城市道路路段行人立體過街設(shè)施設(shè)置條件研究*

韓先科▲

(交通運輸部規(guī)劃研究院北京100028)

摘要為合理設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施，保障過街行人安全，對某雙向6車道主干路無信號人行橫道處的過街行人等待時間、交通沖突時間及行駛車速進行了視頻觀測。定義了機動車流消散時間計算公式，根據(jù)調(diào)查獲取的過街行人忍受等待時間閾值，給出了設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施的機動車流率條件?；谡{(diào)查數(shù)據(jù)，采用回歸分析法構(gòu)建了交通沖突時間與行駛車速的關(guān)系模型，依據(jù)安全行車所需滿足的制動距離與沖突距離的關(guān)系，給出了設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施的行駛車速條件。依據(jù)計算得到的信號控制人行橫道設(shè)計通行能力，給出了設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施的行人流率條件。研究結(jié)果表明，當機動車高峰時段每個信號周期內(nèi)任意1個行駛方向機動車流消散時間大于60s，或行駛車速大于50km/h，或過街行人流率大于2200人/(hg·m)時，應考慮設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施。

關(guān)鍵詞交通工程；城市道路；行人立體過街設(shè)施；機動車流率；行駛車速；過街行人流率

中圖分類號：U491文獻標志碼：A

收稿日期：2015-01-11修回日期：2015-07-09

基金項目*吉林省自然科學(批準號：201215176)資助

A Warranty Analysis of Grade Separated Pedestrian

Crossings of Urban Roadways

HAN Xianke

(TransportPlanningandResearchInstitute,MinistryofTransport,Beijing, 100028,Beijing,China)

Abstract:In order to set grade separated pedestrian crossing facilities reasonably on urban road sections and ensure the safety of crossing pedestrians, the video observation method was used to obtain the waiting time of crossing pedestrians, traffic conflicting times and driving speeds at an un-signalized crosswalk on an arterial road with two-way six lanes. Calculation formula of vehicle dispersing time was proposed, and the warrant of traffic volumes was defined for grade separated pedestrian crossing facilities according to investigated threshold value of crossing pedestrians′ tolerable waiting time. Based on observed data, regression method was applied to establish relationship model between pedestrian-vehicle traffic conflicting times and vehicle driving speeds. The warrant of driving speed for grade separated pedestrian facilities was determined based on the relationship between stopping sight distances and the width of conflict zones. The warrant of pedestrian volumes was defined by calculated design capacity of signalized crosswalks. The results show that grade separated pedestrian crossing facilities are warranted when vehicles’ dispersing time of any direction is more than 60 s during one cycle in peak hour, or driving speed is more than 50 km/h, or crossing pedestrian volume is more than 2 200 person/(hg·m).

Key words:traffic engineering; urban road; grade separated pedestrian crossing facilities; traffic volumes; speeds; pedestrian volumes

▲第一作者(通信作者)簡介：韓先科(1978-)，博士，高級工程師.研究方向：公路與城市道路交通規(guī)劃.E-mail：34275382@qq.com

0引言

路段行人立體過街實施是徹底將行人與機動車空間分離的有效手段。但在現(xiàn)有的行人過街設(shè)施中，常常會出現(xiàn)有的地方應該設(shè)置行人立體過街而沒有設(shè)置，行人與車輛都存在巨大的安全隱患；而有的地方設(shè)置了人行天橋或者地道卻沒有多少行人使用，造成了資源的浪費。在現(xiàn)行的規(guī)范中，關(guān)于城市道路路段行人立體過街設(shè)施設(shè)置條件的描述相對較少?！冻鞘械缆饭こ淘O(shè)計規(guī)范》(CJJ37—2012)中規(guī)定[1]：快速路行人過街必須設(shè)置人行天橋或者人行地道，其他道路應跟據(jù)機動車交通量和行人過街需求設(shè)置人行天橋或者人行地道。《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69—95)規(guī)定[2]：行人橫過市區(qū)封閉式道路或快速干道或機動車道寬度大于25m時，可設(shè)置人行天橋或地道；路段上雙向當量小汽車交通量達1200pcu/h，或過街行人超過5000人/h時可設(shè)置人行天橋或地道。

在理論研究方面，Waizman 等[3]構(gòu)建了基于微觀仿真的人-車沖突的風險評價模型。Pawar等[4]研究了發(fā)展中國家的過街行人可接受的機動車時空間隔特性。Tulu等[5]調(diào)查分析了雙向雙車道道路的行人事故特征。Koopmans等[6]研究了兒童行人的受傷事故特征。Iryo-Asano等[7]研究了過街行人在綠燈閃爍期間的行為特征并進了建模。

黃文忠等[8]提出了行人和機動車延誤的數(shù)學模型。呂紀偉[9]提出應綜合考慮行人等待時間、機動車交通流特性、行人可接受穿越空擋等前提，確定行人過街設(shè)施的形式。袁進霞等[10]運用可插入間隙理論和概率論知識，分析了路段立體行人過街設(shè)施設(shè)置條件。李小鵬等[11]根據(jù)金陽新區(qū) 2020 年各主要干道上高峰小時機動車流量及行人過街量的情況，分析討論了金陽新區(qū)各主要干道上 2020 年是否需要設(shè)置行人立體過街設(shè)施。

綜上，國外對于過街行人行為特征及事故特征已開展了相關(guān)研究；國內(nèi)對于城市道路路段行人立體過街設(shè)施設(shè)置條件的規(guī)定與研究，大部分都是文字性、概述性的描述；部分文獻即使有定量分析，也只是給出建議值，并沒有經(jīng)過理論的推導與計算。所以筆者擬從機動車流消散時間、過街行人等待時間、交通沖突等方面進行分析，給出城市道路路段行人立體過街設(shè)施在機動車流率、行駛車速、行人過街流率量方面的設(shè)置條件，以期為道路交通規(guī)劃、設(shè)計與管理部分提供參考與依據(jù)。

1數(shù)據(jù)調(diào)查分析

1.1調(diào)查方案

選取哈爾濱市黃河路路段上某無信號控制人行橫道作為調(diào)查地點。黃河路為城市主干路，雙向6車道，1塊板斷面，機動車交通量與過街行人數(shù)量均較大，具有代表性。調(diào)查時段為06:30～09:00時，同時采集了高峰時段與平峰時段，調(diào)查日天氣狀況良好，不會對調(diào)查結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

首先在人行橫道處停止線前10m和20m的道路上，用黃色的膠帶粘貼出2條明顯的黃線；然后在人行道上設(shè)置三腳架及錄像設(shè)備，對調(diào)查道路由東向西方向的車流及過街行人進行觀測。

觀測的主要參數(shù)包括：過街行人等待時間、交通沖突時間及行駛車速。行駛車速通過車輛先后通過2條黃線的時間差間接計算得出；過街行人等待時間與交通沖突時間則在視頻播放過程中采用秒表觀測得出。本次調(diào)查的樣本總量為1068人。

1.2數(shù)據(jù)分析

1.2.1過街行人等待時間

表1為調(diào)查時段內(nèi)行人過街等待時間的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果。

表1　過街行人等待時間調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果

由表1可見，隨著行人過街等待時間的增長，選擇強行穿越的比例會隨之提高。調(diào)查過程中，除老年人過街等待時間超過60s外，其他年齡段的行人過街等待時間基本都在60s以下。

1.2.2交通沖突時間與行駛車速

交通沖突的標準定義為[12]：2個或多個道路使用者在一定的時間和空間上彼此接近到一定程度，此時若不改變其運動狀態(tài)，就有發(fā)生碰撞的危險，這種現(xiàn)象稱為交通沖突。交通沖突一般用時間或者距離來度量，筆者采用時間來表征過街行人與機動車的交通沖突程度，定義過街行人與機動車的交通沖突時間為：過街行人與機動車先后到達沖突地點的時間差值。其計算(觀測)方法為：機動車到達沖突點的時間-行人到達沖突點的時間。其中，交通沖突點指行人與機動車運行軌跡的交點。在調(diào)查段時段內(nèi)觀測到60次行人與機動車沖突，統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)見表2。

由表2可見，在這60組數(shù)據(jù)中，交通沖突時間分布在1.2～3.5s之間，在這個范圍內(nèi)，隨著機動車車速的增加，行人與機動車的沖突時間減小，即交通沖突嚴重程度增加。在調(diào)查的時段內(nèi)，人行過街橫道沒有出現(xiàn)人車相撞的交通事故，可以認為當人-車沖突時間大于1.2s時，不會有交通事故發(fā)生；而當沖突時間大于3.5s時，可以認為行人過街存在較大的穿越間隙，行人或者駕駛員有相對充裕的時間避讓，行人與車輛的沖突較輕。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)，運用SPSS軟件做出交通沖突時間與行駛車速散點，見圖1。由圖1可見，交通沖突時間隨著行駛車速的提高而顯著減小，即沖突更為嚴重。

選取冪函數(shù)、二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，對已經(jīng)得出的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，結(jié)果見表3。由表3可見，冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的擬合度都較高。但是，當自變量趨近為零時，指數(shù)函數(shù)趨近于1個正值；而當機動車車速趨近為零時，交通沖突時間是無限大的，這時候可以當作交通沖突不存在，所以交通沖突與機動車車速的關(guān)系模型選取冪函數(shù)更為合適，模型表達式為

Tc=82.671v-1.031

(1)

表2　行駛車速與交通沖突時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖1　交通沖突時間與行駛車速散點 Fig.1　Traffic conflict time and driving speed

式中：Tc為機動車與過街行人的交通沖突時間，s；v為機動車車速，km/h。

表3　交通沖突時間與機動車車速關(guān)系模型

2行人立體過街設(shè)施設(shè)置的機動車流率條件

2.1機動車流消散時間

城市道路路段某一行駛方向的機動車流消散時間計算公式定義如下。

(2)

(3)

式中：Td為某一行駛方向的機動車流消散時間，s；qi為每個信號周期內(nèi)，行駛方向i的車道平均到達率，veh/(s·ln)；h1為排隊頭車通過停車線的時間，可取2.3s[13]；ha為車通過停車線的平均時間，根據(jù)交通組成情況，可取為2.7～3.4s[12]；Q為機動車流率，veh/h；C為行人過街信號周期時間，s。

2.2設(shè)置條件

當路段人行橫道處的機動車流率達到一定數(shù)值時，應該考慮設(shè)置行人過街信號。但隨著機動車流率的繼續(xù)增大，行人過街信號的周期就會相應增大，造成機動車或者過街行人等待時間增大。當機動車綠燈時間過大，甚至超過了行人可容忍的等待時間時，行人可能會強行穿越行人橫道。此時，應考慮設(shè)置行人立體過街設(shè)施，其設(shè)置條件為：機動車高峰時段每個信號周期內(nèi)任意1個行駛方向機動車流消散時間大于行人過街可忍受等待時間，即

(4)

式中：Tw為行人過街可忍受等待時間，s。

根據(jù)上述分析可知，除老年人外的其他年齡段的行人過街等待時間均在60s以下，為使研究具有代表性，行人過街可忍受等待時間可取為60s。將Td=60s代入式(2)，再根據(jù)式(3)，可計算得到設(shè)置行人立體過街設(shè)施的機動車流率條件為

Q>54100/C

(5)

3行人立體過街設(shè)施設(shè)置的行駛車速條件

3.1機動車制動過程分析

汽車緊急制動時一般可分為4個階段[14]：①反應階段。駕駛?cè)藦陌l(fā)現(xiàn)障礙物并意識到有危險，同時把腳放到制動踏板上的時間，即反應時間t0，t0的影響因素很多，一般取0.3～0.6s；在這個階段可以把汽車看作是勻速運動。②制動力增加的階段。駕駛員把腳放到制動踏板上，使之產(chǎn)生制動力并且使制動力從零增加到最大減速度的過程。對于不同的汽車，因為制動器類型不一樣，制動力增加時間t1=0.15～0.9s，一般情況下取為0.6s。③制動力持續(xù)階段。指汽車達到最大減速度后，以相同減速度減速直至停車的過程。④放松制動器間斷。指駕駛員松開制動踏板階段。

綜上，汽車制動距離可分為3部分：駕駛?cè)朔磻獣r間內(nèi)車輛行駛距離S0、制動力增加階段汽車行駛距離S1、持續(xù)制動階段汽車行駛距離S2，即汽車制動距離S為

S= S0+ S1+S2

(6)

S0=vt0

(7)

(8)

式中：v為機動車制動前初始速度，m/s；g為重力加速度，取值9.8m/s2；φ為路面附著系數(shù)，對于城市道路，其取值一般為0.6～0.75。

式(8)中，由于t1較小，其平方值可以忽略不計。當車速v以km/h為單位時，汽車制動距離可以表示為

S= vt0+0.00394 v2/φ+0.139t1v

(9)

3.2設(shè)置條件

在路段人行過街橫道處，當車速較高時，就會出現(xiàn)車輛的制動距離大于交通沖突距離的現(xiàn)象，從而引發(fā)交通事故。這時即使設(shè)置了行人橫道信號燈，行人過街也會有危險，所以要避免這種情況發(fā)生。

根據(jù)已經(jīng)建立的行駛速度v與交通沖突時間Tc關(guān)系模型，可得沖突距離Lc的計算式

Lc=Tcv=82.671v-0.031

(10)

當S>Lc時，應該設(shè)置行人立體過街設(shè)施，即

82.671v-0.031< t0+0.00394v2/φ+0.139t1v

(11)

因為表達式中系數(shù)一般都是1個范圍，所以根據(jù)式(11)，計算出機動車的速度范圍是50～67km/h之間。根據(jù)不同道路交通環(huán)境，當機動車速度大于50km/h時，就有可能出現(xiàn)S>Lc的情況，應該設(shè)置行人立體過街設(shè)施。而鑒于行人立體過街設(shè)施建設(shè)成本較高，當機動車速度小于50km/h時，可無需設(shè)置行人立體過街設(shè)施。

4行人立體過街設(shè)施設(shè)置的行人流率條件

4.1通行能力分析

設(shè)置過街信號的人行橫道基本通行能力計算式為[12]

(12)

式中：Nbc為人行橫道基本通行能力，人/ (hg·m)hg表示綠燈小時；vpc為行人過街速度，一般取1.2m/s；tgh為允許行人過街的綠燈小時，h；lp為行人行走時縱向間距，一般取1m；bp為每個人(1條步行帶)占用的橫向?qū)挾?，一般?.75m。

人行橫道的設(shè)計通行能力應該有相應的折減，一般情況下按照地區(qū)類型分別取值[13]：市中心、碼頭、商城等行人集中地區(qū)折減系數(shù)為0.75；大型商店、學校等行人較多地區(qū)折減系數(shù)為0.8；區(qū)域性文化商業(yè)中心地帶折減系數(shù)為0.85。所以實際的人行橫道設(shè)計通行能力為

(13)

式中：μ為實際運行中折減系數(shù)；δ為人行橫道所在地區(qū)服務水平不同要求的折減系數(shù)。

根據(jù)式(12)與(13)，可計算得到人行橫道的設(shè)計通行能力為：2000～2400人/(hg·m)。

4.2設(shè)置條件

設(shè)計服務水平條件下可以通過的行人流率Cp為

CP=NcW

(14)

式中：W為人行橫道寬度，m。

當設(shè)計服務水平條件下可以通過的行人流率大于通行能力時，說明路段信號控制人行橫道已無法滿足行人過街需求，這時候應該考慮設(shè)置行人立體過街設(shè)施，即

(15)

本文取人行橫道設(shè)計通行能力的中間值2200人/(hg·m)作為設(shè)置行人立體過街設(shè)施的過街行人流率閾值。

5結(jié)束語

1)通過對實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當過街行人等待時間超過60s時，大部分行人會選擇強行穿越道路。故當機動車高峰時段每個信號周期內(nèi)任意1個行駛方向機動車流消散時間大于60s，即機動車流率大于54100/時 ，應考慮設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施。

2)構(gòu)建了過街行人-機動車交通沖突時間與行駛車速的關(guān)系模型，模型表明，隨著行駛車速的提高，人—車沖突將更為嚴重。當車輛的制動距離大于交通沖突距離時會引發(fā)交通事故，故當機動車速度大于50km/h時，應考慮設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施。

3)當過街行人流率大于信號控制人行橫道設(shè)計通行能力，即大于2200人/(hg·m)時，應考慮設(shè)置路段行人立體過街設(shè)施。

上述3個條件，只需要滿足1個條件，即建議設(shè)置行人立體過街設(shè)施。值得指出的是，本文是依據(jù)某一雙向6車道、1塊板斷面的具體路段調(diào)查數(shù)據(jù)而進行的理論分析，樣本量有限，是否適用于其他車道數(shù)及斷面類型的城市道路路段，還有待于在今后研究中予以驗證。

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