高架出口匝道區(qū)域工程措施實施邊界條件研究

陳穎雪，吳 兵

（1.上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院，上海 201620;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092）

高架出口匝道區(qū)域工程措施實施邊界條件研究

陳穎雪1，吳 兵2

（1.上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院，上海 201620;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092）

針對目前上海市交通高峰期部分出口匝道擁擠嚴重而面臨可能采取工程措施的情況，利用VISSIM仿真軟件建模進行出口匝道區(qū)域工程措施實施的邊界條件研究。以模型中出口匝道車輛排隊長度不回溯至主線為條件，確定某個出口匝道的疏散能力（能離開該出口匝道并通過前方交叉口疏散的最大交通量），為今后出口匝道的組織和控制奠定理論基礎，并結(jié)合現(xiàn)狀交通需求，定量確定實施工程措施的充分條件和必要條件，給上海乃至全國高架道路出口匝道區(qū)域工程措施實施與否提供理論依據(jù)。

高架道路出口匝道;工程措施邊界條件;VISSIM仿真;排隊長度;疏散能力

在上海，早晚交通高峰期間，出口匝道出現(xiàn)擁擠排隊回溯至主線影響整個高架交通系統(tǒng)的現(xiàn)象非常普遍，而且愈演愈烈，有些僅靠交通組織、管理等手段已經(jīng)很難緩解，還需依靠工程措施，如“亞洲第一彎（延安路高架外灘下匝道）”由于“提前達到使用壽命變成外灘交通的瓶頸”而遭到拆除。但是拆除匝道或任何工程措施代價都比較大，因此有必要對出口匝道銜接段實施工程措施的條件進行研究。

筆者認為，工程措施實施與否的依據(jù)是出口匝道的疏散能力是否小于出口匝道交通需求而造成地面和高架道路擁擠，而疏散能力應該是由匝道與主線交織區(qū)的通行能力、匝道通行能力、匝道與地面交織區(qū)的通行能力以及匝道落地點前方交叉口的進口道通行能力所共同決定的，代表能離開出口匝道并通過前方交叉口的最大交通量。當交通需求等于出口匝道的疏散能力時，即達到了實施工程措施的邊界條件。

由于交織區(qū)交通流的復雜性，靠理論計算獲得出口匝道疏散能力非常困難［1］，而用仿真的方法來研究交通問題已經(jīng)比較成熟，它可以模擬各種交通情況并給出對應的交通流數(shù)據(jù)及評價結(jié)果［2］，這對于研究出口匝道區(qū)域復雜的交通流有很大幫助。經(jīng)證明VISSIM軟件能很好的模擬銜接段的交織區(qū)交通分析［3］，因此筆者利用VISSIM仿真模擬軟件對高架道路出口匝道區(qū)域的疏散能力以及工程措施邊界條件進行了研究。

1 模型建立

1.1 出口匝道的選擇

出口匝道的選擇應具有典型性，并利于模型的建立。出口匝道交通流與地面上游交通流在銜接段應存在交織，交通運行在高峰期間擁擠，平峰期間暢通。在出口匝道處埋有線圈，前方交叉口處也埋設有線圈。根據(jù)以上要求，選擇上海市近四平路與中山北二路交叉口的出口匝道為建模對象（圖1）。

圖1 研究區(qū)域的幾何特征Fig.1 Geometric features of area studied

1.2 參數(shù)標定

依據(jù)調(diào)查工作對模型參數(shù)進行標定:出口匝道區(qū)域及交叉口幾何參數(shù);出口匝道及地面交通流的交通特性，如:出口匝道區(qū)域的車速分布模型，交叉口飽和車頭時距、出口匝道交通量、轉(zhuǎn)向比例及交通組成，出口匝道落地點上游地面交通量、轉(zhuǎn)向比例及交通組成;交叉口信號控制參數(shù)等參數(shù)。

另外，論文對駕駛行為參數(shù)進行了詳細標定:采用wiedemann（1974）的生理-心理跟車模型。經(jīng)過反復的調(diào)試，本文中與駕駛行為有關的參數(shù)取值如表1。

表1 駕駛行為相關參數(shù)Tab.1 Relevant parameters of driving behavior

其余均可取系統(tǒng)默認值。

本文在研究出口環(huán)境時充分考慮了非機動車及行人對右轉(zhuǎn)無控機動車流的干擾，體現(xiàn)在交口內(nèi)設置的機動車行車減速帶。

2 模型的有效性檢驗

在模型投入使用之前，必須對模型進行有效性檢驗［7］。論文通過調(diào)查獲得了高峰小時銜接段車速數(shù)據(jù)23個（左直右各8個數(shù)據(jù)，去掉特殊數(shù)據(jù)1個），并運行軟件，采取與實際調(diào)查相同的方式采集數(shù)據(jù)，并通過改變隨機數(shù)，同樣獲得23個車速數(shù)據(jù)，對實際的和仿真的銜接段車速的兩組（Xn，Yn）進行T 檢驗［8］，過程如下:

由于Xn、Yn都是速度值，符合正態(tài)分布，因此Dn也服從正態(tài)分布。

建立原假設與備選假設:H0:d0=0 H1:d0≠0

現(xiàn)將兩組數(shù)據(jù)散點圖附于圖2。

圖2 實測、仿真數(shù)據(jù)擬合Fig.2 Fitting chart of measured and simulation data

3 疏散能力計算

通過理論計算獲得出口匝道的疏散能力非常困難，而模型中出口匝道流量與出口匝道落地點的排隊長度存在正相關關系，因此可以考慮以排隊長度為限計算出口匝道的疏散能力?？紤]到上海市交通擁擠的實際情況，決定以出口匝道的排隊長度不溢出出口匝道［9］，即不影響到主線車輛的運行為約束條件來計算出口匝道的疏散能力。

在模型中，在匝道落地點處布設排隊長度檢測器，以此計算軟件運行中匝道上的排隊長度。保持其他輸入不變，不斷變化出口匝道的流量值，獲得出口匝道流量與排隊長度的關系，如表2。可以看出，在地面流量為實際流量949 veh/h時，出口匝道的疏散能力為1 188 veh/h（注:由于交通管控方面的改善不在本文的研究范圍內(nèi)，因此論文在下例中假設管控措施已經(jīng)達到最優(yōu)）。

以上的結(jié)果是在取隨機數(shù)為42的情況下得出，取隨機數(shù)分別為60、78、86計算出口匝道疏散能力，計算結(jié)果列于表3。

由表3可以看出，雖然隨機數(shù)的改變可能會影響輸出的結(jié)果，但是影響程度較小，下面為減小工作量，都只取隨機數(shù)為42進行軟件的模擬運行。

表2 地面流量為949時匝道上車輛排隊長度Tab.2 Vehicle queue length of outramp when ground traffic flow is 949 vehicles/h

表3 各隨機數(shù)下出口匝道疏散能力Tab.3 Evacuation capability of the outramp of random number in VISSIM

4 工程措施邊界條件

4.1 充分條件

工程措施充分條件是在疏散能力基礎上獲得的，當出口匝道交通需求大于對應地面交通量下的出口匝道疏散能力時，排隊回溯至主線，地面交通與高架交通均發(fā)生擁堵，此時需要實施工程措施。

運行軟件，不同地面上游流量下的匝道疏散能力匯總于表4。

表4 各地面流量下的匝道疏散能力Tab.4 Evacuation capability of the outramp under every ground traffic flow

判斷是否需要實施工程措施的依據(jù)是以出口匝道流量為縱坐標，地面上游流量為橫坐標標點于圖3上，當此點落于圖中折線上方時，需要實施工程措施。相反，當點落于圖中線條下方時，可以不實施工程措施。

對圖4進行分析可以看出，地面上游交通量和匝道交通量數(shù)值越相近，即交織越嚴重時，出口匝道區(qū)域可以通過的匝道流量和地面流量總和越小。當交織嚴重時可以考慮將出口匝道與地面道路有交織的銜接形式改為無交織的銜接形式。

圖3 匝道疏散能力與地面上游流量的關系（工程措施邊界條件線）Fig.3 Relationship between evacuation capability of the outramp and ground traffic flow（engineering boundary line）

圖4 匝道/地面流量比與匝道和地面流量總和的關系Fig.4 Relationship of ratio and total of outramp and ground traffic flow

4.2 必要條件

實施工程措施的必要條件是實施后交通運行改善效果明顯，實施工程措施的“優(yōu)勢”大于“劣勢”。通過VISSIM仿真出工程措施實施后的交通運行情況，對比實施前確定改善程度，并定量衡量改善程度與實施工程措施付出的代價，進而決定是否實施工程措施。而對于客流不成熟或者客流將發(fā)生大變化的區(qū)域，一般不建議進行工程措施，而應等客流穩(wěn)定后再分析。

對于文中提到的銜接區(qū)交織嚴重的情況，將銜接段形式分析改為無交織銜接形式時，可以采取的工程措施是在出口匝道落地點的左側(cè)拓寬出一條車道，地面上游車流在匝道落地點的上游提前分流，左轉(zhuǎn)車進入該拓寬車道，這也是上海已經(jīng)普遍使用的銜接形式［10］，經(jīng)證明，可以提高出口匝道疏散能力至少20%。

5 結(jié)論

解決出口匝道交通擁堵，應該先從交通管控方面入手，特別是協(xié)調(diào)好與出口匝道銜接的地面交通。只有在管控手段已經(jīng)無法緩解擁堵，并且相關工程措施確實可以明顯改善交通運行的情況下再考慮工程措施。論文利用VISSIM建模，首先研究現(xiàn)有出口匝道在現(xiàn)狀地面交通情況下的疏散能力，給出口匝道組織和控制奠定理論基礎，并在此基礎之上，定量的給出工程措施實施的邊界條件，以期給上海乃至全國的高架道路出口匝道工程措施的實施與否提供理論依據(jù)。

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［4］ 鐘連德，榮建，孫小端，等.仿真求解快速路交織區(qū)通行能力［J］.公路交通科技，2006，23（4）:88-93.

［5］ Taehyung K.Limitations of Previous Models on Car-Following Behavior and Research Needs［C］//In Proceedings of the 82th TRB Annual Meeting，washington D.C，2003.

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Boundary Conditions of Engineering Implementation at Zone of Exit Ramp of Elevated Road

CHEN Ying-xue1，WU Bing2
（1.School of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering ＆ Science，Shanghai 201620，China;
2.Key Laboratory for Road ＆ Traffic Engineering of Education Ministry，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Currently，some exit ramps of elevated roads in Shanghai are so crowd at peak time that they face to be taken of engineering measures.Boundary conditions of engineering implementation at zone of exit ramp of road are studied by using VISSIM software to model.Firstly，the evacuation capability of the exit（the largest traffic volume to leave the ramp and to get through the intersection ahead）is determined on the condition that the queue length of vehicle at the zone of exit ramp does not go back to the main line，which establishes theoretical foundation for the control and organization of exit ramp.Then，with the combination of existing traffic demand，the sufficient conditions and necessary conditions of engineering implementation are determined quantitatively，which can provide a theoretical basis for the engineering implementation at zone of exit ramp of elevated roads in Shanghai or other cities in China.

exit ramp of elevated road;boundary conditions of engineering implementation;VISSIM simulation;queue length;evacuation capability

U121

A

1674-0696（2010）01-0103-03

2009-08-25

上海市教育委員會重點學科建設項目（J51401）;上海市高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師專項基金項目（gid09024）

陳穎雪（1983-），女，江蘇連云港人，碩士研究生，研究方向為交通規(guī)劃與管理。E-mail:chenyingxue04@163.com。