结合彩色沥青引导的交叉口慢行交通组织优化设计

孔 微，梁子君，2，3，詹学娟，孙 培，肖 赟，2

（1.合肥学院 城市建设与交通学院，合肥 230601；2.安徽省智慧交通大数据分析与应用工程实验室，合肥 230601；3.安徽省普通高校交通信息与安全重点实验室，合肥 230601）

彩色沥青混合料和普通改性沥青混合料的拌合过程及生产工艺基本相同，在沥青中加入彩色颗粒，然后通过摊铺、碾压等工序后形成的强度和路用性能均良好的路面［1］，对城市环境起到很好的美化作用，另外，还能够起到警示交通、引导车流的效果。

国外对彩色沥青路面的研究始于20世纪50年代欧美等国家［2］，前苏联在20世纪60年代开始了彩色路面的铺装，并尝试铺筑近万平方米的彩色道路［3］。Lee等［4］制备出和普通沥青性能相近的彩色沥青，并对彩色沥青混合料进行了性能验证。Haider等［5］利用废弃的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）改性沥青粘合剂和骨料界面之间形成牢固的结合。彩色沥青混凝土路面在日本应用也十分广泛，其中最典型的有神户市中心的彩色路面等［6］。

文宏军等［7］在兰州市非机动车道成功铺筑彩色沥青路面，为彩色沥青路面的推广应用提供借鉴。Tang等［8］将有色粘合剂与颜料、骨料和添加剂结合，形成有色沥青混合料，通过进一步改性获得更高的路面性能。Yao 等［9］对制备的彩色改性乳化沥青进行性能分析，提高彩色改性乳化沥青的高低温性能以适应寒冷环境。

慢行交通在城市交通中占有不可或缺的地位，彩色沥青路面在视觉上有强烈的引导作用，更适用于凸显慢行交通路径。本文针对交叉口慢行交通出行路权分配不明确、过街距离过长等问题，开展彩色沥青引导的交叉口慢行交通组织优化设计，一方面研究了用于慢行交通出行环境的彩色沥青原材料选择和配合比设计，合理选用原材料，科学设计配合比，保障慢行交通环保出行；另一方面通过设置彩色沥青铺装的行人过街岛和非机动车通行空间，结合慢行交通协调式过街的相位配时优化等措施优化慢行交通组织，实现慢行交通安全、高效出行；最终，通过实际路口案例的仿真分析，验证了该方法的合理性与有效性。

1 彩色沥青原材料选择和配合比设计

1.1 沥青

将废胎胶粉和SBS 改性剂共同加入到基质沥青中，实现废旧资源循环利用，采用高速剪切法制备SBS∕胶粉复合改性沥青。选取的SBS改性剂、胶粉剂量分别为沥青质量的3%、10%，相关性能测试结果列于表1。

表1 沥青技术性能指标测试

1.2 集料

采用的集料相关技术性质试验结果见表2、表3。

表2 粗集料基本性质试验结果

表3 细集料基本性质测试

1.3 填料

矿粉能够填补骨料相互间的空隙，本研究填料选用石灰岩矿粉，基本性能见表4，试验结果满足规范要求。

表4 矿粉基本性质测试

1.4 添加剂

选用彩色沥青专用氧化铁红，溶于油但不溶于水，添加量为沥青混合料的3%。若在沥青混合料中加入氧化铁，就会得到红色沥青路面。选用氧化铬绿色粉，经过前期试验，确定掺量为沥青混合料的3%，即可得到绿色沥青路面。采用干法工艺，在拌合沥青混合料时，将上述两种添加剂分别作为填料，与集料充分拌合，后续加入SBS∕胶粉复合改性沥青。将加入氧化铁红的沥青混合料记为彩色沥青1#，由于红色给驾驶员的感官刺激性强，有助于保护行人安全，所以用于铺装行人安全岛；将加入氧化铬绿色粉的沥青混合料记为彩色沥青2#，由于绿色能反映非机动车环保出行，有助于明确其路权，所以用于铺装非机动车道。

1.5 配合比设计

根据《城镇道路路面设计规范》规定，选用AC-13C 型级配沥青混合料，主要控制2.36 mm 关键性筛孔通过率小于40%。基于马歇尔试验和相关体积指标，最终确定的目标矿料级配见表5。设计级配的曲线如图1所示。

图1 设计级配曲线

表5 矿料级配 %

在选定级配的基础上，根据实践经验来确定成型马歇尔试件的油石比。采用3.5%～5.5%（间隔0.5%）这5个油石比，成型马歇尔试件，并测试相关体积指标，根据测定的数据分析确定沥青结合料的最佳用量，最终确定两种彩色沥青混合料对应的最佳油石比均为4.8%。

2 慢行交通组织优化设计

慢行交通组织应优先考虑行人和非机动车的通行安全，需要确保慢行交通有明确的路权和足够的通行空间，即进行空间资源优化，在此基础上优选信号相位并进行配时优化，提升交叉口慢行交通通行效率，即进行时间资源优化。为此，本文基于时空资源一体化设计原则，从以下4个方面对慢行交通组织进行优化。

2.1 设置行人安全岛缩短过街距离

行人安全岛分为实体与非实体两种，由于实体安全岛施工复杂，造价高且不易拆除改造，所以本文设计中采用非实体安全岛，即采用彩色沥青铺装的方式设置安全岛［10］，缩短行人一次过街距离。此外，设置安全岛的同时在时间上对行人实施二次过街信号控制。

2.2 铺装彩色沥青明晰非机动车通行空间

非机动车过街需要明确行驶路径及路权，利用彩色沥青将非机动车道铺装成绿色，其中沥青材料为胶粉改性沥青，不仅明确非机动车的通行空间，而且有助于保护环境。此外，在时间上也对非机动车实施二次过街信号控制。

2.3 设计导流岛减少右转机动车干扰

通过在路口内部增设导流岛并设置右转专用车道，不仅缩短了慢行交通过街距离，还可以降低慢行交通与机动车的冲突，让右转车辆在通过交叉口时礼让慢行交通减速慢行，以尽可能减少右转机动车与慢行交通的碰撞事故。

2.4 优化慢行交通相位配时提高通行效率

根据慢行交通过街的协调设计，实施二次过街信号控制，可采用不同次序的相位方案，特别是在非机动车左转通行时应尽量保证其通行的连续性，可以通过交通仿真评价进一步确定最优相位方案；在此基础上通过调研慢行交通的过街距离，计算其通行时间，并且结合机动车信号配时优化提高交叉口的通行效率，减少交叉口带来的延误。

3 设计实例

以芜湖市九华北路-齐落山路交叉口为例，将彩色沥青应用于引导慢行交通出行。该路口是四个方向车道均不对等的畸形交叉口，南北方向道路中央由立交桥的桥墩隔离，交叉口渠化如图2所示，根据本地化管理需求该路口非机动车与行人过街路径保持一致，非机动车采用二次过街的方式实现左转通行。其中，现状交叉口渠化存在一定的交通安全隐患，如:南向、东向缺乏非机动车道，导致机非混行；西向停车线过于偏后，且缺乏二次过街设施设置，导致慢行交通过街距离过长。交叉口慢行交通组织优化主要有以下4个方面。

图2 九华北路-齐落山路交叉口渠化图

3.1 设置安全岛

利用桥墩空间区域设置南北口慢行交通二次过街安全岛，减少南北口行人和非机动车一次过街距离。其中，安全岛采用彩色沥青1#铺装红色路面。

3.2 明确非机动车通行空间

先是在交叉路口内划分与行人过街路径相同的非机动车行驶区域，以此来降低非机动车左转与机动车之间的影响。其次，补充完善非机动车道设置，例如在满足车辆通行的前提下对南向进口车道进行压缩，剩余空间设置一条2 m宽的非机动车道；然而在道路空间资源十分受限情况下，非机动车道宽度可取1.5 m；仅通行脚踏自行车的非机动车道宽度可取1 m［11］。因此，将南出口最外边两条直行车道均压缩后设置了一条1.5 m 宽的非机动车道；东向进、出口道进行压缩均设置了1 m宽的非机动车道。最后，非机动车行驶区域采用彩色沥青2#铺装成绿色路面。

3.3 减少右转机动车干扰

将西进口右转方式改为路口外右转，提升右转通行效率，以降低右转机动车与慢行交通在交叉口的冲突程度，并将西进口停车线前移，增设安全岛，减少西口行人和非机动车一次过街距离。其中，安全岛采用彩色沥青1#铺装红色路面。

3.4 优化慢行交通相位配时

以九华北路-齐落山交叉口工作日慢行交通流量较大的15:30-17:30时段为例进行交叉口相位配时设计。交叉口平均每小时机动车和慢行交通流量数据见表6所列，图2对应的交通流向分布如图3所示。信号相位方案如图4所示，由于东进口仅有一个车道，需要所有不同流向同时放行，故东西方向采用单口放行相位，由于优化后的交叉口慢行交通组织采用二次过街方式，考虑慢行交通过街的协调设计，特别是流量较大的南北进口左转非机动车的二次过街连续通行，考虑东西方向采用两种不同次序的相位方案，即优化方案1、2，并通过交通仿真评价进一步确定最优相位方案。配时方案同时测算了慢行交通在不同渠化方案所需的清空时间，优化方案采用韦伯斯特法计算［12］，计算结果表明相位优化方案1、2的配时方案相同，见表7～表9。

图3 交叉口交通流向分布

图4 信号相位方案

表6 交叉口15:30-17:30时段平均每小时流量数据

表7 机动车信号配时现状方案与优化方案 s

表8 非机动车信号配时现状方案与优化方案 s

表9 行人信号配时现状方案与优化方案 s

4 仿真分析

将上述现状和优化的交叉口渠化及相位配时方案分别导入VISSIM 软件中，然后构建交通仿真模型仿真运行3 600 s，仿真效果如图5所示。

图5 交通仿真模型运行

由图5现状交叉口交通仿真可以看出，圆圈处所示的东向西行人与北向南机动车发生冲突，分析其原因是未设置安全岛使得行人一次过街距离过长，另外由表9可以看出，该处对应的16号行人流向所需清空时间为60 s，实际清空时间仅为10 s，清空时间严重不足导致行人无法安全通过路口，交叉口其他方向也存在同样情况。由图5优化交叉口交通仿真可以看出，一方面优化渠化方案在西进口处构建了安全岛，并且在南、北进口均增设了二次过街岛，很大程度上缩短了行人和非机动车过街距离，同时应用彩色沥青铺装路面，明晰了慢行交通通行空间，有利于不同交通方式各行其道，减少交织冲突［13-14］。另一方面，从表9可以看出，优化配时方案提供的慢行交通清空时间与所需清空时间相等，有效避免了慢行交通在清空时间内与机动车冲突的情况，其中优化交叉口圆圈处所示的东向西行人可以在二次过街岛上停留而避免与机动车冲突，与现状交叉口形成明显的效果对比。

为了进一步分析慢行交通的过街效率，以行人、非机动车过街平均行程时间（包括红灯等待时间）为指标，对图5交通仿真模型进行数据评估，统计结果如图6、图7所示，其中非机动车过街时间包括直行和左转过街时间两部分。

图6 行人过街平均行程时间分析

图7 非机动车过街平均行程时间分析

由图6可得，优化方案1、2的行人过街平均行程时间比现状方案分别降低了28%、27.9%，优化方案1、2 在行人过街平均行程时间方面优化效果差异不大。其中，南口行人过街平均行程时间降低效果最明显，原因是南进口增设的二次过街岛和西进口增设的安全岛均大大缩短了南口的东西向过街距离；东进口降低效果不明显是因为东进口过街距离较短，不需设置二次过街岛。通过进一步优化交叉口相位配时，实现行人二次过街的同时缩短了信号周期，也是行人过街平均行程时间降低的重要原因。

由图7可得，优化方案1、2的非机动车过街平均行程时间比现状方案分别降低了33.7%、37.3%，优化方案1、2 在非机动车过街平均行程时间方面存在差异，故对其展开进一步分析。优化方案2的非机动车过街平均行程时间比优化方案1 平均降低了5.5%，造成此现象的原因是由于优化方案1先放行东进口，后放行西进口，保障了南进口左转非机动车过街连续性，优化方案2 先放行西进口，再放行东进口，保障了北进口左转非机动车过街连续性。由于北进口左转非机动车流量较大，考虑其过街连续性更有利于降低非机动车过街平均行程时间，所以选用优化方案2更好。

5 结论

本文首先通过合理选用原材料及科学设计配合比，确定用于慢行交通路面铺装的彩色沥青，其中添加剂用量为3%，油石比为4.8%，以明确慢行交通路权，保障其环保出行；在此基础上，基于时空资源一体化设计原则，提出慢行交通组织优化设计方法，并进一步考虑慢行交通协调式过街的相位配时优化设计，采用不同次序的相位方案，通过VISSIM交通仿真评价进一步确定最优方案。仿真结果表明提出的优化方案明显减少了慢行交通在过街清空时间内与机动车的冲突，有效降低了慢行交通过街平均行程时间。此外，彩色沥青铺装的慢行交通路面颜色醒目，能够让人快速发现并正确辨认，有利于交通引导，从而达到提升交通安全和通行效率的目的，同时还具有美化城市和绿色环保的作用。

本文为彩色沥青在交通优化设计中的应用提供了良好借鉴，但本文更多突出慢行交通组织优化设计，尚未分析彩色沥青路面对慢行交通的引导率，这是后续需进一步研究的内容。