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      官阳:交叉口改善方案内容的技术原因和思路

      2021-04-09

      来源 : 官点

      作者 : 官阳

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      探讨交叉口的优化方案时,够专业经验的交通工程师一定会先了解交叉口的交通流特征和数据,这是为什么?

      因为交叉口的交通控制,实际上是一个协调路权和取舍的过程,是判断单位时间里各流向空间是否够用的问题,任何一个取舍,都需要有科学合理的评价,否则就可能构成假象和浪费。

      在这个评价领域,涉及到很多基本的交通工程的技术工具和评价工具。采集交叉口的流量数据,并不需要所谓的“大数据”技术能力,而是最基础、最朴实、至少用了七十年以上的交通工程原始手段(从1950年第一版HCM问世算起,那时就开始观察和测算跟车距离和速度的关系等基本交通流特征研究了)——站在路口分方向和车道数机动车、数非机动车、数行人!现在视频监控技术好了,可以坐在办公室里数各种车、数人!技术再升级,可以依靠视频识别各个车道的车牌、自行车和人脸,但任务依旧是数车、数人!

      因为交通工程师需要知道单位时间里,每条车道会(能)存下多少车,驻足区会站住多少人,地方够不够,要多长时间能“放”完。所谓依靠手机数据分析交叉口通行能力的,事实上是无法满足真正的交通工程设计需要的。 

      国际交通工程界,针对交叉口的交通控制方案做优化,有三个基本的任务环节:研判转弯条件、评价通行能力和调查事故记录,对应的也有最基本的技术工具和评价方法,分别是:转弯车道的设置条件,交叉口服务水平评级,交叉口事故记录分析(本文主要谈通过能力,事故记录工具不在本文探讨了)。 

      与国际常规做法相比,目前我们国家在日常见到的交叉口优化方案中,这三个任务环节和对应的技术工具,都很少被提及。

      我国比较常看到的,一般是对比单位时间里新旧方案的流量变化数值,比如较之前增加20%等说法,现在还有个趋势是比较流行用所谓的“大数据”分析做支撑来得到这个变化值。其实这种评价方式,对交叉口控制优化方案的实际效果评价,是很难充分和准确的。

      很简单,将信号灯的任何一个相位的延误加大,都可能换来其他相位方向上的通过能力的增加,而将任何一个方向的上游的信号灯延误提高,也可以增加下游路口该方向的“通畅”时间的——这就是为什么我们经常会听到所谓拥堵搬家的说法,因为这种评价并不是真正意义的交叉口通行能力的正确评价方法。

      为了正确地评价交叉口能力,判断交叉口车道布局和交通控制效果,首先就需要正确使用技术工具和完善评价方法,简述如下。 

       工具1:交叉口转弯车道设置条件 

      交叉口的车流通常会有直行、左转和右转,转弯的车辆都会有观察路口、降低车速、选择车道、判断操作点、寻找换道机会并进行操作的过程,不同车道的车辆在这个过程会导致分流或合流,进而影响主方向(通常为直行)的车流间距和车速,引发道路通行能力下降。

      为此,在什么条件下需要设置左转和右转专用车道,交通工程界做过大量的研究,经验被汇总于一批颇有影响力的技术文件里,其中比较有代表性的是美国交通工程界的经典巨著《公路和街道几何设计规范》(俗称绿皮书)和《公路能力手册》(Highway Capacity Manual,简称HCM)。

      随着研究的深入,在这些技术文件的不同阶段的版本里,这部分内容也一直在完善,持续指导着大量的交通工程师的日常工作。 

      1985年,美国运输研究委员会还出版了专门的《交叉口渠化设计指南》(TRB279号报告)(Intersection Channelization Design Guide, Report 279,TRB Transportation Research Board),是专门指导交叉口车道布局设计的具体技术文件,将支撑交叉口渠化的基础知识和技术要素以及工作方法进行了标准化的梳理,这其中就提到了设置左右转弯专用车道的流量指标。

      该指标数据被用作基础条件数据,然后与交叉口评估工作中实际获得的转弯流量数据做比对,评估设置转弯车道的必要性。 

      转弯车道不仅是会增加横向占地问题,其整体长度也要合理,需要根据转弯车的数量以及直行车的数量来决定,转弯车道太长了不仅会浪费,还会引发秩序混乱,太短了,则不够用,会导致直行车流的队尾堵住转弯车道的入口,或者转弯车的队尾溢出到直行车道里造成拥堵,这就是我们日常会听到的“数车”的任务的目的。 

      《交叉口渠化设计指南》提到的右转车道流量设置条件依据值如下两图所示(Intersection Channelization Design Guide, TRB Report 279,P64):

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      双车道公路右转车道设置条件依据值

      (图1)

      图中文字提示是(用来解释如何理解本表):对于标志限速值是 45 MPH(70公里时) 或以下的道路, 高峰段每小时右转大于 40辆,和总高峰时段驶入车辆总数每小时小于 300时,调整右转。

      上图的意思是,看两条折线分离的三个区间,比如,如果高峰时段车流量一小时超过500辆,其中超过20辆是要右转的,就可以考虑设置右转专用道了,20辆以下不用设(下面的一条折线以下区域);如果超过600辆车里右转超过40辆,就必须设置了,20-40辆之间,是过渡区域(淡绿色区间),可以设,也可以不设。 

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      四车道高车速公路的右转车道设置条件

      (图2)(70公里时速以上公路)

      上图的意思是:在4车道公路(两上两下)上,限速值高于70公里的,如果高峰小时超过1200辆车,有50辆车要右转,就应设置右转车道了,下面的一条折线以下区域(白色),不需要设置右转车道。 

      表1是绿皮书中关于双车道道路设置左转车道的指标依据(绿皮书在美国的地位等同于国家标准),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。这领域还有很多数据工具,篇幅原因,就不再列举了。

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       表1:双车道道路设置左转车道的指标依据 

       工具二:交叉口服务水平(Level of service)

      在评价交叉口通行能力时,还要用到一个重要的指标体系,即建立在延误时间基础上的交叉口服务水平LOS评级,见下表,每个交叉口的每个方向,包括交叉口整体的服务水平评价,都需要进行这个评估,简单说,这个指标体系反应的是一辆车通过交叉口时会发生的延误时间。

      这个评价方法是HCM的核心评价方法之一,由大批具有一线工作经验的交通工程师前赴后继几十年总结而成,并最终达成了这个共识。依据道路通行能力的分级模式,交叉口通行能力也对应分为A到F六级,A最好,F最差(交通流已经中断到难以忍受的程度)。

      通常,C以上是理想状态,D是高峰时可接受的状态。一般情况下,如果一个交叉口的某个方向上的车流,出现E或F的情况,就说明这个交叉口的该方向的服务水平已经很糟糕了,应该进行改善。

      之所以考虑延误时间作为服务水平指标,即有用路体验问题,也有延误时长会导致的车辆涌入和排队长度的压力问题,交通工程师在大量的日常工作里发现,延误如果超过80秒,排队的车辆数量和驾驶人的耐心都会达到一种难以收拾的程度,进而导致交通走廊的运输价值严重受损。

      我们国家很多城市道路在路口出现大量自行车聚集的困境,都与长时间延误导致后续车辆远远不断涌入有关。

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      交叉口服务水平分级 

      这两个工具是如何使用的呢?下面分享一个案例进行说明。这份资料来自美国阿拉巴马州交通局的网站,提供者是当地的一家的交通工程咨询公司。

      1、综述:

      图3中的三号交叉口,是美国阿拉巴马州奥本市的一个交叉口,相交道路是East University路与Opelika路,Opelika Rd.是一条主干路,蜿蜒着斜穿图中展示的区域,EastUniversity路则是该区域的一条外围环路。

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      图3:交叉口研究位置示意图

      (阿拉巴马州奥本市)

      2、该交叉口的现状描述:

      大学东路(East University Drive)与舒哥乔丹景观大道(Shug Jordan Parkway)相连,构成了一条奥本地区的绕城环路。与EastUniversity 相交的Opelika路的起点是GAY街,然后分别向东和西延伸,向东与East University路相交后,改名叫派佩里尔景观大道(Pepperell Parkway)。

      在这个两条主干道形成的交叉口,Opelika路向西的路口有一条左转车道,两条直行车道和一条右转车道,向东的路口有一条左转车道,一条直行车道和一条直行与右转混用车道。East University路上,向北的路口有一条左转车道,两条直行车道,一条右转车道,向南的路口有一条左转车道,一条直行车道和一条直行与右转混用车道。

      路口现在是通过信号灯控制,每个方向都有专用左转相位。具体地理位置看图 1,下图是交叉口俯视图。

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      3、高峰小时交通量调查数据

      2005年10月3日,该交叉口日流量为,晚高峰 (4:30- 5:30 p.m.) 4,168辆车,早高峰 (7:15-8:15 a.m.) 2,313辆车。具体见表2。

      表 2 :Opelika Road与 East UniversityDrive 高峰小时流量数据 

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      4、交叉口能力分析

      表3:Opelika Road 与 East University Drive 交叉口现有服务水平

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      从表3可以看出,交叉口早高峰的总体运行情况属于可接受范畴C。但是晚高峰时,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的范畴,具体是:

      Opelika路(Opelika Road)的西向东直行和右转的混合车道延误太多,是超过了80秒的F级;

      Opelika路(Opelika Road)的东向西左转和直行延误太多,左转是55-80秒之间的延误,直行延误超过80秒,达到了F级;

      East University路(EastUniversity Drive)南向北的左转弯延误太多,已经到了E级,即要通过需要55-80秒之间。 

      5、交叉口右转车道的评估

      Opelika路向西和East University路向北目前都有右转车道;在比较现有流量和右转车道设置指标后,建议在交叉口增加右转车道如下:

      • Opelika路向东(Opelika Road);

      • East University路向南(East University Drive) 

      6、改善建议

      根据目前的交叉口能力分析和高峰时段流量特征,提供两个选择方案。方案一是将交叉口晚高峰的整体服务水平提高到D。在这种情况下,有些方向在晚高峰时仍然会处在E的水平,还是比较差。方案二是将每个方向上的服务水平都提高到D或以上。下面是两个方案的简要介绍。 

      方案一:将交叉口晚高峰的整体服务水平提高到D,具体做法一是将East University路上的右转车道延长,以便让晚高峰时需要右转的车辆可以在遭遇向北排队直行车流的队尾前就直接进入右转车道,因为现在右转车道的入口段是被排队的直行车流堵住了;二是在Opelika路上的向东方向增加一条右转车道,以使右转车流可以提前进入右转专用道而不会被排队等候直行的车流堵住;三调整信号配时,为Opelika路上双方向的车辆提供专用左转相位。图4是具体示意。

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      图4

      方案一的改变方式,将东西向的左转信号灯独立相位改为直左混行相位以减少无谓延误,在西向东方向的入口方向上增加一条右转车道,在南向北方向上延长右转专用车道长度以减少排队溢出的干扰。 

      方案二是将每个方向上的晚高峰服务水平都提高到D或以上,具体做法是:

      将East University路上的右转车道延长,在Opelika路Opelika Road上的向东方向增加一条右转车道,和方案一提到的一样;

      在Opelika路的向西方向上增加第二条左转车道以满足左转需求;

      在East University路的向南方向上增加第二条左转车道以满足左转需求;

      在East University路的向南方向上增加一条右转车道,为高峰时的右转车辆提供条件。 

      需要注意的是,与方案一相比,Opelika路向西有双左转车道后,信号对东西向的左转车流保护独立相位不动。方案见图5。

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      图5

      下表展示的是改善后,方案一和方案二的服务水平状态。

      表4 :Opelika路与EastUniversity路交叉口改善后的服务水平预测 

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      文章的最后,再提几句和交通数据内容关系很大的HCM,《公路能力手册》,从1950年第一版问世就获得了巨大的成功,被翻译成9国文字,开始对交通工程的决策和实际操作产生巨大影响,历经70年,HCM多次再版,已经从100多页丰富成为一部超过3000页的长篇巨著,凝聚了大量一线交通工程师的研究与实操经验的心血,在车流、人流、自行车流、公交车出行等领域,都建立了大量的统计结论、科学评价方法和技术工具,这些功课(科学发现),一直围绕着交通数据展开,可以说是从数据来,到数据中去。

      计算机和通信技术日新月异,为交通工程实践,提供了很多更高效率的数据采集方式,但其实万变不离其宗,这些技术手段和数据,对道路运行管理而言,本应该是如虎添翼而不是喧宾夺主的,我们是因为需要数据才使用智能手段,而不是因为需要智能手段才使用数据的!

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