面向行人混合式过街方式的交叉口设计

张冰辰，杨 楠，纪 超，程丽荣，杨春霞

(1.太原科技大学 交通与物流学院，太原 030024;2.河北胜康工程设计有限公司，河北 邢台 054000)

随着城市道路拓宽，行人过街长度也不断增加，导致行人无法在一个相位内完成过街，不得不选择在绿灯结束时停留在道路中央或者强行穿越机动车流，会给交通造成极大的安全隐患，对于交叉口需要左转的行人，此情况更为严重。行人过街方法研究中一般分为二次过街和行人专用相位过街两种。

二次过街指在一个绿灯相位内，行人无法穿越道路，从而在道路中间设立安全岛，使行人在红灯时在此停驻等待下一绿灯相位时通行。林雨平等[2]的研究结果表明，若交叉口采用二次行人过街方式后，行人过街延误减小。杨睿[3]分析了行人过街的时间和空间需求，但在分析行人过街延误时，没有综合考虑交叉口情况。从上述文献可知，二次过街方法虽然解决了行人在一个相位内无法一次性过街的问题，但对于左转的行人来说，则需要四次过街才能实现左转，此方法存在较大延误。

行人专用相位是指在某一信号相位，只有行人具有通行权的信号相位。张亮[4]的研究结果表明具有行人专用相位的过街方法较适用于过街行人数量大的交叉口。Shawn Tumer等对行人过街需求问题进行分析，提出设置行人安全岛来解决交通问题[5-6]行人专用相位能使左转的行人在一个相位内实现左转，但使用条件较高，对于机动车饱和度、行人对角过街的需求、机动车交叉口转弯率都有相应约束，而且对于行人专用相位刚结束时到达的过街行人，则需要等待一整个机动车信号周期。

针对上述两种方法的优势及不足，本文提出一种新型混合式行人过街方法，一方面利用行人专用相位弥补二次过街左转时间过长的缺陷，另一方面利用二次过街的方法弥补行人专用相位过街方法中的缺点，比如行人专用相位刚结束时到达过街行人需要等待时间较长。在此基础上对交叉口进行渠化及信号控制方案设计，同时对此方法的适用性进行分析，提出适用范围，最后为了充分保证过街行人的安全，给出了相应安全设施设置方案。

1 交叉口混合式行人过街方法设计

1.1 交叉口渠化

混合式行人过街方法在交叉口渠化上，保留传统二次过街人行道，同时增加对角式人行道，人行道相交处设立中央安全岛，如图1所示。交叉口渠化上，保留传统二次过街人行道，同时增加对角式人行道。交通组织上，目的地为马路对面的行人可按照传统二次过街的路线过街，途中在中央隔离带等待下次绿灯。需要对角方向过街的行人只需穿越交叉口中对角方向人行道，途中在中央安全岛等待下次绿灯。

图1 交叉口总体渠化图Fig.1 The overall drainage diagram of the intersection

1.1.1 中央安全岛大小

本文以某市双向八车道与双向六车道相交的交叉口为例，如图2，两条道路均有中央隔离带，中央隔离带宽为3 m，车道宽3.5 m，停止线距离人行横道1.5 m，车辆左转半径为30m.当中央安全岛为菱形时面积最大，此时两条对角线长l均为10m.设安全岛与机动车的安全距离a为1 m[7]，根据菱形面积公式，求得此时中央安全岛面积为45.125 m2，取45 m2.

图2 中央安全岛尺寸计算图Fig.2 Central Safety Island dimensioning chart

当行人站立面积为0.65 m2/人～0.93 m2/人时，服务水平为C级，行人可以站立和穿过等待区进行有限制的活动，但要干扰其他人，该密度在使人舒服的范围内[8]。本文将采用0.65 m2/人作为行人在安全岛等待时占地面积，假设中央安全岛上的信号灯占据一个行人的面积，即一个面积为45 m2的安全岛，可站立行人68人。

为使研究更具有代表性，对常见城市道路进行调查，计算表1中几种交叉口的中央安全岛面积以及可容纳的行人量。假设道路中央隔离带宽度均为3 m，机动车车道宽3.5 m，计算结果详见表1.

表1 中央安全岛面积及可容纳行人量Tab.1 Central Safety Island area and pedestrian capacity

1.1.2 人行道宽度

考虑行人通行的基本要求和舒适性，我国《城市道路工程技术规范》(GB 51286-2018)[9]中规定了人行横道的最小宽度不得低于1.5 m，本文将取4 m宽的人行横道进行研究。

1.2 混合式行人过街路线与信号控制

1.2.1 行人过街路线与信号相位

为了减少冲突区域，交叉口机动车辆采用单进口放行[10]的方法，如图3所示，虚线表示机动车行驶路线，实线表示行人行驶路线。

图3 行人过街路线与相序图Fig.3 Pedestrian crossing routes and phase sequence maps

第一相位时，南进口左转和直行的机动车辆放行，行人放行方式如图3(a)中实线所示，二、三、四相位与第一相位放行方法相同。本文以南进口东侧行人为例进行分析。

1.2.2 行人过街信号配时

为方便表述，将每段过街人行道用字母表示，如图4，行人从东向西穿过人行横道，先经历EF段，再经历GH段，FG段为中央隔离带，A、B、C、D分别为对角方向过街四段人行道，O为中央安全岛。

图4 交叉口人行横道分段图Fig.4 Crossroads segmented chart

本文所调查交叉口信号周期时长180 s，黄灯时长为3 s，根据图3中行人二次过街相位设置方案与调查结果，交叉口信号配时为：g1=22 s、g2=32 s、g3=62 s、g4=52 s，其中g为绿灯时间，ty为黄灯时长(s)，ty=3 s;C为周期时长(s)即C=g1+g2+g3+g4+L，其中L=12 s为损失时间;南进口人行横道EF段在g1、g3时放行，GH段在g2、g3、g4时放行。对角方向过街人行道A段、B段、C段、D段放行时间分别为g1、g3、g4、g2.

2 行人混合式过街延误分析与评价

行人延误指信号交叉口一个信号周期内行人等待过街时间[11]。本节在上述信号配时基础上，分析行人过街延误并进行评价。

2.1 延误模型

若以时间为横坐标、行人流量为纵坐标建立直角坐标系，假定行人到达率为饱和流率，且行人在绿灯期间内全部消散。在一个周期内，行人通过南进口处人行横道EF段所产生的延误如图5所示，行人体两次到达EF段的时间分别为r′1与r′2，其中r′1=g2+ty、r′2=g4+ty，ty为黄灯时间。设行人驶离率为饱和流率，过街行人的消散时长于绿灯时长。

图5 南进口EF段行人到达与驶离图Fig.5 Pedestrian arrival and departure in EF section of South Import

(1)

(2)

那么，在一个周期内，行人通过南进口处人行横道EF段所产生的延误为：

(3)

行人过街时一般聚集成一个行人体后再过街。行人体反应时间一般取2 s，其与行人体过街时间之和为行人体消散时间。通过行人体的过街时长可以计算出行人消散时间ts1与ts2，计算公式如下[12]：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：d为一个周期内行人过街产生的延误，P1、P2、P3、P4分别为行人到达率，以实际调查可得知，ts为行人体过街时长，g为绿灯时长，ty为黄灯时长。

2.2 有效性评价

为验证本文所提出的方法是否减小行人过街延误，将运用混合式过街方法与二次过街方法以及行人专用相位的过街方法进行对比。传统二次过街方式如图6所示，实线表示行人过街轨迹，虚线表示机动车行驶轨迹。

图6 二次过街路线与相序图Fig.6 Secondary cross-street routes and phase sequence maps

与混合式行人过街延误模型建立的原理相同，g为绿灯时间，由于左转行人需要横穿两条马路，因此左转行人过街延误模型为相邻两个方向过街的延误之和。得到南进口EF、GH段的延误模型分别为：

(g2+g3+2ty)

(8)

(9)

具有行人专用相位过街[13]方式如图7所示，第五相位为行人专用相位。由于具有行人专用相位的过街方法中各个方向行人的等待时间均为整个机动车相位时长，因此各方向的行人过街延误模型相同。

图7 具有行人专用相位过街方法路线与相序图Fig.7 There is a pedestrian-specific phase crossing method route and phase sequence map

同理可得到其中一个方向的延误模型为：

(g1+g2+g3+g4+4ty+ts9)

(10)

以本文调查交叉口为例进行延误计算，行人过街速度1.2 m/s，1 h内南进口东侧行人穿越马路到南进口西侧、东进口北侧以及左转的行人流量分别为345人、289人、424人，得到各个方向的行人过街延误如表2所示，混合式过街在三个方向的延误均有改善，东向西、南向北的行人过街延误改善明显，左转产生的延误相对二次过街改善明显。

表2 三种过街方式的行人过街各方向平均延误Tab.2 Average delay of pedestrian crossings in three ways

3 混合式过街模式适用性分析及阙值建议

为了更好地研究对角式过街的适用范围，本文针对南进口东侧行人进行分析，对不同的行人流量、不同的交叉口规模分别利用VISSIM[14]进行仿真。

3.1 当行人流量改变，车道数不变时

当交叉口车道数为双向六车道与双向八车道相交，东向西方向、南向北方向、左转方向为200 per/h～2 000 per/h时，计算结果如图8-10所示。

图8 东向西延误仿真结果图Fig.8 East-to-west delay simulation results chart

图9 南向北延误仿真结果图Fig.9 South-to-north delay simulation results chart

图10 左转延误仿真结果图Fig.10 Turn left to delay the simulation results

3.2 当行人流量不变时，改变车道数

当行人流量不变时，改变车道数1 h内东向西、南向北、左转方向的仿真结果如表3所示。混合式行人过街方法能较好改善交叉口行人过街延误，行人流量与过街距离略微改变，不会对行人过街产生的延误造成过大影响。混合式行人过街适用于渠化后两条相交道路均不小于六车道，车速不大于40 km/h 的交叉口这样的交叉口[15]。在行人流量方面，本方法适用于行人通行需求较大，尤其是对角通行行人较多的交叉口，左转方向的延误得到了很大的改善。

表3 不同车道数三种过街方式的行人过街各方向平均延误Tab.3 The average delay of pedestrian crossing in each direction under three crossing modes with different number of lanes

4 安全设施

当对角方向过街的行人在中央安全岛停驻等待下一绿灯相位通行时，往往会有机动车通过交叉口，行人的安全就得不到保障，行人作为交通参与者中的弱势群体，保护行人的安全势在必得。

位于交叉口中央的安全岛存在很大的安全隐患，为了保护过街行人的安全，将从中央安全岛防护设施、交通标志、交通标线三个方面实施。

(1)中央安全岛防护设施

为了保护在中央安全岛上停驻的过街行人不被机动车碰撞，在菱形的中央安全岛周围安装带有反光标记的突起路标，既能保护过街行人的安全，也能引起夜间行驶驾驶员的注意力。中央安全岛采用立体标线画出，既保障了机动车的安全，又给行人一种视觉上的错觉。另外，在中央安全岛的信号灯杆上安装照明设施，用于安全岛的照明。

在安全岛周围安装上自动感应警报装置，在红灯时，当有行人踏过安全岛的边缘，此装置就会自动发出警报。

(2)交通标志

在交叉口进口道处设置警告标志，提醒司机前方路口有中央安全岛，提前减速慢行。

(3)交通标线

为了更好地明确左转机动车的行驶轨迹，在交叉口中画出左转车辆导流线，左转机动车沿着导流线行驶，能有效地避免与中央安全岛发生冲突。

5 结论

本文以渠化岛交叉口为研究对象，利用交叉口内机动车无法利用到的空间，通过在交叉口设置中央安全岛，提出一种混合式的过街方法，放行对角方向过街行人的同时，放行与机动车无冲突区域的行人，最后经过与二次过街方法和具有行人专用相位过街方法的对比，证明该方法降低了行人过街的延误。该行人过街方法较为复杂，初实施时，要加强交通管制，引导行人正确过街，以确保行人的安全。中央安全岛的大小要根据行人流量、交叉口规模来确定，但具体内容还未做研究；由于此过街方法的行人会在中央安全岛停驻等待二次过街，交叉口的安全性也是评价该方法的重要指标，这将是下一步探讨的内容。