基于灯控交叉口间距优化的道路通行能力提升技术研究

杜光

摘要 城市道路项目工程可行性研究阶段，道路通行能力分析是确定道路建设规模的基础，为城市路网系统规划、交通设施服务水平评价、道路工程设计和交通管控提供科学理论依据，需对条件不同的道路设施及其各组成部分分别进行通行能力和服务水平分析。现行《城市道路工程设计规范》（CJJ37—2012）2016年版中对道路通行能力已作相关规定，文章在其基础上，对影响道路实际通行能力的相关因素进行了研究分析，深入探讨了信号灯控交叉口间距对实际通行能力的影响特性，并结合具体工程项目进行了实际应用。

关键词 实际通行能力;信号灯控交叉口间距;方案设计

中图分类号 U491.23 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0029-03

0 引言

道路通行能力是城市道路能够输送、疏解和转换各类交通流的能力[1]。根据道路设施和交通实体的不同，通行能力可分为机动车道通行能力、非机动车道通行能力和人行设施通行能力。从规划设计和运营的角度，通行能力可分为基本通行能力、实际通行能力和设计通行能力三种。《城市道路工程设计规范》（CJJ37—2012）2016年版对基本通行能力的定义：在一定的时段，在理想的道路、交通、控制和环境条件下，道路的一条车道或均匀段上或一交叉路口，期望能通过人或机动车的合理的最大小时流率[2]。该规范条文说明解释了设计通行能力受自行车、车道宽度、交叉口和车道数等因素的影响，道路分类系数统一采用0.8左右。但根据实际工程经验，城市各等级道路实际通行能力大多数情况下无法达到规范设定的数值。该文在现行规范对路段基本通行能力规定的基础上，进一步研究了道路实际通行能力的影响因子，量化分析了信号灯控交叉口间距对通行能力的影响特点和计算方法，并在工程中进行应用。

1 通行能力分类及影响因素

1.1 基本通行能力

基本通行能力在行业内也称之为理论通行能力，是指在道路和交通都处于理想状态的条件下，由一种技术性能相同的当量标准车，以最小的车头间距连续行驶的理想交通流，在单位时间内通过道路断面的最大机动车数[3]。理想的道路条件主要是车道宽度不小于3.5 m，最外侧车行道侧向净宽不小于0.75 m，纵坡平缓，并有开阔的视野、良好的平面线形和路面状况。理想的交通条件主要是机动车组成均为单一的标准型当量小汽车，在一条车道上以相同的速度，连续不断的行驶，机动车间保持与车速相适应的最小车头间隔，且无任何方向的干扰。在这样的理想道路及交通条件下，建立的车流计算模型，所得出的最大交通通过量，即基本通行能力。

（1）

式中：C基——一条车道的基本通行能力（pcu/h）;v——行驶速度（km/h）;t0——饱和连续车流的最小车头时距（s）;l0——连续车流的最小车头间距（m）。

其中l0主要受驾驶员制动反应时间、机动车刹车距离、机动车安全间距以及机动车的平均长度影响，参数的确定需要收集大量調查分析数据。该文基本通行能力根据《城市道路工程设计规范》取值。

1.2 实际通行能力

实际通行能力是指在一定的时段，在具体的道路、交通、控制和环境条件下，道路的一条车道或一均匀段上或一交叉路口，期望能通过人或机动车的合理的最大小时流率。计算实际通行能力的方法是以基本通行能力为基础，考虑各项影响因素进行折减。该文重点论述实际通行能力的计算方法。

1.3 实际通行能力影响因素

路段实际通行能力的影响因素包括道路条件、交通条件和控制条件等。

道路条件主要指道路的几何线形条件，包括道路平、纵断面线形、横断面形式、交叉口及其他设施的设置情况。

交通条件指使用路段的交通流特性，包括行驶车速、交通组成、交通流量和流向等。

控制条件指交通管理部门通过交通控制设备对机动车和行人，在道路上通行以及其他与交通有关的活动所制定的带有禁止、警告、疏导、限制或指示性质的具体措施。

2 实际通行能力计算方法探讨

2.1 多车道对路段通行能力的影响

在城市道路中，同方向的车道数一般不少于1条，在多车道条件下，同向行驶的机动车会发生变道、超车和停车等交通行为，同时靠近外侧的车道会受公交停靠站、出租车停靠点、非机动车及沿线单位出入口的影响，因此车道的通行能力由内侧向外侧依次递减。

车道对路段通行能力的影响用折减系数α车道数来表示。若将最靠近中央分隔带或道路中心线的车道折减系数α车道数定为1.00，则依据参考文献，其余车道的折减系数依次为：第二条车道为0.80～0.89;第三条车道为0.65～0.78;第四条车道为0.50～0.65;第五条车道为0.40～0.52[4]。

2.2 交叉口对路段通行能力的影响

2.2.1 交叉口间距与路段通行能力基本规律

交叉口距离越近，路段通行能力越低。当交叉口距离无限远的时候，通行能力接近理论通行能力，当间距接近0时，通行能力接近0。

2.2.2 折减系数公式推导

城市道路信号灯控制交叉口上游机动车通过交叉口进入下游路段，导致路段实际通过的机动车数受交叉口影响显著，当交叉口间距较小时，交叉口的停车延误在机动车行驶时间中所占的比例较大，不利于道路空间资源的有效利用、路段通行能力的发挥及路段车速的提高。而交叉口间距的增大，则有利于提高路段通行能力及路段平均行驶车速，有利于充分利用道路空间资源。

参考文献[5]指出了交叉口间距对路段通行能力影响的计算方法，这一计算方法也在参考文献[4]中得到了使用。该方法认为平面交叉口对路段通行能力干扰很大，城市交叉口数量多，机动车要频繁刹车、停止、启动，所消耗的时间占行驶总时间比重较大，从而使道路通行能力下降。降低程度等于路段上的无阻碍行程时间与交叉口阻滞后的实际行程时间之比，交叉口对路段通行能力的折减系数用α交表示。

（2）

式中：l——交叉口之间路段的距离（m）;v——道路设计车速（m/s）;a——启动时平均加速度（m/s2）。

根据统计资料：小型汽车a=0.60～0.70 m/s2，中型货车a=0.49～0.53 m/s2，大型客车及货车a=0.42～0.46 m/s2，铰接公交车a=0.42～0.46 m/s2，该次研究考虑城市道路不同车型混行，取a=0.60 m/s2。

b——制动时平均减速度（m/s2），根据统计资料：小型汽车b=1.66 m/s2，大型汽车b=1.3 m/s2，该次研究考虑城市道路不同车型混行，取b=1.50 m/s2。

和——系数，其数值取决于与的比值，其中，。

和——机动车离开、到达交叉口时的速度（m/s）;

——机动车的等候时间（s），当=0时，则为红灯时间的一半，取=20 s，时，则=0。

参考国外相关规范及国内相关研究成果，主干路交叉口间距600～1000 m，次干路400～600 m，支路200～400 m，该次研究取主干路交叉口间距800 m，次干路500 m，支路300 m[6]。对于机动车到达交叉口时的速度和，当机动车遇到绿灯时，依据《城市道路交叉口设计规程》（CJJ152—2010），交叉口设计车速取路段设计车速的50%～70%，当机动车遇到红灯时，=0，最终计算得到不同道路等级与设计速度下对应的如表1所示。

2.2.3 折减系数的应用

M.C.费舍里将公式应用于计算交叉口间距对城市干路通行能力的折减[7]，采用60 km/h的路段车速、48 s和80 s的信号周期、20 s和35 s的绿灯时间，以及12 s和20 s的交叉口停歇时间，进行计算并得出结论：交叉口间距从200 m提高到800 m，干路通行能力可以提高80%，这一结论目前还应用于对路段通行能力的计算[8]。同时还提出“在道路沿线建筑物较为密集的中心城区，可采取限制某些交通流向通行、只准右转的措施，以提高干路通行能力”，考虑居民步行到达公交站点的时间约4～6 min，且满足居民出行方便的一般要求，与此相适应的干路网密度为2.0～3.5 km/km2，相当于干路间距600～1 000 m。但要注意，提高路网的运行效率不能单纯采用增大路口间距的办法。

2.3 车道宽度对路段通行能力的影响

路段通行能力与车道宽度有密切关系，当车道的宽度小于3.5 m时，将影响机动车的运行车速，通行能力随之减小。因此，当道路宽度不足3.5 m时，将作为通行能力折减系数，参考国外规范及国内研究成果，提出不同车道宽度的折减系数如表2所示[1，4]。

2.4 其他影响因素

其他对城市道路路段通行能力的影响因素包括非机动车干扰、行人横穿马路、公交停靠站及道路两侧出入口等。由于这些影响因素比较随机，不易定量描述，为了简化计算过程，该文统一将这些影响因素的折减系数其他定为0.9[4]。

考虑以上影响因素，对城市道路路段实际通行能力进行修正，计算公式如下：

（3）

3 案例应用

3.1 项目概况

关山大道位于武汉东湖新技术开发区，北起珞喻路华中科技大学正门、南接武汉三环线，设计全长5 km，设计车速60 km/h，规划红线宽60～100 m，双向八车道。由于近年关山大道交通拥堵情况日益严重，亟须对关山大道进行综合提质改造。

经对关山大道擁堵症结进行详细剖析，其中，交叉口对路段的交通影响较大。关山大道沿线交叉路口、红绿灯较多，共计12个红绿灯，包括8个十字交叉口，4个T字交叉口。平均间距约452 m，最近两处信号控制交叉口间距仅214 m。城市主干道交叉口间距建议值为700～1 200 m，关山大道交叉口过多过密，影响道路通行能力。

3.2 交通需求预测

根据《武汉市城市总体规划》，关山大道为地方性主干路，周边已形成较为成熟的路网，以关山大道为轴线，形成四横三纵交通网络。四横：珞喻路、雄楚大道、南湖大道、三环线。三纵：民族大道、关山大道、光谷大道。

利用TransCAD预测未来交通量，如表3。

3.3 实施规模及服务水平评价

关山大道为城市主干路，设计车速60 km/h，根据实际通行能力计算模型，可以计算得到单向四车道的通行能力为3 276 pcu/h。

经详细分析交通问题，发现交叉口间距过近对道路路段通行能力造成了较大影响，因此采取统筹交叉口管理的方法，对现状具备整合条件的5处信号灯控交叉口进行交通优化设计，将信号灯控交叉口调整为右进右出交叉口，具体为：将创业街、新南路、凌家山北路、凌华路、茅店山东路由灯控路口改为右进右出路口，对各类交通方式的通行进行重新详细设计和引导。同时对关山大道和南湖道口交叉口、关山大道和雄楚大道交叉口2处关键交叉口进行交通组织优化设计。对改造后的路段通行能力重新进行计算，计算得到四车道的通行能力为3 725 pcu/h。

根据规范规定，应满足三级服务水平，由于国内关于城市主干路服务水平评价尚未有成熟的研究成果[8]，因此可以参照《道路通行能力手册》中的相关内容进行评价。我国的三级服务水平近似相当于美国的D级服务水平，因此可通过计算得到该项目实施路段的车道规模。对比分析显示，优化方案减少关山大道沿线信号控制交叉口数量，增大交叉口间距，有效提高了关山大道的通行能力，提升了路段服务水平。如表4。

4 结论

针对现行《城市道路工程设计规范》中不同等级道路基本通行能力和实际通行能力的规定，首先介绍通行能力的概念，然后分析城市道路路段通行能力的影响因素，并给出实际通行能力的计算方法，尤其是量化车道数、交叉口以及车道宽度对通行能力的折减系数。最终将成果应用到关山大道（珞喻路—三环线）综合改造项目，确定车道规模及服务水平评价，提高了通行能力的计算精度，对提高城市道路工程路段通行能力服务水平提供参考依据。

参考文献

[1]任福田， 等. 道路通行能力手册[M]. 北京：人民交通出版社， 2007.

[2]城市道路工程设计规范： CJJ37—2012（2016年版）[S].北京：人民交通出版社， 2012.

[3]王炜， 过秀成. 交通工程学[M]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4]陈宽民， 严宝杰 .道路通行能力分析[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[5]杨晓光， 等.交通设计[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

[6]周荣沾.城市道路设计[M].北京：人民交通出版社，1999： 34-36.

[7]王炜， 等.城市交通规划[M]. 南京：东南大学出版社， 1999： 88.

[8]杨佩昆. 重议城市干道网密度—对修改《城市道路交通规划设计规范》的建议[J]. 城市交通， 2003（1）： 52-54.