案。对采集到的道路车辆行驶速度、交通量等数据进行预处理，运用交通流理论剔除错误数据，并利用历史数据法补齐缺少的数据，之后将有效数据保存至车流数据库，并用其计算路段的交通饱和度。在信号交叉口，车流的饱和度是该车流的实际交通流量与该车流的饱和通行能力的比值。

旋转切换导流车道的基础条件由道路交叉口的交通拥堵度决定。本研究采用学者郭泽斌、李振龙提出的MATLAB模糊推理系统，通过平均车辆行驶速度、交通饱和度进行综合模糊判断分级。郭、李的研究确立了速度、饱和度和拥堵度的隶属度函数及相应的模糊推理规则，如表1所示[3]。当模糊判定为拥堵时，符合调用旋转导流车道的初步条件。

2.3.2 自适应旋转方案。因旋转过程牵涉的组件较多，旋转导流车道从模式启动到正式启用大约需要1 min的时间，且导流车道的旋转会对驾驶员驾驶心理产生一定影响。因此，旋转导流车道的启用应克服局部因素扰动的影响，需要在连续观察若干个路口信号周期车流量变化情况的基础上进行研判和确定，不能因为直行车流在短时间内出现流量增大而频繁旋转切换导流车道。根据道路条件及历史交通数据，一般选择道路状况为连续10个信号周期拥堵时，才能够启用旋转导流车道。根据前述分析，借鉴学者傅立骏等基于动态交通流量的可变车道自适应控制方法研究，确定基于反向传播（Back Propagation，BP）神经网络的旋转导流车道自适应控制方案[4]，如图6所示（N为连续观测的周期数）。

2.4 导流车道旋转过程设计

以双向8车道的道路交叉口为例。假设导流车道初始阶段架设在东西向直行车道上，当南北向直行流量过大时，且道路状况经过设定的若干信号周期被研判为道路交通拥堵时，要立即启动导流车道旋转切换程序，即将旋转导流车道由东西方向旋转切换至南北方向，为南北方向的直行车辆提供免受道路交叉口信号灯控制的通行便利[5]。导流车道的旋转过程分为预信号提醒、清空交叉口车辆行人、旋转导流车道三个步骤。

2.4.1 预信号提醒。预信号是在导流车道旋转切换前对过往车辆或行人的提醒和警示，其设置在导流车道不同方位前方驶入方向。根据道路交叉口通行情况，当研判进入导流车道切换模式，需要启用导流车道时，预信号开始工作，对交叉口的过往车辆和行人进行信号提示。预信号由交通信号电子显示屏、警示灯、语音播报器、警钟鸣示器等组成。交通信号电子显示屏、警示灯、警钟鸣示器设置在导流车道前方驶入方向50～60 m处，语音播报器设置在道路交叉口4个不同方位，提醒过往车辆和行人注意即将进行车道旋转切换。

2.4.2 清空交叉口车辆行人。在道路交叉口进入车道切换模式时，各方向车道上的预信号进行警示提醒，给已经进入交叉口的过往车辆和行人以足够时间尽快驶离道路交叉口。考虑到行人步行速度较慢，一般要留足行人步行通过的时间。行人的过路时间一般为道路整体宽度与行人平均速度的比值。当道路交叉口视频检测装置检测到交叉口流量为0时，表明车辆和行人已清空，此时交叉口各方向预信号显示“禁止通行”，并进行语音播报：“现在进行导流车道旋转切换，禁止通行。”

2.4.3 旋转导流车道。当道路交叉口车辆和行人清空后，导流车道利用顶端带有轴承的旋转控制平台，底端连接地面的圆形轨道，经过20～30 s的时间，由东西方向顺时针或逆时针旋转90°切换至南北方向。当旋转完成后，各方向预信号显示“允许通行”，并进行播报：“导流车道旋转切换完成，允许通行。”此时，南北方向拥堵的小型车辆可以借助导流车道不受路口信号灯控制畅通无阻地直行，其他车道的车辆和行人则在道路交叉口原有信号灯的指示下通行。导流车道旋转始末状态如图7和图8所示。

3 创新特色

针对城市大流量道路交叉口经常出现不同程度的交通拥堵问题，本文运用车路桥协同的理念，设计了一种可旋转切换的导流车道。该车道可以避免道路交叉口小型直行车辆冲突，达到有效缓解交通拥堵、提升行车安全和提高道路通行效率的目的。本设计主要创新之处有以下三点。

3.1 可旋转导流车道可根据道路交叉口的交通情况进行旋转切换

一般立交桥或隧道建成后便成为永久固定的通行模式，无法对通行的车道进行调整。而可旋转导流车道可以根据道路交叉口通行情况旋转切换至交通拥堵的路面方向，使拥堵方向的小型车辆可以不受路口信号灯的控制直行无阻。这极大程度上克服了固定式混凝土立交桥或隧道建筑不可调节的缺点。

3.2 可旋转导流车道采用钢架单元模块化的装配式结构设计

本设计将整体的钢架结构设计分为若干单元模块，这些单元模块在施工时可以快速拼装架接和拆卸。同时，由于单元模块化设计，一旦有单元模块构件出现问题，可以迅速进行更换维修，而不会影响导流车道的整体运行。

3.3 可旋转导流车道具有完善的自适应旋转控制系统

通过MATLAB模糊推理和BP神经网络，可以实现旋转导流车道的自适应控制。MATLAB模糊推理根據实时检测的车流信息推断出道路畅通情况，BP神经网络控制导流车道的旋转，符合我国交通智能化、自动化的发展趋势。

3.4 可旋转导流车道建造占地少，周期短，成本低

首先，导流车道可以在现有符合条件的道路交叉口进行搭建，不需要额外占用现有道路交叉口的土地资源，故无须对道路交叉口进行大规模拆建。其次，钢架结构的导流车道只需进行拼接安装，不需要进行混凝土整体浇筑，故整体建造安装速度快，工期短，不会对路面交通产生长时间影响。再次，钢架结构单元模块制造成本较低，不需要较大的财政投入，一般经济条件城市都可以承受。

4 应用前景

对于本设计，还可以在现有研究的基础上更好地拓展新的功能。第一，可以在现有设计基础上，延伸拓展其道路交叉口的左转弯车辆导流车道，解决某些道路交叉口左转方向交通拥堵的问题。第二，可以在现有设计的基础上，延伸拓展其可移动转移功能，以应对不同道路交叉口的局部交通拥堵问题。第三，可以在现有设计研究的基础上，对其局部进行改进设计，使其具有更强的远程机动功能，将其应用在高速公路事故救援、交通拥堵路段小型车辆借助对向车道导流等，以缓解高速公路突发的交通拥堵问题。

参考文献：

[1]张红华.武汉市梅家山立交跨京广铁路转体立交桥设计[J].交通科技，2016（2）：38-40.

[2]邓永权.有轨电车列车：嵌入式轨道动态相互作用研究[D].成都：西南交通大学，2014：25.

[3]郭泽斌，李振龙.城市道路拥堵程度评判方法研究[J].交通标准化，2013（11）：62-65.

[4]傅立骏，郭海锋，董红召.基于动态交通流量的可变车道自适应控制方法[J].科技通报，2011（6）：899-903.

[5]孟志广.交通拥堵及潮汐车道技术的研究[D].西安：长安大学，2015：9.