結合彩色瀝青引導的交叉口慢行交通組織優化設計

孔 微，梁子君，2，3，詹學娟，孫 培，肖 赟，2

（1.合肥學院 城市建設與交通學院，合肥 230601；2.安徽省智慧交通大數據分析與應用工程實驗室，合肥 230601；3.安徽省普通高校交通信息與安全重點實驗室，合肥 230601）

彩色瀝青混合料和普通改性瀝青混合料的拌合過程及生產工藝基本相同，在瀝青中加入彩色顆粒，然后通過攤鋪、碾壓等工序后形成的強度和路用性能均良好的路面［1］，對城市環境起到很好的美化作用，另外，還能夠起到警示交通、引導車流的效果。

國外對彩色瀝青路面的研究始于20世紀50年代歐美等國家［2］，前蘇聯在20世紀60年代開始了彩色路面的鋪裝，并嘗試鋪筑近萬平方米的彩色道路［3］。Lee等［4］制備出和普通瀝青性能相近的彩色瀝青，并對彩色瀝青混合料進行了性能驗證。Haider等［5］利用廢棄的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）改性瀝青粘合劑和骨料界面之間形成牢固的結合。彩色瀝青混凝土路面在日本應用也十分廣泛，其中最典型的有神戶市中心的彩色路面等［6］。

文宏軍等［7］在蘭州市非機動車道成功鋪筑彩色瀝青路面，為彩色瀝青路面的推廣應用提供借鑒。Tang等［8］將有色粘合劑與顏料、骨料和添加劑結合，形成有色瀝青混合料，通過進一步改性獲得更高的路面性能。Yao 等［9］對制備的彩色改性乳化瀝青進行性能分析，提高彩色改性乳化瀝青的高低溫性能以適應寒冷環境。

慢行交通在城市交通中占有不可或缺的地位，彩色瀝青路面在視覺上有強烈的引導作用，更適用于凸顯慢行交通路徑。本文針對交叉口慢行交通出行路權分配不明確、過街距離過長等問題，開展彩色瀝青引導的交叉口慢行交通組織優化設計，一方面研究了用于慢行交通出行環境的彩色瀝青原材料選擇和配合比設計，合理選用原材料，科學設計配合比，保障慢行交通環保出行；另一方面通過設置彩色瀝青鋪裝的行人過街島和非機動車通行空間，結合慢行交通協調式過街的相位配時優化等措施優化慢行交通組織，實現慢行交通安全、高效出行；最終，通過實際路口案例的仿真分析，驗證了該方法的合理性與有效性。

1 彩色瀝青原材料選擇和配合比設計

1.1 瀝青

將廢胎膠粉和SBS 改性劑共同加入到基質瀝青中，實現廢舊資源循環利用，采用高速剪切法制備SBS∕膠粉復合改性瀝青。選取的SBS改性劑、膠粉劑量分別為瀝青質量的3%、10%，相關性能測試結果列于表1。

表1 瀝青技術性能指標測試

1.2 集料

采用的集料相關技術性質試驗結果見表2、表3。

表2 粗集料基本性質試驗結果

表3 細集料基本性質測試

1.3 填料

礦粉能夠填補骨料相互間的空隙，本研究填料選用石灰巖礦粉，基本性能見表4，試驗結果滿足規范要求。

表4 礦粉基本性質測試

1.4 添加劑

選用彩色瀝青專用氧化鐵紅，溶于油但不溶于水，添加量為瀝青混合料的3%。若在瀝青混合料中加入氧化鐵，就會得到紅色瀝青路面。選用氧化鉻綠色粉，經過前期試驗，確定摻量為瀝青混合料的3%，即可得到綠色瀝青路面。采用干法工藝，在拌合瀝青混合料時，將上述兩種添加劑分別作為填料，與集料充分拌合，后續加入SBS∕膠粉復合改性瀝青。將加入氧化鐵紅的瀝青混合料記為彩色瀝青1#，由于紅色給駕駛員的感官刺激性強，有助于保護行人安全，所以用于鋪裝行人安全島；將加入氧化鉻綠色粉的瀝青混合料記為彩色瀝青2#，由于綠色能反映非機動車環保出行，有助于明確其路權，所以用于鋪裝非機動車道。

1.5 配合比設計

根據《城鎮道路路面設計規范》規定，選用AC-13C 型級配瀝青混合料，主要控制2.36 mm 關鍵性篩孔通過率小于40%。基于馬歇爾試驗和相關體積指標，最終確定的目標礦料級配見表5。設計級配的曲線如圖1所示。

圖1 設計級配曲線

表5 礦料級配 %

在選定級配的基礎上，根據實踐經驗來確定成型馬歇爾試件的油石比。采用3.5%～5.5%（間隔0.5%）這5個油石比，成型馬歇爾試件，并測試相關體積指標，根據測定的數據分析確定瀝青結合料的最佳用量，最終確定兩種彩色瀝青混合料對應的最佳油石比均為4.8%。

2 慢行交通組織優化設計

慢行交通組織應優先考慮行人和非機動車的通行安全，需要確保慢行交通有明確的路權和足夠的通行空間，即進行空間資源優化，在此基礎上優選信號相位并進行配時優化，提升交叉口慢行交通通行效率，即進行時間資源優化。為此，本文基于時空資源一體化設計原則，從以下4個方面對慢行交通組織進行優化。

2.1 設置行人安全島縮短過街距離

行人安全島分為實體與非實體兩種，由于實體安全島施工復雜，造價高且不易拆除改造，所以本文設計中采用非實體安全島，即采用彩色瀝青鋪裝的方式設置安全島［10］，縮短行人一次過街距離。此外，設置安全島的同時在時間上對行人實施二次過街信號控制。

2.2 鋪裝彩色瀝青明晰非機動車通行空間

非機動車過街需要明確行駛路徑及路權，利用彩色瀝青將非機動車道鋪裝成綠色，其中瀝青材料為膠粉改性瀝青，不僅明確非機動車的通行空間，而且有助于保護環境。此外，在時間上也對非機動車實施二次過街信號控制。

2.3 設計導流島減少右轉機動車干擾

通過在路口內部增設導流島并設置右轉專用車道，不僅縮短了慢行交通過街距離，還可以降低慢行交通與機動車的沖突，讓右轉車輛在通過交叉口時禮讓慢行交通減速慢行，以盡可能減少右轉機動車與慢行交通的碰撞事故。

2.4 優化慢行交通相位配時提高通行效率

根據慢行交通過街的協調設計，實施二次過街信號控制，可采用不同次序的相位方案，特別是在非機動車左轉通行時應盡量保證其通行的連續性，可以通過交通仿真評價進一步確定最優相位方案；在此基礎上通過調研慢行交通的過街距離，計算其通行時間，并且結合機動車信號配時優化提高交叉口的通行效率，減少交叉口帶來的延誤。

3 設計實例

以蕪湖市九華北路-齊落山路交叉口為例，將彩色瀝青應用于引導慢行交通出行。該路口是四個方向車道均不對等的畸形交叉口，南北方向道路中央由立交橋的橋墩隔離，交叉口渠化如圖2所示，根據本地化管理需求該路口非機動車與行人過街路徑保持一致，非機動車采用二次過街的方式實現左轉通行。其中，現狀交叉口渠化存在一定的交通安全隱患，如:南向、東向缺乏非機動車道，導致機非混行；西向停車線過于偏后，且缺乏二次過街設施設置，導致慢行交通過街距離過長。交叉口慢行交通組織優化主要有以下4個方面。

圖2 九華北路-齊落山路交叉口渠化圖

3.1 設置安全島

利用橋墩空間區域設置南北口慢行交通二次過街安全島，減少南北口行人和非機動車一次過街距離。其中，安全島采用彩色瀝青1#鋪裝紅色路面。

3.2 明確非機動車通行空間

先是在交叉路口內劃分與行人過街路徑相同的非機動車行駛區域，以此來降低非機動車左轉與機動車之間的影響。其次，補充完善非機動車道設置，例如在滿足車輛通行的前提下對南向進口車道進行壓縮，剩余空間設置一條2 m寬的非機動車道；然而在道路空間資源十分受限情況下，非機動車道寬度可取1.5 m；僅通行腳踏自行車的非機動車道寬度可取1 m［11］。因此，將南出口最外邊兩條直行車道均壓縮后設置了一條1.5 m 寬的非機動車道；東向進、出口道進行壓縮均設置了1 m寬的非機動車道。最后，非機動車行駛區域采用彩色瀝青2#鋪裝成綠色路面。

3.3 減少右轉機動車干擾

將西進口右轉方式改為路口外右轉，提升右轉通行效率，以降低右轉機動車與慢行交通在交叉口的沖突程度，并將西進口停車線前移，增設安全島，減少西口行人和非機動車一次過街距離。其中，安全島采用彩色瀝青1#鋪裝紅色路面。

3.4 優化慢行交通相位配時

以九華北路-齊落山交叉口工作日慢行交通流量較大的15:30-17:30時段為例進行交叉口相位配時設計。交叉口平均每小時機動車和慢行交通流量數據見表6所列，圖2對應的交通流向分布如圖3所示。信號相位方案如圖4所示，由于東進口僅有一個車道，需要所有不同流向同時放行，故東西方向采用單口放行相位，由于優化后的交叉口慢行交通組織采用二次過街方式，考慮慢行交通過街的協調設計，特別是流量較大的南北進口左轉非機動車的二次過街連續通行，考慮東西方向采用兩種不同次序的相位方案，即優化方案1、2，并通過交通仿真評價進一步確定最優相位方案。配時方案同時測算了慢行交通在不同渠化方案所需的清空時間，優化方案采用韋伯斯特法計算［12］，計算結果表明相位優化方案1、2的配時方案相同，見表7～表9。

圖3 交叉口交通流向分布

圖4 信號相位方案

表6 交叉口15:30-17:30時段平均每小時流量數據

表7 機動車信號配時現狀方案與優化方案 s

表8 非機動車信號配時現狀方案與優化方案 s

表9 行人信號配時現狀方案與優化方案 s

4 仿真分析

將上述現狀和優化的交叉口渠化及相位配時方案分別導入VISSIM 軟件中，然后構建交通仿真模型仿真運行3 600 s，仿真效果如圖5所示。

圖5 交通仿真模型運行

由圖5現狀交叉口交通仿真可以看出，圓圈處所示的東向西行人與北向南機動車發生沖突，分析其原因是未設置安全島使得行人一次過街距離過長，另外由表9可以看出，該處對應的16號行人流向所需清空時間為60 s，實際清空時間僅為10 s，清空時間嚴重不足導致行人無法安全通過路口，交叉口其他方向也存在同樣情況。由圖5優化交叉口交通仿真可以看出，一方面優化渠化方案在西進口處構建了安全島，并且在南、北進口均增設了二次過街島，很大程度上縮短了行人和非機動車過街距離，同時應用彩色瀝青鋪裝路面，明晰了慢行交通通行空間，有利于不同交通方式各行其道，減少交織沖突［13-14］。另一方面，從表9可以看出，優化配時方案提供的慢行交通清空時間與所需清空時間相等，有效避免了慢行交通在清空時間內與機動車沖突的情況，其中優化交叉口圓圈處所示的東向西行人可以在二次過街島上停留而避免與機動車沖突，與現狀交叉口形成明顯的效果對比。

為了進一步分析慢行交通的過街效率，以行人、非機動車過街平均行程時間（包括紅燈等待時間）為指標，對圖5交通仿真模型進行數據評估，統計結果如圖6、圖7所示，其中非機動車過街時間包括直行和左轉過街時間兩部分。

圖6 行人過街平均行程時間分析

圖7 非機動車過街平均行程時間分析

由圖6可得，優化方案1、2的行人過街平均行程時間比現狀方案分別降低了28%、27.9%，優化方案1、2 在行人過街平均行程時間方面優化效果差異不大。其中，南口行人過街平均行程時間降低效果最明顯，原因是南進口增設的二次過街島和西進口增設的安全島均大大縮短了南口的東西向過街距離；東進口降低效果不明顯是因為東進口過街距離較短，不需設置二次過街島。通過進一步優化交叉口相位配時，實現行人二次過街的同時縮短了信號周期，也是行人過街平均行程時間降低的重要原因。

由圖7可得，優化方案1、2的非機動車過街平均行程時間比現狀方案分別降低了33.7%、37.3%，優化方案1、2 在非機動車過街平均行程時間方面存在差異，故對其展開進一步分析。優化方案2的非機動車過街平均行程時間比優化方案1 平均降低了5.5%，造成此現象的原因是由于優化方案1先放行東進口，后放行西進口，保障了南進口左轉非機動車過街連續性，優化方案2 先放行西進口，再放行東進口，保障了北進口左轉非機動車過街連續性。由于北進口左轉非機動車流量較大，考慮其過街連續性更有利于降低非機動車過街平均行程時間，所以選用優化方案2更好。

5 結論

本文首先通過合理選用原材料及科學設計配合比，確定用于慢行交通路面鋪裝的彩色瀝青，其中添加劑用量為3%，油石比為4.8%，以明確慢行交通路權，保障其環保出行；在此基礎上，基于時空資源一體化設計原則，提出慢行交通組織優化設計方法，并進一步考慮慢行交通協調式過街的相位配時優化設計，采用不同次序的相位方案，通過VISSIM交通仿真評價進一步確定最優方案。仿真結果表明提出的優化方案明顯減少了慢行交通在過街清空時間內與機動車的沖突，有效降低了慢行交通過街平均行程時間。此外，彩色瀝青鋪裝的慢行交通路面顏色醒目，能夠讓人快速發現并正確辨認，有利于交通引導，從而達到提升交通安全和通行效率的目的，同時還具有美化城市和綠色環保的作用。

本文為彩色瀝青在交通優化設計中的應用提供了良好借鑒，但本文更多突出慢行交通組織優化設計，尚未分析彩色瀝青路面對慢行交通的引導率，這是后續需進一步研究的內容。