城市道路错位交叉口交通组织优化研究

范新科,秦杰运,何文强,王韩麒,范潇莹

(1.宁波宁工交通工程设计咨询有限公司,宁波 315211;2.射阳县公安局交通警察大队,江苏 盐城 224300;3.浙江高专建筑设计研究院有限公司,宁波 315016)

0 引言

错位交叉口是城市道路短间距交叉口的特殊情况,此类交叉口因间距较短且反向错位常常导致城市道路拥堵或事故频发.城市道路错位交叉口因交叉口空间大且冲突点明显,导致此类交叉口的延误率[1]和事故率[2]要远远高于其他类型的交叉口.以盐城市射阳县为例,城市错位交叉口平均延误和平均事故率比其他类型交叉口分别高7s和34%.近些年来,国内城市道路60%的事故发生在交叉口及其附近区域[3],其中错位交叉口等短间距交叉口的事故情况更是不容乐观.针对城市错位交叉口进行交通组织优化设计,对缓解城市道路关键节点的拥堵情况和事故隐患情况具有实际意义.

常见的交叉口交通组织优化设计方法包括渠化设计、信号控制、土建改造、立体交叉[4]等方式,但对于交叉口而言后两类优化设计方法实施难度太大.国外对于交叉口渠化设计的研究开展较早,美国的MUTCD[5]针对各类交叉口渠化设计提出了需要注意的问题,日本《平面交叉口的规划与设计》[6]一书中则明确了交叉口渠化设计是解决城市道路拥堵问题的有效方法.在国内,陈洪仁的《道路交叉设计》[7]一书中提出了交叉口渠化的具体措施,窦瑞军等[8]通过交叉口渠化措施实现了人车分流.在信号控制方面,美国的单点信号控制方式在20世纪80年代后逐渐淘汰,取而代之的是Abbas等[9]提出的新的信号协调控制系统;国内早期通过Webster公式研究交叉口信号控制的方法存在不适用高饱和度交叉口的局限性,基于此顾怀中等[10]提出了模拟退火全局优化算法以解决各种交通状况下信号优化配时的问题,邵春福等[11]创造性地提出了人行信号配时的设计方法.思维方式的进步,使得更多的交通人在探索既能快速解决交叉口实际问题又经济便捷的交通组织优化设计方法.

随着千万级人口大城市成为常态,城市机动车保有量的提升导致各类错位交叉口的拥堵日益严重.尽管国内外学者已进行了各类研究,但由于此类交叉口交通环境复杂,拥堵特征和事故特征数据难以获取,以往较为成熟的土建改造或立体交叉的优化方法成本过高,因此亟需通过其他方式来改善错位交叉口的拥堵状况及事故状况.本文聚焦于城市错位交叉口的交通组织优化设计,为解决此类交叉口优化改造的桎梏,提出渠化设计与信号优化相结合的方法,通过Before-and-after方法进行典型错位交叉口改造前后的对比,以期能为城市错位交叉口的交通组织优化设计提供新的思路.

1 相关理论知识

1.1 城市错位交叉口

城市错位交叉口是1种特殊的短间距交叉口,可视为节点距离极近2个反向的T型交叉口,一般由1条城市干路与两条相交道路组成.短间距交叉口[12]是由于交叉口距离过近形成的,实际上属于畸形交叉口的范畴.尽管规范要求[13]各类交叉口最小间距不宜小于150 m,但城市道路交叉口间距小于该规定的不在少数,因短间距交叉口造成的拥堵现象比比皆是,严重时甚至出现车辆排队溢出的现象,导致相交路段的车流无法驶入或通过.

图1 错位交叉口示意图

图2 短间距交叉口示意图

城市错位交叉口面积较大且交通秩序混乱,交叉口内人非冲突与机非冲突较为严重,且不同流向的机动车之间也存在转向冲突.同时,由于干路流量较大,且双向交通流基本趋于平衡,错位交叉口的出现将造成交叉口范围内较大的行车延误,导致干路通行能力下降,诱发交通事故,严重影响整个城市道路系统的服务水平.

1.2 交叉口渠化设计

渠化是指通过导流岛与路面标线互相结合,通过分离和控制车流,使其按照一定的流向驶入各自的路线,减少冲突或明确分开冲突,一般包括实体导渠化和标线渠化2种方式.交叉口经过渠化设计后,可在时间和空间角度分隔交通冲突,提高交叉口的通行能力及安全性.

根据《公路路线设计规范》的规定,交叉口渠化设计应使车辆行驶路线简单明了,避免车辆分流与合流位于一处.因此,在进行交叉口渠化设计时应遵循以下原则:

1)分离原则

交叉口渠化设计应以减少交通流之间不同流向的干扰为主,通过道路交通设施引导行人与机非车流各行其道.

2)疏导原则

通过设计单向交通、车种专用道、流向禁左等疏导方式,明确交通流不同流向的行驶路线.

交叉口渠化设计可从交叉口车道断面的分布、功能的划分、人非交通流的管控等3个方面着手.

1)车道断面的分布

城市道路中,交叉口流量和饱和度一般高于路段流量和饱和度,交叉口车道断面的合理布置是确保路段与交叉口通行能力匹配的重要条件,可通过路口展宽、压缩机动车道或非机动车车道宽度及缩减绿化带宽度实现.但需要注意,压缩非机动车道需要在非机动车流量较小的情况下进行.

2)车道功能的划分

交叉口的快速分流很大程度上受到车道功能的影响,而车道功能划分的先决条件是详尽的交通量调查.比如,是否需要单独设置转弯车道就取决于转弯车流量的大小.左转车道的设置是车道功能划分的重点内容,因其车流在交叉口与对向交通流的冲突最大,常常通过设置左转导流线或左弯待转区来引导车流减少冲突.同时,掉头车道也可与左转车道合并设置,共用1个信号相位.

3)人非交通流的管控

人非交通流过街一向是交通管理的难点,也是交叉口渠化设计中较难避免的环节.相关规范中已对行人与非机动车过街作出了规定,主要目的是将机动车流与人非交通流从时空上分隔.同时,人非交通流的二次过街以及人行横道线与停止线间距加长等措施也在提高人非交通流过街的安全性.

1.3 交叉口信号优化

交叉口信号设计主要是通过设置合理的信号相位配时方案来达到最大限度提升交叉口通行能力的目的,并减少车辆通行延误时间.交叉口信号周期越长,通行能力越高是1个明显的认知误区.在确定的道路条件下,交叉口信号周期越长,车辆通行延误时间就越大.国内大部分城市道路交叉口的信号灯均采用一组箭头灯加一组圆盘灯的形式.车辆通过交叉口,绿灯亮时,允许拥有通行权的车辆驶入交叉口;红灯亮时,仅允许右转车辆在不妨碍相交单路交通通行的情况下驶入交叉口;黄灯亮时,车辆若已越过停止线驶入交叉口可继续行驶,若未越过停止线则应停车等待.普通正交信号灯路口一般设置4个信号灯相位.

交叉口信号配时设计可有效提高交叉口通行效率和安全性,也是国内外交叉口改造提升研究的重点.交叉口信号相位应设置合理,以充分利用有效绿灯时间.人非信号灯在高峰期应尽可能采用小周期.当然,信号配时的设计主要依据还是交叉口各流向交通量的数据,因此,信号相位的设计应结合实际交通量考虑.

1.4 Before-and-afte方法

Before-and-afte方法,顾名思义就是前后对比分析法.几乎所有的交通组织优化设计都应进行观察性评估,即非实验性的研究.针对交通组织方案的观察性评估中最常见的方法就是方案的前后对比评估(Before-and-after评估)[14].

本文应用前后对比评估,目的是通过该方法评估对典型错位交叉口实施一定的交通组织优化设计方案前后,该交叉口的关键指标参数的变化情况是否达到了预期目标.

2 错位交叉口交通组织优化策略

城市错位交叉口的交通组织优化对提高整个道路网系统的服务水平均有促进作用.优化思路是:将2个错位交叉口看做单一交叉口进行整体处理.前文分析过,土建改造的成本太高,因此本文对错位交叉口的交通组织优化设计的内容一般包括:渠化交通设计、配套设施提升、信号配时优化3部分内容.

2.1 渠化交通设计

错位交叉口的渠化交通设计主要针对车道标线、渠化岛、导流线等的设计.通过渠化岛及导流线的设计,引导交通流按照轨迹进入交叉口.通过压缩车道或取消车道来保证正方位进出口道车道数匹配,保持交通流的畅通有序.同时,应做好行人及非机动车过街保护.

2.2 配套设施提升

对应渠化交通设计,调整错位交叉口相应标志设置,比如车道增加或减少标志、限速标志等.合理施划地面标线,辅助引导交通流通过交叉口.设置隔离设施,针对人非交通流的安全,设置机非隔离栏;针对对向机动车流的安全,设置中央隔离栏.

2.3 信号配时优化

在渠化交通组织设计与配套设施提升的基础上,进行错位交叉口信号配时优化,将错位交叉口看做单独交叉口进行整体控制,保证交叉口各类交通流的通行秩序.

3 错位交叉口交通组织优化案例分析

3.1 交叉口现状

3.1.1 交叉口状况

开放大道与达阳路交叉口位于江苏省盐城市射阳县,其中开放大道为东西向双向六车道的城市主干路,达阳路为南北向次干路(北段为双向四车道,南段为双向两车道),道路条件良好,开放大道与达阳路错位相交,2个反向T型交叉口间距约20 m,人非交通流过节与机动车流存在较大冲突,严重影响交通安全.根据事故数据显示,2020年9月至12月期间,该交叉口共发生31起各种类型的交通事故.

3.1.2 现状交通流量

通过现状流量调查,该交叉口流量平峰期主要以东西向开放大道流量为主,南北向达阳路流量相对较低.从流量转向来看,交叉口内交通流量以直行流量为主,整体占比较高;转弯流量中,开放大道东进口左转流量占比较为突出,其他转弯流量均在100veh/h以下.该交叉口平峰期整体饱和度较低.

表1 交叉口现状平峰期交通流量 辆

图3 交叉口现状航拍图

高峰期时,该交叉口总体流量显著提升,以东西进口直行流量占比较高,南北向直行流量因道路条件限制,大部分由其他道路进行分流.尽管转弯流量不高,但仍对直行流量造成较大的干扰,产生不同的流向冲突.

表2 交叉口现状高峰期交通流量 辆

图4 交叉口平峰期流量流向图

3.1.3 现状信号配时

根据现状晚高峰信号配时方案,信号周期为100 s,共2个相位.其中,东西向交通统放55 s,有效绿灯时间为52 s;南北向交通统放45 s,有效率等时间42 s,具体见表3和图5所示.

表3 交叉口现状各进口道平均延误 s

表4 晚高峰原信号配时方案 s

表5 晚高峰信号配时优化方案 s

图5 交叉口高峰期流量流向图

3.2 存在问题

通过现场对现状流量、信号相位的观察,该交叉口主要存在以下问题:

1)交叉口范围过大,转弯车流在交叉口内浪费过多通行时间

交叉口整体间距过大,东西向左转车流需要在交叉口范围内行驶平均10 s左右才能驶出交叉口,导致车流在交叉口内浪费过多通行时间,交叉口平均延误较大.

2)人行横道线间距过远,人非交通流过街选择位置随意性较大

交叉口南北两侧人行横道线间距40 m左右,行人与非机动车任意选择过街位置,易引发交通事故,与转弯机动车流尤其左转车流存在较大冲突.

3)东进口车道设置不合理,

交叉口东进口现状为2个车道(左转车道和左右转车道),交织段过短,右转车流在1个信号周期内无法清空.

4)交叉口内无渠化区域

东西向进口道无渠化区域,车道功能利用率不足,车道引导功能较差.

5)信号配时设计不合理

从晚高峰交通量数据来看,东西向交通流占比较大,但整体相位时间占比不够,导致高峰期东西进口车流常常在1个信号周期内无法驶过交叉口.

3.3 优化方法

根据文渠化交通设计及信号优化的相关理论知识,结合开放大道与达阳路交叉口的实际状况,对该交叉口提出优化措施.

3.3.1 缩短交叉口间距

以交叉口停止线和人行横道线前移为基准,缩短交叉口间距,降低2个T型交叉口的错位程度,减少行人、非机动车、机动车通过交叉口的时间.

3.3.2 渠化交通组织设计

通过在东西进口道设置右转标线导流岛,将交叉口内未充分利用的空间由标线标出,明确车辆行车轨迹;通过施划交叉口导流线,减小转弯车辆的转弯半径;通过渠化压缩东西进口车道宽度,降低车辆行驶速度,提高交叉口整体安全性;清除以前垂直式的人行横道线,将其与导流岛连接,缩短行人过街距离,提高行人过街安全性;调整西进口车道功能,由左转+左右变为直左+直行,右转车流通过渠化岛驶出交叉口;压缩东出口车道布局,将交叉口东方向调整为双向四车道布局,与对面车道匹配,防止车辆驶出交叉口因抢道发生事故.

3.3.3 完善配套交通设施

对设置的右转标线渠化岛增设隔离栏加以保护,确保人非交通的安全;在交叉口4个方向增设中央隔离栏,分隔对向交通流;在近交叉口处增设机非隔离栏,分隔机非交通流.

3.3.4 信号配时优化

根据晚高峰现状了流量情况,调整该交叉口信号相位,重点保障开放大道东西向交通流的清空时间:提高东西相位统放时间至68 s,减少南北统放时间至32 s;确保2个相位的有效绿灯时间分别为65 s、29 s.

开放大道与达阳路交叉口交通组织优化设计方案见图6.

图6 交叉口晚高峰期信号相位分布

图7 交叉口高峰期信号相位配时优化分布

3.4 效果评价

开放大道与达阳路交叉口于2021年5月改造完成,方案实施后的状况见图8.2021年9月至12月交叉口共发生4起各类型交通事故,事故率同比2020年改造之前下降87%,交叉口安全系数提升明显.

图8 开放大道与达阳路交叉口交通组织优化设计

图9 方案实施后的航拍图

再次通过点样本法调查各进口道的平均延误,结果见表6所示.对比表3可知,交叉口整体平均延误时间下降7.75 s,下降比例达到70%左右.其中,尤其以东西进口道的平均延误时间下降最为明显,而北进口因为改造后交叉口交叉口间距缩短的原因,其平均延误时间也有大幅下降.

表6 交叉口改造后各进口道平均延误

4 结束语

城市错位(短间距)交叉口严重影响了城市道路的通行效率和交通安全,对此类交叉口进行渠化交通设计、配套设施提升、信号配时优化,将其转变为畅通安全的单独交叉口,是此类交叉口优化改造的关键思路.本文选取盐城市射阳县开放大道与达阳路交叉口为实例,通过提出城市错位(短间距)交叉口的交通组织优化策略,对此类交叉口的优化设计进行了初步探讨,并结合Before-and-after方法的思想对比分析了该交叉口改造前后的关键参数的变化,本文的研究对缓解城市道路关键节点的拥堵情况和事故隐患情况具有实际意义.