闫晨玉,张林,2

(1. 华北理工大学 建筑工程学院,河北 唐山 063210;2. 唐山市空地智慧交通重点实验室,河北 唐山 063210)

引言

随着我国经济的快速增长,城市机动车保有量急剧增加,在城市道路资源有限的情况下交通拥堵问题越来越严重。城市规模不断扩大、居住区不断向城市外围延伸,逐渐出现了职住分离的模式,从而出现早高峰时段进城方向交通量大,出城方向交通量较小,晚高峰时段交通量情况相反。这就是潮汐交通流现象,潮汐交通流现象造成了道路交通流时空不平衡的状态变化,从而增加了早晚高峰期交通拥堵情况,为了能缓解城市道路的交通拥堵的问题,潮汐车道应运而生。

20世纪20年代美国及加拿大率先通过设置潮汐车道来解决潮汐交通问题,之后在全球城市交通管理领域得到广泛的推广及应用。基于潮汐车道设置方法的研究及可行性分析,崔研、刘东[1]以北京朝阳路调查数据为基础,对可变车道设置条件进行可行性分析,并进行潮汐车道优化设计,从而缓解高峰时期交通拥堵情况。陈坚、霍娅敏[2]论证了成都蜀西路典型潮汐车流路段设置可变车道的可行性,并通过数学建模技术进行仿真实验。代磊磊等[3]对北京2条潮汐交通现象明显的道路进行了高峰时段交通调查,根据交通流特性提出了潮汐车道设置方案,并使用VISSIM进行仿真评价。Kotagi P B, Asaithambi G[4]使用微观模拟模型对混合交通的印度城市主干道进行模拟评估。魏双秋、潘义勇[5]以加拿大Whitemud Drive高速公路为实例,设置路网环境进行VISSIM仿真运行效果分析。

基于对潮汐车道运行效果评价的研究,Wolshon B, Lanmert L[6]对美国45条可变车道进行了详细的调查,总结了可变车道的应用范围,并通过使用条件、安全、过度、评估和评价等角度对可变车道设置进行分析。GolubA[7]以亚利桑那州凤凰城的2条可逆车道发起对居民、企业、司机的社会调查,来研究所调查车道的成本和感知收益情况。Bede Z等[8]通过对可逆车道的实施效果进行研究,得出设置可逆车道减少出行时间、降低延误从而降低汽车油耗,减少有害气体的排放等。陈静等[9]对北京紫竹院路实施潮汐车道前后交通量、速度等变化进行全面评价,发现因设置潮汐车道取消中央护栏增加了行人与车辆的安全隐患。

基于交通拥堵特性对潮汐车道进行研究,并进行实例分析,孟广志[10]分析了城市交通拥堵特性,对潮汐车道的设置条件、设计方法和切换时机进行研究,并以石家庄市新华区和平西路的一段运用VISSIM进行仿真验证。丁心茹[11]根据潮汐交通现象产生原因分析潮汐车道设置条件,建立潮汐车道分配模型,确定切换时机,并以长春市某区域为例对所提出的模型进行应用。

上述研究结果表明,潮汐车道的设置能有效地缓解城市交通由潮汐交通流引起的拥堵,但未考虑到城市主干道设置潮汐车道的影响因素,以及实施自动化潮汐车道的重要性。故本研究从解决城市主干道因潮汐交通流引起的拥堵问题为出发点,分析潮汐交通形成原因及潮汐车道设置条件,针对唐山市北新道(学院路-建设路)潮汐交通流现象,设置自动化潮汐车道方案,最终以VISSIM仿真的方式验证方案在提高交通通行效率、降低交通延误等方面的可行性,并对进一步研究方向提供建议。

1国内外潮汐车道设置情况及应用前景

美国旧金山金门大桥是连接旧金山市区和北部的马林郡的跨海通道,年平均日交通流量约为10万辆车次,早高峰进城流量大,晚高峰出城流量大。早在1962年金门大桥就实施了潮汐车道,即将6车道在早高峰时段调整为进城4车道、出城2车道,晚高峰时段调整为出城4车道、进城2车道,从而提高道路资源利用率,有效缓解了交通拥堵,金门大桥潮汐车道的设置直至今日,仍为全球推广的典范。

2013年北京市朝阳路(京广桥-慈云寺桥西侧)开设首条潮汐车道,朝阳路主路为双向4车道,2个方向外侧为快速公交专用车道和内侧为小客车车道,潮汐车道是在17～20时将东向西方向小客车车道改为西向东,增加了晚高峰出城方向车流通行效率。紫竹院路(四季青桥东侧-车道沟桥西端)潮汐车道也于2014年建成投产,即紫竹院主路通过渠化在原有6车道的基础上中间增加1条车道为潮汐车道,潮汐车道在6～12时方向为西向东,其余时段方向为东向西,根据调查分析紫竹院路潮汐车道早高峰进城方向和晚高峰出城方向速度均有所提升,大大缩短了通行时间。

2021年唐山市国防道(站前路-文化路)开通潮汐车道,实施长度约为5.3 km。国防道为双向3车道,中间车道在7～9时的行驶方向为西向东,其余时段行驶方向为东向西。国防道是贯穿唐山市东西方向的重要干路,沿线包含10所学校、5家医院和2个早市,机动车、非机动车交通量均比较大,该路段设置潮汐车道有效地提高了城市长距离通行效率,缓解了交通拥堵。

我国城市化进程不断加快,城市机动车保有量持续增加,居住区与商务区分离严重,必然会导致在有限的道路资源中潮汐交通流现象越来越明显。潮汐车道能在不同时段改变车道行驶方向,从而合理利用道路资源,有效地缓解潮汐交通流带来的城市拥堵问题,所以潮汐车道在未来城市道路规划建设中的应用会越来越广泛。

2潮汐车道设置可行性分析

2.1 潮汐车道设置条件

设置潮汐车道应满足以下前提条件:

(1)潮汐交通流现象严重或已导致重交通流方向拥堵。

(2)路段机动车道数一般要求在双向三车道以上。

当通过交通量调查得到每条车道交通量vi时,可得:

(1)

(2)

其中vn、vm为轻、重交通流平均一条车道的交通量。

此时轻、重交通流的路段饱和度为:

(3)

(4)

其中Cn、Cm为轻、重交通流路段通行能力,c为一条车道路段通行能力。

(5)

(6)

潮汐车道设置后,以轻交通流方向路段饱和度不高于重交通流方向路段饱和度作为设置潮汐车道的临界值,则有:

(7)

得到轻、重交通流交通量关系:

(8)

带入重交通流方向分布系数,可得:

(9)

假设设置2条潮汐车道,则设置潮汐车道的重交通流方向分布系数临界值为:

(10)

潮汐车道的实施还应满足以下条件:

(1)实施潮汐车道后,在提高重交通流方向通行效率的前提下保证其他车流的通行效率,下游承载力能够容纳增加后的重交通流量。

(2)潮汐车道的实施可能带来安全问题,如遇司机未按照潮汐车道指示方向行驶,导致交通违法行驶带来的安全隐患以及拆除中央护栏导致路段中存在行人穿行、机动车从岔路向潮汐路左转带来的安全隐患等,都需要在设置潮汐车道时找到解决方案。

(3)根据潮汐车道实施后的道路运行情况,调整信号灯配时方案,以达到进一步提高交通运行效率的最佳控制方案。

2.2 潮汐车道分类

查阅潮汐车道研究文献并通过对国内外潮汐车道设置情况分析,从潮汐车道设置的自动化程度对潮汐车道进行分类。

2.2.1非自动化潮汐车道

非自动化潮汐车道,又称标线模式潮汐车道,通常是施画潮汐车道双黄虚线,并通过设置可变标志牌指示行驶方向的模式。自2003年至今,上海已启用多条非自动化潮汐车道,发展最为迅速。2021年唐山市国防道潮汐车道也是非自动化潮汐车道。

2.2.2自动化潮汐车道

自动化潮汐车道,又称移动护栏模式潮汐车道,通常是在标线模式的基础上使用特种作业车对车道上的水马护栏进行定向移动,从而与对向车道隔绝的潮汐车道模式。

自动化潮汐车道有效地阻止车辆驶入对向车道,减少车辆、行人穿行,使路段行驶更流畅,提高了行驶安全。2016年10月24日,国内首条快速路自动化潮汐车道将在深圳布吉路启用。2019年9月28日,上海首个拉链式潮汐车道在沪闵高架(漕溪立交-蒲汇塘路)路段正式运行。

2.3 潮汐车道的适用情况

2.3.1非自动化潮汐车道

非自动化潮汐车道中间无安全护栏,存在行人穿行、机动车从岔路向潮汐路左转带来的安全隐患,设置潮汐车道往往要做出安全评估之后再考虑实施,通常适用于有辅路的主路、机非分离的双向3～4车道。

2.3.2自动化潮汐车道

当车道数增多时,设置非自动化潮汐车道,潮汐车道的方向辨识率下降,行人横穿、机动车从岔路向潮汐路左转的安全隐患随着车道增加而增大,非自动化潮汐车道不能满足安全要求,此时应选择自动化潮汐车道。自动化潮汐车道使用特种作业车对车道上的水马护栏进行定向移动,从而与对向车道隔绝,更能保障交通安全,通常适用于双向5车道以上路段。

3潮汐车道方案设计

以唐山市北新道为研究对象,针对路段拥堵问题,进行了早、晚高峰路段区间行车速度和路口直行车辆排队长度调查,如表1、表2所示。

表1 唐山市北新道各路段早、晚高峰区间行车速度

表2 唐山市北新道各交叉口早、晚高峰直行车辆排队长度/m

根据调查分析,唐山市北新道拥堵情况主要存在学院路至建设路路段,该路段存在明显的潮汐现象。为研判北新道(学院路-建设路)路段是否满足设置潮汐车道的条件,对该路段早、晚高峰交通流量分布形况进行调查统计,结果如图1、图2所示。

图1 唐山市北新道(学院路-建设路)路段早高峰交通流量分布

图2 唐山市北新道(学院路-建设路)路段晚高峰交通流量分布

通过对唐山市北新道基础数据进行分析研究得出以下结论:

(1)北新道(学院路-建设路)路段早晚高峰存在潮汐交通现象,重交通流方向产生交通拥堵;

(2)根据高峰时期交通流量分布情况计算重交通流方向分布系数KD均大于设置1条潮汐车道的临界值0.625,故北新道(学院路-建设路)路段符合设置1条潮汐车道的前提条件。

北新道是唐山市重要主干道之一,双向8车道,路口拓宽至9车道,中间设置有唐氏景观护栏,两侧设有公交专用道和2 m的停车预留带。2018年之前北新道两侧设有路侧停车泊位,2018年后路侧停车泊位全部取消改为停车预留带,因此,在北新道设置潮汐车道最优的方法应该利用这4 m的停车预留带空间增设1条车道作为潮汐车道。

通过上述分析,并结合此路段现状交通设施设置情况,制定潮汐车道与可变车道相结合的设计思路,并且保留原有路口进口道展宽增加车道的方案。设置路段重交通流方向为5条车道、轻交通流方向为4条车道;设置路口重交通流方向为6条车道、轻交通流方向为3条车道。以北新道与卫国路交叉口东口为例,设置方案如图3所示。

图3 唐山市北新道与卫国路交叉口东口潮汐车道标线设置方案

此方案设置自动化潮汐车道可移动水马护栏,需要特种作业车对车道上的水马护栏进行定向移动来达到潮汐车道的切换,并增加指示标志、信号灯等配合使用。

4潮汐车道仿真效果评价

采用VISSIM8.0软件对潮汐车道设置进行仿真建模,并对潮汐车道设置前后排队长度、出行时间、延误水平等对比分析,并对设置潮汐车道的效果进行评价。

首先收集早晚高峰流量数据、信号配时方案等信息,并在VISSIM8.0软件中建立模型,并对模型参数进行标定。选择Wiedemann74模型,设置最小车头空距为1.25 m,平均停车间距为1.5 m,消散前的等待时间为45 s,期望速度分布为40 km/h。

基于VISSIM对北新道(学院路-建设路)路段潮汐车道设置前后模型分别进行仿真,设置随机种子42,仿真次数为3次,随机种子增量为5,期望速度40 km/h。仿真结果如下表3～表5所示。

表3 唐山市北新道(学院路-建设路)路段潮汐车道设置前后排队长度对比表

表4 唐山市北新道(学院路-建设路)路段潮汐车道设置前后出行时间对比表

表5 唐山市北新道(学院路-建设路)路段潮汐车道设置前后延误对比表

通过仿真结果对比分析得出,设置潮汐车道后,高峰时期重交通流方向车流排队长度明显下降,其中最为明显的是晚高峰学院-卫国路段东向西降低了42.83%。重交通流方向出行时间也有明显提高,其中最为明显的是晚高峰华岩-建设路段东向西降低了42.52%,对应延误最高下降52.11%。从仿真结果来看,设置潮汐车道对轻交通流方向影响不大,排队长度、出行时间、延误水平有所提高,但仍能满足交通需求。因此,潮汐车道的设置能够缓解北新道(学院路-建设路)路段高峰时期的交通拥堵状况。

5结论

(1)对潮汐车道设置条件、分类、适用条件做了可行性分析,并以唐山市北新道为例分析拥堵情况,建立潮汐车道设置路网模型,并用VISSIM对设置潮汐车道前后进行仿真对比,选取排队长度、出行时间和延误3个指标进行效果评价。

(2)自动化潮汐车道增加车道辨识度,减少安全隐患,在城市主干道中适用性更强。潮汐车道的设置能够改善重交通流交通拥堵情况,缓解潮汐交通现象造成的道路交通流时空不均衡状态带来的交通拥堵。