北京市交叉口转角净距研究

曲晓博，杨孝宽

(北京工业大学)

1 引言

近年来，随着社会经济的不断发展，整个社会对交通运输的需求日益增加，造成交通所面临的形势也不容乐观，交通拥堵日趋严重，伴随而来的是一系列的交通问题，道路拥堵、车辆秩序混乱、事故频发、污染严重等等。为了应对目前的交通问题就需要提出新的理论及策略。对于城市道路而言，交叉口是整个路网的关键节点，交叉口的交通特性比路段上的交通特性更为复杂，交叉口区域内的交通混乱和事故必然会影响到整个路网的通行能力。主要研究道路交叉口重要的一方面内容-交叉口转角净距。

交叉口转角净距指交叉口和最近的连接道之间所提供的距离。转角净距设计直接关系到交叉口交通的运营效率。连接道路车辆进出会给主干路车辆带来干扰，从而引起交通延误甚至造成交通事故。研究的主要目的通过探讨连接道与信号交叉口的合理间距，降低连接道进出车辆对主干路车辆的影响，提高道路运营效率。

2 国内外研究现状

在国外，尤其是在美国，对出入口管理进行了一系列实质性的系统研究，并且得以实施，从规划开发、设计到实施运行以及管理阶段，都进行了全面地系统地分析研究。而中国在这方面起步比较晚，近几年一些学者对美国出入口管理策略进行借鉴提出符合中国的理论，但是缺乏系统性，完整性，还远不能进行实践应用。

在国外由Texas Department of Transportation(T X D O T)编著的Access Management Manual一书中提出出入口管理规范，以及各等级道路出入口布置时应注意的问题。Mc-Coy和Heimann对转角净距对饱和流率的影响进行评估。Long and Cheng-Tin推导转角净距计算公式。Kaub建立了转角净距计算模型。从中发现连接道的交通能够减少信号交叉口的饱和流率，减少量取决于转角净距大小以及外侧车道进出连接道的交通流量比例。Gluck等人指出连接道交通拥堵是交叉口转角净距不足引起的最普遍的问题，交叉口特征多样性以及转角净距不足会造成碰撞事故增加。

国内学者是在近几年对出入口间距进行研究，而对于信号交叉口转角净距的研究更少。卓曦，张宁对城市大型公共建筑同向和对向出入口间距分别进行研究，提出了基于AM策略的大型公建出入口布局和交通组织方法。《道路交通组织优化中》从工程实践出发，对城市道路开口设计组织等提出了合理管理手段。邓亚娟提出了城市快速路立交出入口绝对最小间距，一般最小间距和最佳、最小间距三个不同概念，并提出了针对每一类的确定方法。朱胜跃对城市快速路出入口设置进行相关了研究。孙有望对城市快速路出入口设置进行了改进研究。贺玉龙等从道路使用者的心理特性的角度出发，将驾驶员的不同驾驶状况与驾驶条件进行结合，通过实测数据，提出了城市快速路互通立交的最小间距的计算方法。曹荣青通过分析出入口间距的交通冲突，事故率，及同行能力间的相互关系，在此基础上建立建立城市主干路出入口间距模型。

3 最小转角净距模型

3.1 交叉口功能区

在传统意义上交叉口仅仅被作为相交道路的一个交叉点，但是在机动车进入交叉口时需要进行一系列复杂的操作:反应、减速、排队等待、转向或穿越、加速等。交叉口功能区则是实施这一系列复杂操作的面积范围，或者说是交叉口对其相交道路的影响区域范围。交叉口功能区就是驶入和驶出交叉口的车辆受交叉口影响的区域，区别于其物理区域。交叉口功能区包括上游功能区和下游功能区。

车辆在进入交叉口时会进行减速，变换车道，排队等待等操作，对于驾驶员心理负担加重，车辆驾驶操作比在路段上更为复杂。这一影响区域被定义为交叉口上游功能区。交叉口上游功能区主要由三部分组成:(1)在反应时间内车辆行驶的距离L1;(2)车辆减速行驶的距离L2;(3)车辆排队长度L3。因此交叉口上游功能区距离L

车辆在驶离交叉口时会进行加速操作，与车辆进入交叉口相比，这一区域对驾驶员的影响较小。交叉口下游功能区距离主要由两部分组成:加速车道长度和停车视距，由于在中国，交叉口下游普遍没有设置加速车道，所以下游功能区距离主要由停车视距所决定。

3.2 上游最小转角净距模型

对于交叉口上游，出入口的位置要避免设置在交叉口上游功能区内。交叉口上游功能区构成了主干道上游的最小转角净距，主要包括上文提到的距离L1+L2+L3。L1在反应时间内车辆速度不变，采用公式(2)计算，L2驾驶员采取制动，车辆减速运动采用公式(3)计算。

式中:Qn为第n周期的最大排队长度，veh;Dn为第n周期滞留的排队车辆数，veh;qn为第 n周期的车辆达到流率，veh·s;R为红灯时间，s;G为绿灯时间，s;S为饱和流率，veh·s;C为周期长度，s;L为起动损失，veh。

3.3 下游最小转角净距模型

对于交叉口下游转角净距从下面三个方面进行考虑，交叉口下游功能区范围，出入口影响距离，对于出入口通行能力的影响。

(1)交叉口下游功能区范围

交叉口功能区为驶入和驶出交叉口的车辆受交叉口影响的区域，这就要求需要交叉口下游的出入口不能设置在交叉口功能区之内，避免出入口出入车辆对主干路的车辆造成干扰。

在中国由于普遍没有设置加速车道，交叉口下游功能区的距离就是停车视距。一般在非高峰期，小汽车在城市交叉口时速大约20～40 km间。《城市道路交叉口规划规范》对于交叉口安全停车视距给出了对应标准。见表1。

式中:V为车辆行驶速度;t为驾驶员反应时间;a为车辆制动减速度。

信号交叉口车辆排队模型国内外都已经得到深入的研究，先后提出了多种排队长度计算模型，其中较为经典的是MILLER、AKCELIK、SYNCHRO3、SIGNAL94、TRANSYT 排队长度模型，但是与中国的实际交通流情况不完全符合，本文采用适合北京实际情况的情况的排队长度优化模型。该优化模型在SIGNAL 94的基础上，针对北京市交通状况，利用实测数据进行精度分析证明了优化模型的有效性，其计算精度在通常交通流状况下可达到95%左右。根据此排队长度模型对交叉口上游排队长度进行计算。

表1 交叉口安全停车视距

(2)影响距离

主干道车辆进行右转驶入连接道，后面直行车采取制动。直行车采取制动的位置到连接道出入口的位置之间的距离称为影响距离。交叉口转角净距必须大于影响距离，这样才能避免制动车辆交叉口车辆的影响。表2中所提供的距离可以为建立出转角净距的原则和标准。在出入口连接处前车进行右转，直行车对于这种右转做出的反应是进行制动，因此，就发生了回溢。理论上讲，道路等级越高，可接受的回溢比例越低，主干道可接受的回溢比例不大于2%，次干道可接受的回溢比例为5%。

表2 影响距离

(3)不影响连接道出口通行能力

在保证主干道车辆不受连接道车辆影响的同时，又要避免在交叉口右转进入主干道的车辆对驶出连接道车辆产生干扰。1号车右拐驶出交叉口，2号车在可接受间隙内驶出连接道，与1号车进行合流。此时若交叉口转角净距不足，2号车所需间隙无法满足，则1，2号车的合流行为无法协调，易导致追尾碰撞，同时连接道的车辆也不能顺利驶入主干道，如图1。在图2的条件下，转角净距足够大，1车与下游车队直接存在足够大的间隙，允许2车汇入车流中。所以最小转角净距需考虑1号车与主要道路车流的合流距离，1车与2车合流距离和临界可插车间隙三部分长度。建立模型如下

图1 模型1

图2 模型2

式中:L为转角净距;L1为1号车进入主路时的前进距离;L2为2号车驶出出入口，1号车前进距离;m为安全间距;a1为车辆合流时加速度;a2为车辆合流时减速度;W为出入口单车道宽度;V1为车辆离开连接道速度;V为主干道车辆速度。

通过比较三个约束条件下的交叉口转角净距的大小，其中的最大值为交叉口最小转角净距。

4 转角净距仿真模型

4.1 转角净距仿真方案设计

交叉口临近的连接道车辆出入不仅会对主路道路交通产生影响，同时，主路交通也会对连接道交通带来影响。因此，在进行仿真方案设计时主要考虑以上两个方面。仿真研究设计两个实验方案:方案一研究在连接道交通量一定的情况下，分析不同的主路交通量以及不同的间距对连接道交通的影响;方案二研究在主路交通量一定的情况下，分析不同的连接道交通量以及不同的间距对主路交通的影响。

交叉口转角净距仿真以车辆平均延误作为评价指标，并用于仿真结果分析。对北京西大望路地铁站附近交叉口交通数据调查，并通过这些调查数据对仿真参数进行校核。实验方案如下。

表3 仿真方案

4.2 仿真结果分析

依据仿真结果，绘制了主干路交叉口上游以及下游在不同交通流量下，转角净距对出入口平均每辆车延误的影响曲线。

图3 转角净距上游延误曲线

通过对图3和图4分析可以发现:

(1)对于连接道平均每辆车延误与主路交通量成正比，即交通量越大，出入口次路平均每辆车的延误越长。比较分析可以发现主路交通流量对交叉口上游比交叉口下游影响大;

(2)在既定的主路交通流量下，平均每辆车延误与出入口转角净距成反比，即净距越长，则平均每辆车延误越小;净距越短，则平均每辆车延误越大。

图4 转角净距下游延误曲线

图5 转角净距下游延误曲线

(3)在既定的间距标准下，不同的交通流量对出入口每辆车延误的影响程度不同。从图中曲线斜率变化可以看出，交通流量大的条件下，不同间距对延误的影响差别较小;而较小交通流量大条件下，不同间距产生的延误影响差别较大。

通过对图5分析可以发现。

(1)在既定的连接道交通流量下，主路平均每辆车延误与出入口转角净距成反比，即净距越长，则平均每辆车延误越小;净距越短，则平均每辆车延误越大。

(2)在既定的间距标准下，不同的连接道交通流量对出入口每辆车延误的影响程度不同，但影响差别相对较小。

(3)交叉口下游连接道出入的车辆对主路交通影响较小。

5 结论

分析了交叉口转角净距的约束条件，确定影响因素，并在此基础上建立了信号交叉口转角净距模型。通过转角净距影响因素分析，应用微观交通仿真的方法，建立VISSIM仿真模型，针对VISSIM输出的出入口车辆平均延误为评价指标，确定不同交通流量和不同转角净距条件下对出入口车辆延误的影响。由于交通事故数据不易获得，分析转角净距约束条件时没有考虑安全因素，故下一步工作需要结合交通事故数据对转角净距模型做进一步修正。

［1］ 卓曦，钱振东，张宁.大型公共建筑同向机动车出入口间距计算［J］.东南大学学报，2012，42(3).

［2］ 卓曦，张宁，钱振东.大型公建对向机动车出入口间距计算及优选［J］.交通运输工程学报，2010，10(4).

［3］ 翟忠民.道路交通组织优化［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 邓亚娟.城市快速路与常规道路衔接问题研究［D］.长安大学硕士学位论文，2004.

［5］ 朱胜跃.城市快速路出入口设置探讨［J］.城市交通，2004，(4).