城市出入口连接段处货车专用道研究

邬 岚,梁 栋,朱兴贝

(南京林业大学 汽车与交通工程学院,江苏 南京 210037)

0 引 言

城市道路连接段为进出城市的重要路段,也常因路段两端的收费站节点和信号灯节点以及路段中客货车流混行,货车流量大而造成拥堵,形成交通瓶颈路段。对于路网中客货繁忙道路,实施客货分离的管理策略是缓解城市出入口连接段上交通拥挤的一种有效途径。目前国内客货分离道路系统和货车专用道理论研究的主要研究对象为高速公路和城市道路,研究车道数主要为双向六车道、双向八车道以及双向十车道,研究内容包括方案选择指标体系、效果评价指标、评价方法等。货车专用道在高速公路应用中,主要为高速公路出口分流影响区进行研究[1-3];城市道路因服务对象为城市居民,因此鲜见货车专用道;付春辉[4]对国内外高速公路客货分离情况进行了汇总;汪雯娟[5]从货车车辆特性和交通行为特性,利用VISSIM仿真,从车流结构与车流总量两方面来对高速公路设置货车专用道的车流条件进行了模拟分析和验证;张弛等[6]采用Trucksim动力学仿真软件建立车辆动力学闭环仿真模型,得到不同设计速度条件下典型大货车极限最小转弯半径;霍少霜等[7]针对我国高速公路客车和货车混合行驶造成的交通问题,提出了设置货车专用道的交通管理方式;陈超等[8]对高速公路左出口交织区长度进行研究,给出了交织区长度和运行速度的一般计算方法;潘宾宏等[9]根据高速公路出口的实测交通数据,提出了减速车道长度和渐变率的建议值。

城市出入口连接段是货车通往物流公司的必经之路,极易成为交通瓶颈,因此连接段处的交通畅通显得尤为重要。笔者在货车专用道研究的基础上,以高速公路与城市道路连接段为研究对象,考虑连接段交叉口处交通流的复杂性及货车和客车的转向情况,对连接段的横断面设计、交织区长度计算、交叉口进口道渠化等方面展开研究。

1 高速公路与城市连接段的现状

我国交通运输业线路占比中,公路客运量占到了所有交通运输方式客运量的50%以上[10]。高速公路路网中,货车比例越来越高,在我国部分城市的周围,建有大量的物流园区,其周边的高速公路与城市道路连接段处的比例增加尤为明显,货车比例的增长,对连接段道路的交通造成了巨大压力。

并行车流管控车道指在全天或部分时段供特定车辆通行的与普通车道同方向但不完全分离的管控车道,其管理方式与公交专用道类似,可结合路段货车配送车辆出行的高峰时段,对货车专用道进行分时管控,在连接段处为货车设置专有路权。货车专用道在连接段处的设置,满足了货车行驶需求的同时,将小汽车与货车分开,能够提高道路通行能力和道路安全性[11]。

2 连接段平面设计关键技术研究

货车专用道是实现客货分离,赋予货车独立路权的道路模式[5],将从连接段处的交织区长度计算和交叉口渠化上进行分析研究。

2.1 交织区长度计算模型

高速公路实施客货分线后,只存在同向客货交通流的平面交叉,实质是交织问题,若横断面车道布置为“内货外客”的型式,如果客货车辆均要实现转向,则货车专用车道的货车与客车专用车道的客车要提前结束交织,然后才能进入匝道。高速公路交织区的畅通程度与通行能力与交织类型、交织长度、车辆数量、车道总数等因素密切相关。

将右转车辆在交织区内穿越货车专用道的过程看作次路车辆穿越主路车辆的过程,即右转车辆需要寻找主路货车的可穿越间隙右转,因此可以建立主次路相交的间隙理论模型。

在穿越模型中,主次路为单车道交汇,当交织区出现临界间隙tc时,次路右转车辆可穿越货车流,当右转车流量或者货车流量较大时,穿越机会较少,交织区会发生右转车排队滞留现象,因此需要将交织区适当延长,以支路或单位出入口形式为例,延长后的交织区如图1。

图1 交织区示意Fig. 1 Schematic diagram of the weaving area

与一般的主次路穿越情况不同,当交织区延长时,次路车辆可以在交织区内追赶主路间隙,就相当于延长了主路车的可穿越车头时距,延长后的交织区长度为L2,原交织区长度为L1,如图1,延长的交织区长度即为L2-L1。

假设货车到达交织区的情况服从泊松分布,货车的平均到达率λ。根据交通流理论,此时货车进入交织区的车头时距t服从负指数分布。

货车间的临界间隙为tc,而转弯车辆的跟随时距为tf,当货车之间车头时距t大于等于临界间隙tc的车头时距时,右转车能通过的车辆数为Qr为:

Qr=Qb[xp(t≥tc)+p(t≥tc+tf)-p(t≥tc+htf)]

(1)

式中:x为延长交织区后额外通过的车辆数;Qr为右转车交通量;h为可穿越间隙内最大右转的车辆数;p为概率符号。

当h达到足够大时,p(t≥tc+htf)=0,所以式(1)改写为:

Qr=Qb[xp(t≥tc)+p(t≥tc+tf)]

(2)

当货车以速度v进入交织区行驶时,x取值为:

x=int[(L2-L1)/(vtf+l)]

(3)

式中:l为右转客车车辆的车身长度,按标准车取值为6 m。

由式(2)和式(3)可知,交织区的长度与货车小时交通量Qb,右转客车小时交通量Qr存在式(4)关系:

(4)

式中:tc为临界间隙,一般取值为5～7 s;tf为跟随时距,一般取值为3～5 s;L1为拓展车道的开口宽度,一般取值为30 m;v为货车在连接段的平均车速,取值为40 km/h。

通过建模过程可以看出,当货车进入交织区的车头时距确定后,货车和右转车辆的小时交通量会引起交织区长度的变化,通过式(4)得到交织区长度与货车车数和右转车数的三维视图,如图2(a),将三维视图切图得到交织区长度与右转车数的截面图如图2(b)。由图2(b)可知,交织区长度随着右转车辆的增加而增加,当右转车辆小于80 veh/h,交织区的长度小于0,即可以不设置交织区;当右转车辆为200 veh/h,对应的交织区长度为80 m左右;根据式(4)计算,当右转交通量达到319 veh/h,交织区长度增加到150 m时,就不宜设置交织区。

图2 交织区长度变化Fig. 2 Variation of weaving area length

2.2 交叉口进口道渠化

当连接段实施货车专用道后,即确定了客车专用车道与货车专用车道的空间关系,为保障客货交通流的顺利转换,重点解决在交叉口的交织问题,笔者以玄武大道与宁镇公路连接处为起点,宝华镇政府为终点,经统计,十字交叉口有6个,T型交叉口有22个,T型交叉口占比达到78.6%,因此选择从平面T型交叉口,对双向四车道和双向六车道的交叉口交通渠化设计。

2.2.1 双向四车道

1)当无右转机动车交通流,货车专用道可沿外侧行驶直接设置至停车线,如图3。

图3 双向四车道无右转机动车进口道布置Fig.3 Layout of two-way four-lane non-right-turn vehicle entrance lane

2)当具有右转机动车流时,应对路口进行拓宽渠化设计,设置一条右转弯专用车道,这时货车专用道应设置至进口道停车线,右转弯车道长应按进口车道的长度要求控制,且还需要加上交织段长度,其中交织段长度宜根据右转车流量的大小确定,以确保所有车辆均可以有序换道进入相应的车道,如图4。

图4 双向四车道有右转机动车进口道布置Fig.4 Layout of two-way four-lane with right-turn vehicle entrance lane

2.2.2 双向六车道

1)当无右转机动车交通流,货车专用道可沿外侧行驶直接设置至停车线,如图5。

图5 双向六车道无右转交通量时进口道布置Fig. 5 Layout of the entrance lane when there is no right-turn traffic on the two-way six-lane

2)当右转机动车流小于80 veh/h时,此时交织区长度不需要增加,可将道路的中间车道作为直行的货车专用道,内侧的车道作为其余车辆的直行车道,最外侧车道设置为右转车道,右转之前的货车专用道应设置至进口道停车线,右转弯车道长应按进口车道的长度要求控制,且还需要加上交织段长度,以确保所有车辆均可以有序换道进入相应的车道,如图6。

图6 双向六车道右转交通量较少时进口道布置Fig. 6 Layout of the entrance lane when the right-turn traffic volume is low on the two-way six-lane

3)当右转交通量大于80 veh/h时,此时交织区长度需要增加,应对路口进行拓宽渠化设计,设置一条右转弯专用车道,如果直行的货车较多时,中间两条车道均作为直行的货车专用道,如果直行的货车车辆较少时,内侧两条车道作为其余车辆的直行道路,第3条车道作为直行的货车专用道,这时右转前的货车专用道应设置至进口道停车线,右转弯车道长应按进口车道的长度要求控制,且还需要延长交织段长度,如图7。

图7 双向六车道右转交通量大时进口道布置Fig. 7 Layout of the entrance lane when the right-turn traffic volume is high on the two-way six-lane

2.3 货车专用道管理方式

货车专用道表示,除货车外,其他车辆不得进入该车道。货车专用道管理方式借鉴公交专用道的管理方式,货车专用道采用分时管控的管理方式,在高峰时期,其他车辆不得进入货车专用道,非高峰时期,其他车辆可进入货车专用道,路段起终点须设置路面文字和指示标牌。

3 实例分析

3.1 现状分析

南京于宝华312国道区段,就2015—2018年仅3年时间便增加了有20多家物流公司。这些物流公司位于国道旁,直接导致312国道该区段的大型货车数量急剧上升,其与小汽车之间的矛盾降低了路段的通行能力,导致进出城市的延误大大增加,在研究的环山路-宁镇公路交叉口,平均延误就达46.3 s。

选取南京主要的一条进出城连接段路七乡河大道-宁镇公路至环山路-宁镇公路,该路段大型物流公司和中小型物流公司的分布较为集中。该路段为双向四车道,道路宽为3.75 m,以中央分隔带隔开,各有一条路侧行车带,宽为3.50 m。起始点七乡河大道-宁镇公路路侧即为南京市东扬物流基地,终点环山路-宁镇公路路侧即为宏宝国际物流有限公司和东发物流园,沿线有如小样快运等小型物流散点。

研究的环山路-宁镇公路交叉口,由于左转驶入货车和直行的中、大型货车交通量大、行驶速度慢且在交叉口的启动时间长、车头间距大,直接导致直行跟驰在货车后的小汽车车流的等待时长增加,无法在一个信号周期内驶出交叉口,如此加剧了小汽车占用路侧行车带超越等待车流直至交叉口停止线的现象。

受该路段路侧周围用地性质影响,该路段交通流在交通量组成方面呈现明显特征。在17:30—19:30时段货车比例远高于其他时段,尤其是在周末和节假日,出城车流与货车车流混行在国道交叉口处极易造成拥堵。由于国道周围即为乡镇,存在非机动车占用路侧行车带的情况,因此在小汽车驶上路侧行车带时与非机动车混行,降低该路段的安全性。

综上,从道路条件、路段周围用地特征、道路交通流特征、交叉口信号控制4个方面分析研究路段的现状,得出该路段存在的问题主要为货车与小汽车的混行造成的国道交叉口拥堵和延误严重,主要原因为货车公司在国道周边的聚集,该路段无法满足货车公司的货车运输的需求。

3.2 货车专用道的应用

环山路-宁镇公路交叉口采用右转不设限的信控方式,且直行与右转车辆的货车比例较大,因此将外侧车道设置为货车专用道,根据一天内各时段交通量以及货车比例的调查,对货车专用道进行分时管控。在研究的货车专用道中,由于该国道路段为双向4车道,中间以中央分隔带分开,选择在原两车道的基础上将外侧车道作为分时段管控的货车专用道,与环山路次干路相连接,在交叉口处,扩展为三车道,最内侧车道为其他车辆的直行道,中间为货车专用道,最外侧为右转专用道,具体组织方案分别如图8和图9。

图8 实例货车专用车道横断面设计方案(单位:m)Fig. 8 Design scheme for the cross-section of the truck dedicated lane

图9 货车专用道交叉口进口道设置方案Fig. 9 Layout scheme for the entrance lane of the truck dedicated lane intersection

当研究路段实施外侧车道作为货车专用道后不仅可以消除车速差,在货车占比较大的高峰时段客、货车各行其道,互不干扰,消除了客、货车之间的车速差,同时也可根据实际需要分别限定客车、货车的最高时速,提高行车速度和通行效率。笔者提出的专用道方案在本实例中是否具有应用条件,采用VISSIM进行仿真,查看交叉口的延误等情况。

3.3 VISSIM仿真

通过 VISSIM 仿真软件,对环山路-宁镇公路交叉口及宁镇公路路段进行现状和组织方案仿真,将行车排队长度、延误等指标作为道路服务水平评判标准,对不同货车比率研究。

在周六晚高峰17:30时,借助无人机对环山路-宁镇公路交叉口进行视频拍摄,拍摄时长为 15 min,将15 min的交通量扩展到一个小时交通量,得到该交叉口的基本交通流量数据,见表1。通过式(4)计算出交织区的长度为28.99 m。VISSIM仿真结果如表2,通过对比发现,当现状交通量中货车比例为38%时,设置货车专用道后效果明显,平均排队长度降低了34.8%,平均延误降低了41.5%。说明了该横断面的车道划分与交叉口交通组织方案的合理性。在货车比例由20%递增至60%时,设置货车专用道的情况下,平均排队长度和平均延误的增幅均明显小于不设置货车专用道的情况。

表1 环山路-宁镇公路交叉口东进口交通量

表2 不同货车比例下仿真结果

由表3及表4可以看出,当交织区长度从40 m,以5 m为一个梯度递减时,40 m到30 m的平均排队长度和车辆平均延误有所增加,但增加幅度不大,货车专用道的平均排队长度增加了7.8%,混行车道增加了5.6%,货车专用道的车辆的平均延误增加了6.7%,混行车道增加了5.2%。从30 m到25 m,平均排队长度和车辆平均延误都有了较大的增加,货车专用道的平均排队长度增加了21.3%,车辆平均延误增加了31.4%。因此实例中的交织区长度设置为30 m较为适宜,与式(4)计算的结果相近。

表3 不同交织区长度下平均排队长度

表4 不同交织区长度下车辆平均延误

4 结 语

根据主次路相交的间隙理论与公交专用道交织区理论,依据连接段交叉口货车与客车的转向数量及比例,建立了交织区长度计算模型,计算交织区延长长度,确定交织区的长度。对不同车道数的T型交叉口,在不同车道划分下的交通组织进行流线设计。通过实例仿真,验证了交织区长度计算模型的准确性,实例中通过设置货车专用道,平均排队长度降低了34.8%,平均延误降低了41.5%。 对比不同货车比例下的交通仿真结果,设置货车专用道,对交通拥堵具有一定的缓解作用。