徐曉丹，林 麗

(南京林業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，南京210037)

城市隧道使城市道路交通形成立體交通模式，消除了城市道路交叉口車(chē)流、人流的相互影響，減少了地面車(chē)流的干擾，使交通流能夠快速地通過(guò)路段，減少了道路的占用時(shí)間。我國(guó)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范［1］規(guī)定了隧道出口與平面交叉口的距離要滿(mǎn)足具體的設(shè)計(jì)要求，但是由于城市地下道路構(gòu)造上的特點(diǎn)，決定了其交通受限于出入口，幾乎所有的城市隧道都不同程度地存在著出入口交通瓶頸問(wèn)題［2］。嚴(yán)重時(shí)造成城市隧道及其周邊道路交通阻塞，影響了道路的通行能力。目前，城市隧道出口的對(duì)外銜接組織形式有多種，本文選用的“隧道+地面”形式主要是車(chē)輛駛出城市隧道出口后在較短距離內(nèi)，立即進(jìn)入信號(hào)交叉口區(qū)域的這樣一種情況，具體組織形式如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，分析觀測(cè)數(shù)據(jù)與通行能力計(jì)算結(jié)果，形成城市隧道出口銜接路段長(zhǎng)度模型，并結(jié)合實(shí)例仿真驗(yàn)證。隧道出口銜接路段的合理設(shè)置，有利于提高銜接路段的通行能力，便于交通組織和交通管理，同時(shí)對(duì)于提高行車(chē)安全也具有重要意義。

圖1 出入口與十字型路口銜接［3］Fig.1 The entrance and exit link up with intersection

1 城市隧道出口安全距離的確定

1.1 城市隧道出口安全距離的影響因素

將隧道出口段滿(mǎn)足車(chē)輛安全行駛所需的距離定義為隧道出口安全距離 (簡(jiǎn)稱(chēng)L安)。影響安全距離的因素有很多，但是根據(jù)研究表明，駕駛員在駕駛過(guò)程中接收的所有信息中，憑借瞳孔所獲取的占80%～90%，所以駕駛員的瞳孔是獲取外界信息的主要方式，由于駕駛員受到隧道進(jìn)出口明暗適應(yīng)的影響，其駕駛行為存在一定的危險(xiǎn)性;另外，隧道出口線形直接會(huì)使車(chē)輛產(chǎn)生加速或減速。

(1)駕駛?cè)艘曈X(jué)適應(yīng)能力分析。首先定義駕駛?cè)斯膺m應(yīng)過(guò)程中的瞬時(shí)盲期現(xiàn)象為視覺(jué)震蕩。通過(guò)瞳孔面積最大瞬態(tài)速度值 (MTPA)指標(biāo)，將瞳孔面積變化速度及換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間結(jié)合，能合理解釋隧道進(jìn)出口路段視覺(jué)負(fù)荷。

表1 VeTPA與視覺(jué)舒適度關(guān)系［4］Tab.1 Relationship between VeTPAand visual comfort degree of tunnel entrance and exit

表2 隧道進(jìn)出口行車(chē)試驗(yàn)換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間Tab.2 Conversion duration for visual turbulence of tunnel entrance and exit by driving experiment

綜合考慮城市隧道的限制條件，結(jié)合道路通行能力及車(chē)速限制等城市道路環(huán)境的安全因素，主要考慮了城市隧道出口視覺(jué)震蕩對(duì)行車(chē)安全的影響。由表1、表2可知，當(dāng)換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間大于1.5 s時(shí)，駕駛員的主觀感覺(jué)為極不舒適;城市隧道出口的一般限速V為40～60 km/h，根據(jù)L安=V×tc，當(dāng)tc取1.5 s時(shí)，算出的隧道出口安全距離為17～25 m，所以為了保證安全，取換算視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間tc為2 s，得到隧道出口安全距離公式L安=2V，V為隧道出口的設(shè)計(jì)車(chē)速(規(guī)定的最大行駛車(chē)速，暫不考慮線形產(chǎn)生的加速度)。

圖2 出口加速度與線形危險(xiǎn)度關(guān)系［7］Fig.2 Relationship between the export acceleration and the alignment risk degree

(2)道路線形的影響分析。在不同的道路交通環(huán)境下，道路線形對(duì)車(chē)輛的行駛速度有較大影響，且不同的線形指標(biāo)對(duì)車(chē)速的影響程度也不一樣。為綜合反映道路線形與車(chē)速變化的關(guān)系，引入線形危險(xiǎn)度的概念［5］。隧道出口加速度與線形危險(xiǎn)度的關(guān)系如圖2所示。

可能受到道路條件和照明條件的影響，加速度與線形危險(xiǎn)度有一定的離散性，但是仍可以得出結(jié)論:出口線形危險(xiǎn)度越大(線形越差)，其加速度值越大，即車(chē)速變化越大，行車(chē)越不安全。當(dāng)車(chē)輛駛出隧道時(shí)，駕駛?cè)藭?huì)根據(jù)前方線形采取駕駛操作，當(dāng)線形較好時(shí)會(huì)采用較大的加速行為，當(dāng)線形差時(shí)會(huì)采用較小的加速行為，甚至?xí)p速，這時(shí)隧道出口外與隧道出口處存在車(chē)速差［6］。

1.2 隧道出口車(chē)速的變化

駕駛?cè)诵睦硇袨?、幾何線形和道路環(huán)境等多方面要素最終都以車(chē)輛運(yùn)行速度的形式反映出來(lái)。因此，本文將車(chē)速作為建立隧道出口道路線形、駕駛?cè)艘曈X(jué)影響和道路交通安全的“橋梁”。當(dāng)車(chē)速有較大落差時(shí)，往往會(huì)使駕駛?cè)舜胧植患?，?dǎo)致行車(chē)事故，而這種速度的不連續(xù)一般是由于線形突變所致。車(chē)速的變化影響安全距離的變化，道路線形和駕駛員的視覺(jué)震蕩現(xiàn)象都是以車(chē)速變化的方式體現(xiàn)，本文在建立隧道出口安全距離模型中，將車(chē)速作為重要參量。

1.3 安全距離分析與確定

受到視覺(jué)震蕩的影響，假設(shè)駕駛員在這段時(shí)間內(nèi)不采取任何駕駛操作，則車(chē)輛在隧道出口的坡道上減速，其加速度值與隧道坡度i有關(guān)，即得隧道出口安全長(zhǎng)度L安公式:

式中:tc為視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間，取2 s;V0為車(chē)輛剛出隧道時(shí)的初速度 (取隧道出口設(shè)計(jì)車(chē)速)，m/s;g為重力加速度，取9.8 m/s2;i為計(jì)算范圍內(nèi)的平均坡度。

城市隧道出口與相鄰交叉口之間的銜接段長(zhǎng)度比高速公路隧道出口銜接段長(zhǎng)度短很多，城市隧道出口的最大縱坡不超過(guò)6%［8］，在視覺(jué)震蕩期間，根據(jù)公式 (1)中的第二項(xiàng)，可知0.5×9.8×6%×22=1.176 m，值較小，出口縱坡對(duì)車(chē)速的影響程度可以考慮不計(jì)，因此公式1可調(diào)整為:

在公式 (2)中，2 s為視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間(tc)。由此，可以明顯看出，影響隧道出口安全距離的因素最終用車(chē)輛行駛速度來(lái)體現(xiàn)。

2 交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度的確定

信號(hào)交叉口制約了城市主干路的通行能力，由于信號(hào)交叉口的通行能力低于路段通行能力，交通量稍微過(guò)大就會(huì)誘發(fā)交通擁擠，導(dǎo)致車(chē)輛在交叉口排隊(duì)。信號(hào)交叉口的排隊(duì)長(zhǎng)度，能反映交叉口車(chē)流的運(yùn)行情況，它對(duì)評(píng)價(jià)交叉口的運(yùn)行效率、現(xiàn)狀信號(hào)配時(shí)方案的優(yōu)劣等都有重要意義。

2.1 排隊(duì)長(zhǎng)度模型選取

本文選定SIGNAL94的優(yōu)化模型［9－12］作為基本框架，該模型只有離散系數(shù)需要標(biāo)定，模型精度高，且利用現(xiàn)有觀測(cè)的數(shù)據(jù)可以很好地對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。通過(guò)分析其在實(shí)際交通流變化情況下的實(shí)用性，建立符合信號(hào)交叉口交通流特性的排隊(duì)長(zhǎng)度優(yōu)化模型。

圖3 各信號(hào)燈周期排隊(duì)車(chē)輛數(shù)Fig.3 Length of queues in the each signal cycle

圖4 來(lái)車(chē)排隊(duì)分布散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of queuing vehicles

模型中最關(guān)鍵的是確定路口飽和流率和確定車(chē)輛到達(dá)率。飽和流率是指當(dāng)交叉口有相當(dāng)長(zhǎng)的車(chē)輛排隊(duì)等待時(shí)，有效綠燈時(shí)間內(nèi)通過(guò)的最大小時(shí)車(chē)輛流率。車(chē)輛到達(dá)率是指單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)交叉口的車(chē)輛數(shù)。經(jīng)優(yōu)化后的SIGNAL94公式模型:

圖5 各信號(hào)燈周期放行車(chē)輛數(shù)Fig.5 Vehicles in green light period

式中:Dn為第n周期的最大排隊(duì)長(zhǎng)度，輛;Dn－1為第n－1周期滯留下來(lái)的車(chē)輛數(shù)，輛(無(wú)二次排隊(duì)，Dn－1=0);qn為第n周期的車(chē)輛到達(dá)流率，輛/s;T為信號(hào)燈周期的長(zhǎng)度，s;G為綠燈時(shí)長(zhǎng)，s;S為飽和流率，輛/s;D損為啟動(dòng)損失時(shí)間通過(guò)的車(chē)輛數(shù)，輛。

其中，T、G是通過(guò)實(shí)際觀測(cè);D損是通過(guò)數(shù)據(jù)后，繪制散點(diǎn)圖如圖3所示;qn、S是通過(guò)實(shí)測(cè)后擴(kuò)樣得到如圖4和圖5所示。對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出，在交叉口有效綠燈時(shí)間里，根據(jù)連續(xù)5 s以上車(chē)流通過(guò)的車(chē)輛到達(dá)數(shù)，可以計(jì)算出飽和流率與車(chē)輛到達(dá)率。得到車(chē)輛到達(dá)率的統(tǒng)計(jì)分布如圖6所示。

圖6 車(chē)輛到達(dá)率統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistical graph of approach flow rate

2.2 交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度的確定

由于排隊(duì)長(zhǎng)度L排隊(duì)=Dn×L間(車(chē)頭間距)，Dn根據(jù)公式 (3)得出，由此，交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度公式為:

在本次研究中，車(chē)輛能在交叉口功能區(qū)順暢通行的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為不發(fā)生二次排隊(duì)。根據(jù)對(duì)采集的玄武湖隧道出口車(chē)輛到達(dá)率、交叉口信號(hào)配時(shí)等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，建立了交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度模型。

3 隧道出口銜接段長(zhǎng)度模型確定

3.1 城市隧道出口銜接段長(zhǎng)度定義

城市隧道出口銜接段長(zhǎng)度由隧道出口安全距離和交叉口通行能力兩者共同影響確定，因此定義城市隧道出口(洞口開(kāi)始)與交叉口停車(chē)線之間的這段距離為城市隧道出口銜接段長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱(chēng)L銜接。

3.2 銜接段長(zhǎng)度模型建立

通過(guò)前兩部分的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)城市隧道出口安全距離及交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度起主要影響作用的是車(chē)速和車(chē)輛到達(dá)率兩個(gè)因素，綜合考慮，優(yōu)化整合成如下模型:式中:a為調(diào)節(jié)交叉口車(chē)輛到達(dá)率對(duì)模型的影響程度;b為調(diào)節(jié)隧道出口車(chē)輛速度對(duì)模型的影響程度。

通過(guò)MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以分析得出系數(shù)a與b之間關(guān)系圖像如圖7所示。

圖7 銜接長(zhǎng)度符合要求時(shí)的a、b關(guān)系圖Fig.7 Relation graph of a and b when the connected-link meet the requirement

根據(jù)玄武湖隧道出口銜接的中央路—新模范馬路交叉口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)際分別計(jì)算的兩段長(zhǎng)度L安與L排隊(duì)之和是小于100 m的。根據(jù)分析結(jié)果，L銜接為100 m、110 m、120 m時(shí)，a、b線性相關(guān)且斜率相等，即:

在交叉路口流率、信號(hào)燈配時(shí)與隧道設(shè)計(jì)速度一定時(shí)，b≥1時(shí)，a＞1(如圖7所示)，這時(shí)長(zhǎng)度滿(mǎn)足所研究的通暢與安全的要求，無(wú)需改進(jìn);當(dāng)b＜1，a≥1時(shí)，說(shuō)明隧道出口安全距離實(shí)際值小于理論值，則要適當(dāng)降低隧道設(shè)計(jì)車(chē)速以保證行車(chē)安全;當(dāng)b≥1，a＜1時(shí)，說(shuō)明交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度不滿(mǎn)足理論要求，則要對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行配時(shí)優(yōu)化。

綜上所述，隧道出口處距交叉口停車(chē)線的實(shí)際長(zhǎng)度L實(shí)際小于理論值L理論時(shí) (L實(shí)際＜L理論)，根據(jù)公式 (5)對(duì)信號(hào)燈配時(shí)以及隧道設(shè)計(jì)車(chē)速進(jìn)行調(diào)整，使其滿(mǎn)足要求。

4 驗(yàn)證可靠度

4.1 建立仿真

針對(duì)提出的長(zhǎng)度計(jì)算模型，借助VISSIM進(jìn)行交叉口交通流仿真。具體以鼓樓隧道出口為例，該隧道出口與玄武湖隧道出口的組織形式相似，在很短距離內(nèi)直接與中央路－傅厚崗交叉口銜接，工作日高峰時(shí)期經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的排隊(duì)現(xiàn)象。以隧道出口實(shí)測(cè)的現(xiàn)狀交通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立仿真模型，得到現(xiàn)狀仿真效果如圖8所示。

圖8 隧道出口銜接相鄰交叉口Fig.8 Situation of the exit of urban connecting the nearest intersection

4.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出

現(xiàn)狀排隊(duì)長(zhǎng)度與改善后排長(zhǎng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表3 現(xiàn)狀排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出表Tab.3 Output of the detected queues at present

4.3 仿真結(jié)果分析

VISSIM的排隊(duì)計(jì)數(shù)器可以提供三類(lèi)數(shù)據(jù):平均排隊(duì)長(zhǎng)度;最大排隊(duì)長(zhǎng)度;排隊(duì)車(chē)輛的停車(chē)次數(shù)。這里所指的排隊(duì)是從上游路段或連接器的排隊(duì)計(jì)數(shù)器的設(shè)置位置開(kāi)始計(jì)數(shù)，直至排隊(duì)狀態(tài)下的最后一輛車(chē)。從圖8可以看出，在現(xiàn)狀交通管理?xiàng)l件和道路條件下，高峰時(shí)段鼓樓隧道出口(南進(jìn)口)交叉口出現(xiàn)了嚴(yán)重的排隊(duì)現(xiàn)象，已經(jīng)排到隧道里面，故該段隧道出口銜接段長(zhǎng)度設(shè)置有待完善。通過(guò)改善優(yōu)化后，重新建立仿真，得到仿真效果如圖9所示，在該銜接段長(zhǎng)度上，排隊(duì)長(zhǎng)度已經(jīng)減小。由輸出數(shù)據(jù)表3和表4中也可以看出兩種情況的排隊(duì)長(zhǎng)度是有差別的，故證明該銜接段長(zhǎng)度模型有可行性。

4.4 具體改善措施

為了盡量減少工程量，對(duì)現(xiàn)狀的銜接段長(zhǎng)度不做大的改動(dòng)，根據(jù)鼓樓隧道出口與其相鄰交叉口的實(shí)例仿真，利用建立的銜接段長(zhǎng)度模型，可以提出相應(yīng)的交通管理改善方案。為減少隧道出口車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度，同時(shí)采取以下3種措施。

表4 改善后排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出表Tab.4 Output of the detected queues after improvement

(1)調(diào)整中央路—傅厚崗交叉口信號(hào)配時(shí)，盡量增加南北向直行的綠燈時(shí)長(zhǎng)，提高中央路的通暢性，減少車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度。

(2)拓寬傅厚崗東側(cè)一個(gè)出口車(chē)道，保證東西向不發(fā)生延誤。

(3)適當(dāng)降低隧道的設(shè)計(jì)車(chē)速，從而減少隧道出口車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從城市隧道出口交通流特性出發(fā)，根據(jù)駕駛?cè)艘曈X(jué)適應(yīng)能力、隧道出口道路線形及車(chē)速等因素的分析，確定隧道出口的安全距離;并通過(guò)對(duì)相鄰交叉口的排隊(duì)延誤分析，提出了適應(yīng)此類(lèi)交通流特性的排隊(duì)優(yōu)化模型。該模型分別考慮了隧道出口和交叉口兩個(gè)方面的不同因素，在已建城市隧道出口實(shí)際銜接長(zhǎng)度不滿(mǎn)足理論值的情況下，為減少對(duì)銜接路段的施工，可通過(guò)現(xiàn)狀交通流相關(guān)數(shù)據(jù)帶入長(zhǎng)度模型，改變交叉口信號(hào)配時(shí)、限制隧道出口車(chē)速等相關(guān)交通管理措施，來(lái)緩解交通擁擠，提高行車(chē)效率與安全性，同時(shí)該長(zhǎng)度模型對(duì)新建隧道出口銜接路段設(shè)計(jì)有重要參考價(jià)值。以上研究是根據(jù)玄武湖隧道出口的數(shù)據(jù)而進(jìn)行的分析，具有一定的特殊性，隨著研究和實(shí)踐的深入，模型將會(huì)得到進(jìn)一步的完善。

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