基于窄马路理念的车道缩减设计方法
2020-11-25王彤伟李鹏举
邬 岚，王彤伟，李鹏举，翟 伟
(南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037)
0 引 言
2016年2月，中共中央国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》[1]，提出树立“窄马路、密路网”的城市道路布局理念，强调加强非机动车道及人行道的系统建设，倡导绿色出行。二十世纪五六十年代，美国道路工程的主要目标是扩张交通系统能力，以致出现能力过剩的双向四车道道路，因此出现了“道路瘦身”理念[2]。1995年美国西雅图市对格林伍德大街北段进行了“四改三工程”，改造前道路的日平均交通量为11 872 pcu/d，改造后道路的日平均交通量为12 427 pcu/d，碰撞事故比改造前减少了58%[3]，其道路瘦身的方法采用中央双向左转车道(two-way-left-turn lane，TWLTL)[4-5]。国内的研究主要集中在加密路网与缩减道路的设想与实践上。以杭州市为例，近些年道路整治工程尝试缩减机动车道宽度，采用窄车道提高整条道路的通行效率，同时使城市路网通行条件得到一定改善，这在一定程度上满足了交通需求，减少了车辆变道行为，增加道路交通的安全性、有序性[6]。采用车道缩减方案，将道路空间重新分配，完善慢行交通设施，复兴步行和非机动车交通，可提高城市慢行交通舒适度。
1 车道缩减方案设计
1.1 道路现状
以南京市长白街、四川路为例(图1)，其道路为双向四车道，设有路边停车，人行道过窄，未设置非机动车道。交通运行上存在机非混行、非机动车占用人行道等现象，既影响机动车行驶，也影响行人的活动。
缩减前后道路横断面如图2。道路断面为单幅路，道路红线总宽度29.0 m，双向四车道，机动车道3.5 m，机非混行车道4.0 m，路边停车带2.5 m，人行道3.0 m，绿化带1.5 m，无非机动车道；设计行车速度40 km/h；沿线用地主要为居民住宅区和商业用地。
1.2 车道缩减设计
为了完善道路功能，保证机动车和非机动车各行其道，提升道路交通环境，设计中保持现状路幅宽度29.0 m不变，将机动车四车道缩减为三车道，车道宽度为3.5 m，中间车道设为中央双向左转车道；两侧保持路边停车宽度2.5 m和绿化带宽度1.5 m，增设两条2.0 m宽独立路权的非机动车道，将人行道拓宽至3.25m，设计行车速度保持40 km/h。图3为缩减前后道路平面。
由图3可见：
1)机动车道四车道缩减为三车道，中间车道设置为中央左转车道，道路中间设置过渡区段，过渡区段长度根据CJJ 37—1990《城市道路设计规范》设置。中央左转车道是专供左转或调头车辆使用的车道。在道路两端连接交叉口处将路边停车空间让与人行道，拓宽人行道宽度，减少行人过街长度。
2)左转车辆驶进路段后，在三车道混行区段8处排队行驶，后驶入左转变道区段9，左转车辆自然地分流进入中央双向左转车道，进行左转，如图3(b)。中央双向左转车道在道路两端分别设置左转，中央左转车道中的车流背离行驶，道路中间设置过渡区7，对两个方向的左转车辆起隔离作用，增加安全性。
2 道路路段通行能力
2.1 单车道通行能力
根据车头最小间隔公式(1)[7]，计算得到最大交通量N最大=1 121(pcu/h)：
(1)
l0=l反+l制+l安+l车
(2)
式中：C为基本通行能力，pcu/h；l0为车头最小间隔，m；l反为驾驶人在反应时间内车辆行驶的距离，m，l反=v/3.6t(v为行车速度，km/h；t为驾驶人反应时间，s)；l制为车辆的制动距离，m，l制=v2/(254φ)(φ为纵向附着系数，当道路设计车速40 km/h，φ=0.38[8])；l安为车辆安全距离，l安=2 m；l车为车辆平均长度，l车=6 m。
2.2 非机动车道通行能力对比
2.2.1 单条非机动车道通行能力N非
根据车头间距L，按式(3)，计算得到非机动车道通行能力N非=1 776(辆/h)：
(3)
(4)
式中：L为车头间距，m；v非为非机动车速度，v非=10 km/h；i为道路纵坡坡度；l′0为安全间距，m；l′车为非机动车的车身长度，m，l′车=1.9 m；其它符号同前。
2.2.2 车道缩减后非机动车道通行能力N非后
在机动车道缩减后，两侧各设置2.0 m宽的非机动车道，为保证行车的安全性，在非机动车道与机动车道增设缓冲区，缩减后非机动车道实际宽度为1.5 m。缩减后非机动车道基本通行能力N非后=1 776 × 2=3 552(pcu/h)。
上述分析表明，车道缩减后，非机动车拥有独立路权，机非干扰减少，运行速度、安全性及舒适性均得到提升。
2.3 人行设施通行能力Np对比
按照CJJ 37—1990《城市道路设计规范》，人行设施基本通行能力为2 400人/(h·m)，根据道路缩减前后人行道宽度计算道路缩减前后人行设施通行能力Np前、Np后：Np前=2 400 × 3.00=7 200(人/h)，Np后=2 400 × 3.25=7 800(人/h)。
行人动态空间需求可分为步幅区域、感应区域、行人视觉区域以及避让与反应区域等，按此需求，行人动态空间取3.22 m[8]，1条步行带的宽度取0.75 m[9]，因此，将行人步行空间模拟成长3.22 m、宽0.75 m的矩形空间。按此矩形行人步行空间计算得到：缩减前行人空间为2.42 m2/人，人行道容量为297人。假设缩减后人行道容量不变，则缩减后行人空间为2.63 m2/人。缩减后行人空间提升了8.7%，舒适度得到提升。
一般，行人的步行速度为1.0～1.2 m/s，取中值1.1 m/s。车道缩减前后行人过街长度分别为20.0、14.5 m，由此计算得出车道缩减前后行人过街延误时间：tp前=18.2 s，tp后=13.2 s。
车道缩减后，行人过街延误减少了5 s，过街距离减少5.5 m。
2.4 基于“以人为本”的通行能力对比
缩减车道的目的是增加非机动车和行人慢行交通设施，实现道路服务对象的转变，做到以人为本。因此，将机动车与非机动车的通行能力进行换算，得到基于“以人为本”的基本通行能力，如表1。
表1 “以人为本”的基本通行能力
由表1可以看出，缩减后车道总基本通行能力增加了3 068人/h，提高15%；慢行交通通行能力显著提高，拥有独立路权的非机动车道大大提升了非机动车的出行舒适性，人行道得到拓宽，行人间距增大，提升了行人的出行舒适性。
3 道路特性
采用Vissim交通仿真软件，构建三车道、四车道道路模型：①对相邻交叉口间路段进行仿真，路段长度为250 m，设置路段评价，对比分析车道缩减前后的交通量Q、道路密度K、车速V三者的关系；②构建道路的次-支交叉口，设置节点评价，对比分析车道缩减前后交叉口行驶延误和车辆排队情况。
仿真中，小汽车与大客车组成比例为98∶2，仿真时长为3 600 s。为了保证交通流随机到达的特点，每组仿真设置不同的随机种子，连续进行10次，取平均值作为仿真结果。
3.1 道路路段行驶延误分析
车道缩减后，根据Wardrop平衡原理，道路车流达到新的平衡[10-12]。表2为车道缩减前后路段仿真结果。
表2 车道缩减前后路段交通仿真结果
由表2可见：车道缩减后，直行和左转2种情况下，路段上车辆的行程时间t车均有减少，直行车道减少了0.34 s，左转车道减少了0.57 s。缩减后的三车道在车流达到新平衡后并不会造成行程时间的延误及通行能力的缩减。
3.2 交通流特性
3.2.1 车速V分布
图4为车道缩减前后，车速V的仿真结果。
由图4可见：缩减前后，平均车速V分为41.6、46.5 km/h。缩减后，平均车速有所提高，车辆之间的车速差异相应减少，原因是缩减后道路上车辆之间的干扰减少了。
3.2.2 交通量-道路密度(Q-K)拟合曲线
车道缩减前后Q-K拟合曲线如图5。
由图5可见，交通量Q与道路密度K为二次曲线关系。缩减前，交通量峰值Qmax=1 073 pcu/h，最佳道路密度Kopt=34 pcu/km，当K>Kopt时，道路处于拥挤状态；缩减后，交通量峰值Qmax=1 205 pcu/h，最佳道路密度Kopt=37 pcu/km，当K>Kopt时，车辆处于拥挤状态。
四车道单向为2条可变车道，三车道单向为1条车道，四车道有选择自由行驶的空间，缩减后车道上车辆间干扰减少，且实际通行能力比四车道提高12.3%。
3.2.3 道路密度-车速(K-V)拟合线
车道路缩减前后，K-V拟合线如图6。
由图6可见：
1)车道缩减前，四车道最大车速Vmax=53.0 km/h，道路密度最大值Kmax=51.98 pcu/km，车速散点分布变化临界点对应的临界道路密度Kc=26.7 pcu/km。当K
2)车道缩减后，三车道最大车速Vmax=52.84 km/h,道路密度最大值Kmax=53.28 pcu/km，车速散点分布变化临界点对应的临界道路密度Kc=28.3 pcu/km。当K
图4～图6的拟合线符合交通流三参数关系模型，从而可得到车道缩减前后交通流特性的参数，如表3。
表3 车道缩减前后交通流特性参数
3.3 缩减车道设计的控制指标
根据车道缩减方案，交叉口的仿真路网设定为次-支路小型交叉口，东西向为次干路(四车道/三车道)、南北向为支路，以检测交叉口进口车道。
3.3.1 适宜缩减车道的最佳左转车辆比例rL,opt
图7为不同左转车辆比例rL时，东、西进口方向三车道延误与四车道延误的差值T。
由图7可见：
1)车道缩减后，左转车辆比例rL的改变对东、西进口直行车道延误几乎没有影响，表明车道缩减并不会影响直行车道的通行效率；而且车道缩减后，由于不存在变道、超车等驾驶行为，反而增加了行车安全性。
2)当rL=20% 时，东、西进口延误均降低，为车道缩减的最佳左转车辆比例，即rL,opt=20%。当rL=15%～30%时，车道缩减效果比较理想，交叉口总体延误没有明显增加，可以进行缩减设计。
图8为东、西进口方向车道平均排队长度Lavg随着rL的变化而变化的曲线。由图8可见，当rL≤ 40%时，与车道缩减前相比，缩减后，东、西进口车道Lavg没有发生明显的变化，直行进口车道的Lavg呈现减少趋势，左转进口车道Lavg变化不大。由于右转和直行混合行驶，右转进口车道排队情况与直行相同。
3.3.2 适宜车道缩减的交通量Q
图9为不同交通量Q时，东、西进口方向车道在缩减后与缩减前延误的差值T及最大排队长度Lmax。
由图9可见：
1)东进口延误差值T比较均匀，大都在5 s以下。当交通量Q=750 pcu/h时，车道缩减后总延误差T总=-16.3 s，通行效率显著提高。因此，车道缩减的最佳交通量Qopt=750 pcu/h。
2)西进口在Q> 1 125 pcu/h时，左转延误差值明显提高，降低了交叉口的通行效率。
3)在Qmax=1 125 pcu/h时东、西进口直右车道的最大车辆排队长度Lmax突然增大，表明当Q> 1 125 pcu/h时，不宜进行缩减设计。
综上，当Q<750 pcu/h时,适宜进行缩减设计；当Qmax=750～1 125 pcu/h时，可以考虑缩减设计；当Q>1 125 pcu/h时，不宜进行缩减设计。
4 结 语
通过设置特有的中央双向左转车道，对车道进行“四改三”的优化缩减设计，分析道路上单条机动车道、非机动车道和行人道三部分通行能力的变化，进行更加人性化的路权分配，并增强整体道路系统功能。研究表明：缩减后的路段基于人出行的总通行能力提高15%，慢行交通通行能力显著提高，人行道得到拓宽，行人间距增大。四车道缩减为三车道后，中央车道为背离车流的单一车道，两个方向的左转车辆提前进入双向左转车道，同方向不同车道车辆间的干扰减少，车速有所提高，实际通行能力有所增加，减少变道干扰，这种方式也适用于未来无人驾驶车辆的路段设计。研究提出了适宜进行车道缩减设计的交通量Q和左转车辆比例rL。车道缩减后，过街横道长度缩短，慢行交通的服务水平得到提升，交通系统运行更加安全、有序。
