基于潮汐交通的可變車道分流帶設置研究

劉 冬，曹雪山，苗 選

（1.河海大學土木與交通學院，江蘇南京 210098；2.上海海事大學交通運輸學院，上海 201306）

交通量的大小與社會經濟發展速度、民眾的生活水平、人口分布、氣候差異、物產豐富度等因素有關，它除了隨時間而變化外還隨空間位置的不同而變化，這就是所謂的交通量的空間分布。空間分布是指地域、城鄉、路線、方向、車道等的差別，這種隨空間位置而變化的特性稱為空間分布特性，一般是指交通量在同一時間或相似條件下，隨地域、城鄉、路線、方向、車道等的差別而變化的情況。

在實地調查前提下，獲取基礎數據?；诮煌糠植继匦缘目臻g分布與時間分布的差別，結合道路的基本條件，進行移動式分流帶的設計研究并且進行建模，同時利用vissim 進行仿真。設計的自動可移動式可變車道分流帶，可作為市政部門或者交通部門的參考。

1 當前道路分流方法

近年來，許多學者對潮汐交通進行了研究，城鄉結合部由于上下班時間車輛的來往方向不同，具有明顯的“潮汐現象”。陳堅等通過對成都市蜀西路實地交通調查，在分析其交通流量、服務水平等交通特性的基礎上，根據設置可變車道的相關要求，論證了可變車道設置的可行性，提出了可變車道的具體設計方案并進行了實施效果仿真實驗，以達到緩解蜀西路早晚高峰交通擁擠狀況的目的［1］。李俊波根據道路潮汐交通現象，提出了解決潮汐交通的大致思路即：早高峰進城車輛多時，增加進城方向車道數，減少出城方向車道數；晚高峰出城車輛多時，則反向操作。但都是利用道路雙黃線作為分流帶，雙黃線的設置長度、角度都沒有研究，所以會在交通組織上具有一定的安全隱患［2］。而周志將等對無道路分流帶的標志線缺點進行了論證，指出作為一種傳統的形式上的分離對向車流的方式，雙黃線因其設置簡單、占地少的優勢明顯，但是沒有真正的起到物理分離作用，行車安全性較低，交通事故與死亡率都較高。對非機動車與行人作用都不大，既沒有強制禁止行人與機動車的通過能力，又不能為通過的行人與機動車提供保護能力，存在與機動車沖突的可能性，同時對機動車越線掉頭、越線超車或者壓線行駛等違規駕駛行為沒有限制力［3］。由于中國存在著道路使用者交通安全意識不強、遵守交通法規素質不高等問題，雙黃線的使用效果大打折扣，這種情況在部分中小城市尤為明顯。

雖然關于潮汐交通的研究很多，有的學者提出了大致思路并舉例各地的實施狀況，也有的學者提出了具體的分流措施，但是都是在無道路分流帶、利用雙黃線進行分流的情況下進行設置。被占用車道方向的車輛在進行變換車道時，沒有相應有效地阻隔設施而誤入該路段，就會造成相向行駛的車輛嚴重碰撞。如何有效避免這種誤入情況，如何對車道的分流帶設施進行布置，如何適用于各地不同路面的情況，本文對此進行研究。

2 虎踞路交通特性分析

2.1 研究對象

虎踞路位于南京市鼓樓區，全長2.3km，雙向6車道，機非分離，南北走向，設計速度為60km／h，車道寬為3.75 m，無中央分流帶。南接漢中路，北接草場門大街，往北是出城方向，往南是進城方向。早高峰時間6：30—8：30，進城方向車輛較多，晚高峰時間17：30—19：30，出城車輛較多，“潮汐交通”現象明顯。

2.2 早晚高峰交通量統計

采用微波車輛檢測器對于虎踞路的交通狀況進行調查。微波車輛檢測器目前是精度最高的交通特性采集儀器，也可以用環形線圈車輛檢測器［4］進行車輛通過頻率分析。利用道路方向不平衡系數計算公式計算各個方向的系數，道路方向不平衡系數［5］是選取一條道路的兩個方向交通最大的一向的交通量與兩個方向交通之和的比值。

其中：KD為方向系數；Q為交通量，輛／h。

交通特性分析結果見表1，將數據收集之后分析處理的虎踞路早晚高峰交通量柱狀圖見圖1。

表1 虎踞路交通量調查結果統計Tab.1 Huju road traffic statistics

通過分析得知，虎踞路段早高峰、晚高峰時間段內車流量雙向具有明顯的不平衡，方向系數分別為0.64與0.65，屬于嚴重方向不平衡。在無法進一步增加車道數的條件下，只有通過利用現有資源解決潮汐交通情況。

3 自動可移動式分流帶的必要性

圖1 高峰交通量Fig.1 Peak traffic

基于陳堅、李俊波兩位研究員的研究，得知他們的研究以及所列的例子都是基于“無道路中央分流帶”情況。在道路交通組織方面采用“三進三出”情況，分別是“清場、進場、退場”。其中在3個環節每2個環節之中都具有一定模糊性，司機當時駕車狀態以及道路標志、標線設置情況都具有一定的影響。如果清場沒有干凈，反向車輛這個時候進場，很可能由于車速過快造成相撞。同時，在進場的時候，也可能由于司機對車道的反向占用不了解而造成誤入，也可能造成嚴重事故，這樣的風險是存在的。在重新設計道路標志、標線的基礎上，提出了自動可移動式可變車道分流帶，其可以有效避免司機經過潮汐路段時由于疏忽大意或者習慣性思維誤入已被對向來車占用的車道。

4 方案設計

4.1 交通標志標線設計

結合國內外研究狀況以及虎踞路的實際情況，可變車道實際就是占用對向一個車道，這樣使另一交通量較多的方向緩解擁堵壓力，減少延誤。

設計方案中，南從漢中路與虎踞路交叉口，北到草場門大街與虎踞路交叉口，全長2.3km。對緊靠中央分流帶的2條車道進行改造，主要從以下方面實施。

可變路段標志牌設計：預告標志牌（可變車道起點前200m）。黃閃、綠箭頭、紅叉三合一雙面提示信號燈（起終點和路段間位置懸臂式立柱橫桿之上3、4車道上方），如圖2a）、圖2b）所示；交叉口處可變指示標志（信號燈橫桿上附加在3 車道、4 車道上）；電子“左側變窄”警告牌（終點前50 m），如圖2c）所示［6］。由于在惡劣情況下，需要對信號燈顯示屏進行防風防雨保護，并且在變換車道切換情況下，需要上位計算機修改顯示屏內容，單片機原理控制LED 顯示屏［7］可以起到很好的效果。

標線設計：道路中間雙黃線不變，可變車道標注“可變車道”4個字，見圖3［6］。

4.2 移動式分流帶方案設計

圖2 可變車道路段交通標志Fig.2 Variable lane road traffic signs

圖3 可變車道設計圖Fig.3 Variable lane road traffic signs

分流帶的形狀如圖4中的斜線部分所示，處在緊靠雙黃線的可變車道內。其中最主要的是汽車轉彎半徑的計算，汽車轉彎半徑決定分流帶與雙環線夾角角度，即位置的確定。汽車最大轉彎半徑確定過程中，主要是汽車外輪的轉彎半徑的確定，根據李相彬研究中確定的汽車最小轉彎半徑公式［7］可知，汽車單車前外輪最小轉彎半徑R（m）的大小取決于軸距L1（m）和前外輪最大偏轉角θmax，其計算公式見式（1）：

牽引車帶半掛車的汽車前外輪最小轉彎半徑的計算也是應用式（1），但所涉及的因素要多些，不能簡單地直接套用公式。單車前外輪轉到最大偏轉角時，最小轉彎半徑立即出現。汽車前外輪轉到最大偏轉角時，牽引車和半掛車各自的轉向中心還沒有重合，還不能立即確定最小轉彎半徑，必須到圓周角ω＝0時才能確定。另外，根據上述分析可知：當前外輪最大偏轉角θmax＞θel（汽車轉彎最小安全角）時，圓周角ω不等于0，也就不能確定轉彎半徑。所以汽車同時滿足θmax＜θel和圓周角ω＝0 2個條件時的前外輪回轉半徑，才是汽車的最小轉彎半徑。于是，隨θmax的不同，汽車前外輪最小轉彎半徑Rmin的公式有如下2種情況：

1）θmax＜θel時，用式（1）即可；

2）θmax＞θel時，式中θmax換成θel即可，

式中：L1為牽引車軸距（mm）；L2為牽引銷到半掛車后橋中點的距離（mm）；a為牽引銷到牽引車后橋中點的距離（mm）；b為牽引車前輪距（mm）。

下面以齊齊哈爾汽車廠的QQ451 牽引車和QQ970半掛車為實例，按以上推導的公式計算汽車的最小轉彎半徑。已知各參數的具體數據如表2所示，計算所用公式和計算結果列于表2。

表2 汽車參數Tab.2 Vehicle parameters

如果直接套用式（1），得出的結果是牽引車的最小轉彎半徑Rmin＝6.7m。由圖4可知，汽車轉彎開始點處的切線與雙黃線相切。

圖4 分流帶AUTOCAD 圖Fig.4 Isolation belt with AUTOCAD map

根據轉彎模型，建立圓弧的公式，即：

假設極限狀況下的汽車轉彎形成的圓弧與分流帶相切，建立的切函數如式（3）所示。假設切點為（x0，y0），所以分流帶的方程為

建立二維坐標圖，如圖5所示。

圖5 汽車轉彎半徑形成的二維坐標圖Fig.5 Formation of the turning radius of the 2Dcoordinates of automobile

由于分流帶屬于交通硬件設施，所以分流帶的長度與費用有關，在保證安全度基礎上，盡量縮短分流帶的長度，根據式（2）和式（3），求出下面約束函數的最優解。

式中：Lmin為分流帶長度（m）；x1為分流帶與雙黃線交點的橫坐標值（m）；x2為分流帶與可變車道一側單黃線的橫坐標值（m）；y1為分流帶與雙黃線交點的縱坐標值（m）；y2為分流帶與可變車道一側單黃線的縱坐標值（m）。

將y1＝6.7m，y2＝2.95m 代入式（4），計算得知最終的隔離帶長度為9.702 5 m，由于計算結果是最小值，所以在實際應用中乘上修改因子，還要結合道路的實際情況、天氣情況。

4.3 移動式分流帶長度計算的影響因子

計算結果是在天氣晴朗的情況下計算得知的，所得結果是車輛外輪的最小轉彎半徑。天氣原因、道路的摩擦系數以及車輛的速度都會影響到轉彎半徑，所以需要乘一個修改因子或稱影響因子k，無因次。所以由式（2）－式（4）的計算得出式（5）：

式中：y2－y1為車道寬度，用小寫h代替，得到式（6）：

式（5）和式（6）中的符號意義同前。

根據白子建研究員的研究結果［8］，這里建議影響因子k取值為1.2～1.5，這樣在最大保證安全基礎上設置分離帶，使所有車輛的車速行駛在一定范圍內進行安全轉彎。

4.4 分流帶硬件設施設計

分流帶的最大作用就是分流交通，可以有效避免因為借用一方道路而產生的對向車的誤入，可以大幅度提高道路交通安全性。王曉華等對分流帶的寬度進行了研究，選用寬度為0.5 m，見表3［9］。其中分流帶的形式參考李清斌的研究成果，采用纜索結構分流帶［10］。鑒于潮汐交通處在城郊結合部，所以采用自動移動式分流帶，借鑒自動式電門，在地面上設置寬度為0.5m 寬的軌道，將軌道鑲嵌在道路內，與水平道路齊平，這樣可以有效減少對車輛行駛的影響。分流帶的硬件設計圖［11］參照圖6。

表3 道路中央分隔帶寬度經驗值Tab.3 Road Central separation belt width value

圖6 自動式分流帶樣圖Fig.6 Self－propelled isolation belt diagram

5 方案微觀仿真測試

利用vissim 軟件進行仿真實驗，在vissim 中根據虎踞路的實際情況以及設置的分流帶，建立模型實驗。仿真實驗流程圖如圖7所示。

圖7 仿真實驗流程圖Fig.7 Simulation flow chart

利用vissim 軟件，根據道路現狀、交通狀況設置參數，其中包括“道路長度、車道寬度、南北交叉口的紅綠燈的參數、車流量、車輛的組成，交叉口轉彎規則”，運行仿真程序，得到交通狀況現狀的仿真結果。仿真圖見圖8。將現狀仿真結果與交通調查結果進行比較，考察建立的仿真模型與實際道路交通的相似程度。將可變車道實施對參數的變化體現在上述的模型中，得到仿真數據。實施前后進城方向高峰小時車頭間距比較見圖9。

圖8 vissim 仿真圖Fig.8 Vissim simulation diagram

圖9 調整前后車輛車間距對比圖Fig.9 Before and after the adjustment of the vehicle distance comparison chart

圖9中，縱坐標是車輛的平均車頭間距，單位m，橫坐標是早高峰期間時間點，無因次。從圖9中可見，在高峰時間段內，實施前后的車輛間距明顯增大，對增加道路通行能力、提高服務水平有明顯效果，安全性明顯增加。

6 結 論

通過方案設計研究分析得出以下結論。

1）從自動式分流帶的設計來看，自動式分流帶既可以有效引導車輛分流，又避免車輛在高峰時間段內，車輛誤闖誤入。結構設計合理，造價經濟，安全效果明顯。

2）對現有車道進行改進后，潮汐式交通擁堵現象具有明顯改觀。通過vissim 仿真，可以看出車間距明顯變大，車間距增大了近原來的3倍。使得安全性、通暢性都大幅度提高。

3）分流帶設施設置需要考慮到眾多因素。在具體應用中，應結合車輛先進技術，可以參考長安大學任保寬等的研究成果［12］。同時道路交通量也是動態，也需要根據交通量進行動態分析，可以參考詹彩娟等羅列的方法進行研究［13］。在實際應用中是一項多學科的配合結果，文中側重其設置方案設計以及設計后結果影響分析，在實際應用中還要考慮更多的參考因素。

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