基于Wardrop交織理論模型的環形交叉口擁堵治理方案研究

王 敏 韋夢柳 楊清梅

(1.武漢華科全達交通規劃設計咨詢有限公司 武漢 430074; 2.武漢光谷交通建設有限公司 武漢 430074)

環形交叉口是一種具有獨特平面幾何形式的交叉口。相比于信號交叉口,環形交叉口的行車更加安全、延誤較低[1]。自20世紀80年代開始,我國各大城市掀起了建造環島的熱潮。然而,近年來環島出現了通行秩序混亂、交通事故頻發、早晚高峰、節假日容易交通擁堵等問題,不少城市對環島都實施了改造。

2020年11月30日,為緩解交通壓力,山東東營經濟技術開發區決定對北一路環島實施拆除,將環形交叉口改為平面交叉口,提升路口的通行能力。該環島拆除后,北一路、膠州路2條交通大動脈的通行效率得到了大幅提高。2023年5月30日,南京市相關部門會同專業機構研商,并多番論證,擬將南門棠城廣場現狀環島實施拆除,同步改建為平交路口,最大程度提升棠城廣場通行能力。

位于武漢東湖高新區的光谷廣場綜合體(以下簡稱光谷環島)是集軌道交通、市政、地下公共空間于一體的超大型綜合體工程,地面環形交叉口是5條道路的交匯點,早晚高峰時段環島常發生交通擁堵。因此,需對光谷環島現狀的交通組織進行優化調整。

1 基于Wardrop交織理論模型的環形交叉口通行能力計算

1.1 Wardrop公式

目前國際上通用的交織理論模型是以交織段通過的最大交織流量反映環形交叉口的通行能力[2],其典型代表是Wardrop公式。根據Wardrop的交織理論模型,環形交叉口的車輛運行是通過環道(交織段)上的交織行為來完成的,因此,環形交叉口的通行能力是通過交織段上的最大通行流量。計算環形交叉口通行能力時,各交織段交通量將以同比例增加,當某一交織段交通量增加到其通行能力,認為該交織段已成為環形交叉口的瓶頸,此時的環形交叉口設計通行能力Qm即為各入口道的交通量之和[3],即

(1)

圖1為Wardrop環形交叉口通行能力計算圖式。

圖1 Wardrop環形交叉口通行能力計算圖式

1.2 英國環境部暫行公式

考慮到環島的實際通行法則是進入環道的車輛通常會優先讓行已經在環島內通行的車輛,等待間隙再駛入環島,1966年英國在Wardrop公式的基礎上,提出了適用于環道優先通行的通行能力Qs計算公式[4]。

(2)

式中:各參數意義與數值與式(1)的相同。我國環形交叉口實行的也是環島車輛優先通行的原則,因此對于我國的環形交叉口的通行能力計算可采用式(2)。由于環島的幾個進口道與出口道受行人干擾較多,結合實際工程經驗,通常環島的實際通行能力為設計通行能力Qs的80%[5]。

2 武漢光谷環島交通提升方案研究

2.1 武漢光谷環島概況

光谷環島是珞喻路、魯磨路、民族大道、虎泉街及光谷街等5條道路交匯點。光谷環島周邊有多個商業區、學校、大量住宅小區,以及地鐵出入口等大型交通吸引源,道路交通流量長期處于飽和狀態。

2.2 高峰時段車流量調查及負荷度分析

2.2.1交通運行情況

擁堵延時指數是指居民平均一次出行實際旅行時間與自由流速度(不受上下游條件影響的交通流運行速度)狀態下旅行時間的比值,是衡量城市交通擁堵程度的指標。大部分城市界定一個區域暢通的交通擁堵延時指數為1～1.5,緩行為1.5～1.8,擁堵為1.8～2.2,而當達到2.2及以上就被稱為嚴重擁堵。因此,本文將采用擁堵指數作為衡量擁堵的主要指標。

高德數據顯示,光谷環島及周邊主要道路均存在明顯的早晚高峰現象,高峰時段為:07:30-08:30,17:00-18:30。其中,早高峰整體擁堵指數為1.93,晚高峰整體擁堵指數為1.85,均呈擁堵狀態,其運行情況見圖2。

圖2 武漢光谷環島早、晚高峰交通運行情況

2.2.2環島交叉口車流流量流向分布

環島交叉口早、晚高峰車流流量流向分布情況,見表1。

表1 環島交叉口早、晚高峰車流流量流向分布情況 pcu

由表1可知,早、晚高峰時段進入環島的車流量為5 000～6 000 pcu,交通承載量較大。其中,早、晚高峰時段出環島進虎泉街的車流總量分別為1 127,1 329 pcu,而虎泉街通行能力僅約1 000 pcu,交通承載為過飽和狀態。因此,出環島需進入虎泉街的車輛在環島內形成排隊,使得相鄰的珞喻西路進口的車流出現較大程度的積壓,造成珞喻西路排隊較長,并在環島內形成一定程度的擁堵,進而影響了環島其他方向進出口道車輛的正常通行。

2.2.3環島通行能力計算及負荷度分析

光谷環島半徑R=80 m,共有4條環道,每個環道寬5 m。利用Wardrop交織理論模型中的式(2),計算其通行能力及早晚高峰小時的交通負荷度,見表2。

表2 光谷環島通行能力及負荷度分析

2.3 交通擁堵原因分析

1) 光谷環島早晚高峰流量大,交通承載趨近于飽和狀態。現場流量調研顯示,早、晚高峰時段環島內通行的車流量均超過5 000 pcu,交織段通行的最大車流量約3 500 pcu左右,部分交織段(例如:魯磨路-珞喻路(西)交織段、珞喻路(西)-虎泉街交織段等)的交通承載趨近于飽和狀態。

2) 下游形成通行瓶頸,導致下游交通溢出至光谷環島。民族大道下穿通道為單向三車道道路,其與民族大道出環島的三車道輔道在距環島出口約350 m處的龍安集團附近交匯,并匯成雙向六車道城市主干路,匯入車流大量交織形成局部通行瓶頸。與此同時,距光谷環島民族大道出口約120 m的民族大道光谷廣場站,為16條公交線路的停靠點,該公交港灣站站長度約60 m,蓄車能力有限,難以滿足公交車的停靠需求。

3) 環島內機非、人非混行現象突出,存在較大的安全隱患。光谷環島設有下沉庭院非機動車坡道,該坡道由寬80～100 cm三級階梯組成,自行車可推行,但電動車通行存在困難。地下通道H～Q、R～G為平順連接的環形通道,寬5.5 m,行人繞行距離較長(步行時長10～20 min),且缺乏行人指引系統。

地下環形通道開通后,由于地下環形通道缺乏行人指引系統,仍存在少量行人在島內穿行的現象。原負一、負二層高差較大近8 m,采用梯道銜接,難以實現非機動車騎行,因此非機動車幾乎全部都在環島與機動車混行。

2.4 優化設計方案

1) 合理優化環島交通組織。

①設置右轉專用道,右轉車輛不入環島。充分利用環島空間,設置右轉專用車道,與環島車道通過標線隔離,使右轉車輛不直接進入環島車道。

②對環島斷面重新劃分,減少進環島車道數。現狀環島內部分交織段的通行能力無法承載現狀交通負荷,而進島車輛并未受到信號燈控制,因此環島內車輛在早晚高峰時“轉不動”。基于此,本次擬將進口道的車道數由現狀三車道減少為兩車道,從源頭控制駛入環島的車流量,并在環島內增設地面文字標記,加強島內車道引導,將無序交織行為變為有序跟隨行為,減少島內車輛交織。

2) 提升環島內地面慢行系統,保障非機動車的通行權。考慮到本項目范圍地鐵及周邊建筑限制因素多,若將現狀的梯道改造為能夠滿足騎行要求的坡道,其展線通道部分結構將位于現狀地鐵站體結構上方,實施難度較大。因此,考慮到進口道車道數有所減少,本次將同步對環島內的車道重新分配后,同步完善環島非機動車道行駛路徑,鋪設彩色瀝青,作為非機動車專用道,并在環島內設置隔離護欄將機動車和非機動車進行有效分隔,同時在環島進、出口增設“請禮讓非機動車”地面標記,保障機非混行區域非機動車優先路權。

3) 增設行人交通導向標牌,引導行人從地下環形通道過街。在環島進口道入口較為明顯的位置增設行人指引標志及地下通道指引標志,引導行人通過環形地下通道過街,嚴禁行人在島內穿行。

4) 疏通下游民族大道出口。將民族大道光谷廣場站公交站臺的長度加長至90 m,增大站臺蓄車空間。同時,優化民族大道下穿通道與出環島道路交匯段的斷面形式,減少兩股車流交匯產生的交織,同時加長匯流長度。

3 Vissim仿真驗證

該仿真驗證是基于Vissim仿真建模,針對改造方案前后早、晚高峰車輛的平均延誤、平均排隊長度、道路的通行能力、延誤水平、排隊長度等指標進行對比分析,評價方案的改善效果。用Vissim對改善前后的光谷環島進行仿真,仿真過程如下。

1) 仿真參數設置。Vissim模型參數標定中,駕駛員行為參數對仿真結果影響較大。本文選取駕駛員關鍵的8個行為參數進行標定[6],其余參數取系統默認值。標定結果見表3。

2) 仿真結果。基于Vissim對光谷環島現狀和優化后分別進行仿真,仿真結果如下。

①交織段負荷度。在每個交織段斷面設置車輛檢測器,檢測在仿真時長內通過檢測斷面的車輛數,利用Wardrop交織理論模型中的式(2),計算優化前后早晚高峰小時的交通負荷度見表4。

表4 武漢光谷環島優化前后交通量及負荷度對比分析

仿真結果顯示,每個交織段斷面通過的車輛數均比現狀有所減少,負荷度均有所降低,運行效率有所提升。

②行程時間。設置行程時間檢測器,以測量珞喻路東進口至虎泉街西出口、珞喻路西進口至民族大道南出口的行程時間為例,仿真結果見表5。

表5 行程時間仿真結果對比分析 s

由表5可見,光谷環島減少進島車道數后,環島內通行順暢,珞喻路東進口至虎泉街西出口的行程時間較現狀相比,早、晚高峰分別降低46.7%和56.8%;珞喻路西進口至民族大道南出口的行程時間較現狀相比,早、晚高峰分別降低47.5%和54.6%。可見減少進環島車道數對提升環島通行效率效果明顯。

③延誤。行程時間檢測器可以檢測車輛通過路段的延誤。以測量珞喻路東進口至虎泉街西出口、珞喻路西進口至民族大道南出口的延誤為例,仿真結果見表6。

表6 延誤仿真結果對比分析 s

由表6可見,光谷環島減少進島車道數后,各交織段的延誤均有所降低。

④排隊長度。檢測珞喻路東進口和珞喻路西進口的排隊長度作為主要參考,仿真結果見表7。

表7 排隊長度仿真結果對比分析 m

由于控制了進入環島內的交通量,車流積壓在各進口道排隊,各進口道排隊長隊較現狀略有增加。

4 結語

本文基于Wardrop交織理論模型,通過對光谷環島每個交織段的通行能力進行計算分析,結果表明:部分交織段長度較短,局部通行能力嚴重不足,導致交叉口的整體交通承載趨近于飽和狀態。因此,本文提出從源頭控制駛入環島的車流量,降低環島交織段的交通負荷度,進而提升環島通行效率的交通擁堵改善方案,并利用Vissim微觀交通仿真軟件,模擬環島改善前后的交通運行狀況。結果顯示,每個交織段斷面通過的車輛數均比現狀有所減少,負荷度均有所降低,車輛延誤均有所降低;珞喻路東進口至虎泉街西出口的行程時間在早、晚高峰分別降低46.7%和56.8%,珞喻路西進口至民族大道南出口的行程時間在早、晚高峰分別降低47.5%和54.6%,表明本文所提出的改善方案對提升環島通行效率的效果較為顯著。

本研究基于Wardrop交織理論模型,對光谷環島每個交織段的通行能力進行了準確計算,為環形交叉口的擁堵治理提供參考。

本方案環島進出口道處的非機動車通行將對進出環島的車流產生較大干擾,下一步將結合實際交通運行情況進一步深化方案,適時增設非機動車專用信號燈,提高通行安全性。