城市快速路出口匝道與周邊路網(wǎng)交通流特性分析及優(yōu)化調(diào)整研究

摘要：城市快速路是城市交通快速、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要支撐，是加強(qiáng)城市之間交通聯(lián)系的重要保障。本文以濟(jì)南市歷下區(qū)燕山立交快速路段為研究對象，采用Vissim 仿真軟件對該區(qū)域進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化模擬，并通過對比優(yōu)化前后的快速路出口匝道延誤以及系統(tǒng)總延誤。研究結(jié)果顯示，按模型優(yōu)化后出口匝道車輛運(yùn)行效率大大提高，平均延誤減小率最高可達(dá)72.54%，可有效緩解實(shí)例工程交通擁堵問題。

關(guān)鍵詞：城市快速路;交通流特性;模型仿真;優(yōu)化算法

1 前言

城市快速路是聯(lián)系城市內(nèi)各區(qū)域的重要干線，是提高城市客貨運(yùn)服務(wù)水平及完善城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。城市快速路的建設(shè)與應(yīng)用，可以極大地加快城市內(nèi)交通體系運(yùn)行效率，便捷城市各區(qū)域交通聯(lián)系，大幅推動社會和經(jīng)濟(jì)效益。

2 出口匝道與周邊路網(wǎng)交通流相互影響分析

2.1 存在的交通問題

由于車輛未能及時駛離出口匝道導(dǎo)致車輛排隊(duì)延伸至主線，造成整個快速路系統(tǒng)運(yùn)行不暢的現(xiàn)象在中國多數(shù)城市中時有發(fā)生，究其根源，多半是因?yàn)榻煌ü┬璨痪庠斐傻?。交通擁堵成因根?jù)出口匝道與周邊路網(wǎng)交通流組織方式不同也有所差異。結(jié)合快速路現(xiàn)實(shí)狀況，分析其成因主要有以下幾個方面：

1、輔路車流量大，占用過多道路資源，限制匝道車流運(yùn)行。

2、輔路與出口匝道的車流交織換道行為（如：出口匝道車輛右轉(zhuǎn)、輔路車輛左轉(zhuǎn)等）均會妨礙后續(xù)車輛運(yùn)行。一旦交通需求增大，銜接區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)交通阻塞現(xiàn)象

3、出口匝道下游交叉口信號配時不合理

主要存在以下兩大問題：

（1）綠燈時長較短，車輛不能全部疏散，排隊(duì)長度累積延伸。

（2）紅燈周期過長，車輛離去率小于到達(dá)率。

2.2 交通瓶頸分析

合理地管控出入口匝道與毗鄰交叉口，對聯(lián)系和轉(zhuǎn)換快速路主路上的連續(xù)交通流與周邊路網(wǎng)上的間斷交通流有很大幫助。

目前，我國許多大城市的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)是以快速路為主體建立的，但依舊存在交通擁堵現(xiàn)象，其根本原因是快速路與其他城市路網(wǎng)未科學(xué)耦合，出口匝道的連續(xù)交通流與地面道路的間斷交通流在銜接處彼此交匯融合，且在有限的空間內(nèi)爭奪通行權(quán)，這無疑將引發(fā)許多交通問題，形成交通“瓶頸”，阻礙車流運(yùn)行，降低整個系統(tǒng)運(yùn)行效率。因此，協(xié)調(diào)優(yōu)化城市快速路與其周邊路網(wǎng)勢在必行，均衡利用各等級道路資源，合理管控快速路通道內(nèi)的車流，既能確?？焖俾分髀奋嚵鞯臅惩o阻，又能使其他等級道路上的車輛安全順利地駛?cè)?、駛出快速路，從而改善整個交通走廊的運(yùn)行效率。

一般情況下，在同一時段，未必所有的路段都被完全使用，合理利用道路資源，對輔路車輛進(jìn)行控制分流，使交通量平衡分配在路網(wǎng)中，能夠有效緩解交通阻塞現(xiàn)象。同時，在協(xié)調(diào)優(yōu)化快速路與周邊路網(wǎng)時，優(yōu)先考慮整個道路系統(tǒng)中等級最高、運(yùn)行效率最好的快速路系統(tǒng)是非常必要的，因?yàn)橹挥熊囕v盡可能快地運(yùn)轉(zhuǎn)，才能提高整體運(yùn)行效率，進(jìn)而更好地激發(fā)整個城市路網(wǎng)的潛能。

交通流狀態(tài)不同，輔路分流比例也有所差異。當(dāng)出口匝道和輔路車流處于自由流時，車輛運(yùn)行順暢平穩(wěn)，無需分流輔路車輛;交通量逐漸增加，當(dāng)輔路和出口匝道車流總量超過合流段H 的最大容量時，車輛運(yùn)行受阻引起排隊(duì)，則優(yōu)先滿足快速路出口匝道的交通需求，將輔路的一部分交通壓力轉(zhuǎn)移到其他路網(wǎng)上，使合流區(qū)的通行能力更多地分配給出口匝道，避免引起排隊(duì)回溯現(xiàn)象發(fā)生，促使各路段車輛運(yùn)行流暢通達(dá)

3 工程優(yōu)化措施研究

3.1 ?優(yōu)化算法分析

為證明本章所提模型的有效性及算法的可行性，構(gòu)建算例路網(wǎng)，如下圖所示。路網(wǎng)中共9 個節(jié)點(diǎn)，15 條路段，路段上標(biāo)注的數(shù)據(jù)分別表示路段編號及長度（km）。除路段11 和路段15 為單向車道以外，其他13 條道路均為雙向車道。網(wǎng)絡(luò)中共6 個OD 對，分別為：。系統(tǒng)內(nèi)各路段的通行能力、交通需求、自由流速度、運(yùn)行速度、阻塞密度等交通參數(shù)根據(jù)道路等級和服務(wù)水平的不同都有所差異，參考道路通行能力手冊（HCM）查詢獲得。

構(gòu)建算例路網(wǎng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并利用粒子群算法及Frank-Wolfe 算法對其求解分析，確定道路不同交通需求下的最佳輔路分流比例。輔路分流比例與出口匝道、輔路交通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)出口匝道與輔路交通需求為1500 pcu，且周邊路網(wǎng)車道有剩余通行性能力可供匯入時，則輔路分流比例最高，可達(dá)0.9 以上;因合流區(qū)道路容量恒定，且系統(tǒng)遵循優(yōu)先滿足匝道交通需求的原則，因此當(dāng)出口匝道車流量逐漸增加時，分配給輔路的剩余容量就越少，導(dǎo)致其排隊(duì)長度不斷延伸，路況不斷惡化。在此情況下，理論上輔路需要分流的車輛應(yīng)該增加，但受周邊路網(wǎng)道路通行能力的限制以及優(yōu)化模型需確保系統(tǒng)總延誤最小，最終導(dǎo)致輔路分流比例下降的趨勢。

3.2建模分析

根據(jù)實(shí)例工程交通數(shù)據(jù)進(jìn)行建模計算。主要建模參數(shù)如下：

（1）燕山立交快速路主路，長度約1.1km，期望車速分布為小車60?80km/h，大車60～70km/h;

（2）由北向西南方向出口匝道，長度約0.9km，限制車速為 50km/h;

（3）其他城市道路包括：經(jīng)十路、山大路、燕子山路、和平路、文化東路5 條主干道及經(jīng)十路輔路、二環(huán)東路輔路兩條次干道。其期望車速分布為小車40?60km/h，大車40?45km/h。

3.4 優(yōu)化分析

利用求解雙層規(guī)劃的算法得出輔路最佳分流比例，并將其分配到其他路網(wǎng)，最終獲得優(yōu)化后車輛總延誤值。在相同交通需求仿真情況下，快速路出口匝道與周邊路網(wǎng)銜接區(qū)域優(yōu)化前后車輛運(yùn)行狀況。

分析可知，出口匝道車輛平均延誤隨著交通量的增加而增大。優(yōu)化前，當(dāng)合流區(qū)通行能力滿足不了出口匝道及輔路交通需求總和時，車輛運(yùn)行受阻，交織嚴(yán)重，銜接區(qū)域排隊(duì)不斷累積延伸，出口匝道車輛不能及時駛離快速路主路，導(dǎo)致車輛平均延誤急劇增加;優(yōu)化后出口匝道車輛運(yùn)行效率大大提高，平均延誤減小率最高可達(dá)72.54%。

結(jié)束語：

本文選取濟(jì)南市燕山立交快速路局部路段及周邊路網(wǎng)區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^交通現(xiàn)狀調(diào)查及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，利用Matlab 軟件確定經(jīng)十路輔路最佳分流比例。計算結(jié)果表明隨著輔路交通量與燕山立交出口匝道交通量的增大呈先增大后減小的趨勢。45.7%;按模型優(yōu)化后出口匝道車輛運(yùn)行效率大大提高，平均延誤減小率最高可達(dá)72.54%，可有效緩解實(shí)例工程交通擁堵問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?陳曉鴻， 周商昔. 城市高架路匝道的定位計算方法[J]. 城市道橋與防洪， 1994， （2）： 9-15.

[2] ?楊少偉. 道路立體交叉規(guī)劃與設(shè)計[M]. 北京： 人民交通出版社， 2000.

作者簡介：黃蘭可（1977—），女，重慶市忠縣，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事公路、城市道路設(shè)計咨詢工作。

（作者單位：蘇交科集團(tuán)股份有限公司）