（交通信息工程及控制专业论文）城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究.pdf

摘要随着交通需求的剧增，城市交通阻塞问题加剧。为了缓解交通供需之间的矛盾，需要增加一个基于各类交通规划理念。实践证明，面向实际问题的中间技术环节一一交通设计。交通设计的概念诞生于2 0 世纪8 0 年代，以交通工程学为基础对交通系统的时空资源进行最优化组合。交通设计无论在理论上还是其涉及的对象上，皆是非常复杂的，目前的研究成果均侧重于交通设计的方法和技术，因此交通设计理论还是一个需要继续探讨的问题。本文首先考察了国内外关于城市道路设计方面的相关研究成果，对其设计流程、设计方法与技术进行综述，并在此基础上确定本文的研究内容；之后以整个交通系统为背景构筑了交通设计理论体系，体系的构筑从交通问题及成因剖析出发，分别提出了交通设计需求体系、方法体系及理论体系，并选择城市平面道路作为交通设计理论问题的解析对象；鉴于城市道路的瓶颈集中在节点，因此着重进行了节点交通设计理论问题的研究，在进行单节点交通设计理论问题研究之前首先建立了单节点交通设计理论体系结构。之后以节点通行能力最大化及通行能力匹配为设计实现目标。分别从宏观、中观、微观三个层面研究节点匹配问题、节点组合问题、节点时空整合问题，最后标定了节点设计的两个相关参数，交叉口停车线位置及分隔带宽度；最后，由于节点与节点问的关联是制约节点交通效益的关键，因此以两个节点构成的基本交叉口群为对象进行了多节点交通关联设计问题的探讨，重点针对两个问题进行研究，即交叉口间距规划问题及双节点通行能力匹配问题。关键词：交通设计、平面道路节点、理论体系、组合、优化、匹配、时空资源、进口道间距a b s t r a c ta st h ei n c r e a s i n go ft h eu r b a nt r a f f i cd e m a n d ，t h et r a f f i cp r o b l e m so fc i t yb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s b yt h ep r a c t i c eo fu r b a nc o n s t r i c t i o n sw ec a nc o n c l u d et h a ti no r d e rt ol i g h t e nt h ec o n f l i c tb e t w e e nt r a f f i cs u p p l ya n dd e m a n d ，t r a f f i cd e s i g n ，w h i c hb a s e do nt r a f f i cp l a n n i n ga n dp r a c t i c e ，s h o u l db ea d d e di n t ot h ep r o g r a mo fr o a d w a yc o n s t r u c t i o n t h eb a s i cc o n c e p to ft r a f f i cd e s i g nc a m ei n t ob e i n gi n19 8 0 si nc h i n a b a s e do nt r a f f i ce n g i n e e r , t r a f f i cd e s i g no p t i m i z e dt h ec o m b i n a t i o no fr e s o u r c eo ft i m i n ga n ds p a c i n g s oi ti sv e r yc o m p l e xb o t hi nt h e o r ya n dt a r g e t u n t i ln o w , t h er e s e a r c h e so nt r a f f i cd e s i g nw e r ea l lf o u n do nt h em e t h o da n dt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，t h er e s u l t so fu r b a nr o a d w a yd e s i g ni na n do u to u rc o u n t r i e sa r ef i r s t l yd e s c r i b e d t h e n ，t h en e w e s tr e s e a r c hp r o d u c t i o n sa b o u tt r a f f i cd e s i g na l ei n v e s t i g a t e dt os u p p o r tt h i st h e s i s s e c o n d l y , b a s e do nt h ew h o l et r a f f i cs y s t e m ，t h i st h e s i sc o n s t r u c tt h et r a f f i cd e s i g ns y s t e mw h i c hi n c l u d et h ed e m a n ds y s t e m ，m e t h o ds y s t e ma n dt h e o r ys y s t e mf o rt r a f f i cd e s i g n ，a n ds e l e c tt h eu r b a na t g r a t er o a d w a ya si t st a r g e t t h i r d l y , f o rt h et r a f f i cc o n g r e s sa l w a y so c c u ra tt h ei n t e r s e c t i o n s ，t h i st h e s i sp l a c ee m p h a s i so nt h ec r o s st r a f f i cd e s i g ni s s u e s i nt h i sr e s e a r c h ，w eu s et h em a x i m u ma n dm a t c h i n go fi n t e r s e c t i o nc a p a c i t ya st h eo p t i m i z a t i o nt a r g e tt oc o m b i n et h et i m i n ga n ds p a c i n gr e s o u r c eo fi n t e r s e c t i o n o nt h eb a s i so ft h a t ，t h i st h e s i sg i v e st h em e a n st od e t e r m i n et h el o c a t i o no fs t o pl i n ea n dt h ew i d t ho fm e d i a n f i n a l l y , t h i st h e s i sa n a l y s i st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt w oi n t e r s e c t i o n sa n dd i s c u s st h ed e s i g nm e t h o do ft h er o a d w a yn e t w o r k a tl a s t ，t h eq u a n t i f i c a t i o n a la n a l y s i so ft h ea c c e s ss p a c i n ga n dt h ec a p a c i t ym a t c h i n ga r eg i v e ni nt h i st h e s i s k e y w o r d ：t r a f f i cd e s i g n ；a t - g r a t ei n t e r s e c t i o n ；s y s t e mi n f o ；c o m b i n e ；o p t i m i z e ；m a t c h i n g ；t u n i n ga n ds p a c i n gr e s o u r c e ；a c c e s ss p a c i n g声明户明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士学位论文“越直壬亘道路童翌旦童适迹遢逡盐理论闷题硒究刀。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究所做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。，学位论文作者签名：日参2 0 0 4 年9 月l o 日城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】第一章绪论伴随中国国民经济的快速发展及城市综合经济实力的不断攀升，交通建设与管理事业得到了发展。但由于历史遗留问题，城市交通供需矛盾依然尖锐，交通拥挤成为许多城市面临的最严重问题之一，并导致车辆行程时间延长、延误上升、交通事故率增大、环境污染程度加剧 u o 以拥堵为代表的交通问题已成为城市发展的主要障碍之一，中国诸多城市交通情况的演变，可充分说明这一点。深圳市、厦门市、北京市、上海市等一直在不断投入巨资改造以往的道路系统，以适应城市交通和城市形态的变化：即使这样，交通问题的严重性仍不容乐观，首都北京变成“首堵”北京、上海“路桥修到哪里，交通就堵到哪里”。因此，如何充分地利用或改建、新建中国城市道路，改善中国城市交通已成了亟待研究解决的重大课题。1 1 研究背景1 1 1 城市交通问题的严重性从我国城市交通的发展历程来看，一方面，发展过程与西方许多发达国家城市交通的发展很相似，但同时时间却缩短很多，而且与高速的城市化和快速的机动化同时进行，另一方面，对交通认识的变化与西方国家如出一辙，并没有从西方交通发展的历史中吸取教训。高速城市化和快速的机动化进程、大量的流动人口涌入城市，城市机动车辆爆炸性的增长，使我国城市在短短十几年内交通问题的概念从无到有，城市交通面临着巨大的挑战1 2 j 。总结不同类型城市道路所表现出的交通现象，道路网络与交通需求存在不同程度的不适应。对于城市快速道路，通常采用高架道路构筑，高架道路不存在车流冲突问题，只存在车流交织现象，因此高架道路的运行主要受立交及上下匝道制约：通过对上海市快速道路的观测，在高峰时段高架与地面道路的衔接段以及匝道与主线的汇入段出现交通阻塞现象。对于城市主干道，由于交叉口间距较小，且存在较多的单位进出口，如上海市三纵三横主干道四平路，通过对道路交叉口问距的调查，在不计单位进出口的条件下其平均交叉口间距为1 8 0 m ，因此主干道运行车速通常仅为2 0 k m h ；部分城市为提高主干道运行车速，将道路全线封闭( 如广州市) ，进而导致绕行交通需求增长，增加城市交通压力。对于城市次干道及支路，承担大量绕行交通，交通压力超过规划情况，同时承担了机动车流、非机动车流及行人流交通，不同车流之间的空间分隔及车道宽度影响了车流通行的安全及舒适，无法实现慢行交通通道的要求。上述交通现象反映出了城市交通存在的问题，其核心问题表现为交通阻塞问题，伴随着交通阻塞程度的加剧，交通安全问题以及交通环境污染问题逐渐被重视。交通阻塞方面主要体现为平均运行车速偏低以及存在严重阻塞的节点，这一现象主要由路网配置及道路衔接模式规划不当引起，同时，道路建设的土木工程化及交通管理的不当加剧了交通阻塞现象。交通秩序方面主要体现为违章现象严重，导致出行者频繁违章，一方面由于交通参与者教育及接受教育的程度不足，另一方面则由于城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】交通设施的不完善为出行者违章制造了客观条件，如交通流通行空间未进行适当分隔、交通设施设计位置不当等：上述秩序问题的产生主要由交通设计及交通管理方法的不当造成的。交通安全方面主要表现为交通事故普遍偏高，事故的产生主要由交通违章引起，事故类型集中为不按规定让行、纵向间距不足、机动车违章变车道以及行人违章穿越车行道：分析事故产生原因，交通设施建设以及交通管理设施及管理手段的不当是主因，交通参与者行为规范的缺乏也是重要原因之一。交通环境方面主要体现在交通出行产生的污染日益成为城市环境污染的主要组成部分，车辆尾气及噪声污染的产生主要受交通阻塞情况、路面质量及交通管理措施制约，即是由交通规划、交通设施建设及交通管理方面的不当引起的。城市交通问题的产生从根源讲是由需求( d e m a n d ) 与供给( c a p a c i t y ) 不平衡导致的，而需求的快速增长是打破该平衡的主要原因。通过对机动车保有量的统计，平均年递增率达到1 5 ( 不包括摩托车) 。9 0 年代中期，中国汽车工业开始转向小汽车，1 9 9 5 年s s t a r e s 和刘志利用对6 0 个国家的研究结论对中国城市汽车拥有量进行了预测，认为，以保守的分析，2 0 2 0 年中国城市小汽车拥有量将比1 9 9 4 年增加1 3 - - 2 2 倍【2 l 。为了降低车辆快速增长对道路交通运行状态的冲击，各个城市开展了大规模的设施建设，深圳市、北京市、上海市等一直在不断地投巨资改造以往的道路系统，以适应城市交通和城市形态的变化。但由于仅重视主干道路的建设，而忽略道路网络的完善，因此交通问题的严重性仍不容乐观。以上海市为例，近1 0年来车辆和道路面积的增长速度见图1 1 【3 】。可以看出，车辆增长速度远远大于道路面积的增长速度，因此仅仅通过增加道路面积无法实现需求与供给的平衡，势必要求完善相关的交通技术。图l - 1 车辆和道路的增长关系曲线1 1 2 现有道路设计方法的适应性国内系统的城市道路设计方法一般在8 0 年代建立，设计车流构成以大型车为主体，出行方式以非机动车为主；且以实现道路土木工程需求为目标，忽视交通工程的设计。参考城市道路设计规范1 4 1 ，以往的道路建设基本程序如图1 2 所示。在进行道路设计时首先确定计算行车速度、设计车辆、设计年限、道路抗震设防。计算行车速度根据道路等级取值，主干道为3 0 6 0 k m h 、次干道为2 0 5 0k m h 、支路为2 0 4 0k m h ，上述各指标主要用于指导道路结构设计。之后进行道路横断面、2城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】平面与纵断面、道路交叉、路基、路面、广场与停车场、道路排水、道路绿化、道路照明、交通设施、地下管线与地上杆线的设计。诸多设计内容中与发挥交通功能相关的只有横断面设计和交通设施设计。在横断面设计中与交通设计相关的内容为横断面布置及不同类别行车道的设计宽度，规范中建议红线宽度大于4 0 米的道路采用三块板横断面布置，快速路及主干道采用四块板断面：机动车道宽度设计为3 7 5 或3 5 米；其他的规定均针对道路路面铺装结构、路拱曲线等土木工程设计展开。交通设施规定包括交通标志、标线、人行天桥和地道、公共汽电车停靠站等方面，但其相关条文过于简单。交通规划士道路结构设计i道路建设il交通管理圈l - 2 现行道路建设管理流程上述道路设计规范虽然也考虑到视距、线形等与交通有关的因素，但更多考虑的是道路的寿命与结构问题。对于公路而言，这种考虑或许是首要的，但对城市道路来说，是远远不够的，这是由城市道路的交通功能所决定的。不考虑道路使用者与管理者需求的道路设计必将导致诸多的交通问题。随着经济建设和社会的快速发展，中国城市的交通结构及城市形态已发生了巨大的变化，城市交通正向机动化方向发展f 5 l ，如小汽车进入家庭，公共交通不断发展，自行车交通向机动化交通不断转移；单核心城市向多核心多功能城市发展等【6 1 。所以，以往的城市道路系统已不适应这种变化，在路网衔接模式方面，不同等级道路无规则衔接及交叉口间距过于密集导致主干道运行车速偏低，道路功能分级不明显；在道路断面设计方面，不考虑交通流构成统一采取固定板块，不考虑车道布置、仅满足土木工程约束设计道路宽度：在车道宽度、设计流量及设计车速等设计参数选取方面，依然以8 0 年代交通特性为依据，导致土地资源的浪费以及工程施工费用的上升。同时，现有城市道路设计方法不考虑交通安全及交通环境约束，加剧了城市交通的拥挤堵塞、交通环境日益恶化，交通事故率无法控制。中国诸多城市交通情况的演变，可充分地说明这一点因此，如何充分地利用或改建、新建中国城市道路，改善中国城市交通已成了亟待研究解决的重大课题。近年来，国内部分城市及国外均进行了交通设计的相关研究，国内研究主要集中在交叉口设计理论的研究，国外研究主要涉及道路网络设计、部分交通参数标定、节点交通设计等方面。但没有形成很好的体系，且多停留在设计方法层面。鉴于国内交通设计相关研究的局限性以及国外研究对中国混合交通流及公共交通流的不适应性，需要进行城市道路交通设计理论的系统研究，基于中国城市交通需求以及车种构成的变化，构筑适应于中国城市交通特征的交通设计方法体系以及交通设计参数体系。1 1 3 课题来源本研究得以开展，得益于国家自然科学基金一通用“中国科学研究基金”的资助，专门列项“中国城市道路与交通适应性及其改善方法研究”课题( 批准号7 0 1 2 2 2 0 1 g 0 1 1 4 ) 。3城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】1 2 交通设计的内涵城市交通问题集中表现为交通阻塞，该问题的产生是由供需之间的矛盾引起的，降低需求的重要手段是调节交通结构，而提高供给的必要手段则是提高道路网络的服务能力。可以通过提高道路利用效率及通行能力实现。由于现行的道路设计方法侧重于土木工程设计，在道路规划、设计、管理阶段没有进行提高通行能力的设计，因此道路通行能力较低，其有效利用时间不高。引起道路利用效率及通行能力低下的原因依然体现在规划、设计、管理三个环节。规划方面，道路网络结构及不同等级道路衔接模式不合理，道路交叉口间距、节点交叉形式等影响通行效率的制约因素的规划没有与道路功能相适应，致使交通型干道运行车速低。设计方面，路段道路横断面形式设计以非机动车为主要出行方式，致使非高峰时间非机动车道利用效率低下；机动车道单车道宽度以大型车辆为设计车辆，导致车道过宽，损失了道路面积：节点设计方面一般没有进行机动车道的拓宽或拓宽不足，致使节点通行能力无法提高；节点设计中关于混合交通分隔的考虑缺乏，直行与左转的非机动车和过街行人与机动车之间在同一相位时间内存在冲突，导致机动车道饱和流量低下，进而导致节点通行能力低。管理方面，路网交通组织在平衡交通需求中的作用还没有被重视，节点交通信号控制与车道功能之间的不匹配降低了其通行能力。上述问题的产生均是因为缺乏道路网络的交通设计导致的。为了提高路网服务能力及利用效率，良好的衔接交通规划、建设、管理三个环节，需要且必须进行交通设计工作。1 2 1 交通设计的范畴交通设计的概念诞生于2 0 世纪8 0 年代，国内比较完整、系统地提出交通设计概念并建立起交通设计的基本架构及关键技术的是同济大学的杨晓光教授【7 1 。在城市道路交通设计指南中，交通设计的基本含义是：基于城市及交通规划的理念和成果，运用交通工程学的基本理论和原理，以交通安全、通畅、效率、便利及其与环境协和为目的以交通系统的“资源”( 包括时间、空间资源及投资水平) 为约束条件，对现有和未来建设的交通系统及其设施加以优化设计，寻求改善交通的最佳方案，科学地确定交通系统的时间和空间要素及通行条件；交通设计贯穿于交通规划和交通管理之中，指导交通设施的土木工程设计与交通管理，具有中微观的性质。“设计”有构思、优化、整合之意。以往也有误将“交通设计”变成“交通工程设计”或“交通设施设计”的情况。实际上，后者仍然定位在设施的设计上，并没有突出“交通”的基本特征与目标，所以这里的“交通设计”不同于以往的概念。简言之，交通设计是在交通工程学的基础上对交通系统的时空资源进行最优化组合，其特点是本身具有的“系统最优性”和对交通设施的土木工程设计与管理的“指导性”。1 2 2 交通设计的定位伴随着交通工程学在我国二十余年的发展，交通工程学的基本理念和技术得到了广泛的推广应用，城市交通基础设施的建设越加重视其前期的工作，交通规划己纳入决策流程：在交通管理层面，交通管理规划工作也在诸多城市展开，更有不少城市正在计划发展最先进的智能交通系统( i t s ) 。然而，良好的规划如何付诸实施，实践证明，这中间缺乏一个基于各类交通规划理念，面向实际问题的中间技术环节4城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】一交通设计方法和技术。另一方面，长期以来，交通设施的建设更多关注的只是其土木工程层面的问题，而缺乏对设施功能及其最佳使用问题的重视，所以，更加剧了交通问题的尖锐化，并造成巨大的投资浪费。为了实现交通设施的最佳建设，交通设计是重要的一环，犹如“建筑设计与“结构设计”的关系【7 1 。交通设计的定位与以往的道路设计存在较大差异，根据交通设计的定义，交通设计需要定位在中微观，交通设计是介于交通规划与道路土木工程设计之间极其主要的环节，用以衔接交通规划、设施建设以及交通管理工作，交通设计在城市交通各项技术中的定位见图1 3 。圈l _ 3 交通设计定位1 2 3 开展交通设计工作的意义古今中外的经验证明：设计是工程建设的灵魂。进行城市道路交通设计从战略上讲可以改善交通规划、交通建设与交通管理之间的脱节现象。现行的道路建设管理流程通常为由交通规划到道路结构设计、道路建设、交通管理，该过程为单一由上向下式的宏观指导，建设及管理的可行性以及价值没有保障。引入交通设计工作，其建设管理流程见图1 4 ；交通系统设计可以促进城市规划与交通规划的结合，避免引发需求分布等严重的交通问题；可以在进行设施建设之前对交通规划工作进行反馈，以避免资源浪费；同时，进行交通设计可以在设施建设前充分考虑交通管理措施实施的可行性，并为交通管理设施预留资源。进行交通设计工作从建设方面讲可以更好的实现道路的交通功能。道路及道路网络的交通设计必须以功能定位为基础和实现目标，对于土地利用性质不同的区域其道路网络设计需要采取不同的结构，不同等级道路其设计的思想也存在差异。没有进行交通系统设计则无法区分道路的等级及主要功能，目前很多建成道路( 不区分道路等级) 板块结构及节点设计均采用相同的模式，导致规划的道路功能不能发挥，引起道路资源的不足或闲置。5城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】图1 4 道路建设管理流程进行交通设计工作从实际交通现象方面讲可以缓解城市交通问题的严重程度。随着交通出行量的上升，交通阻塞程度日益加剧，交通安全以及交通秩序问题突显，为了缓解城市交通问题，通常进行大规模的基础设施建设。但由于道路建设时没有综合设计其道路网络，导致主干道比例过高( 以海口市为例，其主干道比例达5 0 n以上) ，非但没有缓解交通阻塞情况，而且导致交通需求的剧增，进而导致交通阻塞问题的恶化，因此需要且必需在设施建设前进行道路以及道路网络的系统设计。进行交通设计可以促进城市的可持续发展。进行交通设计工作可以按照交通流需求分配道路空间，机动车道设计以符合机动车流构成和满足设计车速为约束，尽量缩减单车道宽度，以实现财务的可持续性；非机动车以及行人道的设计以安全及有效利用为约束，以实现社会可持续性；进行系统的公交优先设计，以实现社会及环境可持续性。进行交通设计工作在改善交通流出行效益的同时，可以改善城市道路景观，提升城市品位。但是，“由于交通设计无论在理论上还是其涉及的对象上，皆是非常复杂的”，城市道路交通设计指南定位在了“系统地提供交通设计的方法和技术”上，即交通设计理论还是一个需要继续探讨的问题。1 3 研究的理论意义及应用价值随着城市的发展，交通出行结构及交通流构成都在发生变化，设施规划、设计及管理依然存在需要完善的方面，且现有的交通设计方法是以原有的交通构成为基础的，并以定性方法为主体，因此需要重新进行系统的交通设计理论研究，调整现有交通设计方法不适应的方面，为城市交通设计工作提供科学的依据。进行该论文的研究具有重要的理论意义及实践价值，在理论方面，可以系统的整合影响交通设计的各个环节，在设计过程中协调规划及管理方面的工作；同时，构筑适应于实际交通需求的交通设计理论体系可以指导各部门的实际工作，为编制新的国家规范提供参考。具体上，进行交通设计理论研究具有如下理论意义：【1 】整合道路设施的规划、设计、管理工作，确保规划路网能够为设施充分利用提供必要条件、道路设施的设计符合交通流的通行轨迹、提高设施的单位利用效率、从设施上为交通流的出行安全提供保障、并从设施配置上保障交通管理的可行及有效；【2 】适应中国交通流构成的变化，系统整合交通设计的各个环节，保证网络、6城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】主线、节点的无瓶颈化：【3 】从保障交通效率及交通安全角度量化设施的交通设计方法，为城市交通设计工作提供理论支持与实用规范的核心技术。在实践方面，将该设计理论应用于工程实体可以缓解城市交通问题；总体上，主要体现在如下方面：【1 】通过交通设计体系的构筑，可以缓解城市交通问题，维持交通可持续发展；【2 】通过设计参数的重新标定，可以降低土地资源浪费，从而降低工程投资费用；【3 】通过交通设计方法的优化，提高设施使用效率，为交通管理技术的实现提供依托：【4 】通过对交通设计相关理论的研究，改善交通出行安全度，减低交通环境污染在城市环境污染中的份额。1 4 研究内容及技术路线交通设计的目标是实现交通系统的“安全、通畅、便捷、环境、效率一，交通设计的对象不仅针对城市道路系统，而是整个交通系统。空间上包括城市道路网络、枢纽及停车场点，需求上包括整个交通出行网络。为了实现交通设计的目标，需要建立系统的交通设计理论体系，并明确交通设计理论问题。交通设计理论的解析概括讲从宏观、中观、微观三个层面展开，宏观层面以交通枢纽为纽带讨论道路交通与综合运输之间的协调规划设计问题；中观层面面向交通系统的建设问题，偏重静态及准动态问题；微观层面从实时性出发，面向管理问题，偏重动态问题及时空关系问题的讨论。交通设计理论的研究最终需要拓展至城市道路网络，需要解决道路几何网络与交通o d 需求网络的整合问题，并分别研究网络规模、网络结构、网络连接问题以及网络交通流组织问题。为了探讨网络整合问题需要先解析网络瓶颈点，交叉口及交叉口群作为网络的瓶颈点，时空设计、管理措施、出行者行为对其交通效益的发挥起决定性作用，因此关于单节点时空整合问题、组合最优化问题、匹配问题以及交叉口群关联性问题的研究将是解析交通设计理论问题的基础和关键。交叉口群的关联性主要通过交叉口间距来体现，考虑到研究结果的代表性和研究的简捷性，本文仅选择双节点为对象描述交叉口群的协调设计问题。1 4 1 研究范围本文的研究依照“从系统到组件、先简单后复杂、从设计策略到参数标定”的原则，主要以单点和相邻交叉口群的系统设计为主要研究方向。研究范围如下；交通设计理论体系的构筑将交通设计的各种方法归结为一个系统，按照一定的规则将所有需要研究的理论问题串联，分层构筑交通设计理论体系。交通设计理论体系的构建以对城市道路交通问题的剖析为基础，系统分析道路交通问题的表现形式及成因；通过交通问题成因的归纳以及交通设计实现目标的确立构筑交通设计需求体系；以实现交通设计的需求为目标，通过总结国内外专业实践技术构筑交通设计方法体系；量化并系统化方法体系中各交通设计手段，按照一7城市平面道路交又口交通协调设计理论问题研究【第一章】定的规则将不同设计手段合并，以构筑交通设计理论体系。单点交通系统设计问题( n = 1 )针对标准十字型交叉口进行，研究路段及路口道路断面选择标准、路段与路口系统设计理论、相交两条道路之间系统设计理论、交叉口时空资源协调设计理论等问题。多节点交通协调设计问题( n 一- - - 2 )多节点交通协调性设计理论的研究以两个交叉口为对象，研究两个相邻交叉口系统设计理论，提出交叉口间距规划的理论方法，并进行两个节点匹配问题的研究。1 4 2 论文结构安捧本论文计划分为六章，各章节结构安排如下；第一章绪论主要介绍该研究提出的背景及课题依托，研究的理论意义及实际应用价值，概述研究的内容及技术路线，并介绍拟采取的研究方法。第二章国内外研究综述简述国内外道路设计以及交通设计的起源和发展过程，并对现代交通设计方法与理论进行归纳及分析，作为本论文的理论基础。第三章交通设计理论体系架构构筑交通设计理论体系结构，通过交通问题的剖析，分层构筑交通设计需求体系、交通设计方法体系、交通设计理论体系，之后确定本文交通设计相关理论问题研究的方向第四章单节点交通设计理论问题采用第三章提出的交通设计理论体系架构，进行单节点交通设计理论体系的构筑之后以节点通行能力最大化及通行能力匹配为设计实现目标。分别从宏观、中观、微观三个层面研究节点匹配问题、节点组合问题、节点时空整合问题，同时标定节点设计的相关参数。第五章双节点交通协调设计理论问题借鉴第四章单节点交通设计理论体系架构，归纳多节点及路网交通设计方法体系及交通设计理论问题。在此基础上以双节点为研究对象重点针对两个问题进行研究，分别为交叉口间距标定及双节点通行能力匹配问题。交叉口间距将标定最小间距及合理间距；通行能力匹配问题的研究主要针对一对相互关联的进口道。第六章结论与展望总结本论文的研究成果，同时指出需要继续深化的方面及该领域的研究方向。1 4 3 研究技术路线以改善交通系统通行效率为目标，实现道路系统“无瓶颈化”及系统利用率最大化为主旨，借助相关的交通基础理论及数学工具，进行面向问题的交通设计基础理论的研究。拟采用的技术路线见下页图1 5 。8城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】图l - 5 论文技术路线1 5 研究方法本文的研究主要涉及两个层面，一是构筑交通设计理论体系，二是进行平面道路交通设计理论问题的研究。在构筑交通设计理论体系时，采用系统工程的基本方法论，将霍尔【8 】提出的三维结构扩展为六维，并分维数讨论交通设计理论的体系结构。平面道路交通设计理论问题的研究主要采用最优化理论进行构筑，提出并标定设计的实现目标以及约束条件；借助计算机应用程序实现部分模型的计算。本章参考文献【1 】杭明升城市道路交叉口群实时自适应控制若干理论问题与方法研究同济大学博士学位论文上海：同济大学交通运输工程学院2 0 0 3 1 【2 】李彬城市公共交通规划的几个关键问题研究同济大学博士学位论文上海：同济大学交通运输工程学院2 0 0 1 6 3 1涂辉招城市道路交通评价方法研究及在e r p 中的应用同济大学硕士学位论文上海：同济大学交通运输工程学院2 0 0 3 8 9城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第一章】1 4 1杨佩昆中国城市发展战略【c 】城市基础设施发展国际学术研讨会论文集浙江大学出版社1 9 9 6 1 1 【5 】中华人民共和国行业规范城市道路设计规范( c j j 3 7 9 0 ) 中国建筑工业出版社1 9 9 1 1 0 1 6 1吴唯佳2 l 世纪城市：可持续发展及面临的挑战【c 】国外城市规划( i s s n ，1 0 0 3 - 0 9 5 6 ) n o 2 2 0 0 1 1 ：7 1杨晓光等城市道路交通设计指南【m 】北京：人民交通出版社2 0 0 3 6【8 】谭跃进、陈英武、易进先编著系统工程原理长沙：国防科技大学出版社，19 9 9 1 1 1 s b n7 810 2 4 5 9 4 5 1 0城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第二章】第二章研究现状综述交通设计( t r a f f i cd e s i g n ) 是近年来所提出的一个全新的关于道路设施设计的概念，它建立在道路几何设计( g e o m e t r i cd e s i g n ) 和交叉口设计( i n t e r s e c t i o nd e s i g n )的基础上，以效率、安全为设计目标，对各类道路设施进行整合设计，并对规划提出实时的反馈，以最终实现交通的效率化、安全化及无瓶颈化。道路的设计是影响交通运行效率和安全的重要因素，传统的道路设计与交通设计在其设计机理和理念上存在差异，道路设计是以保障车辆行驶安全、运行轨迹顺畅、驾驶员驾驶舒适为目标的，交通设计则在保障安全的条件下以饱和流量最大化为目标。目前国内外关于城市道路的设计理论和方法都没有明确定义为“交通设计”，因此本章关于国内外交通设计的相关理论和方法的研究综述，仅仅是与本文“交通设计”领域相关内容的设计方法，并不都是真正意义上的“交通设计”。作为本文的研究基础，主要综述了道路交通设计的起源、国内外交通设计领域相关内容的研究现状以及发展方向。2 1 道路交通设计的起源城市交通的规划与设计是城市发展的产物，早在人类社会进入机动化时代以前，就出现了交通设计的雏形。据史书记载l l 】，秦统一中国后，修建“驰道”，沟通全国交通网络，形成“秦为驰道天下，东穷燕齐，南及吴楚”的交通格局，此外，还出现了“一法度衡石丈尺，车同轨，书同文字”等标准化的思想，而其中“车同轨”更是提高道路通行效率的有效手段。秦王朝规定驰道宽5 0 尺，道旁每隔3 丈栽青松一株，同时规定车轨的统一宽度为6 尺，建立了当时道路交通设计的“规范”。此外，道路交通设计对中国城市的发展同样具有很大的影响，中国古代最早的城市雏形的产生，称之为“国”，也叫“城”。筑城被称之为“营国”。它是当时上层阶级所建立的一种政治经济统治堡垒，与当时的农耕文化相适应，“城”的建置与农业文明是相匹配的。当时的人们由于分配田地( 实际上是土地的领主分配给农耕奴隶)而产生了一定大小、形态方整的地块，并进而产生农耕奴隶聚居的“邑”，还有与之相配合的灌排水沟称为“沟洫”，田间道路称为“阡陌”。在此基础上，通过土地的规整、阡陌道路的形成而产生的邑落、村庄，并进而到统治据点的“城”、“国”，最后形成了具有城墙包围的、以纵横经纬“涂”( 道路) 分划地块的、在各地块内又形成各种城市功能区的典型的中国古代城市1 2 1 。这种城市形制自战国时考记营国制度确定以来，一直延续到明清的北京城。以这样一种形式构成的中国古代城市，其中的城市区域的构成很明显是由两方面的因素决定的，一是城市的道路网经纬涂街道，它成为城市区域地块划分和联系的手段；二是区域地块，它又成为城市街道网的整合与分布手段。从现代城市的街道( 包括巷或水巷) 中可以看到古代田制里阡陌和沟洫的影子；而在街廓( 区域地块或地段) 中同样可以看出古代田制的土地分配的原形( 图2 1 、图2 2 ) 。因此，可以说，我国道路交通设计是城市设计的有机组成部分，它起源于人类对沟通的需求，并随着社会的发展而不断地进步。城十十自追路女i 口盘自* m 设计理论目题研究【第二幸】圈2 - 2 ￥殖b 地时期的上城市形寿( 道路与术系结合的城市设计)进入近、现代以来随着人类社会的高速发展，机动化水平的提高道路交通设计的服务对象逐渐由人力、兽力车向机动车转变而走在机动化前列的西方发达国家则成为现代道路交通设计的侣导者和先行者。在美国，早在】9 】2 年，对道路设计的基本法则就已经出现井指导着当时的道路城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第二章】设计1 3 】。但直到1 9 4 0 年，美国各州公路工作者协会( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a yo f f i c i a l s ，a a s h o ) ( 即现在的美国各州公路及运输工作者协会，a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n dt r a n s p o r t a t i o no 佑c i a l s ，a a s h t o ) 制定了道路几何设计的规范。该规范于1 9 5 4 年、1 9 6 5 年、1 9 7 1 年先后被修订。然后，a a s h t o又于1 9 8 4 年、1 9 9 0 年、1 9 9 4 年对其进行了进一步的优化”】。a a s h t o 在制定设计规范时主要依据物理学的原理以及部分对驾驶员、车辆和道路的保守假定，尽管部分假定已改变，但大多数基本模型还是与1 9 4 0 年规范一致。在a a s h t o 所制定的标准中，道路设计由四个步骤组成：在比例为l ：2 0 0 0 0 到l ：5 0 0 0 的图上完成道路的概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ) ，主要确定道路交通设计所存在的约束条件和所需要的投资估算；在比例为l ：5 0 0 0 到1 ：2 0 0 0 的图上完成道路的功能设计( f u n c t i o n a ld e s i g n ) ，主要确定道路特性和道路的实际效用，并进一步深化投资预算；在比例为l ：1 0 0 0 到l ：2 0 0 的图上完成道路的初步设计( p r e l i m i n a r yd e s i g n ) ，以对道路进行更加清晰的表现，并形成投资概算；在比例为l ：1 0 0 0 到1 2 0 0 的图上进一步完成道路的最终设计( f i n a ld e s i g n ) ，以得到道路路段和交叉口的最优协调设计以及最终的投资决算和建设规划。一般来说，在前三个步骤中会对设计方案进行详细的论证，并听取各方面的意见，以完善其设计。在该设计指南的基础上，美国各州分别制定了各自的道路几何设计手册，其中能够在因特网下载并进行参考的包括：亚利桑纳州、加利福尼亚州、康涅狄格州、佛罗里达州、爱达荷州、艾奥瓦州、路易斯安那州、密歇根州、密西西比州、密苏里州、新泽西州、纽约市、卡罗来纳州、俄亥俄州、俄勒冈州、南达科他州、得克萨斯州、犹他州、佛蒙特州、弗吉尼亚州、华盛顿市。二战以后，随着日本经济的高速发展，国内机动车不断增加，交通矛盾日益突出，从而要求对道路交通进行科学的规划和合理的设计。在此基础上，日本国内逐渐开始重视对交通设计理论的研究，并取得了相当程度的进展。卓社畲i 二 ；5 亍否地西交通种割囝面哆方老1 5 j 在1 9 2 7 年提出了城市区域道路交通规划与设计的研究方向，即通过道路网络设计、道路设施设计、道路线形设计、交通管理手段实现减少过境交通、限制车速、充分发挥道路功能等作用，这些基本的设计思想和原则直到今天仍然得到了保留和继承。在交叉口设计方面，最初设计所考虑的基本因素仅仅包括车辆性能、停车视距、曲线半径、车道宽度、交叉口视距三角形等。二十世纪五十年代后期，随着日本机动车辆数的持续增加，交通事故数年年攀升，交通问题已成为一个非常严重的社会问题，在此背景下，通过交通设计手段来保证交通的安全、通畅成为一项非常必要的工作。因此，日本交通工学研究会于1 9 6 9 年出版了平面交叉口规划与设计( 平面交差针壹段卦) 1 6 l 书，该书从安全、效率等角度对交叉口几何特征进行分析，并得到了基于安全和效率的平面交叉口交通设计方法，成为指导日本国内道路设施建设的规范性文件。1 3城市平面道路交叉口交通协调设计理论问题研究【第二章】2 2 交通设计领域的研究现况目前进行交通设计方面相关研究的国家主要包括日本交通工程研究会、澳大利亚的a u s t r o a d s 、德国以及中国同济大学杨晓光研究组、广州市交通规划研究所、武汉大学城市建设学院、北京市市政工程设计研究院等。日本关于交通设计的研究涉及道路网络衔接结构、交叉口交通设计以及匹配的交通管理措施；德国及澳大利亚的研究主要侧重于交叉口交通设计研究；国内各城市研究机构的研究主要针对城市交通主干道横断面设计方法以及交叉口设计方法。2 2 1 国外研究现状目前，从研究范围上看，国外关于道路交通设计的研究主要包括在对道路设计方法、道路运行模式以及安全设计的研究上。上世纪九十年代中期以前，美国已经开展了多项有组织的道路设计方法的研究和实践工作，包括：“ap o l i c yo ng e o m e t r i cd e s i g no fh i g h w a y sa n ds t r e e t s a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t e ”( 绿皮书) 【_ 7 j ；国家安全委员会( n s c ) 的安全记录国家议程( n a t i o n a la g e n d af o rs a f e t yr e c o r d s ) ；路边安全计划( r o a d s i d es a f e t yp l a n ) ；t r b - - n c h r p 的改善路边安全的计划；以及e m s的战略计划等p j 。1 9 9 6 年底和1 9 9 7 年初，由a a s h t o 道路交通安全常务委员会( a a s h t os t a n d i n gc o m m i t t e ef o rh i g h w a yt r a f f i cs a f e t y ) 发起，并主要由f h w a ( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 、n h t s a ( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n )和t r b 交通安全管理委员会( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o 盯dc o m m i t t e eo nt r a n s p o r t a t i o ns a f e t ym a n a g e m e n t ) 等共2 0 多个机构参与，美国启动了著名的“道路安全战略规划”1 8 j ( t h es t r a t e g i ch i g h w a ys a f e t yp l a n ) ，以求显著减少与车辆相关的道路交通伤亡事故。该规划分驾驶员、行人及非机动车驾驶者、机动车、道路、紧急医疗救助、管理6 大部分、共2 2 个重点研究课题。其中，道路部分的重点研究课题之一“改善道路交叉口的设计和管理”是专门就交叉口设计问题进行研究的课题。这一课题主要有四个研究子项：通过各种技术手段制止闯红灯行为；平衡相邻交叉口的交通流以减少车辆直角和追尾碰撞；考查高新技术在交叉口控制上的特性、应用及效果；考查主干道的发展对邻近道路的安全影响，并提出对策以减少其对安全的负面影响。在欧洲，9 0 年代开展了一个由欧盟统一协调、共有九国( 英国、法国、荷兰、丹麦、希腊、意大利、德国、奥地利、捷克) 参与的研究项目d u m a s p j ( d e v e l o p i n gu r b a nm a n a g e m