官阳:交叉口转弯车道设置的技术逻辑

发布时间:2020年11月17日 10:11    阅读量:829    文章分类:行业新闻


  交叉口是交通走廊的瓶颈,这里的交通流经常遇阻;在交叉口设置车道是个非常专业的技术问题,如果设置不当,则会影响整个交叉口的交通运行质量。设置少了,会导致同向交通流的各种延误、拥堵甚至事故;设置多了,会导致交叉方向上的过街距离过大,行人、自行车和机动车的通过时间增加,效率降低。设置错了,特别是渐变段设置错了或长度不足,更会是交通管理的灾难,秩序、事故和延误问题多多(此句话是网文新添)。交叉口的车道布局设计,有五个重要的技术环节和知识点需要普及和建立共识:交叉口车道布局形式的技术调查范围,交叉口服务水平评价依据,左转车道设置条件规范,右转车道设置条件规范,造价与财务经济合理性。

  交叉口车道布局形式的技术调查范围

  交叉口车道布局形式评价,不仅仅是对新建道路,对已有道路,也要定期进行调查和评估(一般每半年到一年评估一次),评估是否需要对车道布局和控制方式(比如信号配时)进行调整,评估的结论以交叉口服务水平为主要标尺。表1是决定交叉口车道布局形式前所需要做的技术调查(短期指临时有特殊需求时所要做的评估调查):

  上述调查内容,是对交叉口布局进行设计和调整前必须完成的任务,针对不同的问题,有不同的工程对策,没有这些调查工作做支撑,直接改造路口,往往会出现业内常说的“拥堵搬家”的情况。

  道路运行管理的一个重要工作,就是根据这种调查的结论,再参照已经形成的技术规范和标准,找到相应的解决办法。

  针对交叉口的交通流能力和车道布局,有一些重要的技术概念和评价方法,最有代表性的是美国的《公路能力手册》(Highway Capacity Manual,我国也有翻译为《公路通行能力手册》)和《绿皮书》( Green Book,A Policy on Geometric Design of Highways and Streets,美国联邦公路官员协会的技术标准《公路与城市道路几何设计规范》)。这两本巨著问世都已经超过半个世纪,但是还在持续修订和出版,其中的精髓、思路和具体工作方法被广泛接受。两本著作中与交叉口相关的指标,主要有交叉口能力和服务水平,左转车道和右转车道设置的基本依据等,本文摘录部分要点并释义。

  交叉口能力和服务水平评价依据

  交叉口是典型的路权冲突与切换区域,为了让各个方向都能安全顺利地通过,需要分配路权,由此引起交通流在此出现阻滞。所以,评价交叉口的通行能力,主要是评价交叉口区域的延误,评价结论分为两层,一层是延误的总体情况,一层是各个方向的延误情况,再将延误情况用服务水平分级来表示,目的是确定需要改进的地方。

  简单说,评价的方法主要是测算交叉口各个通行方向的延误时间是否在可接受的范围内,因为延误越长,用路感受越差,导致的排队甚至溢出情况越严重,对秩序的冲击也越大。无论行人、自行车、机动车,都是依据在通过交叉口的延误情况来进行评价的。表2是《公路能力手册》中最常用的机动车在交叉口的服务水平分级对照表,表内的定值,都是经过几十年,在一大批交通工程师的观察、总结、分析的基础上,根据道路的宽度、车流速和车间距等一系列交通要素的运行特征得到的,具有代表性。通常情况下,C 到D 的区域是可接受的标准,而灯控交叉口的延误极限是55秒(E的上限),简单理解,如果时间再长,不仅是人的耐心遭遇很大的挑战,还会因为上游源源不断涌来的交通流积压而使停留空间满溢导致秩序变得难以控制。在日常交通运行管理中,设法让交叉口各个方向的延误都比D 的水平好,就是典型的道路交通运行管理任务,如果延误到了E 甚至F(大于55秒,甚至超过80秒),就是不可被接受的服务水平,需要改善;特别是超过80 秒的延误,会带来上游交通流的持续“灌入”交叉口区域,导致严重阻滞乃至溢出,要花巨大的力量进行控制和清理,我们常见到很多大型交叉口的秩序问题需要消耗大量警力,都是由于F 级延误导致的。

  表3来自美国阿拉巴马州的一个真实案例,是对一个交叉口的流量特征与服务水平调查后形成的评估表。如表3 所示,早高峰的总体运行情况属于可接受范畴C,但是晚高峰的服务水平却是F。晚高峰时,向东、向西和向北方向的车辆流动都低于可接受范畴(按照常规操作,如果交叉口某个方向上有一个流向出现F,那么这个方向整体就是F,是必须改善的),表内显示的信息提示:

  ∙甲路的西向东直行延误太多

  ∙甲路的东向西左转和直行延误太多

  ∙乙路向北的左转弯延误太多

  在制定交叉口车道布局、信号配时方案调整之前,一定要经过调查和评估并形成上述表格,才能有的放矢,在这个过程当中,依靠数字化技术采集分车道流量数据,是基本的智能交通优化交通工程技术的环节之一,但这个环节是无法省略的。

  左右转弯车道的设置逻辑

  在有条件的时候,尽可能地为各个方向的车流提供专用车道,这是交通流保护畅通的理想状态。但在具体实施时,条件会受到限制,特别是资金问题和用地条件,以及行人和自行车过街问题。比如,双向单车道道路的交叉口,上游只有一条车道,车辆可能有“直行、左和右转”三个方向需求,怎么办?常规的车道布局顺序是依照工程成本来决定的,在各个方向交通流相对比较平衡或者车流量非常少的情况下,车道设置顺序依次是:单车道直左右三方向混行,单车道接入路口前变双车道的“直右混行+左转”,单车道接入路口前边三车道“直行+左转+右转”。为什么会是这个顺序?

  交通流如水。为了确保交通流的持续流动,就要从持续流动的交通流中剔除那些会引发交通流迟滞甚至中断的因子,这就是左右转弯车道设置的基本逻辑。转弯车道的设置有三个目的,一是将转弯而减速的车辆与直行的交通流隔离开以保护直行交通流,二是为转弯的车辆提供减速操作的空间,三是要容纳需要转弯而减速或等候的车辆,所以转弯车道需要合理的长度。

  因为左转弯车辆需要等待有对向交通流的间隙才能移动,所以左转弯操作带来的延误明显高于右转弯车辆,这种更长的等待可能引起直行和右转交通流的额外延误,因此左转弯车道往往是先于右转弯车道设置的(常规如此,也有例外,最终由交通流特征决定)。这也是交叉口车道布局和路权分配的基本逻辑,先“对付”延误和风险最大的方向,这与为了提高交叉口的能力,禁止左转弯的逻辑一样。禁止左转弯是一种典型的非常规布局设置。

  在有条件的交叉口,一般至少会设置直右混行车道和左转车道。表4是美国明尼苏达州交通局在交叉口转弯车道设置上的技术政策,在各个等级的道路上,左转车道几乎都是必须设置的。这种方法可以减少交叉口的事故和等候延误,明显提高交叉口通行效率。

  根据美国《公路安全手册》(AASHTO,Highway Safety Manual ,2010),在乡村的双向单车道道路和多车道道路上,设置左右转弯车道可以减少交通事故的发生,左转弯车道可以减少2 0 ~ 5 0% 的交通事故,右转车道可以减少5 ~ 1 5% 的事故。在城市多车道和郊区的多车道干线道路上,交通事故频率最低的是有中央隔离带和左转弯车道的道路,可以减少约1 0 ~ 5 0% 的事故量。

  左转车道的设置条件

  设置左转车道需要很多条件,条件允许情况下,始终要设置(美国明尼苏达州的规范具有代表性),这在地方标准里很常见,是当地经济条件和交通需求决定的,一般不再需要工程师另行计算。还有一种情况是根据交通流特征决定的,需要更多的计算,总体上,最简单的指标(HCM)是:在信号灯交叉口,如果有左转专用信号相位,每小时的左转车流量超过100 辆,就应该设置左转车道,如果左转车辆每小时超过300 辆,需要设置第二条左转车道。

  表6是绿皮书中关于双车道道路设置左转车道的指标依据(等同于国标),它是按照车速、每小时同向车流量、左转弯车辆的占比以及对向车流量等来判断的。比如,60公里时速的道路,每小时同向车流有720 辆车,其中5% 需要左转,此时如果对向有100辆车直行,就需要设置专用左转车道。

  为了保证交通流顺畅,并不能直接将一条直行车道在路口改为左转车道,那样会导致对直行交通流的干扰,引发延误甚至事故。

  右转车道的设置条件

  考虑到成本和通行效率等因素,交叉口是否需要设立右转专用车道也需要进行评估。使用采集到的右转车流量数据与指南中提到的设置右转专用车道的流量指标进行比较。

  如图3所示,纵向是每小时右转车流量,横向是主路单方向总流量,曲线是不同的进入路口前的车速对应的曲线,达到曲线右侧的流量,就需要设置右转车道。比如,时速100公里时,主路同向上每小时200辆车里有20 辆车需要右转,应该设置右转车道(最左侧曲线);车速条件不变,如果每小时600辆车以上,有10 辆车需要右转,也需要设置右转车道。在60公里时速时,每小时1200辆车,有10 辆车需要右转,需要设置右转车道(最右侧的曲线)。右转车道的长度以直行车排队的队尾不会堵住右转车道的入口为准。

  图4的注释中专门提到,现有道路条件可能会限制转弯车道的设置。交通工程师需要通过专门的交通工程分析以判断转弯车道方案的选择。

  车道设置造价与经济合理性

  造价与经济合理性,这个角度是美国交通工程很重视的一个领域。在交叉口做一次改动,设置一条转弯车道,都需要进行经济效益评价,以判断是否划算。表7是一张右转车道设置成本合理性的速查表。一般情况下,交通工程师只要根据这张表提供的曲线,就可以判断是否有经济合理性。它的主要思路是评估主路上的交通流量和转弯流量的各种运行成本和事故成本等,权衡设置右转车道是否划算。比如,一条右转车道的工程成本是2万美元,那么每小时有200辆车通过,其中60辆车需要右转弯,就可以保证收回成本。如果右转弯车道需要花费5万美元,则要每小时超过600辆来车的流量才划算。红色曲线是限速40英里时以上的道路,蓝色曲线是限速40英里以下的道路,曲线右侧区域是经济合理区域。表7中的基础数据是一条右转车道造价2万美元,燃油成本是1加仑3美元,延误1小时的成本是13 美元。

  除了上述这些技术逻辑和依据外,还有交叉口的空间问题,比如对于双向都只有一条车道的道路而言,转弯车道如何获得空间?这里需要分析车速和车道关系。在交叉口附近,车辆需要降低车速进行识别和判断,所以接近路口时,车道是不需要和主段一样宽的,而是需要减小车道宽度,加上双向车道之间的隔离空间、在交叉口段的路肩拓展,就有增加一条甚至两条转弯车道的空间了。这也是交通流线设计的一项基本技能和存在需求。

  本文主要介绍了十字交叉口车道配置的技术思路,还仅仅是从机动车的角度出发,没有触及自行车和行人等元素,目的是诠释交通工程技术规范的质量对我们日常的交通管理有非常重要的影响。从交通工程的教材、技术规范、专业技能培训等领域,我们还有很多功课要做。

  后记与拜托:去观察一下我们的所有的公路、城市道路的转弯车道,会发现在渐变驶入段、入港渐变段和蓄流段的设置上几乎是空白,这是我们今天道路拥堵和交叉口效率低下、事故率高的重要原因,是需要迫切改善的一个环节。希望大家能转发此文并呼吁此事!!!

  下面再重复一次这张图,交通流如水,任何交通流都需要导流处理的。

文章来源:2020年第10期《汽车与安全》的【慢谈交通】专栏