• 一种新的平面交叉形式
  具有主干道的连续交通流
  

Dr. A.Cuzinov

城市公路和高速公路建设现有方向的简要概述

随着汽车运输在各国的发展，公路建设中出现了不同的方向。汽车运输的使用使得美国城市得以超越其原有边界，在60-80公里范围内扩展。高速公路将外围地区——低层住宅区与市中心连接在一起。温暖的气候、美国广袤的领土以及上世纪初廉价的劳动力促进了公路建设的高速发展，同时伴随着汽车拥有量的增长。新技术、材料和建筑机械被不断开发。高速公路上较大的车距不限制美国大型豪华汽车的尺寸。私人交通的发展远远领先于公共交通。

在日本，由于土地的高价值，城市主要垂直发展，伴随的是旧街道网络的多层次扩展，高密度交通流（通过建筑之间的小半径道路），导致低速和小型交通工具的出现。由于停车难和交通流密集，豪华大型汽车的数量少于小型轻便和经济型汽车。日本汽车工业因此获得了比美国更有利的发展方向。自60年代中期开始的大规模道路建设项目使得日本能够建立起现代发达的公路网络。交通流管理系统的使用最大限度地提高了整体网络的容量，使得城市能够保持紧凑并有效利用公共交通。

在欧洲国家，汽车化发展滞后。30年代初，美国每千人拥有250辆汽车（目前约700辆），而英国和法国只有40辆，德国仅有10辆（现在约530辆）。欧洲的公路建设中，德国的发展方向尤为显著。德国在道路建设上，尤其是高速公路（Autobahn）上投入了更多精力。二战前的德国政治经济状况允许使用大量劳动力。在城市，尤其是大城市，仍然保留了狭窄的两车道街道网络。后来，街道通过限制速度和“交通平静化”措施，逐步将交通从居民区移出。街道网络的一小部分因交通密集而拥堵，其余部分主要用于本地交通和停车。城市群的内陆交通转移到临近的高速公路，导致了堵车，并且在某些情况下不得不限制或控制进入高速公路的流量。最终，城市群通过连续交通流的高速公路逐步融合为一个整体。德国的公共交通仅占客运的23%。

俄罗斯城市公路和高速公路的完善与建设

每一个公路建设方向都受到各种因素的影响，反映了时代的需求，有其自身的前景、优点和缺点。俄罗斯公路网络发展的一个主要特点是汽车化发展远超公路建设进度。这类似于欧洲国家在十年内赶上美国的汽车化水平，却到80年代才建成相应的公路网络。俄罗斯必须在极短的时间内解决这一问题。重要因素包括：

与此同时，俄罗斯已经拥有发达的硬化道路网络，问题部分归结为对其的升级改造。
当前的有利因素包括：

俄罗斯城市的一个重要优势是其相对紧凑的结构，以及为高度发达的公共交通奠定的基础。

基于以上因素和现有经验，可以总结出现代城市公路和高速公路网络发展的主要前景。

城市公路：

高速公路：

城市公路和高速公路的通行能力及其效率几乎完全取决于交叉路口的通行能力。这是道路的核心和最昂贵的部分。因此，在公路建设的历史中，交叉路口的规划方案和改进方法一直是重点。（在莫斯科，随着MKAD交通量的增加，三叶草型交叉口的左转匝道得到了扩展。允许左转的解决方案是当今世界上的一个独特例子，它由于可以调头并且MKAD上有公共交通而被暂时接受。）

根据以上特点，俄罗斯公路网络的有效发展可以通过使用新的交叉路口类型来成功实现。

新型交叉口及其主要两种元素

在上世纪初，分层交叉口的开发和建设得到了积极推动。这些交叉口显著提高了公路的通行能力（理论上可翻倍），实现了连续交通流。然而，在20世纪后期，由于其对城市用地的需求和高昂的成本，三叶草型及其改进型交叉口变得更加普遍。分层交叉口仍然在高速公路相交时不可替代——例如高速公路交叉口。同时，交通专家也尝试改进平面交叉口。在70-80年代，开发了一种综合性平面交叉口，能够在所有方向实现连续交通流。它分别于1972年在法国（图1）和1966年在美国获得了专利。

图1a                                                                                                    Рис. 1б

На рис. 2 展示了理论发展图——将此交叉口从普通十字路口转换的两步过程。

其主要意义在于将交通流按两个方向分为若干相等的部分。这些流量部分同步通过几个简单的交叉口，整体上形成一个大型复杂的交叉口，实现连续的交通流。在通过这些简单的交叉口后，交通流再次合并。由于两大原因，实际应用此交叉口并不高效。首先，它是对三叶草叶形交叉口的替代方案，旨在实现两条道路的连续交通，但其面积（约25公顷）远超三叶草交叉口。其次，它依赖于严格同步的持续交通流动，即便在现代电子交通管理成功的情况下，发生事故时也很难延缓其中的一个阶段。这种复杂的交叉口在与环形交叉口结合使用时，得到了实际应用（图1a 和 图1b）。在这里，每条交叉道路的交通流也分为两个方向行驶，通过两个主要环岛实现。复杂交叉口的简单十字路口被分流和汇流的元素取代，其中包括四个小交叉口。它们早已在英国建成（位于伦敦、斯温登和卡迪夫 - www.sanjoc.de）。

这种交叉口理论上比普通环形交叉口的通行能力高出一倍，未来可能在俄罗斯得到应用。

在美国，Kaufman为T型交叉口专利化了这种类型的实际可行的交叉口（图3）。其进步之处在于主干道的连续交通流动以及累积车道（区）的设置。缺点是从次干道左转的缺失以及无法掉头。
在复杂交叉口发展的理论中，中间阶段（图2b） - 一条交叉道路上的连续交通流动交叉口，是重要且易于实现的。这一阶段是建议的摆动式交叉口的基本原理。（此图可能现在应该加上图7）。
因此，摆动式交叉口的第一个要素是连续交通流的车道转换。
第二个要素 是由Kimber和Siemens在英国设计的交叉口的基础。它是车辆在十字路口前沿停车线排成一列，并在过路口后分流进“漏斗”（图4）。这一要素非常先进，因为它更符合交通流的概率性特性，而不是在停车线前积聚车辆（队列中可能有15辆车，红绿灯相位时间可能基于此数量，但也可能只有一辆车，而此时相位的时间则成为浪费）。它的应用可以缩短红绿灯相位时间，从而减少时间浪费并提高交叉口的通行能力。Kimber和Siemens设计的交叉口由于其几何形状，整体上没有足够的效率（停车线的延长增加了交叉口的规模），因此只是环形交叉口发展中的一个阶段。

这两个要素——在连续交通流中变换车道 和 沿停车线累积车辆 各自在实践中有所应用，并且在综合体中易于实现。车辆汇聚到漏斗已经在收费高速公路上广泛使用。在所建议的交叉口中，这已是一个独立的要素，不再被视为此综合体的一部分。

摆动式交叉口的交通流动

这种交叉口类型（图5）有很多种类和变体。其宽度范围从42米到60米不等，长度从80米到170米不等。图6显示了主要类型交叉口的红绿灯循环阶段（第一种方案）。交叉口的交通流动如下：在中间车道上，流量是连续的，第一累积区域同时被来自主干道左转的车辆填充（阶段A）。此“主干道左转阶段”大约持续20秒。然后开始填充这些区域的次干道车辆，同时，位于第二累积区域的车辆开始离开。这是阶段B - “累积区域的填充和释放阶段”，也大约持续20秒。在第三阶段开始之前，存在一个辅助阶段 - 连续交通流从中间车道向侧道转换的子阶段。车辆逐车道转移，时间差约为5秒。第三阶段阶段C - “车辆从第一累积区域驶向第二累积区域”并同时完成次干道的左转。随后，连续交通流再次从侧道转移回中间车道，并以相同的时间差进行。新的循环就此开始。循环时间大约为70秒，连续交通流的速度为60公里/小时。第二种方案在主干道隔离带区域内设置了左转车道。红绿灯阶段的时间和累积区域的容量相互协调，取决于交叉口的通行需求。交叉口及其红绿灯信号的管理可以通过传感器来支持。
这一原理还被用于设计五种单向街道的交叉口。这种交叉口的原理可以应用于许多其他具体情况。

新型交叉口的通行能力及时间损失

这里 非常重要的是（从图表中可以看到），随着累积区域容量的增加，总通行能力仅在极小的范围内有所提高。 因此，现有的同平面交叉口通行能力评估方法并不适用于所提出的新型交叉口。当累积区域长度约为21米时，次干道的最大通行能力（双车道每小时1000 - 1800辆）就已达到，与70秒的红绿灯周期相符。 针对各种交叉口类型及不同交通组织方案，已编写了数学模型和程序来确定其几何参数和通行能力。 部分参数通过在哈萨克斯坦的实地测试和物理模型中确定。
主干道单向通行能力为每小时3000-4500辆，次干道为每小时1000-1800辆，其中左转车流为每小时300-600辆，右转车流为每小时600-800辆（在有地面行人过道的情况下）。主干道的车道数可以增加到三条，从而进一步提高主干道的直行通行能力。

建议在城市中使用此类交叉口的理由

目前，俄罗斯城市的汽车数量急剧增加，而这些城市在一定程度上未能适应个人汽车交通的高强度。 车辆过多导致的延误、燃料浪费等问题，促使城市路网（街道网）的改进成为迫切需求。这主要与建设无障碍快速道路（主干道）有关。 这种决策的有效性得到了多个高汽车化国家的经验验证。
然而，建设无障碍快速道路是一项非常昂贵的举措，这是其第一个主要缺点。 第二个主要缺点同样有历史依据，其体现在：城市内有无障碍快速道路时，公共交通的效率下降，且总体上增加了交通的不必要绕行。
公共交通效率下降的原因是街道网的需求与个人汽车交通的需求相矛盾。具体表现为，个人汽车交通所需的无障碍道路网密度为0.2-0.3公里/平方公里，而公共交通所需的街道网密度为3-4公里/平方公里（这与公交站点的行人可达性相关）。因此，无障碍快速道路像铁路一样，将城市划分为独立区域，剥夺了公共交通的便利性和直达性。

这一矛盾在以下例子中尤为明显：
在美国城市，由于高度发达的高速公路网，个人交通曾承担了多达95%的客运量。反观俄罗斯城市，直到最近，公共交通承担了95%的客运量。然而，美国城市的交通用地占到了城市总面积的40%，而俄罗斯的城市则仅占14-18%，但两国的城市人口规模相同。
这种对个人交通的过度依赖导致了巨大的能源损失和高昂的道路维护费用。
大约30年前，美国开始关注公共交通的均衡发展，但在庞大的城市规模和发达的无障碍快速道路网络下，这变得极其困难且低效。
在美国城市中，这种交通矛盾的表现并不明显，因为高速公路的建设几乎与汽车化同步。然而，第一个缺点——高成本和对城市土地的大量需求，早在1956年就显现出来了。无障碍快速道路中最昂贵且占用大量城市土地的部分是不同层级的交叉口，它们的成本大约占整个道路网络的50%。
欧洲国家几乎同时面临了无障碍快速道路的这两个缺点。英国、德国和法国的公共交通大约承担了20%的客运量。如今，随着燃料和道路建设成本的提高（不同层级的交叉口建设费用约为4000万欧元，15年前的费用仅为800万至1000万马克），德国在发展替代公共交通方面做出了巨大努力。

在俄罗斯城市，公共交通的主导发展和个人交通的弱发展反而成为了整体人口流动性的重大障碍。 缺乏比例合理的个人交通出行机会。
  
然而，这种形式上的传统方案，即建设无障碍快速道路，对于俄罗斯城市来说几乎意味着彻底的重建。这将使其回到其他国家城市的过去，伴随着过度的城市扩张。城市扩张将导致巨大的能源开支，而建设无障碍快速道路将失去公共交通进一步发展的主要优势，并导致社会整体出行时间的增加。这正是西方国家城市目前面临的问题，它们从个人交通的优先发展开始，带来了这一问题。形式上模仿西方的解决方案，俄罗斯城市将与西方城市在解决同样问题时处于同一处境，尽管实际上俄罗斯早已解决了这一问题。

图9展示了建议在城市主干道网络中应用新型交叉口的基本示意图，说明了在城市路网发展中协调两种交通形式的理论基础。尽管这一理论在实践中更多地用于稀疏的不同层级交叉口布局，但其逻辑推理表明，它在平衡社会整体和个体利益方面是合理的，并得到了城市规划经验的验证。这一理论并不是必须的城市建设方案，但它为发展无障碍快速道路提供了更灵活、经济的方向。新型交叉口的使用优势还包括几个较低级别的优点：

图9                                                              2,0 P                                 1,5 P                            1,0 P

城市主干道网络中建议交叉口的基本应用示意图         
                 

摆动式交叉口的实际应用可能性主要在于交通组织及其可靠性。除了专家在讨论各种事故情形、技术问题以及首次实验结果时的积极评价外，还可以列举一系列进一步接近实践的论据。这些论据可以总结如下：

这些交叉口的使用为干线网络的发展指明了新的方向。建造实验性交叉口并分析其功能，将为其实际应用奠定具体基础。

用于公路的新型交叉口

专为高速公路设计的摆动式交叉口在几何形状、尺寸和占地面积上与城市主干道交叉口有所不同。图10显示了这种交叉口的基本外观。它可确保车辆在主要方向上以最高80-100公里/小时的速度连续行驶。这是在交叉口内的速度限制。为了确保行车安全和必要的通行能力，传统的不同层级交叉口也通常采用这种速度限制，主要是由于交通流的分流和汇合所致。摆动式交叉口的长度在400米左右，宽度为250米，占地面积在4.0至4.2公顷之间。而部分立交桥在公路上的占地面积约为6.0公顷，完整的四叶草立交占地面积为8.0至16.0公顷。交叉口的缓冲区宽度是根据能容纳俄罗斯允许的最大车辆尺寸（长度24.0米的汽车和货运列车）来决定的。根据欧洲标准，这一尺寸可以缩短至19.0米。

图10 SX1, 2006

所建议的交叉口可以在单向保持2或3条车道的连续通行：

摆动式交叉口可代替所有类型的部分不同层级立交桥，适用于主干道和次要道路的交叉口。
此处举例的交叉口的车道设计符合标准和设计规范。由于以前的连续交通只能通过不同层级的立交桥来实现，高速公路设计规范并未考虑同层级交叉口的可能性。因此，随着这种同层级交叉口的使用，设计规范需要有所区分。

交通组织及其技术维护

通过周期性变换车道的方式，交叉口实现了连续交通。每个方向的车道切换间隔为5到6秒。交通组织通过在每条车道上方设有三个水平交通信号灯进行管理。当前一个方向的绿灯亮起时，黄色信号灯（中间灯）将亮起，然后新的方向的绿灯亮起，原方向变为红叉号。此类车道切换的组织可以通过预警信号或交通标志进一步加强，这在实践中经常应用。最有效的补充是使用成对设置在道路上的信号灯，通过移动信号显示行驶方向。当车辆经过交叉口时，车流会偏移一个车道，即使在极端超速情况下也能确保车流合并的安全。
在缓冲区内组织车辆的排列与驾驶员的行为心理一致——即先到达交叉口的车辆先离开。缓冲区的信号灯相位时间设计为始终保持容量储备。交叉口的整个信号控制系统应由传感技术支持，集中管理和监控。缓冲区车辆的排列方式已经在实践中应用（例如，在莫斯科的集体农庄广场，左转车道上可容纳超过40辆汽车）。
缓冲区的排空也是通过类似的“漏斗”方式，常见于收费公路和某些交叉口。它的组织主要取决于“漏斗”的尺寸。信号灯的管理在此元素和从一个缓冲区到另一个缓冲区的过渡中，对于确保交通安全非常重要。这一过程应由传感技术支持并加以监控。为了提高安全性，可以在缓冲区的停止线处使用机械手段来限制过早驶入行车道的车辆。
摆动式交叉口的一个重要优势是可以降低冬季期间与交通组织相关的运营成本，这对俄罗斯的许多地区尤为重要。例如，在莫斯科-圣彼得堡公路上，由于交叉口负荷较大，可能需要设置轻质屏障来进行标线（图11）。
该技术解决方案不是冬季维护交叉口的唯一方式（也可以在交叉口区域使用专门的路面），但它在交通组织方面具有一定的优势。这种屏障将增强驾驶员对交叉口的认知，帮助保持允许的车速，同时在任何天气条件下提供良好的视野。

                                                                                   Рис.11            

立交桥将确保交通控制和管理系统的可靠运行，例如配备探测器的视频摄像头。总体而言，这将是一个高度组织化和稳定的交通流再分配和控制节点。这样的立交桥的成本不会超过多层交叉口成本的十分之一。这意味着，提议的带立交桥的交叉口将比不同层次的不完整交叉口便宜至少5到7倍。

所提交叉口的通行能力

摆动型交叉口的通行能力等于目前用于高速公路与受控次要干道交叉的分层不完全立交的通行能力。
主干道直行方向两车道连续行驶的通行能力为3000-3600辆/小时（单向）。三车道连续行驶的通行能力为4500-4800辆/小时。
次要干道直行方向单向两车道的通行能力为1000-1800辆/小时。
右转的通行能力与完全立交的通行能力几乎相等，为800-1200辆/小时，因为与主流合流是通过第三车道实现的，而不是通过加速车道。
左转的通行能力相当于不完全立交的通行能力，为300-800辆/小时。在所提交叉口和完全、不完全立交的左转时间损失基本相同——在三叶草立交处左转车辆绕行环路的时间不低于40秒。增加左转车道至两车道时，其通行能力将达到完全立交的水平——1200辆/小时。
最佳信号周期时长在70至90-100秒之间。
图12展示了收费道路交叉口及其收费站设置。

图12

T型交叉口

图13展示了次干道与主干道交汇处设计的交叉口。此类交叉口具有两个主要阶段，其主干道直行和右转的通行能力与主要交叉口类型相同。左转的通行能力为900-1000辆/小时。T型交叉口的形状、尺寸、左转车道数和累积区域数量各不相同。累积区域的车道数从1到4不等。交叉口长度在330米范围内，城市环境中可缩短至70-80米。此类交叉口的交通组织简单，易于通过交通控制技术手段维护，并确保高度的交通安全。
这种交叉口对地域发达国家和分散式小型定居点国家如俄罗斯、乌克兰、波兰非常重要。左转车辆利用额外区域逆行后再从右侧并入主流的解决方案——“偏移左转”，目前在乌克兰的高速公路上广泛使用，是一种有效但临时的高速公路解决方案。随着交通流量的增加，这种交通组织的安全性将下降，最终这种方案将变得不可接受。摆动型T型交叉口可以成功替代它们，并使主干道网络符合定居模式。
在波兰，尽管其定居模式与俄罗斯相似，但由于高速公路交通量较高，已采用分层不完全立交。这导致相邻城镇间的交通需要绕行大量距离，并增加了主干道的交通负荷。

图13  ST1, 2006

在图14和15中，展示了摆动型交叉口和连接口的不同方案。它们展示了此类交叉口规划解决方案的高度灵活性。此类交叉口适用于货车比例低（最多10%）的交通流量。货车比例较高（30-40%）的交通流量所需的交叉口将采用不同的规划设计。

图14 SX2, 2009  摆动型交叉口的斜角方案

图15 ST2, 2009  摆动型连接口的方案

图16 SX3, 2009  双阶段主要交叉口方案

图17 三阶段主要交叉口方案（如图16所示，货车可以从右侧车道左转）

所提交交叉口的应用效果

摆动型交叉口适用于高速公路与次干道的交汇，是不完全立交的直接替代方案。在相同的通行能力和相同的交通组织时间下，摆动型交叉口具有以下优势：

由于俄罗斯地域辽阔，城市间距离较远，高速公路大部分路段不需要超过4-6车道，并且大部分路段主要与次干道交汇。
在城市群或主要城市附近，高速公路的车道数量应增加到8-10，并且经常出现平等道路的交汇，需要设置完全立交。高速公路与次干道的交汇口占总交汇口的80-85%。在德国，尽管其国土面积较小且高速公路网络密集，但主要车道数为4-6，且高速公路与次干道的交汇口即不完全立交至少占70%。
摆动型交叉口适用于4-8车道的高速公路，将成为不完全立交的主要替代方案。
在高速公路网络上使用所提出的交叉口将缩短其发展周期，有助于提升国家的经济水平。例如，在建设莫斯科-圣彼得堡高速公路时，使用它们可以减少30-35%的资本投资，打造一条舒适、经济、高技术含量的高速公路。

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