0 引言

根据国家节能减排和建设可持续发展的城市交通系统战略，节能、环保、绿色的行人-自行车交通系统是城市综合交通体系的重要组成部分^[1]。但在信号控制交叉口处，由于机动车与行人-自行车共用通行空间，机动车与行人-自行车交通相互干扰严重，通行矛盾尤为显著^[2]。因此如何选择合适的设计模式使两者协调运行是提高行人-自行车交通系统出行环境和设施水平的基本保障。

为此，许多交通工程学方面的专家、学者对交叉口交通设计倾注了大量精力，提出了多种设计模式^[3-4]。其中，根据自行车通行模式的不同，较为典型的交叉口渠化设计模式主要有自行车左转一次过街(模式1)和自行车左转二次过街(模式2)两种。

本文针对这两种渠化设计模式，研究行人-自行车对机动车通行能力的影响，为信号控制交叉口混合交通流的优化设计和控制提供理论基础。

1 研究综述 1.1 两种典型交叉口设计模式简介

根据左转自行车在交叉口内部通行路径的不同，可将信号控制交叉口交通设计模式分为以下两类：(1) 左转自行车按左转机动车的通行路径直接完成左转，如图 1所示；(2) 左转自行车按行人的通行路径通过两次直行完成左转，如图 2所示。

1.2 以往行人-自行车对通行能力影响的研究

信号控制交叉口通行能力计算中，考虑行人-自行车影响的折减方法主要包括以下3类：

(1) 基于实测的饱和流率折减系数法

对信号控制交叉口饱和流率进行折减，是目前各国通行能力手册中普遍采用的描述行人-自行车影响的方法^[5-8]。该方法以绿灯小时行人-自行车流率为自变量，考虑车流流向、道路等级、车道功能、信号相位等影响因素，通过研究行人-自行车流率与机动车分别占用冲突区通行时间的比例^[6-10]，建立饱和流率折减系数计算模型。该方法便于计算，可操作性强，获取大量实测数据是影响其计算准确性的关键。

(2) 基于间隙接受理论

间隙接受理论以往主要用于描述机动车流间的冲突区运行，通过定义交通流优先级，标定交通流到达分布、临界可穿越间隙、车辆跟驶时间等参数，以描述冲突车流的相互作用，计算通行能力。后有学者将该理论应用于行人-自行车与机动车流的相互作用，并在此基础上提出了行人-自行车对机动车通行能力影响的一系列计算模型，主要包括：王殿海^[11]研究了提前右转机动车与自行车间的交织行为；马泽丹^[12]研究了机动车流出现可穿越间隙的分布；ZHANG^[13]提出了自行车组的概念，并对机动车临界可穿越间隙和车辆跟驶时间进行了标定；陈晓明^[14]研究了行人群到达行为和行人群穿越临界间隙。该方法可移植性强，但计算复杂，限制了其在工程领域的实际应用。

(3) 基于仿真的方法

随着交通仿真技术的发展，有学者利用仿真软件对行人-自行车与机动车的冲突进行研究，进而分析其通行能力^[15]。该方法分析过程直观，便于进行定性比较，但受限于交通流理论对行人-自行车的描述尚不完善，其分析结果绝对量的准确性还有待进一步验证。

1.3 综合评述

对行人-自行车交通对信号控制交叉口通行能力影响的研究已取得了一定的研究成果，但现阶段研究尚存在以下两方面不足：(1) 缺乏对交叉口设计模式的考虑，不同设计模式情况下，冲突流量及冲突发生的时段均有差异; (2) 缺乏对信号配时的考虑，尤其是行人-自行车绿灯间隔的设置与否会对机动车的通行效率产生影响，导致行人-自行车对各流向机动车通行的阻滞作用在空间和时间上的分布无法得到体现。

本文基于饱和流率折减系数的方法，从以下两个方面对现有模型进行改进：(1) 在饱和流率折减系数中着重考虑交叉口渠化设计模式和信号相位设计的影响；(2) 考虑我国信号配时设计的现状，增加行人-自行车绿灯结束清空时间对机动车通行能力的影响。在此基础上，从通行效率角度对两种交叉口渠化设计模式进行对比分析。

2 数据调查

采用视频录像的方法，对上海市8个交叉口早晚高峰(7:30—8:30，17:00—18:00)进行调查，调查地点、日期及信号相位如表 1所示。

3 定性分析

信号控制交叉口机动车在绿灯信号期间可能受到的行人-自行车干扰主要包括以下两个方面：

(1) 绿灯信号期间冲突：机动车与行人-自行车形成冲突导致通行能力下降。由于交叉口在一定的几何设计及信号控制条件下，机动车与行人-自行车交通在时空上未能完全分离，由此形成的若干冲突点或冲突区域影响车辆的正常通行，使有效绿灯时间减少，导致机动车交通通行能力的折减。

(2) 行人-自行车清空时间损失：机动车等待上一相位行人-自行车清空导致通行能力下降。由于我国信号配时设计往往以机动车为主导，对行人-自行车绿灯间隔时长考虑不足。在这种情况下，当某一流向机动车绿灯信号启亮时，仍有一部分上一相位的行人-自行车滞留在交叉口内。机动车需等待其清空后才能正常通行，使得车辆启动损失时间增加，有效绿灯时间减少，通行能力降低。

4 模型建立 4.1 考虑冲突的通行能力修正

如图 3、图 4和表 2所示，不同交叉口设计模式和信号控制条件下，各机动车流向与行人-自行车的冲突区均有所差异。考虑上述因素，在绿灯信号期间，由于机动车与行人-自行车冲突而造成的机动车通行能力折减计算模型为：

(1)

式中，f_pb1为考虑冲突的通行能力折减系数；P_v为车道组中所研究流向(左转、直行或右转)的流量比例；g_e为车道组有效绿灯时长；T_pbi为所研究流向机动车在信号相位i与行人-自行车冲突所损失的通行时间；P_a为所研究流向完全受保护(无其他冲突交通流)的绿灯时间与该流向总绿灯时间之比。

其中，机动车由于与行人-自行车冲突所损失的通行时间T_pbi与行人-自行车周期流量、行人-自行车绿灯时长、交叉口几何设计模式等因素有关。通过对实测数据的多元线性回归拟合分析得到该参数，其表达式为：

(2)

式中β₁，β₂，β₃为回归系数。

回归系数统计结果如表 3所示，通过各回归系数置信区间分析，所有回归系数的置信区间都不含零点，表明各回归系数的解释都是可靠的，即对于这两种交通设计模式，行人-自行车周期流量和绿灯时长对损失的通行时间所产生的影响不会发生反复，表明模型具有较好的稳定性。通过拟合优度检验，分析检验统计量r可得：在置信度95%的条件下(显著性水平α=0.05)，r值远高于检验的临界值，因而模型从整体来看是完全可用的。

4.2 考虑清空时间的通行能力修正

上一相位滞留行人-自行车清空时间造成的机动车通行能力折减，主要受清空距离和清空速度的影响，修正系数计算模型为：

(3)

式中，f_pb2为考虑清空时间的通行能力折减系数；P_v为车道组中所研究流向(左转、直行或右转)的流量比例；L_p，L_b分别为行人、自行车的清空距离；t_p，t_b分别为信号配时中为行人、自行车设置的清空时间；v_p1，v_b1分别为行人、自行车的正常过街速度；v_p2，v_b2分别为行人、自行车受困于路中时的清空速度。

其中，行人-自行车的正常过街速度以及绿灯信号结束后受困于路中时的清空速度，通过对上海市8个交叉口的调查得到，统计数据如表 4所示。总体而言，行人受困于路中时的清空速度较正常的过街速度快，在置信度95%的水平下，受困于路中时的行人-自行车清空速度均值分别为1.53，4.37 m/s。

4.3 行人-自行车修正

综合考虑以上两个方面，行人-自行车影响下的信号交叉口通行能力修正为：

(4)

式中f_pb为行人-自行车对通行能力的折减系数。

5 两种设计模式对比

图 5是根据上文理论分析及实测数据标定结果，在不同行人-自行车流量、信号配时情况下，两种设计模式下交叉口机动车通行能力受行人-自行车影响的对比。在分析中，各车道均为专用车道；信号周期对于两相位和四相位的情况分别取60，120 s；机动车左转、直行的有效绿灯时长取30 s，右转有效绿灯时长取周期时长；行人、直行自行车、左转自行车的流量比取5：3：2，不考虑右转自行车；行人和直行自行车清空距离取10 m，左转自行车清空距离取20 m；回归系数β₁，β₂，β₃以及行人-自行车车速均取上文中的调查值。

总体上，通行能力受到的影响随行人-自行车流量的增大而增大。

根据图 5(a)和图 5(b)，在信号配时设计时已设置行人-自行车清空时间的情况下，由于在模式2中，行人-自行车通行更为集中，且左转自行车会产生多次干扰影响，其机动车交通受行人-自行车的影响比模式1略有增加。两相位的情况下，对左转和右转流向影响增加3.9%和2.0%；四相位条件下，对右转流向影响增加4.0%。但考虑到两相位的情况下模式2可向左转自行车提供更好的通行安全保障，因此在两相位条件下，建议采用模式2；在四相位条件下，可采用模式1。

根据图 5(c)和(d)，若考虑信号配时设计时没有设置行人-自行车清空时间的情况，模式2受行人-自行车的影响更小。两相位的情况下，对直行流向影响减少5%；四相位的情况下，对直行流向影响减少12.9%。这是因为在模式2中，自行车过街距离缩短，清空时间也相应减少；并且在两相位情况下，左转相位内没有行人-自行车通行，减少了对直行相位车流的影响。

对比图 5(c)、(d)与图 5(a)、(b)，发现信号配时中未考虑行人-自行车清空时间，将对下一相位的机动车通行产生严重影响，占总体影响的41%。

6 结论

本研究针对自行车左转一次过街和自行车左转二次过街这两种交叉口设计模式，研究了其在绿灯信号期间由于机动车与行人-自行车冲突，以及绿灯初期由于清空上一相位滞留行人-自行车两种情况下机动车通行能力的损失。基于上海市8个交叉口的调查数据，对模型的关键参数进行了标定。得出以下结论：

(1) 若在信号配时中未考虑行人-自行车清空时间，则绿灯结束滞留的行人-自行车将对下一相位的机动车通行产生一定影响，尤其是对于大型交叉口，算例中占总体影响的41%。

(2) 在模式2条件下，机动车交通受行人-自行车的影响较模式1略有增加，约为3%。鉴于其在两相位情况下可向左转自行车提供更好的通行安全保障，建议在两相位条件下采用模式2，在四相位条件下，可采用模式1。

(3) 若考虑信号配时设计时没有设置行人-自行车清空时间的情况，模式2下行人-自行车对直行机动车通行的影响较小，两相位和四相位情况下，对影响分别减少5%和12.9%。

在本文分析中，未考虑行人-自行车与机动车同向通行中的侧向干扰，此问题有待进一步探索。