平面交叉口人行横道和停车线的设计研究.doc

平面交叉口人行横道和停车线的设计研究李加丁，尚立伟（北京交通大学，北京，100044）摘要：城市道路交叉口人行横道和停车线的设计是影响交叉口通行秩序和通行能力的重要因素。通过对北京市一些平面交叉口的实地观测和分析，本文总结了现行交叉口人行横道和停车线设计的一般模式及存在的安全隐患问题，提出基于通行安全、车辆顺畅和通行能力约束的人行横道和停车线的设计方法。将交叉口人行横道和停车线的设计理论系统化、更优化，给出平面十字形交叉口人行横道和停车线设计的基本模型。并基于模糊数学理论，提供了进一步优化停车线位置的途径。最后，给出了城市道路正十字形平面交叉口有关人行横道和停车线的一些设计值。关键词：平面交叉口；人行横道；停车线；安全系数；通行能力；模糊数学1. 前言交叉口是道路网中道路通行能力的“瓶颈”和交通事故的“多发源”。国内外城市中的交通阻塞主要发生在交叉口，如日本大城市中的机动车在城市中心的旅行时间约1/3花在平面交叉口上。同时，交叉口也是交通事故的主要发生源，城市中的交通事故约有6080发生在交叉口极其附近。 因此，交叉口引起人们的高度关注，而人行横道和停车线的设计是平面交叉口交通设计的重要部分。实践表明，正确设计交叉口的人行横道和停车线，能够优化车流的行驶轨迹，改善通行秩序；能够规范车流的通行空间，提高通行安全性；能够有效利用交叉口内部的时空资源，提高通行能力。2. 现行人行横道和停车线的设计理论和方法关于研究交叉口设计的方法国内外有很多，如交通冲突技术、断面法、车辆延误模型等，如文献1；尤其是交叉口的信号优化设计，其文献相当多，如文献24。无论是减少交通冲突、减少车辆延误，抑或优化信号配时等，都是改善交叉口通行秩序的一个方面，但要保证交通流安全，全面提升交叉口的通行效率，人行横道和停车线的设计也不容忽视。也有一些文献专门探讨过平面交叉口停车线的设计，如文献5,学者对停车线的设计问题进行了详细的分析，并建立了基于机动车运行轨迹顺畅的停车线模型，对交叉口的研究具有很大的参考价值。3. 现行人行横道和停车线设计的弊端通过实地调查，发现现行交叉口人行横道和停车线的设计存在如下弊端：3.1 交叉口内部通行空间偏低大部分交叉口人行横道以人行道的延长线为基准，向交叉口外侧移动1米；而停车线退后人行横道后沿1米设置，位置较提前。这种设计压缩了交叉口的内部区域，导致交叉口用于机动车和非机动车的空间有限。3.2 右转机动车待行区域不足相邻两个进口的人行横道相距过近，一方面会侵占右转车辆与自行车的行驶空间；另一方面，会使右转车辆驶离本向停车线后，连续通过两条人行横道线，行人安全受到威胁。3.3 左转机动车运行轨迹不顺畅由于停车线位置提前，左转车辆的转弯半径减小，待绿灯亮后驶离进口道的车辆运行轨迹很不顺畅，也加大了机动车驾驶员的驾驶难度。3.4 人行横道长、宽设置不当人行横道过窄，导致部分行人过街时被排在横道线外，其安全没有保障；人行横道过长，且没有设置相应的二次过街设施，导致绿灯尾期部分行人被挡在横道线上或不能从容过街。4. 交叉口人行横道和停车线优化设计4.1 研究对象基于典型性，实际调查以平面十字形交叉口为主，本文也以平面十字形交叉口为探讨对象。4.2 基本假定为便于研究，作如下假定：交叉口为正十字形或斜十字形交叉口人行横道垂直于道路中心线，停车线与人行横道平行交叉口为预定周期式信号控制交叉口（如图1）4.3 设计目的城市道路交通设计中，以交通安全、通畅、效率、便利及其与环境协和为目的6，因此，交叉口设计也应以此为出发点。人行横道设应保障行人安全、从容过街；为车流提供适当的待行区域。停车线应保障机动车流行驶轨迹顺畅；为各种交通流提供安全空间。综合设计目标：在保障行人、车辆安全通行的前提下，提高交叉口的通行能力。4.4 约束条件4.4.1 转角距离要求相邻两条人行横道之间的转角距离至少能容下一辆小客车的车身长6m。4.4.2 左、右转弯半径对于左转车流，本向进口道设计停车线要保证左转车辆以大于等于30m的半径转到其左侧进口的出口道；同时其右侧进口的左转车流能以大于等于30m的半径转到本向出口道。对于右转车流，在交叉口其速度不宜太高，要限制其转弯半径不大于207。另外，左、右转弯半径应根据相交道路等级的不同而发生相应变化。4.4.3 车车、人车安全交叉如图1所示，C、D、E三点为相位变换时大多数二相位控制信号存在的最不利的冲突点。（1）车车安全交叉的理论关系绿灯末期车辆若要安全通过冲突点C，必须满足条件5： （1）（2）行人机动车安全交叉的理论关系为了避免人车冲突，绿间隔必须同时满足以下两个条件：绿灯尾期安全通过冲突D的条件： （2）绿灯尾期安全通过冲突E的条件: （3）5. 基本参数如上图2中， S1为停车线至交叉口道路中线交点O的距离，S2为人行横道前沿至道路中线交点O的距离，a为单车道的宽度，c为人行横道的宽度，d为停车线至人行横道后沿的距离，为本向道路中心线与左侧道路中心线的夹角，Rr为右转车辆约束转弯半径，Rl为左转车辆约束转弯半径，Rrl为右侧进口的左转车辆约束转弯半径，Ly为相邻两条人行横道线之间的弧长。6. 交叉口人行横道和停车线优化设计及分析6.1 设计模型从人行横道和停车线的设计目标及约束条件出发，可建立以下设计模型，由约束条件： 6Ly （4）Rl30 S130 （5）由约束条件：Rrl30 即： S130 （6）Rr20S220 （7）由约束条件： 即： S1 （8） （1+） 即： S1+ S2+C+L（1+） （9） 7 （10）6.2 模型分析城市道路选用a3.5m8，小客车的车身长度L6m。在交叉口取机动车的行驶速度V15km/h。绿灯亮后第一辆车自停车线启动均可近似看作初速度为零的匀加速运动，加速度a0.6m/s2，因此、均由曲线：确定。其中，。若不受地形的限制，应设置平面正十字形交叉口，即900，则代入以上建议参数值：Rr20，Rl30，Rrl30，V1=1.2，V4.2，加速度a0.6m/s2，L6，解上述约束方程。由（4）、（7）得：3.82由（5）、（6）、（8）得：由（9）得：。可以看出，在车辆绿灯间隔时间5s下，若车道数n即a3.5或a7时，将与约束条件矛盾，此设计将难以满足。但这并不表示模型本身出现了问题，却正好反映了这样一个事实：目前，我国大部分交叉口车辆和行人由于共用红绿灯信号，导致绿灯末期产生类似D点处的人车冲突，存在较大安全隐患。由（10）可以看出，因为很小，、一旦确定，为保证冲突点E处行人通行安全，不宜过大，实际表现为车道数不能过多，否则应该设置行人安全岛，确保行人安全过街。9通常交叉口人行横道的长度最好不超过15m。在上海的城市道路平面交叉口规划与设计规程（2001）规定为交叉口“进出口机动车道达6条时，应在中间设置行人安全岛；新建交叉口岛宽应大于20，改建、治理交叉口应大于1m”。因S1S2cd，即一旦S1、S2确定，则cd确定；一旦某个值发生变化，则其它值呈线性变化。另外，由于cd大于零，故。人行横道的最小宽度，各国规定不一，上海的城市道路平面交叉口规划与设计规程（2001）规定，顺延干路的人行横道宽度不宜小于5m，顺延支路的人行横道宽度不宜小于3m。因此，对于主、次干路，人行横道宽度c可取57m；对于支路c可取35m。为保证静止车辆不对行人过街产生干扰，停车线至人行横道后沿的距离d至少为1m，但一般不宜超过2m，即介于12m。6.3 始设计值基于以上设计模型及分析，假定S1、S2、c以m递变，d以0.1m递变，表1给出了城市道路正十字形平面交叉口、不同等级道路相交时有关人行横道和停车线的初始设计值。表1 正十字形平面交叉口人行横道和停车线的初始设计值（1）相交道路及车道数交叉口主干路/6车道次干路/4车道支路/2车道S1S2cdS1S2cdS1S2cd主主交叉口213915305712主次交叉口173611275712213915305712主支交叉口14328235712193715303512次次交叉口173611275712次支交叉口14328235712153411273512支支交叉口12308233512(注：上述数据均以交叉口中心O为基准，参数参见图2，单位为m) 7. 停车线位置S1的进一步优化在能够实现安全、通畅的前提下，按照道路交通设计的理念，还应发挥交叉口时空资源的最大效能，以提高交叉口的效率，这要求进一步寻求改善人行横道和停车线设计的方案。下面基于模糊数学的理论，提供一种优化的途径。7.1 信号交叉口通行能力经推导，可得交叉口一条直左右车道的通行能力10： (11)式中，T为信号灯周期；tg为信号每周期内的绿灯时间，为直行或右行车辆通过停车线的平均时间，为直左车道中左转车所占比例，均可通过调查数据获得。由于dS1，可忽略不计。可见，停车线位置S1将对交叉口的通行能力构成主要影响。因此，只要对S1做进一步优化，便可提高交叉口的通行能力，满足综合设计目标。7.2 基于模糊数学对S1优化由于顺畅、安全都只是一个模糊的概念，它取决于交通利用者的心理承受能力，实际表现为车辆和行人对交叉口的满意度，而这种主观判断因人而异；另外，交叉口冲突点处是否真的发生冲突，也是随机的，即使存在很大的可能，但它并不一定发生。但从系统的角度出发，除了考虑车辆和行人满意之外，还期望有一个较高的通行能力。这就告诉我们，允许对停车线的位置S1作出改进，以在安全和通行能力之间寻求一个平衡点。以求交叉口人行横道和停车线的设计理论更加全面、系统，下面基于模糊综合评判方法，简单介绍怎样对式（11）中停车线至道路中心o的距离S1进行优化。首先，通过上述模型，在满足车辆顺畅和通行安全的前提下，求得关于S1的一个范围，通常是介于两个值之间，比如：。此时我们可以定义一个安全系数，则可假定S1a或S1b时，该安全系数1，表明机动车处于临界顺畅、车辆和行人处于临界安全状态；当S1时，该安全系数或，也即，此时达到最大值，表明车辆、行人处于最佳状态，也即交叉口的交通状况处于最佳。当时，；当时，。如下S1曲线关系图：相交道路及车道数交叉口主干路/6车道次干路/4车道支路/2车道S1S2cdS1S2cdS1S2cd主主交叉口212915205712主次交叉口172511165712212915205712主支交叉口14218125712192715203512次次交叉口172511165712次支交叉口14218125712152311163512支支交叉口12198123512(注：上述数据均以交叉口中心O为基准，参数参见图2，单位为m)当时，与S1成正比；当时，与S1成反比。这样，通过引入安全系数的概念，便对车辆和行人的满意度进行了量化。表2 正十字形平面交叉口人行横道和停车线的设计值表2 正十字形平面交叉口人行横道和停车线的设计值步骤2，由式（11）可知，S1越小，交叉口的通行能力越高。因此，要满足车辆顺畅、通行安全和提高交叉口的通行能力，S1应在区间取值，表1即可优化如下：步骤3，从小到大，以一定的间隔（建议1m）分别对S1取值（i1，2，3，m），则其安全系数；并以一定的间隔（建议0.1m）对d取值dy。则对应的机动车设计通行能力为： （12）步骤4，因交叉口非机动车（主要是自行车）跟行人一起过街，因此，可将非机动车和行人的通行能力归在一起，由人行横道宽c确定其行人设计通行能力。以一定的间隔（建议1m）对c取值，则对应的行人通行能力为：c*1800，比如c为5m时，其通行能力为5*18009000人/h。因此，便得到了评判交叉口综合效果的三个因素指标：安全系数f1机动车通行能力f2行人通行能力f3。于是便可运用模糊数学中加权相对偏差距离最小法对此问题进行分析。相位绿灯时间（s）黄灯时间（s）红灯时间（s）周期时长（s）东西353 67 105南北 40 3 62 105表a 表b东西相小型车/左转车（辆）中型车/左转车（辆）大型车/左转车（辆）当量车/当量左转（pcu）直右车道7312/25 112直左车道68/289/25/4 101/44南北相小型车（辆）中型车（辆）大型车（辆）当量车（pcu）直行车道9541 106专用右转车道6790 85专用左转车道 4054 62表c则东西方向（）：dyf2Si1718192021222324251251.27 251.41 251.56 251.70 251.84 251.98 252.12 252.26 252.41 252.55 252.69248.49 248.63 248.77 248.91 249.04 249.18 249.32 249.46 249.60 249.74 249.88 245.78 245.92 246.05 246.18 246.32 246.45 246.59 246.72 246.86 246.99 247.13243.13 243.26 243.39 243.53 243.66 243.79 243.92 244.05 244.18 244.32 244.45 240.54 240.67 240.80 240.92 241.05 241.18 241.31 241.44 241.57 241.70 241.83238.00 238.13 238.25 238.38 238.51 238.63 238.76 238.88 239.01 239.14 239.26235.52 235.64 235.76 235.89 236.01 236.13 236.26 236.38 236.50 236.63 236.75233.08 233.20 233.32 233.44 233.56 233.68 233.80 233.93 234.05 234.17 234.29230.69 230.80 230.92 231.04 231.16 231.28 231.40 231.52 231.64 231.76 231.881.11.21.31.41.51.61.71.81.92安全系数f111.061.121.181.241.291.351.411.47行人通行能力f29000900090009000900090009000900090007.3 算例如下，以一正十字形信号交叉口（次次交叉口，均为4车道）为例进行分析，经交通调查得到的基础资料如下：常值目标函数的集合为本文以第六行的9个：v=vf1,vf2,vf3,每个Si和dy的组合构成一个方案，且对应一个机动车通行能力，则共有99个方案，方案为例,即取d1.5m时。各方案的因素指标矩阵F为：Ff111.061.121.181.241.291.351.411.47f2251.27 248.49245.78243.13240.54238.00235.52233.08230.69f3900090009000900090009000900090009000由德尔菲法，经过专家的评定得到各因素指标的权值向量为：A=（a1，a2，a3）=（0.91，0.82，0.35）。各因素指标的标准值向量为：=（，）=（1.47，251.27，9000）令ij= ，得出相对偏差模糊矩阵： 1 0.91 0.74 0.62 0.49 0.38 0.26 0.13 0 0 0.14 0.27 0.40 0.52 0.64 0.77 0.88 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0例如：=，根据加权相对偏差距离公式，即：，其中，例如，且a=0.69，从而得到（1.32，1.21，0.73，0.62，0.55，0.39，0.67，0.77，1.18），因此，由于加权相对偏差距离最小法以最小的方案为最优，所以，在取d1.5m时，第六方案为最优，即综合考虑通行安全、机动车顺畅、通行能力时，停车线至交叉口道路中线交点O的距离S122m为最优。此时，（f1，f2，f3）=（1.29，238.63，9000），各参数的最优设计值：（S1，S2，c，d）=（22，15.5，5，1.5）。8 结语在设计模型阶段确定人行横道和停车线的初始设计范围后，可以利用Vissim软件，假定S1、S2、c以m递变，d以0.1m递变，以交叉口的通行能力为评价指标，对交叉口进行微观仿真，据此得到的模拟仿真值将直观、形象地反映出交叉口的交通状况，但计算机模拟法需要硬件等的支持，实际应用受到诸多的限制。因此，本文所提供的基于模糊数学的计算分析法将更加普遍和适用，其成果对交叉口人行横道和停车线的设计提供了理论依据和定量方法，对于改善我国城市道路交叉口的交通秩序，提高其通行能力和通行安全性，具有广泛的参考价值。参考文献【1】 袁以武，董力耘，戴世强.交叉口左转专用信号灯对车辆延误的影响.交通运输工程学报，2002，2（4）：8085.【2】 徐建闽，舒宁，尹宏宾.新型模糊控制算法在交叉口信号控制中的应用.华南理工大学学报，2000，28（6）：15.【3】 伍建国，巨永锋.平面交叉口信号模糊控制与仿真.西安公路交通大学学报，2001，21（2）：8184.【4】 杨晓光，陈白磊，彭国雄.行人交通控制信号设置方法研究.中国公路学报，2001，14（1）：7376.【5】 白玉，薛昆，杨晓光.平面十字交叉口停车线设计方法研究.公路交通科技，2004.2：100102.【6】 杨晓光，等著.城市道路交通设计指南.人民交通出版社，2003.【7】 任福田，等.城市道路规划与设计M.北京：中国建筑工业出版社，1998：176179.【8】 道路工程，于书翰，等.道路工程.武汉工业大学出版社，2001.【9】 杨佩昆，吴兵，编著.交通管理与控制（第二版）.人民交通出版社，2003.【10】 杨浩，等.运输组织学.中国铁道出版社，2004.“白色家电”再制造物流中心设计与方案模拟罗勇，韩佳辰，张俊超（吉林大学交通学院，长春，130025）摘要：本文围绕当前国内热点问题“实施绿色再制造工程”以及“推进废旧家电的再制造工程试点”；针对目前试点城市所面临的技术及设计方面的问题。通过对再制造物流中心的“虚拟设计”进行了一次大胆尝试，使用SHA和SLP的设计方法，运用计算机模拟技术完成了再制造物流中心的“虚拟”设计目标。关键词：白色家电；逆向物流；再制造；物流工程；计算机仿真模拟1. 项目选题所谓“白色家电”源于人民对“白色垃圾”的认识，系指报废的家用电器，或者已经达到寿命期限“End of Life”的家电产品。白色家电是一种比“白色垃圾”对环境影响更为严重的废弃物。“白色家电再制造物流中心设计与方案模拟”项目选题紧密结合当前热点问题，立足于国家大力提倡“废旧家电”绿色再制造工程，推进“废旧家电”处理与再制造试点工程等实践背景。2006年7月1日欧盟25国将正式实施WEEE指令Waste Electrical and Electronic Equipment。这一指令的核心内容为：责令所有出口欧盟国家的家电企业 承担 未来废旧家电的回收处理费用，并且，达不到指令标准的产品将被拒绝进入欧盟市场。国内外的大量文献表明，我国“白色家电”处理和再制造技术非常落后，大部分是小作坊手工拆解，没有严格的质量控制与系统管理，随意倾倒的固体垃圾和有害液体，对环境造成了严重威胁。这一现象已经引起国家有关部门的高度重视。同时，已有越来越多的企业将目光瞄准再制造市场。各主管部门和代表性行业如汽车零部件业、家电业等机电产品制造业积极关注绿色再制造的相关关键技术及其应用前景。为推进此项工程，青岛、杭州、北京和上海四城市首先被列为“电子垃圾”的回收处理试点城市。白色家电再制造物流中心的设计与规划成为目前试点城市面临的首要技术问题。2. 项目研究目标综合运用物流工程理论和计算机模拟方法，对白色家电再制造物流中心进行“虚拟设计”，并对设计方案进行动态参数仿真和作业状态模拟。3. 项目难点（1）如何在设计过程中体现再制造物流中心与普通物流中心的差异；（2）如何在设计过程中整合再制造中心的“生产”功能和物流中心的“集疏运”功能；（3）如何运用物流仿真软件进行设计方案的模拟和优化。4. 项目研究内容（1）白色家电再制造物流中心设计方案此项内容是本项目的研究重点之一。即运用SLP系统布置设计的方法和技术，进行了该物流中心的平面布置设计，获得最终平面布置设计方案。设计思想：整合了再制造中心的“再制造”功能和物流中心的“集疏运”功能。考虑了再制造物流中心设计影响因素和运作机制。（2）设计方案的计算机模拟与数据分析此项内容是本项目的另一研究重点。再制造物流中心的平面布置图是一个静态的解决方案，运用计算机仿真工具Arena和 Flexsim对再制造物流中心设计方案进行动态模拟，包括设计方案的动态参数仿真、建模和作业状态模拟。5. 白色家电再制造物流中心的设计与规划本项目运用SLP系统布置设计的方法和技术，分为四个步骤展开设计工作，即物流中心功能分析，初始方案确定，设计方案检验以及最终方案得出。5.1 功能分析我们首先从物流中心的外部环境分析入手，即从家电行业的供应链视角，研究了物流中心在逆向物流网络体系中的功能定位。在完整地、闭合的供应链结构中，废旧家电产品流经顾客群、各回收点，进入再制造物流中心，然后重新回到供应商和制造商环节。在这一过程中，产品的变化是“从废旧产品-（到）-拆分部件-（再到）-新的原材料或新产品”。我们的设计思想就是改变我国“废旧家电回收站和处理厂”单独运作的模式，提出一个以再制造为核心功能、兼顾“集疏运”功能的物流中心解决方案。再制造物流中心的设计过程与普通物流中心的不同之处在于：一是物流方向是逆向物流，二是“白色家电产品”供应的不确定性，三是再制造工序的不同。其中，废旧家电产品的拆解与分类是再制造过程的特殊工序，根据对台湾和瑞士废旧家电再制造中心的调查分析，白色家电产品经过拆解，可分为7类部件。基于上述环境分析和产品分析，我们进行了物流中心的功能规划，确定出该中心的核心功能为拆解/分类、再制造、修复和检验，辅助功能为仓储、配送、信息和生活服务。具体的功能说明如下表所示。值得说明的是，白色家电产品对于“检验”功能具有两项特殊要求：即进行再制造之前必须进行生产期限、破损程度的检验；再制造之后它的产成品必须通过国家的产品质量检验，方能进入再生资源市场。根据上述的功能分析，我们确定了相应的作业流程。5.2 初始方案确定根据第一步骤得到的作业流程，以电视机的数据为例进行了初始设计方案的相关计算。首先，物流中心按功能划分工作区域。然后，根据电视机的调研数据，我们制定了再制造生产原则，计算了各工作区域的物流强度，根据物流强度的大小进行了相关性分析，得到了相应的密切度参数等级，递减排列。综合上述各作业区域的相关性分析等结论，形成了初始布置方案。5.3 方案检验我们运用F-D图分析方法进行了方案的多次调整，得到了物流中心的最终平面布置方案。F-D图分析的基本原理就是运用“物流量大、搬运距离短的设施优先布置”的原则。图1 布置方案底图（1：100）5.4 得出最终平面布置方案。如图1所示。6. 计算机方案模拟与分析再制造物流中心的平面布置图是一个静态的解决方案，为了能对再制造物流中心的工作状态进行动态模拟，我们运用了计算机仿真技术，所用的工具为Arena和 Flexsim.。首先，我们运用物流仿真软件Arena，进行了设计方案的动态参数仿真和作业状态模拟。我们确定的动态参数包括：物流量 ；人员利用率；设备利用率；作业成本；作业时间 。作业状态，我们假定：物流中心的生产能力是一定的，废旧家电产品的供应是连续的、稳定的。据此，建立的Arena 模型。其次，进行了Arena动态参数的数据分析。结论如下：（1） 物流量分析：通过分析我们可以得出修复区的物流量很少，人员和设备的利用率较低。其主要原因在于拆解后适宜修复处理的部件所占比例较小；同时，现有的修复技术水平不足以大批量处理待修复零部件。改进方向：一是减少修复区的人员和设备数量；二是改进修复工艺和提高修复技术以使更多的物品通过修复可以重新获得使用价值。（2） 作业成本分析。模拟中，等待和搬运成本占总成本的36.7%，经过对作业区域人员、设备和物流量分布的调整，使得等待和搬运成本比例下降至27.13%。实现了“物流系统搬运成本最小”原则。（3） 作业时间分析。原方案中等待和搬运时间占总时间的62.1%，在模型中我们对搬运能力，以及处理能力进行了调整。调整后等待和搬运时间所占比例下降至22.5%。 实现了时间优