可持续发展下道路交叉口优化设计分析

李健华

(广东省冶金建筑设计研究院有限公司,广东 广州 510030)

0 引言

近些年来,随着城市机动车保有量的逐年增多,促进城市发展的同时也增加了城市道路交通的承载压力,部分城市存在的较为严重交通拥堵问题亟待解决。为了缓解城市道路经常发生的拥堵问题,城市采取了道路扩建、提升交通供给等措施。由于土地资源不可再生,道路扩建到一定程度之后,无法进一步扩建,使道路交通遇到了优化瓶颈。针对交通拥堵的问题,研究人员设计了多种解决对策。其中,基于Webster原理的缓解交通拥堵道路交叉口优化方法和基于AnyLogic和Vissim混合仿真的缓解交通拥堵道路交叉口优化方法的应用较为广泛。其中,基于Webster原理的缓解交通拥堵道路交叉口优化方法,主要是运用Webster原理对交叉口拥堵提出协调与控制的优化方案,利用Vissim仿真软件对道路优化方案进行仿真分析,得到最佳的优化方案[1]。基于AnyLogic和Vissim混合仿真的缓解交通拥堵道路交叉口优化方法,是利用AnyLogic软件构建道路交叉口优化仿真模型,通过遗传算法确定仿真参数,利用AnyLogic优化交叉口信道配时方案,实现缓解交叉口拥堵问题[2]。经分析,以上两种优化方法都是以仿真模型为基础,但存在未针对实际道路环境进行分析,影响了最终的优化效果[3]。因此,在可持续发展的条件下,研究一种优化道路交叉口设计方案,旨在实质性地解决道路交叉口的交通拥堵问题。

1 可持续发展下缓解交通拥堵的道路交叉口优化设计

1.1 比选防拥堵的道路交叉口

通过分析道路实际状况,选择主流交叉口作为优化道路交叉口的通行条件。通过导流线对车辆进行引导,减少交叉口的冲突面积,降低了车辆与行人通过交叉口时发生危险的可能性[4]。在交叉口的通行优化中,将交叉口的时间资源、空间资源进行优化。时间资源包括交通信号灯的信号周期、信号轮流给不同车辆通行权的次序、一个信号周期各个相位的顺序、相位分配的绿灯时间等[5]。信号周期在道路交叉口比选方案中占据重要地位,交通信号的最佳周期长度见式(1):

(1)

其中,C0为交通信号的最佳周期长度,s;L为单个信号周期的损失时间,s;Y为交叉口的交通流量比,pcu/h,通常以单位时间内通过交叉口的车辆数来表示。在C0条件一定的情况下,交叉口通行能力随着信号周期长度的加长而增大,在满足最佳信号周期长度条件下,选择更合适的交叉口长度、宽度,使车辆顺畅通行。

1.2 预测道路交叉口的交通流量

考虑到不同情况的交通量发生方式与增长特点,采用数据分析方式得到交叉口的交通出行分布情况,结合交通流量预测结果,确定交叉路口能够承担的车流量。在某一时段内,交通实体经过交叉路口的数量就是交通量。交通拥堵情况根据交通流的大小来确定,在交叉口比选完成之后,按交通发展前景设计交通量,公式表达见式(2):

q=4×Q15

(2)

其中,q为交叉口某个道路中,其中一个交通运行方向在某一时段的设计车流量,pcu/h;Q15为交叉口某一出入口车道在最高峰15 min内的车流量,pcu/h。根据设计交通量与交叉口车辆通行情况,预测最高峰15 min时的交通流量见式(3):

(3)

其中,q′为最高峰15 min时的交通流量预测值,pcu/h;ε为高峰小时系数,s。在一个信号周期长度内,计算出交叉口的饱和流率,公式表达见式(4):

(4)

其中,S为交叉口的饱和流率,%;h0为饱和车头时距,s。此时交叉口的交通流量比描述为(见式(5)):

y=q/S

(5)

其中,y为交通流量比,pcu/h。在确定道路交叉口交通量、交通流量比的基础上,根据交叉口往年交通量情况判断出交叉口的交通趋势,再结合q′值,重新预测出交叉口的交通量,从而避免交通拥堵问题。

1.3 多渠道分流缓解道路交叉口交通压力

利用各类支线道路的补充作用将重车分流至周边道路,以“直左直左”“直直左左”“各进口交替放行”等四相位的方式,将交叉口的交通压力进行分流。实施信号控制,将交叉口的时空资源进行转换并在冲突位置进行车流分离,确保顺畅通行条件。交叉口冲突点分布情况见图1。

图1中的黑色三角形为合流点;黑色方形为分流点;黑色圆形为冲突点。交叉口受到空间条件约束时,无法设置专用车道,车流共用同一车道。相交直行之间的冲突点通过信号灯错时消除之后,直流车辆与对向车辆驶入交叉口时,将合流区域打开,消除合流道路上的冲突点。交叉口的形式决定了交通压力复杂程度,交叉口道路条数越多,冲突点越多。基于优化的交叉口设计方案中将车辆的空间条件考虑在内,减少道路条数,车道宽度以3.5 m为基准,最大程度上提升了交叉口的通行能力。

2 实例分析

2.1 工程概况

为了验证优化设计的道路交叉口是否满足缓解交通拥堵需求,以某道路交叉口为例对上述优化方法进行实例分析。某道路交叉口所在的城市性质为综合性交通枢纽,道路交叉口位于城市中心。某道路交叉口位于市区南侧,在G235与高速匝道的交叉处,项目区域路网见图2。

从图2可知,项目所在区域主要为高速公路、G235路、S505路,是某道路交叉口所在城市最为便捷的高速互通连接线。图2中A,B为两个道路交叉路口,分别在某道路交叉口的两条岔路口,某道路交叉口未来具有三个功能,分别为高速互通连接线、服务沿线乡镇出行、完善区域路网格局。为了满足城市出行需求,某道路交叉口的出行方向包括了直行、左转、右转,在西进口、南进口、北进口等出入口中,进一步优化了道路布局。北出入口中市区互通车辆较多,增加右转车道,预留左转车道,达成分流的目的。西出入口单一左转车道不能满足车辆通行需求,增加右转车道,并预留直行车道。南出入口中左转车辆较多,现为直行车道,增加左转车道,满足车辆的通行需求。增加了车道分流交通压力之后,某道路交叉口转向情况见图3。

从图3可知,在北出入口增加了右转车道,西出入口增加了右转车道,南出入口增加了直行车道,优化过程中充分考虑到了主线通畅、快速的需求。结合某道路交叉口的地形、地物,选择更加合适某道路交叉口的优化方式,有效地避免了资源浪费。

2.2 应用结果

在上述条件下,选取西进口、南进口、北进口作为交叉口的进口方向,每个进口方向的转向同步,车流量相应发生变化。通过饱和度判定交叉口优化效果,饱和度计算公式为(见式(6)):

SB=V/C×100%

(6)

其中,V为实际车流量,pcu/h;C为道路容量,pcu/h。饱和度越低,交叉口的车流越畅通;饱和度越高,交叉口的车流越拥堵。使用研究设计的可持续发展下缓解交通拥堵的道路交叉口优化方法之后,得到的交叉口饱和度情况见表1。

表1 应用结果

从表1可知,将道路交叉口的服务水平分成了A,B,C,D,E,F等六个等级,其中,A的饱和度为小于0.4,属于车流畅行的状态,基本上没有车流拥堵、延误交通的情况;B的饱和度为0.4～0.6,属于稳定车流,仅存在少量的延误交通情况;C的饱和度为0.6～0.75,同属于稳定车流,存在一定延误情况;D的饱和度为0.75～0.9,接近不稳定车流,存在较大的拥堵问题;E的饱和度为0.9～1.0,属于不稳定车流,延误交通的次数较多;F的饱和度大于1.0,属于强制车流,交通拥堵问题严重,车辆时停时开。在饱和度条件已知的情况下,对某道路交叉口的西进口、南进口、北进口饱和量与服务水平进行分析。使用设计的可持续发展下缓解交通拥堵的道路交叉口优化方法之后,交叉口通行能力较强,饱和度相对较低,均低于0.4。由此可见,使用研究设计的优化方法之后,某道路交叉口的服务水平更高,能够缓解交通拥堵的问题。

3 结语

道路交叉口是城市交通车流与人流的汇聚节点,车辆通行方向不同,在交叉口形成错综复杂的交通情况,降低道路网的通行能力。基于可持续发展条件下,研究了缓解交通拥堵的道路交叉口优化设计这一课题。从比选交叉口、预测交通量、分流交通压力等方面,降低交叉口的饱和度,真正意义上优化交叉口的通行能力,为交叉口的畅通行车提供保障。