港區道路出入口喉深長度設計方法仿真研究

朱先智

(深圳市城市規劃設計研究院有限公司,廣東深圳 518031)

港區道路出入口喉深長度設計方法仿真研究

朱先智

(深圳市城市規劃設計研究院有限公司,廣東深圳 518031)

港口是貨流集散中心,多為公路或者城市道路的起迄點,并具有不同的交通特性。在港區道路出入口處由于銜接不暢容易產生交通安全、交通延誤問題。分析港區道路出入口交通特性,建立仿真模型;分析喉深長度與控制延誤時間的對應關系,確定港區道路設計合理喉深長度,確保行車安全、順暢。

港區道路;出入口;喉深長度;設計

0　引言

近年來,港口外貿額在國民經濟所占份額日益提升。新港規劃設計、舊港改擴建成為重點工程,但設計方法沿用城市道路理論,制約港區道路效益發揮,其中銜接港區設施內部道路和港區道路的出入口處矛盾最為突出,易發生車輛排隊、阻塞延誤。合適的喉深長度起著聯系、過渡和流線轉換的作用,協調土地開發與交通需求的保證,是港區出入口設計主要技術指標,而對于港區道路喉深長度設計一直沿用城市道路研究成果,缺乏針對性研究。

1　港區道路出入口交通特性分析

對于港區內的物流公司堆場和保稅區等設施區域,交通需求產生于貨物運輸的需求,而非基于人的出行,港區道路的主要交通參與者是運載貨物的卡車及少量的辦公車輛和工程車輛,幾乎沒有步行者和自行車。

2　港區道路出入口喉深長度建模

以接入碼頭大門為界,將外部抽象為一個T型交叉口并劃分為3個區域:T型交叉口區域、接入道路區域、接入單位內部沖突區域,如圖1所示。假定車輛到達分布為泊松分布,車輛到達的時間間隔服從負指數分布,根據車輛的行駛路線繪制行駛軌跡,并按大小劃分元胞,利用一維元胞自動機模型對該區域的交通流進行描述。

圖1　仿真模型示意圖

2.1初始化模型［1］

(1)車輛類型

由于港區設施交通特性,進出物流公司碼頭堆場和保稅區等區域的車輛都是大型集裝箱車,設定與路段3有關的車輛全部為大型集裝箱車。在主路直行車流中加入一定比例的小型車。

(2)駕駛員類型

本文將港區駕駛員分為3種類型:激進型、一般型和保守型。區別主要體現在:車輛加減速度、臨界間隙、期望間距、隨機慢化概率、最大速度等幾個方面。

(3)行駛目的地

對于進出接入單位的車輛需要賦予目的地屬性,用于確定車輛在路段3是否需要轉換車道。

2.2交通沖突模型［2］

(1)交通流優先次序

在T型出入口處交通流分為3個優先等級,見圖2。等級1:流向1、2、4,即主路直行交通和主路右轉交通;等級2:流向3、6,即主路左轉交通和次路右轉交通;等級3:流向5,即次路左轉交通。等級低的車流要給等級高的車流讓路或讓行。

圖2　T型交叉口交通流等級示意圖

(2)臨界間隙和跟車時間

臨界間隙是主路交通流中可提供次路一輛車駛入交叉口的最小時間間隔,計算值根據實驗觀測的最大拒絕間隙和最小接受間隙確定。美國臨界間隙計算方法:

式中:tc-x為交通流向x的臨界間隙,s;tc0為理想臨界間隙,s;te為修正參數,當車流為次路左轉時,該值為1.7,其它情況為0。

當次路車流為飽和流時,即該車流行駛速度較低,車頭間距較小,速度趨于一致,次路中相鄰兩輛車使用主路同一間隙駛離交叉口的時間,稱作跟車時間。若高等級的流向沒有沖突車輛時,跟車時間為該車道飽和流率的車頭時距。計算公式如下:

式中:tf-x為次路交通流向x的跟車時間,s;tf0為理想跟車時間,s。

2.3車輛運行規則［3］

2.3.1最大速度

由于駕駛員及車流的不同,最大車速也不同。

2.3.2期望間距

車輛的跟馳行為主要受與前車間距大小的影響,當車輛與前車的間距大于期望間距時,車輛會加速,當車輛與前車的間距小于期望間距時,車輛會減速。公式如下:

式中:h為期望間距;L為前車的車身長;q為跟馳車駕駛員的敏感系數,激進型取0.9,一般型取1,保守型取1.1;vt為跟馳車的運行速度;ut為前車的運行速度;b為待定常數。

當前車為重型卡車時,用DL(Discomfort Level)來衡量跟馳車輛的不適度,期望間距的模型為:

式中:β為不適度的影響系數,取值為8.15;DL的取值范圍為1～1.6。

車輛換道時還要考慮與目標車道后方車輛的距離,其可用前車期望間距乘以調整系數λ估計,即。

2.3.3直行車流的車輛加速度

式中:xt+δ為前車在時刻t+δ的位置;yt為跟馳車在時刻t的位置;q為駕駛員對前車的敏感度衡量因子。

前車為重型卡車時,跟馳車輛的加速度為:

2.3.4轉彎車流的車輛加速度

加速度干擾值越大,駕駛員所采取的減速度也越大,兩者存在非線形的正相關關系。當加速度干擾值超過0.7時,應考慮加速度干擾對駕駛員減速度的影響。根據車輛性能,加速度設置為:

式中:acure-car為前方車輛為小汽車時的車輛加速度; acure-truc為前方車輛為重型卡車時的車輛加速度;σ表示加速度干擾值。

2.3.5運行規則

針對港區設施接入道路出入口仿真模型,建立車輛的運行規則如下。

(1)跟馳規則:設置車輛加速度、隨機減速,限制最大最小車速。

(2)換道規則:根據車輛是否在目標車道上行駛判斷車輛是否存在變換車道需求,并根據與目前車道前車、跟馳車的期望間距判斷是否存在變換車道的條件。

(3)避讓規則:在無信號出入口處,根據車流優先次序確定優先規則。

(4)信號交叉口規則:根據信號交叉口通行規則,設置車輛滿足安全、舒適條件下的運行規則。

3　港區道路出入口喉深長度仿真實驗

3.1無信號交叉口仿真實驗［3］

在仿真區域內,按照前述沖突模型建立優先行駛規則,喉深長度由50 m變化到150 m,仿真時長選取10 000 s,仿真不同流量組合條件對應的控制延誤時間。

觀察圖3,可得到如下結論。

圖3　不同流量組合條件下喉深長度與控制延誤時間關系

(1)當主路與接入道路交通流量都達到飽和時,即流量組合為(1 200，700)時,控制延誤時間一直都保持在一個較高水平,與喉深長度關系不大,說明在這種情況下加長喉深長度不能有效提高接入道路的通行能力和服務水平,需要考慮其它組織方式,如禁止車輛左轉或加設信號燈控制等。

(2)在既定的流量組合條件下,控制延誤時間與喉深長度成反比,即喉深長度越長,則控制延誤時間越小;喉深長度越短,則控制延誤越大。

(3)當流量較小時,喉深長度對控制延誤有較大的影響,如交通流量組合(1 200，500)情況下,喉深長度為100 m時趨于緩和。

3.2信號交叉口仿真實驗［3］

在仿真區域內,設置信號周期時長為90 s,每個相位時間為30 s,設置喉深長度由50 m變化到150 m,得到不同流量組合條件對應的控制延誤時間。

觀察圖4可以得出如下結論。

圖4　不同信號周期喉深長度與控制延誤時間關系

(1)從整體趨勢上來看,同無信號交叉口的結論是相同的,即喉深長度越長,控制延誤時間越短,并且在降低到一定數值時趨于平緩,說明喉深長度的增加可以降低控制延誤時間,但是超過到一定值時,效果明顯降低,應該考慮其它措施,如改變信號周期,禁止左轉等交通組織方式。

(2)主路流量一定時,接入道路流量越小,車輛控制延誤時間越短。

考慮信號周期對控制延誤時間的影響,選取90 s,60 s,30 s三種信號周期,確定主路與接入道路的流量組合為(1 200、700),分別進行仿真實驗,得到喉深長度與控制延誤時間的關系如圖5所示。

觀察圖5知,當信號周期增加時,控制延誤時間減少,即信號控制交叉口處信號周期不宜設置過短,會導致車輛的延誤。

4　結語

本文針對不同信控條件,采用仿真模型對不同主路、接入道路流量組合條件下描述控制延誤時間與喉深長度的關系,得到:(1)喉深長度不適合飽和交通流;(2)非飽和交通流條件下,控制延誤時間與喉深長度成反比;(3)喉深長度存在適度值,超過適度值時對降低出入口控制延誤時間效果不明顯。

圖5　不同信號周期條件下喉深長度與控制延誤時間關系

「1] 周驪巍，白子建.港區道路交通行車安全分析「J].城市道橋與防洪，2010，(12):15-17.

「2] 賈斌.基于元胞自動機的交通系統建模與模擬「M].北京:科學出版社，2007.

「3] 康迪.港區道路出入口設計的仿真研究「D].天津:天津大學，2012.

U412.37

A

1009-7716(2015)12-0009-03

2015-06-06

朱先智( 1962-) ,男,貴州興仁人,副總工程師,高級工程師,現從事市政交通規劃設計工作。