基于延误与通行能力的快速路主路多功能车道设计方法

摘要

本发明公开了一种基于延误与通行能力的快速路主路多功能车道设计方法，包括下列步骤：快速路主路多功能车道功能的确定；交通调查与统计，获取快速路道路交通条件及驾驶员行为参数；仿真软件选取与模型标定；建立交通仿真模型；对于多功能车道每一种功能，调整快速路主路交通流量及构成等条件，获得不同情况下的快速路主路车辆延误及通行能力并加以分析，从而得到多功能车道基于不同功能的设置分析的结论；将每一种功能下设置分析的结论加以综合，给出多功能车道设计分析的结论，并在此基础上进行多功能车道的交通设计。本发明的方法填补了多功能车道设计分析及方法的空白，可以为快速路主路多功能车道的科学、合理设计提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交通工程设计系统，尤其涉及一种基于延误与通行能力的快速路主路多功能车道设计方法。

背景技术

快速路是缓解大城市交通拥堵的主要工程措施之一，目前国内已建成较完善的快速路系统的城市主要有北京、上海、广州、天津、深圳等。尽管我国快速路的建设和研究已取得了一定成果，但仍然有许多问题有待进一步解决。

在国内现已建成的快速路中，主路车辆通常会在紧急停车带或主路最外侧车道进行紧急停靠。车辆进出主路多采取在主路外侧车道进行加速或减速的方式，车辆实际行驶时，尤其当主路交通车速较高、且形成连续流后，外侧车道被加、减速车辆占用，相应减少了主路的通行车道，从而降低了主路通行能力。在城市提倡大力发展公共交通的同时，快速公交也应运而生，部分路段需借助快速路主路车道进行停靠。

综合上述各种情况，当快速路主路流量、进出快速路主路车辆流量较大，或快速公交沿主路停靠，或快速路主路未设置紧急停靠带时，快速路系统运行稳定性较差，突出事件或公交停靠均可能引起快速路系统的拥堵甚至瘫痪，在这种条件下，多功能车道便应运而生。

多功能车道为设置在快速路主路最外侧的车道，其承担了事故车辆紧急停靠、进出主路车辆加减速、主路公交车辆停靠、远期预留等功能。除实现以上功能之外，其它车辆禁止驶入该车道。如：作者王晓华等发表于2009年12月总第143期《中国市政工程》，名称为《城市快速路上多功能车道设置的设计思路》中介绍了快速路多功能车道的功能、作用与设置方式。三大功能是：承担主路、辅路的交通衔接和与其他等级道路的转换；实现快速公交在主路停靠；作应急停车道使用。并提出了多功能车道设置与否应从财力、物力以及周边交通需求、交通特性等因素综合考虑，而不应一概而论的设计思路。其中，也提出多功能车道一般采用设在主车道外侧的方式，但未对快速路主路多功能车道设置的需求分析及评价进行相应的探讨。

目前，国内外关于多功能车道的研究主要集中于对多功能车道定义的阐述及研究，未见对其设置分析及方法的研究。由于多功能车道的设置受道路红线宽度、道路交通设计、道路投资预算等因素影响，同时，在相应的快速路主路上设置多功能车道是否能够产生相应的交通效益也是考虑的重要因素之一。迄今为止，还未见有基于车辆延误与通行能力等快速路系统交通运行质量条件为重要指标，对多功能车道的分析及设计方法作出全面的研究。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于快速路主路车辆延误与通行能力的多功能车道设计方法。本发明填补了多功能车道设置分析及方法的空白，可以为快速路主路是否设置多功能车道、如何对多功能车道进行设计提供科学、经济依据。因此，本发明基于对快速路主路车辆延误及通行能力分析，建立了快速路主路多功能车道设计的方法，本发明对于确定是否应设置多功能车道，如何设置多功能车道提供了理论依据与支持，进而可提高快速路系统的交通运行质量与交通效益。

为了解决上述技术问题，本发明基于延误与通行能力的快速路主路多功能车道设计方法予以实现的技术方案是：所述设计方法包括下述步骤：

步骤一、初步设定快速路主路多功能车道的功能，至少包括事故车辆紧急停靠、进出主路车辆加减速、主路公交车辆停靠；

步骤二、交通调查与统计，对预建立多功能车道的快速路主路的道路交通条件进行调查，获取该快速路道路交通条件及驾驶员行为参数，至少包括道路通行能力、行驶车速平均值、行驶车速方差；

步骤三、仿真软件选取与参数标定：选择交通仿真软件，可选择VISSIM和SYNCHRO中的任一款，结合现场调查数据进行仿真软件的参数标定，至少包括停车间距、期望车头时距、跟车变量和跟车状态阈值；

步骤四、建立交通仿真模型：仿真模型的建立包括三个方面：

(1)基础路网建立，包括主路车道数、辅路车道数、主路是否设置多功能车道、出入口渠化形式；

(2)确定输入参数，包括主路直行流量、出口流量、入口流量、辅路直行流量、主路期望车速、辅路期望车速、主路车辆事故率、主路车辆构成比例、主路停靠公交车辆流量；

(3)确定输出参数，包括主路车辆延误、主路通行能力、主路车辆平均行驶车速；

步骤五、对于步骤一中初步设定的多功能车道的每一种功能，通过在仿真软件的输入参数中调整快速路主路交通流量、快速路主路进出交通流量和快速路主路车辆构成比例条件关系，根据仿真软件的输出参数获得每一种功能在不同的紧急事故车辆率、主路交通流量及主路进出交通流量情形下的快速路主路车辆延误及通行能力；

步骤六、通过对比快速路主路在设置多功能车道与否的条件下的通行能力与延误是否达到其服务水平来确定在该快速路主路中是否设置多功能车道；若在未设置多功能车道时，主路延误未达到其服务水平，而在设置多功能车道时主路延误可达到其服务水平，则应在快速路主路设置多功能车道；

步骤七、根据多功能车道需承担的功能并参照《城市快速路设计规程》和《城市道路交叉口规划规范》，对该快速路主路多功能车道进行快速路主路出入口区域设计和快速公交停靠站区域设计。

所述快速路主路出入口区域设计是确定进出主路车辆使用的加减速车道的长度，该加减速车道的长度由加、减速车道长度和渐变段长度构成；

所述快速公交停靠站区域设计是按照下列公式确定站台长度L_b：

$L_b=\frac{p}{l_b+2.5}---\left(1\right)$

公式(1)中：L_b——站台长度，单位为m；l_b——公共汽车车辆长度，单位为m；p——公交站台停靠泊位数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)综合考虑多种功能研究多功能车道的设置必要性。随着城市的扩张，经济的发展，快速路系统的建设变的愈发重要。而多功能车道可缓解快速路系统因车辆紧急停靠、车辆加减速进出主路及快速公交车辆停靠而引起的主路车辆延误及通行能力折减，因此对其设置必要性的研究犹为重要。现有的研究主要集中于对其定义及可承担功能的探讨，本发明综合考虑其多种功能，对其设置必要性展开研究，填补了该领域的空白。

(2)基于交通仿真的多功能车道设置分析研究。由于是对其设置分析展开研究，相当于是前置研究，因此，借助市场较为成熟，准确度与认可度较高的交通仿真软件展开研究较为可行。本发明借助微观交通仿真软件VISSIM，针对多功能车道实现事故车辆紧急停靠、车辆加减速进出主路、公交车辆停靠三种功能，分别改变其道路交通条件，分析每一种功能下的多功能车道设置效益并加以综合考虑，得到多功能车道设置分析的结论。

(3)综合多功能车道设置分析及其应实现的功能，对多功能车道进行相应的交通设计。当多功能车道预计承担的功能不同时，其相应的交通设计方法也不相同。确定了是否设置多功能车道及其应承担的功能之后，应进行相应的交通设计，包括快速路主路出入口区域设计、快速公交停靠站区域设计等。

附图说明

图1是本发明快速路主路多功能车道设计方法过程示意图；

图2是本发明实施例一快速路路段实际道路状况示意图；

图3是本发明实施例主路双向6车道时设置与不设置多功能车道主路车辆延误；

图4是本发明实施例主路双向8车道时设置与不设置多功能车道主路车辆延误；

图5是本发明实施例主路双向6车道不同大车混入率下设置与不设置多功能车道主路车辆延误；

图6是本发明实施例主路双向6车道不同停靠公交流量下设置与不设置多功能车道主路车辆延误；

图7是本发明实施例主路双向6车道不同停靠公交流量下设置与不设置多功能车道主路车辆延误；

图8是本发明实施例主路入口处多功能车道设计示意图；

图9是本发明实施例主路出口处多功能车道设计示意图；

图10是本发明实施例多功能车道上公交停靠站尺寸示意图；

图11是本发明实施例多功能车道上港湾式停靠站几何尺寸。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

决定是否设置多功能车道并如何设计多功能车道对快速路的服务水平及通行能力具有重要影响。本发明从微观的角度，应用延误与通行能力分析的方法对快速路主路多功能车道设计方法进行了分析研究。

本发明基于延误与通行能力的快速路主路多功能车道设计方法，包括下述步骤，如图1所示：

步骤一、进行快速路主路多功能车道需求预测，需从其承担功能入手，对比设置多功能车道与不设置情况下的主路交通效益，即主路车辆延误与通行能力。首先，初步设定快速路主路多功能车道至少承担包括事故车辆紧急停靠、进出主路车辆加减速、主路公交车辆停靠等；

步骤二、交通调查与统计，对预建立多功能车道的快速路主路的道路交通条件进行调查，获取该快速路道路交通条件及驾驶员行为参数，包括道路通行能力、行驶车速平均值、行驶车速方差等参数；

本实施例采用天津市快速路交通调查数据进行统计分析。通过现场调查可得到天津市快速路道路交通条件、主路通行能力、车辆行驶车速及延误，对其进行整理与分析，为后续步骤中交通仿真模型的建立与标定提供数据支撑；

步骤三、仿真软件选取与参数标定：在多功能车道设计分析的研究中，需要进行大量的仿真实验，仿真软件的选择非常重要。根据仿真需求选择交通仿真软件。目前常用的仿真软件主要有VISSIM、SYNCHRO等，需要根据仿真实验的输入及输出参数的要求进行选择。本方法从微观角度出发，需要模拟事故车辆紧急停靠、快速公交主路停靠、车辆加减速进出主路等场景。微观交通仿真软件VISSIM可反应车辆相互之间的影响，较好地再现本方法需要的场景，建议作为仿真的首选，本实用例也是选用该款仿真软件。结合现场调查数据进行仿真软件的参数标定，如停车间距、期望车头时距、跟车变量、跟车状态阈值等参数；

步骤四、建立交通仿真模型：仿真模型的建立包括三个方面：

(1)基础路网建立，包括主路车道数、辅路车道数、主路是否设置多功能车道、出入口渠化形式等；

(2)确定输入参数，包括主路直行流量、出口流量、入口流量、辅路直行流量、主路期望车速、辅路期望车速、主路车辆事故率、主路车辆构成比例、主路停靠公交车辆流量等；

(3)确定输出参数，包括主路车辆延误、主路通行能力、主路车辆平均行驶车速等；

本实施例应用VISSIM微观仿真软件，使用天津市快速路调查数据对道路交通模型进行标定，首先，选取天津市东南半环宾西立交以东1100米长的路段为仿真背景，仿真车速为80km/h，分别建立主路为双向6、8车道时，设与不设多功能车道情况下的路网。以双向8车道为例，根据如图2所示的实际道路状况建立路网。

步骤五、对于步骤一中初步设定的多功能车道的每一种功能，通过在仿真软件的输入参数中调整快速路主路交通流量、快速路主路进出交通流量和快速路主路车辆构成比例条件关系，获得每一种功能在不同交通条件，诸如：不同的紧急事故车辆率、主路交通流量、主路进出交通流量等情况下的快速路主路车辆延误及通行能力。

本实施例针对多功能车道承担的事故车辆紧急停靠、进出主路车辆加减速、主路公交车辆停靠三大功能，分别就每一种功能在设置与不设置多功能车道的情况下，改变快速路主路交通流量、进出主路交通流量、车辆构成比例、停靠公交流量、事故车辆比率等交通条件组合，仿真得到其主路车辆延误及通行能力。

(一)基于车辆紧急停靠功能的考虑

路网建好后，对其标定的结果如表1所示：

表1  仿真参数标定结果

标定后，仿真得到的空间平均车速与天津实际测得的空间平均车速相差在5％之内，即可对各种情况进行仿真。

将设与不设多功能车道两种情况下紧急事故车辆每车停车时间均取为15min，仿真每种情况在事故率分别为0.05％、0.1％下的通行能力及延误。其结果分别如表2至表5中所示。

表2  主路双向6车道时两种情况延误对比(事故率分别为0.05％)

表3  主路双向6车道时两种情况延误对比(事故率分别为0.1％)

表4  主路双向8车道时两种情况延误对比(事故率分别为0.05％)

表5  主路双向8车道时两种情况延误对比(事故率分别为0.1％)

(二)基于进出主路车辆加减速功能的考虑

现以多功能车道实现进出主路车辆加减速功能为例，给出其仿真后得到的在不同交通条件组合下的快速路主路车辆延误，对主路为双向6车道情况进行仿真，令停靠公交流量为20veh/h，社会车辆大车率为0.1。对进出主路流量及主路流量不同组合情况下进行仿真，得到每种组合下不设置与设置多功能车道情况下主路车辆的延误(s)，如表6所示，将表6中数据以图表的形式表现，如图3所示。

表6  主路双向6车道时设置与不设置多功能车道主路车辆延误(s)

同理，表7示出了主路双向8车道时设置与不设置多功能车道主路车辆延误，将表7中数据以图表的形式表现，如图4所示。

表7  主路双向8车道时设置与不设置多功能车道主路车辆延误(s)

大车的车长、行驶速度、性能等均与小汽车不同，因此，不同的大车混入率对设置与不设置多功能车道下的快速路主路交通效益也有影响。

由于大车率对快速路主路交通效益影响的原理在设与不设多功能车道情况下是相同的，因此，本实施例以主路为双向6车道，停靠公交流量为20veh/h，主路流量为4000pcu/h为例，得出大车混入率分别为0.1、0.3时设与不设多功能车道下主路车辆的延误。其仿真结果表8所示。

表8  主路双向6车道大车混入率不同时设置与不设置多功能车道主路车辆延误(s)

将表8中数据以图表的形式表现，如图5所示。

(三)基于公交车辆停靠功能的考虑

分别对主路双向6车道、主路双向8车道，某一固定主路流量条件下进行了仿真分析。

对主路为双向6车道情况进行仿真，令主路流量为4000pcu/h，社会车辆大车率为0.1。分别令停靠公交流量为20veh/h与60veh/h，对进出主路流量不同情况下进行仿真，得到每种组合下不设置与设置多功能车道情况下主路车辆的延误(s)，如表9所示：

表9  主路双向6车道时设置与不设置多功能车道主路车辆延误(s)

将表9中数据以图表的形式表现，如图6所示。

对主路为双向8车道情况进行仿真，令主路流量为5000pcu/h，社会车辆大车率为0.1。分别令停靠公交流量为20veh/h与60veh/h，对进出主路流量不同情况下进行仿真，得到每种组合下不设置与设置多功能车道情况下主路车辆的延误(s)，如表10所示：

表10  主路双向8车道时设置与不设置多功能车道主路车辆延误(s)

将表10中数据以图表的形式表现，如图7所示。

步骤六、通过对比快速路主路在设置多功能车道与否的条件下的通行能力与延误是否达到其服务水平来确定在该快速路主路中是否设置多功能车道。如在未设置多功能车道时，主路延误未达到其服务水平，而在设置多功能车道时主路延误可达到其服务水平，则应在快速路主路设置多功能车道。

(一)车辆紧急停靠功能

从表2至表5中可以看出，在不设置多功能车道情况下，随着事故率的上升，延误也有所增加，这是由于事故车辆占用主路机动车道停靠，事故率越大，停靠车辆越多，延误越大造成的。在设置多功能车道情况下，由于事故车辆占用多功能车道停靠，因此，当事故率增加时，延误基本上没有变化。

综上，由仿真方法得出的设与不设多功能车道在不同事故率下的通行能力折减系数，如表11所示：

表11  各种情况下的主路通行能力折减系数

由表11可知，在条件允许的情况下，基于主路通行能力可靠性的考虑，建议主路设置多功能车道。

(二)进出主路车辆加减速功能

从图3和图4中可以看出，随着进出主路车流流量的增加，设与不设多功能车道情况下，主路车辆延误均在增加。当主路流量较小，如图2和图3中所示，为3000pcu/h时，不设置多功能车道情况的延误始终大于设置多功能车道情况的延误。随着主路流量的增大，当进出主路车辆流量在一定范围(1000-2000veh/h)内时，设置多功能车道情况的延误明显小于不设多功能车道的情况。如图3和图4中所示，当进出主路车辆流量小于2000pcu/h时，设置多功能车道的延误均明显小于不设置多功能车道的情况。当进出主路车辆流量大于某一值时，设置与不设置多功能车道情况下的主路车辆延误相差不大。如图3和图4中所示，当进出主路车辆流量大于2000pcu/h时，两种情况下的主路车辆延误基本相同。这是因为当流量大到一定程度，道路通行能力成为主要制约因素，多功能车道为进出主路车辆提供的加减速车道已不成为制约其延误的关键因素。

从图5中可以看出，其它条件不变，当大车率增大时，设置与不设置多功能车道情况下主路车辆延误均增大。当进出主路流量在一定范围(1000-2000veh/h)内时，两种大车率下设置多功能车道的主路延误均小于不设置多功能车道下的延误。如在图5中，当进出主路车辆流量在2000pcu/h下时，设置多功能车道相比不设置的情况，在两种大车率下均有着较好的交通效益。当进出主路车辆流量大于某一值时，设与不设多功能车道在两种大车率下没有明显的交通效益差别，如图5中所示的2000pcu/h。

因此，从提高主路车辆交通效益的角度出发，推荐快速路主路设置多功能车道。

(三)公交车辆停靠功能

从图6和图7中可以看出，当快速路主路停靠公交流量增大时，无论是设置还是不设置多功能车道的情况，在其它条件相同时，主路车辆延误均增大。当进出主路车辆流量在一定范围(1000-2000veh/h)内时，设置多功能车道情况下的主路车辆延误小于不设置多功能车道情况下的延误。如图6和图7中所示，当进出主路车辆流量小于等于2000pcu/h时，设置多功能车道在减少主路车辆延误方面明显优于不设置的情况。当进出主路车辆流量大于某一值时，设置多功能车道带来的效益则不是很明显。如图6和图7中，当进出主路车辆流量在2000pcu/h以上时，两种情况下的主路车辆延误基本相差不大。

随着快速路主路沿线停靠公交流量的增加，设置与不设置多功能车道情况下的主路车辆延误均增加。其它条件不变，当进出主路车辆流量在一定范围(1000-2000veh/h)内时，设置多功能车道相比不设置能取得较好的交通效益，减少主路车辆由于公交停靠引起的延误。

通过对实施例的分析，综合多功能车道供紧急车辆停靠、为进出主路车辆提供加减速车道、供沿线公交停靠的三大功能，基于主路车辆延误及主路通行能力的考虑，本发明得出在用地情况许可、主路沿线公交停靠流量较大或进出主路车辆流量在一定范围(1000veh/h-2000veh/h)内时，设置多功能车道，以保证主路运行的交通效益。

步骤七、通过上述步骤的分析确定了快速路主路多功能车道所具备的功能，根据多功能车道需承担的功能并参照《城市快速路设计规程》和《城市道路交叉口规划规范》，对该快速路主路多功能车道进行快速路主路出入口区域设计和快速公交停靠站区域设计。

多功能车道在出入口处应作为供进出主路车辆使用的加减速车道，其长度由两部分构成：加、减速车道的长度，渐变段的长度。绘制出、入口处多功能车道设计示意图如图8、图9所示。其中加、减速车道长，以及渐变段长的取值，根据《城市快速路设计规程》出入口设计中有关变速车道长度与出入口渐变率的规定来确定。具体取值见表12：

表12  变速车道长度与出入口渐变率

若选取主路车速为80km/h所对应的数据。则入口处变速车道长度取210m，其中，加速车道长度为160m，渐变段长度为50m；出口处变速车道长度取130m，其中，减速车道长度为80m，渐变段长度为50m。

在多功能车道上设置公交停靠站，相当于在多功能车道上设置了港湾式停靠站。参照《城市道路交叉口规划规范》中有关港湾式停靠站尺寸的规定，将多功能车道公交停靠站处尺寸规定如图10和图11所示，其中，站台长度L_b可按下式确定：

$L_b=\frac{p}{l_b+2.5}---\left(1\right)$

公式(1)中：L_b——站台长度(m)；l_b——公共汽车车辆长度(m)；p——公交站台停靠泊位数。

综上，本发明基于延误与通行能力的快速路主路多功能车道设计方法，在实际应用中，是根据不同的道路交通条件及道路通行能力、行驶车速平均值、行驶车速方差等参数，对仿真模型进行标定，并综合多功能车道的供紧急车辆停靠、为进出主路车辆提供加减速车道、供沿线公交停靠的三大功能情况下的交通效益，得出一个准确的多功能车道设计分析，并对快速路主路出入口区域和快速公交停靠站区域进行相应的交通设计。

当然，本发明基于延误与通行能力的快速路主路多功能车道设计方法还可以用于对现有的快速路多功能车道进行科学的评价。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。