基于窄馬路理念的車道縮減設計方法

鄔 嵐，王彤偉，李鵬舉，翟 偉

(南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

2016年2月，中共中央國務院發布《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》[1]，提出樹立“窄馬路、密路網”的城市道路布局理念，強調加強非機動車道及人行道的系統建設，倡導綠色出行。二十世紀五六十年代，美國道路工程的主要目標是擴張交通系統能力，以致出現能力過剩的雙向四車道道路，因此出現了“道路瘦身”理念[2]。1995年美國西雅圖市對格林伍德大街北段進行了“四改三工程”，改造前道路的日平均交通量為11 872 pcu/d，改造后道路的日平均交通量為12 427 pcu/d，碰撞事故比改造前減少了58%[3]，其道路瘦身的方法采用中央雙向左轉車道(two-way-left-turn lane，TWLTL)[4-5]。國內的研究主要集中在加密路網與縮減道路的設想與實踐上。以杭州市為例，近些年道路整治工程嘗試縮減機動車道寬度，采用窄車道提高整條道路的通行效率，同時使城市路網通行條件得到一定改善，這在一定程度上滿足了交通需求，減少了車輛變道行為，增加道路交通的安全性、有序性[6]。采用車道縮減方案，將道路空間重新分配，完善慢行交通設施，復興步行和非機動車交通，可提高城市慢行交通舒適度。

1 車道縮減方案設計

1.1 道路現狀

以南京市長白街、四川路為例(圖1)，其道路為雙向四車道，設有路邊停車，人行道過窄，未設置非機動車道。交通運行上存在機非混行、非機動車占用人行道等現象，既影響機動車行駛，也影響行人的活動。

縮減前后道路橫斷面如圖2。道路斷面為單幅路，道路紅線總寬度29.0 m，雙向四車道，機動車道3.5 m，機非混行車道4.0 m，路邊停車帶2.5 m，人行道3.0 m，綠化帶1.5 m，無非機動車道；設計行車速度40 km/h；沿線用地主要為居民住宅區和商業用地。

1.2 車道縮減設計

為了完善道路功能，保證機動車和非機動車各行其道，提升道路交通環境，設計中保持現狀路幅寬度29.0 m不變，將機動車四車道縮減為三車道，車道寬度為3.5 m，中間車道設為中央雙向左轉車道；兩側保持路邊停車寬度2.5 m和綠化帶寬度1.5 m，增設兩條2.0 m寬獨立路權的非機動車道，將人行道拓寬至3.25m，設計行車速度保持40 km/h。圖3為縮減前后道路平面。

由圖3可見：

1)機動車道四車道縮減為三車道，中間車道設置為中央左轉車道，道路中間設置過渡區段，過渡區段長度根據CJJ 37—1990《城市道路設計規范》設置。中央左轉車道是專供左轉或調頭車輛使用的車道。在道路兩端連接交叉口處將路邊停車空間讓與人行道，拓寬人行道寬度，減少行人過街長度。

2)左轉車輛駛進路段后，在三車道混行區段8處排隊行駛，后駛入左轉變道區段9，左轉車輛自然地分流進入中央雙向左轉車道，進行左轉，如圖3(b)。中央雙向左轉車道在道路兩端分別設置左轉，中央左轉車道中的車流背離行駛，道路中間設置過渡區7，對兩個方向的左轉車輛起隔離作用，增加安全性。

2 道路路段通行能力

2.1 單車道通行能力

根據車頭最小間隔公式(1)[7]，計算得到最大交通量N最大=1 121(pcu/h)：

(1)

l0=l反+l制+l安+l車

(2)

式中：C為基本通行能力，pcu/h；l0為車頭最小間隔，m；l反為駕駛人在反應時間內車輛行駛的距離，m，l反=v/3.6t(v為行車速度，km/h；t為駕駛人反應時間，s)；l制為車輛的制動距離，m，l制=v2/(254φ)(φ為縱向附著系數，當道路設計車速40 km/h，φ=0.38[8])；l安為車輛安全距離，l安=2 m；l車為車輛平均長度，l車=6 m。

2.2 非機動車道通行能力對比

2.2.1 單條非機動車道通行能力N非

根據車頭間距L，按式(3)，計算得到非機動車道通行能力N非=1 776(輛/h)：

(3)

(4)

式中：L為車頭間距，m；v非為非機動車速度，v非=10 km/h；i為道路縱坡坡度；l′0為安全間距，m；l′車為非機動車的車身長度，m，l′車=1.9 m；其它符號同前。

2.2.2 車道縮減后非機動車道通行能力N非后

在機動車道縮減后，兩側各設置2.0 m寬的非機動車道，為保證行車的安全性，在非機動車道與機動車道增設緩沖區，縮減后非機動車道實際寬度為1.5 m。縮減后非機動車道基本通行能力N非后=1 776 × 2=3 552(pcu/h)。

上述分析表明，車道縮減后，非機動車擁有獨立路權，機非干擾減少，運行速度、安全性及舒適性均得到提升。

2.3 人行設施通行能力Np對比

按照CJJ 37—1990《城市道路設計規范》，人行設施基本通行能力為2 400人/(h·m)，根據道路縮減前后人行道寬度計算道路縮減前后人行設施通行能力Np前、Np后：Np前=2 400 × 3.00=7 200(人/h)，Np后=2 400 × 3.25=7 800(人/h)。

行人動態空間需求可分為步幅區域、感應區域、行人視覺區域以及避讓與反應區域等，按此需求，行人動態空間取3.22 m[8]，1條步行帶的寬度取0.75 m[9]，因此，將行人步行空間模擬成長3.22 m、寬0.75 m的矩形空間。按此矩形行人步行空間計算得到：縮減前行人空間為2.42 m2/人，人行道容量為297人。假設縮減后人行道容量不變，則縮減后行人空間為2.63 m2/人。縮減后行人空間提升了8.7%，舒適度得到提升。

一般，行人的步行速度為1.0～1.2 m/s，取中值1.1 m/s。車道縮減前后行人過街長度分別為20.0、14.5 m，由此計算得出車道縮減前后行人過街延誤時間：tp前=18.2 s，tp后=13.2 s。

車道縮減后，行人過街延誤減少了5 s，過街距離減少5.5 m。

2.4 基于“以人為本”的通行能力對比

縮減車道的目的是增加非機動車和行人慢行交通設施，實現道路服務對象的轉變，做到以人為本。因此，將機動車與非機動車的通行能力進行換算，得到基于“以人為本”的基本通行能力，如表1。

表1 “以人為本”的基本通行能力

由表1可以看出，縮減后車道總基本通行能力增加了3 068人/h，提高15%；慢行交通通行能力顯著提高，擁有獨立路權的非機動車道大大提升了非機動車的出行舒適性，人行道得到拓寬，行人間距增大，提升了行人的出行舒適性。

3 道路特性

采用Vissim交通仿真軟件，構建三車道、四車道道路模型：①對相鄰交叉口間路段進行仿真，路段長度為250 m，設置路段評價，對比分析車道縮減前后的交通量Q、道路密度K、車速V三者的關系；②構建道路的次-支交叉口，設置節點評價，對比分析車道縮減前后交叉口行駛延誤和車輛排隊情況。

仿真中，小汽車與大客車組成比例為98∶2，仿真時長為3 600 s。為了保證交通流隨機到達的特點，每組仿真設置不同的隨機種子，連續進行10次，取平均值作為仿真結果。

3.1 道路路段行駛延誤分析

車道縮減后，根據Wardrop平衡原理，道路車流達到新的平衡[10-12]。表2為車道縮減前后路段仿真結果。

表2 車道縮減前后路段交通仿真結果

由表2可見：車道縮減后，直行和左轉2種情況下，路段上車輛的行程時間t車均有減少，直行車道減少了0.34 s，左轉車道減少了0.57 s?？s減后的三車道在車流達到新平衡后并不會造成行程時間的延誤及通行能力的縮減。

3.2 交通流特性

3.2.1 車速V分布

圖4為車道縮減前后，車速V的仿真結果。

由圖4可見：縮減前后，平均車速V分為41.6、46.5 km/h。縮減后，平均車速有所提高，車輛之間的車速差異相應減少，原因是縮減后道路上車輛之間的干擾減少了。

3.2.2 交通量-道路密度(Q-K)擬合曲線

車道縮減前后Q-K擬合曲線如圖5。

由圖5可見，交通量Q與道路密度K為二次曲線關系?？s減前，交通量峰值Qmax=1 073 pcu/h，最佳道路密度Kopt=34 pcu/km，當K>Kopt時，道路處于擁擠狀態；縮減后，交通量峰值Qmax=1 205 pcu/h，最佳道路密度Kopt=37 pcu/km，當K>Kopt時，車輛處于擁擠狀態。

四車道單向為2條可變車道，三車道單向為1條車道，四車道有選擇自由行駛的空間，縮減后車道上車輛間干擾減少，且實際通行能力比四車道提高12.3%。

3.2.3 道路密度-車速(K-V)擬合線

車道路縮減前后，K-V擬合線如圖6。

由圖6可見：

1)車道縮減前，四車道最大車速Vmax=53.0 km/h，道路密度最大值Kmax=51.98 pcu/km，車速散點分布變化臨界點對應的臨界道路密度Kc=26.7 pcu/km。當KKc時，車速散點在K-V擬合線附近均勻分布，V與K呈線性關系。

2)車道縮減后，三車道最大車速Vmax=52.84 km/h,道路密度最大值Kmax=53.28 pcu/km，車速散點分布變化臨界點對應的臨界道路密度Kc=28.3 pcu/km。當KKc時，車速散點在K-V擬合線兩側均勻分布，V與K關系呈線性關系。

圖4～圖6的擬合線符合交通流三參數關系模型，從而可得到車道縮減前后交通流特性的參數，如表3。

表3 車道縮減前后交通流特性參數

3.3 縮減車道設計的控制指標

根據車道縮減方案，交叉口的仿真路網設定為次-支路小型交叉口，東西向為次干路(四車道/三車道)、南北向為支路，以檢測交叉口進口車道。

3.3.1 適宜縮減車道的最佳左轉車輛比例rL,opt

圖7為不同左轉車輛比例rL時，東、西進口方向三車道延誤與四車道延誤的差值T。

由圖7可見：

1)車道縮減后，左轉車輛比例rL的改變對東、西進口直行車道延誤幾乎沒有影響，表明車道縮減并不會影響直行車道的通行效率；而且車道縮減后，由于不存在變道、超車等駕駛行為，反而增加了行車安全性。

2)當rL=20% 時，東、西進口延誤均降低，為車道縮減的最佳左轉車輛比例，即rL,opt=20%。當rL=15%～30%時，車道縮減效果比較理想，交叉口總體延誤沒有明顯增加，可以進行縮減設計。

圖8為東、西進口方向車道平均排隊長度Lavg隨著rL的變化而變化的曲線。由圖8可見，當rL≤ 40%時，與車道縮減前相比，縮減后，東、西進口車道Lavg沒有發生明顯的變化，直行進口車道的Lavg呈現減少趨勢，左轉進口車道Lavg變化不大。由于右轉和直行混合行駛，右轉進口車道排隊情況與直行相同。

3.3.2 適宜車道縮減的交通量Q

圖9為不同交通量Q時，東、西進口方向車道在縮減后與縮減前延誤的差值T及最大排隊長度Lmax。

由圖9可見：

1)東進口延誤差值T比較均勻，大都在5 s以下。當交通量Q=750 pcu/h時，車道縮減后總延誤差T總=-16.3 s，通行效率顯著提高。因此，車道縮減的最佳交通量Qopt=750 pcu/h。

2)西進口在Q> 1 125 pcu/h時，左轉延誤差值明顯提高，降低了交叉口的通行效率。

3)在Qmax=1 125 pcu/h時東、西進口直右車道的最大車輛排隊長度Lmax突然增大，表明當Q> 1 125 pcu/h時，不宜進行縮減設計。

綜上，當Q<750 pcu/h時,適宜進行縮減設計；當Qmax=750～1 125 pcu/h時，可以考慮縮減設計；當Q>1 125 pcu/h時，不宜進行縮減設計。

4 結 語

通過設置特有的中央雙向左轉車道，對車道進行“四改三”的優化縮減設計，分析道路上單條機動車道、非機動車道和行人道三部分通行能力的變化，進行更加人性化的路權分配，并增強整體道路系統功能。研究表明：縮減后的路段基于人出行的總通行能力提高15%，慢行交通通行能力顯著提高，人行道得到拓寬，行人間距增大。四車道縮減為三車道后，中央車道為背離車流的單一車道，兩個方向的左轉車輛提前進入雙向左轉車道，同方向不同車道車輛間的干擾減少，車速有所提高，實際通行能力有所增加，減少變道干擾，這種方式也適用于未來無人駕駛車輛的路段設計。研究提出了適宜進行車道縮減設計的交通量Q和左轉車輛比例rL。車道縮減后，過街橫道長度縮短，慢行交通的服務水平得到提升，交通系統運行更加安全、有序。