現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力分析

羅 文 唐光華

(廣州有軌電車有限責(zé)任公司，510030，廣州//工程師)

采用混合路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車，在運(yùn)營中不可避免地會(huì)與道路上的常規(guī)道路交通流發(fā)生沖突。尤其是在平交道口，常規(guī)道路交通流狀況更為復(fù)雜，直接影響平交道口的通過能力。但國內(nèi)目前仍缺乏對(duì)現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力研究，沒有較好的、能夠有效應(yīng)用的平交道口常規(guī)道路交通流通過能力模型。本文對(duì)影響現(xiàn)代有軌電車平交道口通過能力的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上建立了平交道口常規(guī)道路交通流通過能力模型，以期促進(jìn)現(xiàn)代有軌電車的合理規(guī)劃和發(fā)展，并提高平交道口的通行效率。

1 現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力的關(guān)鍵影響因素分析

影響現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力的關(guān)鍵因素主要包括非機(jī)動(dòng)車交通、平交道口車道數(shù)、信號(hào)相位控制及現(xiàn)代有軌電車開行對(duì)數(shù)等。

1) 非機(jī)動(dòng)車交通的影響：非機(jī)動(dòng)車交通以行人、單車、三輪車等慢行交通為主。該種交通方式的參與者具有不確定性和無規(guī)則性的特點(diǎn)，容易使平交道口處的常規(guī)道路交通流速度減低、堵塞，甚至中斷，導(dǎo)致平交道口常規(guī)道路交通流通過能力降低。

2) 平交道口車道數(shù)的影響：通常情況下，平交道口的車道數(shù)越多，其常規(guī)道路交通流通過能力就越強(qiáng)。因此，普遍采用壓縮已有車道、增加短車道的方式來提高平交道口常規(guī)道路交通流的通過能力。

3) 現(xiàn)代有軌電車的影響：現(xiàn)代有軌電車線路穿越平交道口，一方面增加了現(xiàn)代有軌電車與其他道路交通的沖突點(diǎn)，影響平交道口常規(guī)道路交通流的通過能力；另一方面現(xiàn)代有軌電車線路采用路面敷設(shè)，造成路面凹凸不平，常規(guī)道路交通一般都會(huì)減速通過，因此會(huì)影響平交道口常規(guī)道路交通流的通過能力。

以廣州現(xiàn)代有軌電車試驗(yàn)段新港東路口T字型的平交道口為例，在路面上鋪設(shè)現(xiàn)代有軌電車軌道后，平交道口的沖突點(diǎn)由2個(gè)增加至了4個(gè)(如圖1所示)，這明顯加重了平交道口的沖突性；而且沖突點(diǎn)越多，影響越大，平交道口常規(guī)道路交通流通過能力折減也越多。

a) 穿越前

4) 信號(hào)相位控制的影響：平交道口信號(hào)相位控制包括信號(hào)周期、相位數(shù)量、相位順序，以及相位的紅、綠、黃燈時(shí)間等部分。每一部分的變動(dòng)都能改變平交道口常規(guī)道路交通流的通過能力，如：綠燈時(shí)長直接決定該相位內(nèi)車流的通過數(shù)量；黃燈時(shí)長則影響周期時(shí)長，進(jìn)而影響車流通行時(shí)間的損失。

5) 現(xiàn)代有軌電車開行對(duì)數(shù)的影響：單位時(shí)間內(nèi)現(xiàn)代有軌電車的開行對(duì)數(shù)，直接影響現(xiàn)代有軌電車在平交道口的通行頻率。現(xiàn)代有軌電車的通行頻率越高，對(duì)常規(guī)道路交通的影響就越大，平交道口常規(guī)道路交通流通過能力也就越低。

2 現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力模型

現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力是指單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)交通信號(hào)相位中通過該平交道口的最大車輛數(shù)(pcu/h)之和。主要受平交道口大小、形狀、車道數(shù)，以及車輛走行方式、現(xiàn)代有軌電車路權(quán)形式、交通信號(hào)控制方式等影響。最主要的影響因素為信號(hào)相位控制方式及車頭時(shí)距。

平交道口車道數(shù)的多少?zèng)Q定了常規(guī)道路交通流通過能力的大小。在不同的車道間，相同功能的車道其通過能力相同；不同功能的車道其通過能力的計(jì)算方法不同。本文采用單個(gè)車道作為最小單元進(jìn)行計(jì)算。

在現(xiàn)代有軌電車平交道口，由于軌道穿越其中，影響常規(guī)道路交通流正常通過，因此導(dǎo)致車頭時(shí)距變長，常規(guī)道路交通流通過能力降低。因此，在功能相同車道中需分別計(jì)算穿越軌道與非穿越軌道的常規(guī)道路交通流通過能力。

2.1 通過能力計(jì)算的典型方法

國內(nèi)外計(jì)算平交道口常規(guī)道路交通流通過能力的方法主要有停車線法、規(guī)范法、沖突點(diǎn)法及HCM(公路通行能力手冊(cè))法4種,如圖2所示。本文采用停車線法計(jì)算現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力。

圖2 平交道口通過能力計(jì)算方法

2.2 單車道通過能力計(jì)算模型

本文只討論車輛在直行、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)情況下的單車道通過能力，其余不在討論范圍。對(duì)于現(xiàn)代有軌電車平交道口，雖然分為穿越軌道和非穿越軌道，但相同功能的單個(gè)車道的通過能力計(jì)算方法一致。

2.2.1 直行(左轉(zhuǎn))車道通過能力

(1)

式中：

Cs——單條直行(左轉(zhuǎn))車道的通過能力，pcu/h；

Tc——交通信號(hào)周期，s；

tg——綠燈時(shí)長，s；

t0——啟動(dòng)損失時(shí)間，s；

ti——平均車頭時(shí)距，s。

t0=v/2a

(2)

式中：

v——車輛運(yùn)行速度，m/s；

a——車輛平均加速度，m/s2。

2.2.2 右轉(zhuǎn)車道通過能力

右轉(zhuǎn)車道在有右轉(zhuǎn)信號(hào)燈控制時(shí)，計(jì)算方式與直行(左轉(zhuǎn))車道通過能力一樣；在無信號(hào)燈控制時(shí)，則可隨時(shí)右轉(zhuǎn)，其計(jì)算方式如下：

(3)

式中：

CR——單條右轉(zhuǎn)車道通過能力，pcu/h；

ti——平均車頭時(shí)距，s。

2.3 不同信號(hào)控制方式下平交道口通過能力

2.3.1 無信號(hào)優(yōu)先下平交道口通過能力

(4)

(5)

m——相位數(shù)量；

n——相位車道數(shù)；

Cj——車道通過能力，pcu/h；

Ck——相位通過能力，pcu/h；

k——相位順序；

C0——無信號(hào)優(yōu)先下平交道口通過能力，pcu/h。

2.3.2 相對(duì)信號(hào)優(yōu)先下平交道口通過能力

相對(duì)信號(hào)優(yōu)先即通過早起或者延遲現(xiàn)代有軌電車相位綠燈開放時(shí)間，提高早到或者晚到路口的現(xiàn)代有軌電車的通過概率。因此，相對(duì)信號(hào)優(yōu)先下平交道口通過能力的大小主要受現(xiàn)代有軌電車到達(dá)路口早晚點(diǎn)的概率、相鄰信號(hào)相位車輛通過能力、現(xiàn)代有軌電車開行對(duì)數(shù)及其相位等因素影響。故其計(jì)算模型如下：

C=C0+2f(β1+β2)p1-2fβ1p2-2fβ2p3

(6)

式中：

β1——綠燈早起的概率；

β2——綠燈延遲的概率；

p1——現(xiàn)代有軌電車相位下的其他車輛通過能力，pcu/h；

p2——現(xiàn)代有軌電車前一相位的其他車輛通過能力，pcu/h；

p3——現(xiàn)代有軌電車后一相位的其他車輛通過能力，pcu/h；

f——相對(duì)有軌電車開行對(duì)數(shù)，對(duì)/h。

2.3.3 絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先情況下平交道口通過能力模型

在絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制下，現(xiàn)代有軌電車除享有相對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制權(quán)外，還可通過插入現(xiàn)代有軌電車相位的方式提供信號(hào)優(yōu)先。因此，其計(jì)算模型如下：

(7)

式中：

β3——插入相位的概率。

tstreetcar——現(xiàn)代有軌電車相位綠燈時(shí)間，s。

3 交通調(diào)查與數(shù)據(jù)分析

3.1 參數(shù)定義

車頭時(shí)距(h)是指在相同車道上行駛的連續(xù)2輛車通過某一參照物的時(shí)間差。本文以車輛前端保險(xiǎn)杠通過平交道口停止線的時(shí)間差來計(jì)算車頭時(shí)距。

h=t2-t1

(8)

式中：

h——車頭時(shí)距，s/Veh；

t2——續(xù)行車輛通過停止線的時(shí)刻；

t1——前行車輛通過停止線的時(shí)刻。

并以此計(jì)算出平均車頭時(shí)距為：

(9)

式中：

h′——平均車頭時(shí)距，s/Veh；

hi——每輛車的車頭時(shí)距，s；

n——樣本容量。

3.2 調(diào)查地點(diǎn)及方法

針對(duì)廣州市有軌電車運(yùn)營現(xiàn)狀，選取新港東路平交道口進(jìn)行交通調(diào)查。新港東路平交道口流向示意圖如圖3所示。該路口為路中轉(zhuǎn)路側(cè)型平交道口，其中A、B、E為常規(guī)交通道路，C、D為現(xiàn)代有軌電車線路。

圖3 新港東路平交道口流向示意圖

由于新港東路口交通流量較大，需采集的樣本數(shù)量較多，且要求精度足夠高，因此本文采用視頻法調(diào)查交通流平均車頭時(shí)距狀況。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

所謂視頻法，即采用能夠精確顯示時(shí)間的攝像機(jī)錄制視頻，時(shí)間精度可達(dá)到0.01 s，以保障所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在實(shí)際調(diào)查過程中，以停止線為基準(zhǔn)，采集新港東路平交道口常規(guī)道路交通流數(shù)據(jù)信息。通過計(jì)算相鄰2輛車通過停止線的時(shí)間差得出車頭時(shí)距。

由于在計(jì)算平交道口最大常規(guī)道路交通流通過能力時(shí)，所有車輛均需處于跟隨狀態(tài)。參考HCM法，車頭時(shí)距以5 s為界，當(dāng)車頭時(shí)距超過5 s時(shí)，車輛不在跟隨狀態(tài)，視為異常數(shù)據(jù)，需人工剔除。最終將剩下的合格數(shù)據(jù)求平均值，得到平均車頭時(shí)距，如表1所示。

表1 新港東路平交道口樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3.2 模型參數(shù)標(biāo)定

新港東路允許速度為60 km/h，直行道設(shè)計(jì)速度為允許速度的0.7倍(42 km/h)，加速度為1.5 m/s2；轉(zhuǎn)向道設(shè)計(jì)速度為允許速度的0.5倍(30 km/h)，加速度為1.2 m/s2。

路段行駛速度為60 km/h，直行車道設(shè)計(jì)速度為路段行駛速度的0.7倍(42 km/h)，轉(zhuǎn)向車道設(shè)計(jì)速度為路段行駛速度的0.5倍。按照公式2，計(jì)算得出新港東路口各相位車輛起動(dòng)損失時(shí)間，如表2所示。

表2 模型參數(shù)設(shè)定表

3.4 平交道口通過能力計(jì)算過程

新港東路平交道口的相位控制流向包括社會(huì)車輛(相位1)、現(xiàn)代有軌電車(相位2)及人行過道(相位3)，如圖4所示。沒有現(xiàn)代有軌電車通過時(shí)，平交道口交通信號(hào)顯示，只有社會(huì)車輛相位及人行過道相位參與周期輪換，全相位周期為120 s；有現(xiàn)代軌電車通過時(shí)，則采用插入相位的方式實(shí)現(xiàn)絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制。各相位綠燈時(shí)長如圖4所示。

圖4 新港東路口相位示意圖

3.4.1 無信號(hào)優(yōu)先控制下車流通過能力

1) 直行穿越軌道通過能力：直行(3條車道)Cs=821 cpu/h。

2) 右轉(zhuǎn)穿越軌道通過能力：右轉(zhuǎn)(3條車道)CR=820 cpu/h。

3) 右轉(zhuǎn)非穿越軌道通過能力：右轉(zhuǎn)(1條車道)CR=928 cpu/h。

因此，無信號(hào)優(yōu)先控制下新港東路口通過能力C0=5 860 cpu/h。

3.4.2 絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先下平交道口通過能力

因此，由公式7計(jì)算得出新港東路口通過能力:C=2 870 cpu/h。

在絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制下，新港東路平交道口常規(guī)道路交通流的通過能力較無信號(hào)優(yōu)先的通過能力大打折扣。這主要是為了提高現(xiàn)代有軌電車的準(zhǔn)點(diǎn)率而使用信號(hào)優(yōu)先，擾亂了其他常規(guī)道路交通的通行秩序，導(dǎo)致平交道口通過能力降低。因此，在現(xiàn)代有軌電車規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該充分考慮現(xiàn)代有軌電車對(duì)常規(guī)道路交通的影響，通過合理有效的措施來提高整個(gè)路網(wǎng)運(yùn)行效率。

4 結(jié)語

目前，現(xiàn)代有軌電車正在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，但對(duì)現(xiàn)代有軌電車合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)方面的研究還比較欠缺，尤其是采用混合路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車對(duì)社會(huì)車輛造成的影響等研究更是甚少。本文旨在解決

現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流的通過能力問題，在分析影響現(xiàn)代有軌電車平交道口常規(guī)道路交通流通過能力關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，利用停車線法建立了現(xiàn)代有軌電車平交道口在各交通信號(hào)類型情況下的常規(guī)道路交通流通過能力模型。基于廣州現(xiàn)代有軌電車試驗(yàn)段新港東路口的交通調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算出平均車頭時(shí)距，并基于模型得出無信號(hào)優(yōu)先及絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先下的平交道口常規(guī)道路交通流通過能力。通過上述研究，以期對(duì)現(xiàn)代有軌電車的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理，以及提高路網(wǎng)運(yùn)行效率提供指導(dǎo)意見。