城市信號交叉口非機動車待行區設置分析*

張驛丹, 張向軍

(1.太原科技大學 車輛與交通工程學院, 山西 太原 030024;2.山西省鄉寧公路管理段, 山西 鄉寧 041200)

共享經濟的興起,非機動車出行量增加,但道路資源有限,機動車與非機動車在進入交叉口時的相互干擾加劇,交叉口服務水平降低。為有效管理與引導非機動車流,提升交叉口非機動車運行效率,在信號交叉口進口道設置非機動車待行區分離機、非交通量,減少機動車與非機動車的相互干擾[1]。

常見非機動車交通設計方法有左轉二次過街、非機動車停車線前移等[2-4]。馮天軍等結合韋伯斯特機動車延誤模型,描述了不同非機動車過街方式的人均延誤與車流流量的變化關系,以最小延誤為優化指標,給出了待行區選擇的參考依據[3];鄺先驗等分析設置非機動車等候區時車流狀態特性及非機動車密度和等候區縱向長度對信號交叉口的影響,認為設置等候區雖能在一定程度上提高交叉口的通行能力,但長度過大會增大對機動車的阻滯[5];崔力中以機動車與非機動車的交通沖突數為非機動車待行區安全水平評價指標,建立考慮不同非機動車待行區隨機效應的負二項分布回歸模型,提出了信號交叉口非機動車待行區的設置形式選擇方法[6];王耀東等在現有非機動車停車線后方加設第二條非機動車停車線和信號控制燈,形成兩個非機動車停車等待區域,通過兩個信號燈的錯時開啟使兩個區域內的非機動車先后通行,以減少機動車與非機動車之間的沖突,增強右轉區域的安全可靠性和通行效率[7];Buch T. S.等認為采用非機動車停車線前移形式待行區可顯著降低綠燈初期的機動車與非機動車沖突數[8]。已有研究鮮有結合信號交叉口服務水平標準、占地面積等因素提出設置形式選擇建議。本文針對不同非機動車待行區形式分別建立信號交叉口機動車和非機動車平均延誤分析模型,通過分析機動車、非機動車到達率,對比分析普通非機動車待行區、非機動車停車線提前待行區、左轉非機動車待行區對交叉口車輛平均延誤的影響,結合交叉口服務水平標準提出信號交叉口非機動車待行區設置形式建議。

1 非機動車待行區形式

1.1 普通非機動車待行區

普通非機動車待行區的機動車與非機動車的停車線為同一停車線,非機動車到達交叉口進口道后在停車線后的非機動車道上等候(見圖1)。它是最常見的待行區設置方式之一。交叉口紅燈亮時,非機動車和機動車分別在各自停車線上游處等候;綠燈亮時,機動車和非機動車在同一相位進入交叉口。該待行區的設置可在很大程度上縮短信號周期、減少車輛平均延誤,提高交叉口的運行效率。但存在右轉機動車與直行非機動車、左轉非機動車與直行機動車等交通沖突,會降低交叉口的安全性。

圖1 普通非機動車待行區示意圖

1.2 非機動車停車線提前待行區

非機動車停車線提前待行區中非機動車停車線設置在機動車停車線之前,待行區位于非機動車停車線與機動車停車線之間(見圖2)。交叉口紅燈亮時,非機動車提前駛入待行區等候;綠燈亮時,待行區內非機動車先駛入交叉口,機動車在非機動車后方進入交叉口[6]。該待行區的設置可在一定程度上避免綠燈初期機動車與非機動車之間的沖突,提高非機動車的運行效率。但會延長交叉口的信號周期,增加機動車延誤。

圖2 非機動車停車線提前待行區示意圖

1.3 左轉非機動車待行區

左轉非機動車待行區是在普通非機動車待行區的基礎上,在人行道的前方設置一塊區域,該區域一般位于非機動車道前方,并未占用機動車停車線前方區域(見圖3)。設置該待行區的交叉口,非機動車左轉需二次過街(逆時針方向)。如圖3(b)所示,紅燈期間,左轉非機動車駛入待行區1內等候;綠燈初期,待行區1內非機動車直行到待行區2,調轉方向;隨后,待行區2內的非機動車在該進口道綠燈期間直行,完成左轉行為[3]。該待行區的設置可大大減少左轉非機動車和其他方向機動車之間的沖突,提高交叉口的安全水平。但左轉非機動車須至少等待一個紅燈期,交叉口運行效率和服務水平降低,且容易造成交叉口處非機動車擁堵。

圖3 左轉非機動車待行區示意圖

2 延誤模型的建立

以車輛平均延誤為評價指標,針對設置不同形式非機動車待行區的交叉口分別建立機動車平均延誤模型和非機動車平均延誤模型。

2.1 設置普通非機動車待行區交叉口的車輛延誤模型

設置普通非機動車待行區的信號交叉口進口道,機動車與非機動車的平均延誤規律相似(見圖4)。

q為機動車到達量或非機動車到達量(veh/h);r為紅燈時長(s);t為時間;ge為綠燈時長(s)圖4 設置普通非機動車待行區交叉口的車輛延誤

在綠燈初期,機動車和非機動車同時以飽和流率S1通過進口道停車線,時間為t,隨后釋放到達車輛。忽略機動車和非機動車在綠燈期間釋放的相互干擾。根據HCM 2010《道路通行能力手冊 2010》中均衡相位延誤公式[9],設置該待行區交叉口的機動車平均延誤模型和非機動車平均延誤模型均為:

式中:dc為機動車或非機動車的平均延誤(s);c為信號交叉口周期時長(s);λ為機動車或非機動車的綠信比;x為機動車或非機動車的飽和度。

2.2 設置非機動車停車線提前待行區交叉口的車輛延誤模型

設置非機動車停車線提前待行區的信號交叉口進口道,機動車與非機動車的平均延誤規律見圖5。

設非機動車待行區寬度為Lt、長度為Wt,即機動車停車線向后水平移動距離為Wt。一般情況下,Lt的取值以機動車道寬度為基礎,待行區的面積B以非機動車停車面積為基礎,則長度Wt=B/Lt。

相比于普通交叉口,設置非機動車停車線提前待行區交叉口的機動車信號周期總損失時間不再限于車輛起動損失時間、綠燈間隔時間和黃燈時間,還包括機動車穿過非機動車待行區所需時間t′和等待待行區非機動車進入交叉口的時間t″。t′和t″的計算公式如下:

式中:vc為機動車穿過非機動車待行區的平均速度(km/h);vb為待行區內最后一排非機動車穿過待行區的平均速度(km/h)。

信號交叉口進口道通行能力計算一般采用HCM 2010推薦的方法,為飽和流率與綠信比的乘積。機動車流飽和度按下式計算:

設置該待行區后,非機動車在紅燈期間須先行駛到待行區等候,待行區車輛占滿后,其余非機動車依舊在非機動車道等候;綠燈初期,待行區內非機動車先以飽和流率Sb1進入交叉口,持續時間為t,隨后非機動車道上非機動車以飽和流率Sb2釋放,直至tD時刻排隊車輛釋放完畢。Sb1、Sb2、tD計算公式如下:

式中:Ab為非機動車的單位占地面積(m2),其值為1.5 m2;qb為非機動車到達量(veh/h)。

如圖5(b)所示,信號交叉口一個周期內非機動車的總延誤db為多邊形陰影區域的面積,按下式計算:

Sb1t(tD-r)

2.3 設置左轉非機動車待行區交叉口的車輛延誤模型

設置左轉非機動車待行區的信號交叉口進口道,機動車與非機動車的平均延誤規律見圖6。

圖6 設置左轉非機動車待行區交叉口的車輛延誤

設待行區寬度Lz為非機動車道寬度、長度為Wz,則:

左轉非機動車須二次過街,即到達待行區2之后繼續與對應進口道非機動車再次直行穿過交叉口。該過程可以視為非機動車以qbz(左轉非機動車到達量)到達待行區2,允許釋放后,再次通過交叉口。

如圖6(b)、(c)所示,信號交叉口一個周期內非機動車的總延誤db為多邊形陰影區1和陰影區2的面積,兩區域的延誤分別為:

Sbz1tz(tD-r)

式中:r′為左轉非機動車到達待行區2后等待紅燈的時長(s);tz1為左轉非機動車從待行區2以飽和流率Sbz3進入交叉口的持續時間(s)。

3 非機動車待行區的車輛延誤分析

根據上文所述設置普通非機動車待行區、非機動車停車線提前待行區、左轉非機動車待行區交叉口的機動車、非機動車平均延誤模型,通過改變車輛到達率對車輛延誤進行進一步分析。參考文獻[2]和文獻[10-11],非機動車停車線待行區長度Wt的取值為2～5 m,非機動車縱向占地長度為1.5 m左右,Wt分別取2.0 m、3.5 m、5.0 m,非機動車道寬度為2.5 m,機動車道寬度為3.5 m。

3.1 機動車平均延誤與機動車到達量的關系

設置不同形式待行區交叉口的機動車平均延誤與機動車到達量的關系見圖7。由圖7可知:1) 設置普通非機動車待行區與左轉非機動車待行區的交叉口,機動車進口道停車線前未設置非機動車待行區,機動車在進入交叉口時幾乎不會被非機動車待行區影響,機動車平均延誤隨著機動車到達量的增加而增大。2) 設置非機動車停車線提前待行區的交叉口與之相反,機動車平均延誤隨著機動車到達量的增加而減小,但遞減速度逐漸減緩。機動車到達量一定時,待行區的長度越長,機動車平均延誤越大。但隨著機動車到達量的增加,不同待行區長度對應的機動車平均延誤差值逐漸減小。

圖7 設置不同形式待行區交叉口的機動車平均延誤

如圖8所示,與設置普通非機動車待行區交叉口相比,設置非機動車待行區交叉口的機動車平均延誤最少增加5 s,最多增加15 s;機動車到達量與機動車平均延誤增加值呈負相關。

圖8 設置不同形式待行區交叉口的機動車平均延誤對比

3.2 非機動車平均延誤與非機動車到達量的關系

設置不同形式待行區交叉口的非機動車平均延誤與非機動車到達量的關系見圖9。

圖9 設置不同形式待行區交叉口的非機動車平均延誤

由圖9可知:1) 設置普通非機動車待行區交叉口的非機動車平均延誤隨著非機動車到達量的增加呈先緩慢增大后加速增長的趨勢,非機動車到達量為3 000 veh/h時,其平均延誤接近60 s。2) 設置非機動車停車線提前待行區的交叉口,待行區長度越大,待行區面積越大,非機動車平均延誤越少。非機動車到達量較低時,不同待行區長度對應的非機動車平均延誤相差不大,到達量大于1 000 veh/h時,隨著非機動車到達量的增加,不同待行區長度對應的非機動車平均延誤之間的差值增大。3) 設置左轉非機動車待行區交叉口的非機動車平均延誤隨著非機動車到達量的增加呈上升趨勢。

如圖10所示,設置非機動車停車線提前待行區交叉口的非機動車平均延誤總體比設置普通非機動車待行區交叉口的少,但非機動車到達量不超過1 000 veh/h時,二者的非機動車平均延誤相差并不大,隨著非機動車到達量的增加,二者的非機動車平均延誤差值增大;設置左轉非機動車待行區交叉口的非機動車平均延誤比設置非機動車停車線提前待行區交叉口的非機動車平均延誤大14 s;與普通非機動車待行區相比,設置左轉非機動車待行區會增加非機動車平均延誤,非機動車達到量大于2 400 veh/h時,其延誤才會比普通待行區少,但此時非機動車到達量較大,一般交叉口可能無法設置允許承載左轉非機動車的停車區域。因此,可根據交叉口進口道實際可停車承載量選擇性設置左轉非機動車待行區。

圖10 設置不同形式待行區交叉口的非機動車平均延誤對比

4 非機動車待行區設置形式建議

綜合以上分析,結合美國交叉口機動車服務水平標準、信號交叉口非機動車道服務水平標準[12],同時考慮節約占地面積,提出表1所示信號交叉口非機動車待行區設置形式建議。

表1 信號交叉口非機動車待行區設置形式建議

5 實例驗證

以西安市高新區某交叉口為例,對機動車、非機動車高峰小時到達量等交通信息進行調查,用錄像法獲取工作日早高峰(7:30—8:30)交通數據,調查結果見表2。該交叉口最右側機動車道為直右車道,非機動車道寬度為3.0 m,設置普通非機動車待行區。

表2 西安市高新區某交叉口早高峰交通調查數據

根據表1,該交叉口可設置普通非機動車待行區和非機動車停車線提前待行區(Lt=7.0 m,Wt=2.0 m)。利用均衡相位延誤公式計算,該交叉口設置非機動車停車線提前待行區(Lt=7.0 m,Wt=2.0 m)時,機動車和非機動車的平均延誤分別為27.6 s、18.3 s,與設置普通非機動車待行區相比,分別增加11.9 s、0.8 s。可見,該交叉口更適合設置普通非機動車待行區。

6 結語

本文以交叉口不同形式非機動車待行區為研究對象,基于交通流理論,分別建立交叉口機動車、非機動車平均延誤模型,通過改變交叉口機動車、非機動車到達量,對比分析3種待行區形式下交叉口車輛平均延誤,結合信號交叉口服務水平標準、占地面積等因素,提出信號交叉口非機動車待行區設置形式建議。研究結果可為城市交叉口非機動車待行區選擇、交通管理和控制方案優化提供依據。