基于保障高速公路互通區(qū)運行狀態(tài)的匝道收費站收費車道數(shù)配置研究

李春元

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 問題的提出

隨著我國城市化進程的加快，城市擴張速度不斷加大，城市內(nèi)部快速路網(wǎng)逐步完善。一般而言，為更好地解決城市對外交通需求快速集散，城市快速路應直接接入高速公路網(wǎng)[1]。因此，在這一背景下，環(huán)城高速公路上新增或改造互通的工程愈來愈多，這類工程特點一是主要服務于城市對外交通需求，往往代表著一個城市組團或片區(qū)的門戶形象，城市管理者期望收費站大方、美觀，而高速公路管理者主要希望滿足功能、高效安全通行；二是新增或改造互通受城市總體規(guī)劃影響，間距較近（3～5 km），且匝道收費站布置緊湊，通行車輛通過收費站后，快速向高速公路集散，交通組織較為復雜。

基于上述特點，從城市與高速公路管理者角度出發(fā)，前者要求收費站規(guī)模愈大愈好，后者則要求收費站滿足交通需求、高效安全通行，二者之間對匝道收費站規(guī)模，特別是收費車道數(shù)的配置存在一定的矛盾點。目前，收費車道數(shù)主要依據(jù)收費站斷面交通量預測結果進行計算后，結合交通發(fā)展情況，綜合配置。但這種計算并未考慮匝道收費站斷面交通量對高速公路主線及互通匝道通行能力的影響。因城市對外交通需求量較大，車輛通過收費站后，不能及時匯入高速公路主線，從而造成車輛在分合流點交織，進而影響高速公路主線交通流正常通行。

綜上，本文考慮在保障高速公路互通區(qū)運行狀態(tài)的情況下，以匝道收費站斷面交通量預測結果為依據(jù)，首先分析互通區(qū)服務水平，在維持互通區(qū)二級服務水平基礎上，提出斷面交通量適應于收費車道數(shù)配置依據(jù)的前置條件，然后應用《收費公路聯(lián)網(wǎng)收費技術要求》匝道收費站車道數(shù)計算模型進行車道數(shù)配置，以期合理地確定車道配置。

2 互通區(qū)通行能力計算模型

國內(nèi)外對于互通通行能力及服務水平基本分3個部分進行分析：一是匝道與高速公路連接處；二是匝道通行能力；三是匝道與相連道路處的通行能力。一般而言，匝道自身通行能力雖較正常路段稍低，但通行能力相對較大，不是影響互通通行能力的主要因素；匝道與相連道路處的通行能力則主要受相連道路遠景規(guī)劃、周圍地形及交通特征等影響[2]，應納入相連道路統(tǒng)一進行通行能力分析；而在布設有匝道收費站的出入口上，因匝道收費站具有的匝道控制器功能(車輛減速—停車—服務(交費、領卡)—加速)，匝道與高速公路連接處的通行能力則主要決定了匝道和高速公路進出口的通行能力[3]。

目前，研究匝道連接處通行能力的方法主要為理論分析與實際觀測數(shù)據(jù)為基礎，回歸經(jīng)驗公式，如《交通工程總論》、HCM2000中的分析方法，這些模型計算簡單，應用范圍廣，還有一些以間隙接受理論、交通模擬及仿真[3-6]等方法。

本文以雙向四車道高速公路為例，對《交通工程總論》、HCM2000中典型的通行能力計算圖式及模型進行歸納分析。

2.1 《交通工程總論》中互通區(qū)通行能力計算圖式及模型

《交通工程總論》中分析計算連接處通行能力時，分析3個關鍵交通量（見圖1、圖2），一是匯合交通量Vm（匯合車流交通量之和，veh/h），二是分離交通量是Vr（即將分離或分流的交通量，veh/h），三是主線交通量Vf，是匝道與高速公路連接處最大的單向交通量，即分合流點上下游單向交通量（veh/h），最后以Vm、Vr、Vf分別滿足服務水平劃分標準判定互通區(qū)服務水平。

圖1 《交通工程總論》中單車道駛?cè)雸D式

計算式：V1=136+0.345V′f-0.115Vr，

適用條件：

a)單車道駛?cè)朐训?有或無加減速車道)；b)僅用于上游610 m內(nèi)無相鄰駛?cè)朐训?；c)使用范圍：V'f=360～3 100 veh/h，Vr=50～1 300 veh/h.

圖2 《交通工程總論》中單車道駛出圖式

計算式：V1=165+0.345V'f+0.520Vr，

適用條件：

a)單車道駛?cè)朐训?有或無加減速車道)；b)僅用于上游610 m內(nèi)無相鄰駛?cè)朐训?；c)使用范圍：V'f=360～3 800 veh/h，Vr=50～1 400 veh/h.

2.2 HCM2000中雙向四車道高速公路單車道駛?cè)?、駛出模?/h3>

美國道路能力手冊HCM2000中，對雙向四車道高速公路單車道駛?cè)腭偝龅墓铝⒃训?圖3、圖4)連接處服務水平按車流密度k(pcu/(km·ln))進行評價，其中，k與匝道流量r(pcu/h)、上游流量 q12(pcu/h)和加減速車道La(m)呈線性關系。

圖3HCM2000中單車道駛?cè)雸D式

計算式：k=3.402+0.004 56r+0.004 8q12-0.012 78La.

圖4HCM2000中單車道駛出圖式

計算式：k=2.642+0.005 3q12-0.018 3La.

2.3 結合《交通工程總論》與HCM2000的匝道連接處通行能力模型

從《交通工程總論》、HCM2000中的通行能力模型來看，前者主要考慮互通區(qū)主線交通流最外側(cè)車道與匝道匯入或匯出交通流的疊加影響，模型對于加減速車道的布設考慮不夠全面，而后者考慮了加減速車道的影響，但對于互通區(qū)交通流最外側(cè)車道的交通量缺乏足夠的計算依據(jù)。

實際上，互通區(qū)分合流點車流的運行狀況，受交通安全設施(標志、標線)等引導，擬通過互通進行分合流的將提前實施轉(zhuǎn)移車道行為，其中，分流點車輛逐漸增加、合流點逐漸減少。因此，互通區(qū)連接處的通行能力應重點考慮最外側(cè)車流與分合流車流交織的過程，本文綜合考慮上述因素后，擬采用《交通工程總論》最外側(cè)車道流量計算模型分析最外側(cè)車道流量，將最外側(cè)車道交通量(veh/h)折算為標準小客車(pcu/h)后應用于HCM2000模型中的上游交通量(即令 q12=V1，Vr=r，)，最后通過車流密度(參照《公路通行能力手冊》匝道連接處服務水平劃分標準)評價匝道連接處服務水平。

2.4 合流和分流區(qū)的服務水平劃分標準

表1 匝道連接處的服務水平劃分標準 pcu/km/車道

表1匝道連接處(合/分流區(qū))服務水平的劃分標準是在影響區(qū)內(nèi)車流穩(wěn)定運行的前提下制定的，如果出現(xiàn)交通需求大于通行能力，包括需要進入影響區(qū)的交通流率大于主線中該區(qū)域的最大交通流率、匝道中交通需求大于匝道車行道通行能力或駛出合流區(qū)的交通流率大于主線通行能力等，都會出現(xiàn)交通阻塞的情況，不能采用密度來劃分服務水平等級。這種情況下，建議匝道收費站開始實施其具有的調(diào)節(jié)器功能，適當控制車流出入，保障高速公路主線正常通行。

2.5 服務水平分析

通過對連接處通行能力的計算結果，應用表1的判別標準進行分析，若計算結果可以滿足二級服務水平，則直接將匝道收費站斷面交通量應用于收費車道數(shù)計算，若不滿足二級服務水平，則利用上述模型進行反推，將反推后的斷面交通量應用于收費車道數(shù)計算，這樣就可以通過匝道收費站車道數(shù)配置等控制匯合車流，從而保障高速公路互通區(qū)的運行狀態(tài)。

3 收費車道數(shù)計算模型

根據(jù)上述通行能力分析結果，結合《收費公路聯(lián)網(wǎng)收費技術要求》(2007年第35號公告)，整理收費車道數(shù)計算流程，見圖5所示。其中，虛線框內(nèi)為本文核心，即新增匝道連接處通行能力判別單元(詳細計算過程見第2節(jié))。

圖中大中型貨車占有率R按實際取值；K按0.10～0.12取值；D按1取值 (已有分向交通量預測結果)；服務時間非自由流ETC車道為2～3 s，封閉式收費站入口為6～8 s，出口為14～20 s；收費服務水平一般為平均等待車輛數(shù)1輛；表F-2見《收費公路聯(lián)網(wǎng)收費技術要求》附錄F(限于篇幅，本文略)。

圖5 收費車道數(shù)計算模型流程圖

4 工程實例

太原市西環(huán)高速公路冶峪互通是為配合實施南中環(huán)街快速化改造，緩解周邊城市道路交通壓力，更快捷地疏散對外交通需求而提出的改造工程。該互通對于解決太原市西南片區(qū)對外交通出行需求具有重要意義，同時本互通也代表著這一區(qū)域的門戶形象，因此，合理確定這一互通的收費車道，對于平衡城市管理者與高速公路管理者的不同要求，切實解決對外交通出行需求問題等具有重要意義。

互通改造方案(圖6)在維持冶峪互通A匝道（環(huán)形匝道）及B匝道不變的情況下，對A匝道起點段由南向東調(diào)整，順接南中環(huán)街西延段，同時改造C、D匝道與A匝道銜接。各匝道加減速車道長度見表2所示，互通交通量預測結果及車輛組成見圖7、表3所示。

圖6 冶峪互通改造方案簡圖

表2 各匝道加減速車道長度一覽表 m

圖7 交通量分布圖

表3 車輛組成一覽表 %

按上述模型及互通改造參數(shù)，計算連接處服務水平結果值見表4所示。

表4 連接處服務水平分析結果一覽表

從上述計算結果來看，各匝道連接處服務水平可以維持在二級以上，即收費站斷面交通量能滿足收費車道數(shù)計算模型的前置條件，因此，綜合考慮計重收費、治超檢測、ETC車道布置等影響因素后，在服務時間入口取值10 s、出口取值14 s的情況下，查表F-2，該互通收費站收費車道數(shù)應配置為6進8出。

5 結論及展望

本文通過全面分析互通區(qū)通行能力計算的典型方法后，結合車流運行狀況實際，提出進行匝道收費站收費車道數(shù)計算的前置條件，即匝道收費站斷面交通量應滿足保障高速公路互通運行狀態(tài)的情況下進行合理取值，可以滿足服務水平的直接應用，不滿足服務水平的應在維持二級服務水平的基礎上進行反推后，利用反推值進行車道數(shù)計算。

應用本文的互通收費站收費車道配置思路后，一方面可以保障高速公路互通區(qū)運行狀態(tài)下，使互通區(qū)有一個良好的通行環(huán)境，另一方面則是可以合理控制收費車道數(shù)配置規(guī)模，避免因車流量不足或者過飽和狀態(tài)而導致收費車道數(shù)關閉或者閑置，造成一定的社會影響。

本文模型中最外側(cè)車道數(shù)計算、連接處車流密度模型等直接引用了《交通工程總論》、HCM2000中的標定結果，這些結果在分析中低密度車流條件下是適用的，但為更準確地配置收費車道，在工程實際應用中，特別是在條件允許的情況下，可選擇擬新增或改造互通周邊的互通收費站連接處實測數(shù)據(jù)，進一步對模型的相關參數(shù)進行標定。