基于燈控交叉口間距優化的道路通行能力提升技術研究

杜光

摘要 城市道路項目工程可行性研究階段，道路通行能力分析是確定道路建設規模的基礎，為城市路網系統規劃、交通設施服務水平評價、道路工程設計和交通管控提供科學理論依據，需對條件不同的道路設施及其各組成部分分別進行通行能力和服務水平分析。現行《城市道路工程設計規范》（CJJ37—2012）2016年版中對道路通行能力已作相關規定，文章在其基礎上，對影響道路實際通行能力的相關因素進行了研究分析，深入探討了信號燈控交叉口間距對實際通行能力的影響特性，并結合具體工程項目進行了實際應用。

關鍵詞 實際通行能力;信號燈控交叉口間距;方案設計

中圖分類號 U491.23 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0029-03

0 引言

道路通行能力是城市道路能夠輸送、疏解和轉換各類交通流的能力[1]。根據道路設施和交通實體的不同，通行能力可分為機動車道通行能力、非機動車道通行能力和人行設施通行能力。從規劃設計和運營的角度，通行能力可分為基本通行能力、實際通行能力和設計通行能力三種。《城市道路工程設計規范》（CJJ37—2012）2016年版對基本通行能力的定義：在一定的時段，在理想的道路、交通、控制和環境條件下，道路的一條車道或均勻段上或一交叉路口，期望能通過人或機動車的合理的最大小時流率[2]。該規范條文說明解釋了設計通行能力受自行車、車道寬度、交叉口和車道數等因素的影響，道路分類系數統一采用0.8左右。但根據實際工程經驗，城市各等級道路實際通行能力大多數情況下無法達到規范設定的數值。該文在現行規范對路段基本通行能力規定的基礎上，進一步研究了道路實際通行能力的影響因子，量化分析了信號燈控交叉口間距對通行能力的影響特點和計算方法，并在工程中進行應用。

1 通行能力分類及影響因素

1.1 基本通行能力

基本通行能力在行業內也稱之為理論通行能力，是指在道路和交通都處于理想狀態的條件下，由一種技術性能相同的當量標準車，以最小的車頭間距連續行駛的理想交通流，在單位時間內通過道路斷面的最大機動車數[3]。理想的道路條件主要是車道寬度不小于3.5 m，最外側車行道側向凈寬不小于0.75 m，縱坡平緩，并有開闊的視野、良好的平面線形和路面狀況。理想的交通條件主要是機動車組成均為單一的標準型當量小汽車，在一條車道上以相同的速度，連續不斷的行駛，機動車間保持與車速相適應的最小車頭間隔，且無任何方向的干擾。在這樣的理想道路及交通條件下，建立的車流計算模型，所得出的最大交通通過量，即基本通行能力。

（1）

式中：C基——一條車道的基本通行能力（pcu/h）;v——行駛速度（km/h）;t0——飽和連續車流的最小車頭時距（s）;l0——連續車流的最小車頭間距（m）。

其中l0主要受駕駛員制動反應時間、機動車剎車距離、機動車安全間距以及機動車的平均長度影響，參數的確定需要收集大量調查分析數據。該文基本通行能力根據《城市道路工程設計規范》取值。

1.2 實際通行能力

實際通行能力是指在一定的時段，在具體的道路、交通、控制和環境條件下，道路的一條車道或一均勻段上或一交叉路口，期望能通過人或機動車的合理的最大小時流率。計算實際通行能力的方法是以基本通行能力為基礎，考慮各項影響因素進行折減。該文重點論述實際通行能力的計算方法。

1.3 實際通行能力影響因素

路段實際通行能力的影響因素包括道路條件、交通條件和控制條件等。

道路條件主要指道路的幾何線形條件，包括道路平、縱斷面線形、橫斷面形式、交叉口及其他設施的設置情況。

交通條件指使用路段的交通流特性，包括行駛車速、交通組成、交通流量和流向等。

控制條件指交通管理部門通過交通控制設備對機動車和行人，在道路上通行以及其他與交通有關的活動所制定的帶有禁止、警告、疏導、限制或指示性質的具體措施。

2 實際通行能力計算方法探討

2.1 多車道對路段通行能力的影響

在城市道路中，同方向的車道數一般不少于1條，在多車道條件下，同向行駛的機動車會發生變道、超車和停車等交通行為，同時靠近外側的車道會受公交?？空?、出租車停靠點、非機動車及沿線單位出入口的影響，因此車道的通行能力由內側向外側依次遞減。

車道對路段通行能力的影響用折減系數α車道數來表示。若將最靠近中央分隔帶或道路中心線的車道折減系數α車道數定為1.00，則依據參考文獻，其余車道的折減系數依次為：第二條車道為0.80～0.89;第三條車道為0.65～0.78;第四條車道為0.50～0.65;第五條車道為0.40～0.52[4]。

2.2 交叉口對路段通行能力的影響

2.2.1 交叉口間距與路段通行能力基本規律

交叉口距離越近，路段通行能力越低。當交叉口距離無限遠的時候，通行能力接近理論通行能力，當間距接近0時，通行能力接近0。

2.2.2 折減系數公式推導

城市道路信號燈控制交叉口上游機動車通過交叉口進入下游路段，導致路段實際通過的機動車數受交叉口影響顯著，當交叉口間距較小時，交叉口的停車延誤在機動車行駛時間中所占的比例較大，不利于道路空間資源的有效利用、路段通行能力的發揮及路段車速的提高。而交叉口間距的增大，則有利于提高路段通行能力及路段平均行駛車速，有利于充分利用道路空間資源。

參考文獻[5]指出了交叉口間距對路段通行能力影響的計算方法，這一計算方法也在參考文獻[4]中得到了使用。該方法認為平面交叉口對路段通行能力干擾很大，城市交叉口數量多，機動車要頻繁剎車、停止、啟動，所消耗的時間占行駛總時間比重較大，從而使道路通行能力下降。降低程度等于路段上的無阻礙行程時間與交叉口阻滯后的實際行程時間之比，交叉口對路段通行能力的折減系數用α交表示。

（2）

式中：l——交叉口之間路段的距離（m）;v——道路設計車速（m/s）;a——啟動時平均加速度（m/s2）。

根據統計資料：小型汽車a=0.60～0.70 m/s2，中型貨車a=0.49～0.53 m/s2，大型客車及貨車a=0.42～0.46 m/s2，鉸接公交車a=0.42～0.46 m/s2，該次研究考慮城市道路不同車型混行，取a=0.60 m/s2。

b——制動時平均減速度（m/s2），根據統計資料：小型汽車b=1.66 m/s2，大型汽車b=1.3 m/s2，該次研究考慮城市道路不同車型混行，取b=1.50 m/s2。

和——系數，其數值取決于與的比值，其中，。

和——機動車離開、到達交叉口時的速度（m/s）;

——機動車的等候時間（s），當=0時，則為紅燈時間的一半，取=20 s，時，則=0。

參考國外相關規范及國內相關研究成果，主干路交叉口間距600～1000 m，次干路400～600 m，支路200～400 m，該次研究取主干路交叉口間距800 m，次干路500 m，支路300 m[6]。對于機動車到達交叉口時的速度和，當機動車遇到綠燈時，依據《城市道路交叉口設計規程》（CJJ152—2010），交叉口設計車速取路段設計車速的50%～70%，當機動車遇到紅燈時，=0，最終計算得到不同道路等級與設計速度下對應的如表1所示。

2.2.3 折減系數的應用

M.C.費舍里將公式應用于計算交叉口間距對城市干路通行能力的折減[7]，采用60 km/h的路段車速、48 s和80 s的信號周期、20 s和35 s的綠燈時間，以及12 s和20 s的交叉口停歇時間，進行計算并得出結論：交叉口間距從200 m提高到800 m，干路通行能力可以提高80%，這一結論目前還應用于對路段通行能力的計算[8]。同時還提出“在道路沿線建筑物較為密集的中心城區，可采取限制某些交通流向通行、只準右轉的措施，以提高干路通行能力”，考慮居民步行到達公交站點的時間約4～6 min，且滿足居民出行方便的一般要求，與此相適應的干路網密度為2.0～3.5 km/km2，相當于干路間距600～1 000 m。但要注意，提高路網的運行效率不能單純采用增大路口間距的辦法。

2.3 車道寬度對路段通行能力的影響

路段通行能力與車道寬度有密切關系，當車道的寬度小于3.5 m時，將影響機動車的運行車速，通行能力隨之減小。因此，當道路寬度不足3.5 m時，將作為通行能力折減系數，參考國外規范及國內研究成果，提出不同車道寬度的折減系數如表2所示[1，4]。

2.4 其他影響因素

其他對城市道路路段通行能力的影響因素包括非機動車干擾、行人橫穿馬路、公交停靠站及道路兩側出入口等。由于這些影響因素比較隨機，不易定量描述，為了簡化計算過程，該文統一將這些影響因素的折減系數其他定為0.9[4]。

考慮以上影響因素，對城市道路路段實際通行能力進行修正，計算公式如下：

（3）

3 案例應用

3.1 項目概況

關山大道位于武漢東湖新技術開發區，北起珞喻路華中科技大學正門、南接武漢三環線，設計全長5 km，設計車速60 km/h，規劃紅線寬60～100 m，雙向八車道。由于近年關山大道交通擁堵情況日益嚴重，亟須對關山大道進行綜合提質改造。

經對關山大道擁堵癥結進行詳細剖析，其中，交叉口對路段的交通影響較大。關山大道沿線交叉路口、紅綠燈較多，共計12個紅綠燈，包括8個十字交叉口，4個T字交叉口。平均間距約452 m，最近兩處信號控制交叉口間距僅214 m。城市主干道交叉口間距建議值為700～1 200 m，關山大道交叉口過多過密，影響道路通行能力。

3.2 交通需求預測

根據《武漢市城市總體規劃》，關山大道為地方性主干路，周邊已形成較為成熟的路網，以關山大道為軸線，形成四橫三縱交通網絡。四橫：珞喻路、雄楚大道、南湖大道、三環線。三縱：民族大道、關山大道、光谷大道。

利用TransCAD預測未來交通量，如表3。

3.3 實施規模及服務水平評價

關山大道為城市主干路，設計車速60 km/h，根據實際通行能力計算模型，可以計算得到單向四車道的通行能力為3 276 pcu/h。

經詳細分析交通問題，發現交叉口間距過近對道路路段通行能力造成了較大影響，因此采取統籌交叉口管理的方法，對現狀具備整合條件的5處信號燈控交叉口進行交通優化設計，將信號燈控交叉口調整為右進右出交叉口，具體為：將創業街、新南路、凌家山北路、凌華路、茅店山東路由燈控路口改為右進右出路口，對各類交通方式的通行進行重新詳細設計和引導。同時對關山大道和南湖道口交叉口、關山大道和雄楚大道交叉口2處關鍵交叉口進行交通組織優化設計。對改造后的路段通行能力重新進行計算，計算得到四車道的通行能力為3 725 pcu/h。

根據規范規定，應滿足三級服務水平，由于國內關于城市主干路服務水平評價尚未有成熟的研究成果[8]，因此可以參照《道路通行能力手冊》中的相關內容進行評價。我國的三級服務水平近似相當于美國的D級服務水平，因此可通過計算得到該項目實施路段的車道規模。對比分析顯示，優化方案減少關山大道沿線信號控制交叉口數量，增大交叉口間距，有效提高了關山大道的通行能力，提升了路段服務水平。如表4。

4 結論

針對現行《城市道路工程設計規范》中不同等級道路基本通行能力和實際通行能力的規定，首先介紹通行能力的概念，然后分析城市道路路段通行能力的影響因素，并給出實際通行能力的計算方法，尤其是量化車道數、交叉口以及車道寬度對通行能力的折減系數。最終將成果應用到關山大道（珞喻路—三環線）綜合改造項目，確定車道規模及服務水平評價，提高了通行能力的計算精度，對提高城市道路工程路段通行能力服務水平提供參考依據。

參考文獻

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

[2]城市道路工程設計規范： CJJ37—2012（2016年版）[S].北京：人民交通出版社， 2012.

[3]王煒， 過秀成. 交通工程學[M]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4]陳寬民， 嚴寶杰 .道路通行能力分析[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[5]楊曉光， 等.交通設計[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

[6]周榮沾.城市道路設計[M].北京：人民交通出版社，1999： 34-36.

[7]王煒， 等.城市交通規劃[M]. 南京：東南大學出版社， 1999： 88.

[8]楊佩昆. 重議城市干道網密度—對修改《城市道路交通規劃設計規范》的建議[J]. 城市交通， 2003（1）： 52-54.