基于跟馳模型、換道模型的快速路立交微改善研究
——以竹葉山立交為例

杜建坤，李 瑞，鄭 猛

(1.武漢市交通發(fā)展戰(zhàn)略研究院，湖北 武漢 430000：2.武漢市規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 立交擁堵成因分析

1.1 宏觀層面

(1)機(jī)動(dòng)車擁有量持續(xù)發(fā)展

汽車使用率增加是導(dǎo)致城市交通堵塞的主要原因。2019年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.5億輛，較2018年增加約2 100萬(wàn)輛?，F(xiàn)有道路交通資源難以承受日益增長(zhǎng)的交通流需求，導(dǎo)致交通擁堵常發(fā)。

(2)城市職住不平衡

現(xiàn)階段，我國(guó)城市職住不平衡現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，這種不平衡的職住帶來(lái)了較為明顯的潮汐交通現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了早晚高峰城市的擁堵問(wèn)題。

(3)城市快速路容量與需求不匹配

城市快速路作為過(guò)境交通的主要使用道路，其道路容量與承擔(dān)交通量不匹配亦為造成擁堵的因素。上海市快速路面積占總道路面積的5%左右，而承擔(dān)交通流量30%左右，每天有250萬(wàn)輛次使用快速路。

1.2 中觀層面

(1)路網(wǎng)級(jí)配不合理

目前大部分城市存在路網(wǎng)級(jí)配不合理的問(wèn)題，往往是注重快速路、主干路等高快速通道的建設(shè)，忽視了次干路、支路等疏解性道路，導(dǎo)致高快速通道上的交通流難以得到快速疏解，由此帶來(lái)不必要的交通擁堵問(wèn)題。

(2)匝道設(shè)計(jì)不合理

目前大部分城市的快速路均存在匝道上不去，下不來(lái)的問(wèn)題，其中很大的原因就是匝道設(shè)計(jì)不合理，一方面受建設(shè)條件影響，另一方面受建設(shè)成本影響，銜接距離這一關(guān)鍵要素往往取的是極限值，很容易影響道路的通行效率。

1.3 微觀層面

(1)下匝道不暢導(dǎo)致主線擁堵

下匝道不暢主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是由于主線和匝道的速度差較大，下匝道通行能力與快速路下匝道流量需求不匹配，導(dǎo)致下匝道口擁堵頻發(fā)；另一方面是下匝道銜接道路和鄰近交叉口設(shè)計(jì)不合理，銜接道路的通行能力無(wú)法容納從快速路上下來(lái)的大流量車流，導(dǎo)致形成路段和交叉口瓶頸。

(2)上匝道合流瓶頸區(qū)擁堵

上匝道車流必須在加速車道范圍內(nèi)換道，完成與快速路主線車流的強(qiáng)制并線，在并線過(guò)程中行車秩序難以保證，尤其是當(dāng)主線車流量較大時(shí)，這種并道帶來(lái)的行車干擾將會(huì)在很大程度上降低主線的通行能力，進(jìn)而產(chǎn)生交通瓶頸。

(3)交織段距離過(guò)短

非常規(guī)立交上下匝道車流在交織區(qū)內(nèi)存在頻繁變道行為，尤其是當(dāng)交織段距離過(guò)短時(shí)，越容易在該區(qū)域發(fā)生沖突，導(dǎo)致該段道路通行能力大大降低，進(jìn)而產(chǎn)生交通擁堵。

2 交通治理微改善措施

2.1 空間轉(zhuǎn)移

立交交通秩序亂很大程度上制約了整個(gè)立交的通行效率，同時(shí)也極易引發(fā)交通事故。非常規(guī)立交由于上下匝道距離過(guò)近或車道連續(xù)變化，普遍存在車流交織嚴(yán)重區(qū)域，空間轉(zhuǎn)移主要通過(guò)設(shè)置隔離欄、實(shí)線段等改變道路渠化方式來(lái)引導(dǎo)車流按理想方向行駛，優(yōu)化車流組織，減少空間沖突。

2.2 時(shí)間轉(zhuǎn)移

時(shí)間轉(zhuǎn)移主要采取信號(hào)控制的方式，保障在交通高峰時(shí)段(交通需求大于交通供給)快速路能以最高效率運(yùn)行，具體表現(xiàn)為車流以最佳速度和最佳流量運(yùn)行。

要達(dá)到這樣的控制效果，要求在各出口匝道對(duì)輔路車流加以控制并與下游信號(hào)交叉口協(xié)調(diào)來(lái)保證出口匝道車輛排隊(duì)不至于到達(dá)快速路交織區(qū)；各入口匝道放入車輛要與快速路交通流狀態(tài)相適應(yīng)，其放入量和放入時(shí)間既不至于使快速路形成交通瓶頸又不能浪費(fèi)快速路的時(shí)空資源。與此同時(shí)，應(yīng)協(xié)調(diào)輔路上游交叉口控制信號(hào)、匝道控制信號(hào)和輔路下游交叉口控制信號(hào)，從而盡量減小輔路的車輛排隊(duì)和延誤。

具體控制策略包括以下兩點(diǎn)。

(1)分層優(yōu)先

高快速路匝道控制應(yīng)該遵循以下優(yōu)先級(jí)，首先是主線車流通行最優(yōu)先，再是駛出下匝道車流通行次優(yōu)先，短距離借路行駛通行處于最低優(yōu)先級(jí)。

(2)輔路及路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

城市快速路有時(shí)候?yàn)橹鬏o路的形式，在主線產(chǎn)生交通擁堵時(shí)，輔線可在一定程度上起到分流的作用。在進(jìn)行交通組織時(shí)，統(tǒng)籌考慮快速路輔路及鄰近路網(wǎng)，可以有效緩解和預(yù)防主路阻塞帶來(lái)的擁堵問(wèn)題。

2.3 綜合保障

通過(guò)VIS等發(fā)布道路實(shí)時(shí)信息，協(xié)助駕駛員合理地規(guī)劃行駛路線和選擇適當(dāng)上下匝道口，誘導(dǎo)車輛合理分配城市路網(wǎng)。

3 仿真建模與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 跟馳模型

跟馳模型可分析相同車道、相鄰車間的相互作用?？紤]到復(fù)雜立交匝道合流、分流、交織區(qū)可能出現(xiàn)的車輛加速、減塞停再起步等現(xiàn)象以及模型準(zhǔn)確性和復(fù)雜性，借助IDM(智能駕駛)模型描述匝道合流區(qū)車輛跟馳行為。IDM模型由自狀態(tài)下的加速項(xiàng)和考慮與前車碰撞的減速項(xiàng)兩部分構(gòu)成，能夠較好地描述車輛的跟馳行為，公式如下

(1)

(2)

3.2 換道模型

在各類快速路瓶頸中,匝道合流區(qū)瓶頸在典型性和數(shù)量比例方面占有重要地位，匝道合流區(qū)瓶頸內(nèi)存在大量的強(qiáng)制換道行為,是誘發(fā)瓶頸的重要原因，換道動(dòng)機(jī)的不同也是立交與普通路段的不同之處。

Gipps提出了首個(gè)換道行為模型框架，該框架著眼于多車道城市路網(wǎng)，但其基本原理也可應(yīng)用于構(gòu)建快速路模型框架。Hidas等針對(duì)Gipps模型進(jìn)行優(yōu)化，提出了自由換道、協(xié)同換道、強(qiáng)制換道三類不同的換道行為，后兩種換道，為了提供充足的換道空間，目標(biāo)車道后車需要主動(dòng)或被迫降低車速。

對(duì)于自由換道行為，駕駛員在車輛行駛過(guò)程中始終追求更自由的駕駛環(huán)境(更快的速度、更大的車輛間距)，存在著向左換道、不換道、向右換道的心理博弈，當(dāng)換道后的駕駛環(huán)境相比于當(dāng)前駕駛環(huán)境更加優(yōu)越時(shí)，駕駛員產(chǎn)生換道動(dòng)機(jī)。

對(duì)于自由換道行為，考慮到模型的準(zhǔn)確度與復(fù)雜度，采用車輛加速度描述換道環(huán)境的優(yōu)劣。借助IDM模型分別計(jì)算不換道ac與向左換道al、向右換道ar的加速度大小，當(dāng)加速度差值達(dá)到一定值(記為閾值at)，則認(rèn)為車輛有足夠的動(dòng)機(jī)向該車道換道，即

(3)

對(duì)于強(qiáng)制換道行為，為了與自由換道行為統(tǒng)一，可以將匝道終點(diǎn)處看作存在靜止障礙物，匝道車輛受到前方障礙物的影響會(huì)產(chǎn)生換道需求。如果主路和匝道行車條件相近或主路行車條件更好，主路車輛一般保持在主路車道行駛，匝道車輛嘗試匯入主路車道;如果主路行車條件明顯差于匝道，可能有靠近匝道的主路車輛換道進(jìn)入匝道，快速行駛一段距離后再匯入主路，這一情況與實(shí)地觀測(cè)情況相符。

3.3 仿真流程

仿真流程分為四個(gè)階段，資料準(zhǔn)備數(shù)據(jù)采集、模型建立、參數(shù)標(biāo)定及仿真評(píng)價(jià)。

3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

仿真根據(jù)所使用的路網(wǎng)對(duì)象得出大量數(shù)據(jù)，例如包含關(guān)于車輛、路段、節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)、綠燈時(shí)間分布、公交的等待時(shí)間或面域等信息。

科學(xué)地選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)可精準(zhǔn)分析交通擁堵的原因，進(jìn)而有效指導(dǎo)交通擁堵疏解，本次研究選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)有平均延誤、平均停車次數(shù)、平均速度以及平均停車延誤。

4 實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目概況

竹葉山立交是武漢市二環(huán)線漢口段一重要節(jié)點(diǎn)，也是后湖片區(qū)上下二環(huán)線的必經(jīng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。該立交是一個(gè)多層互通立交，涉及多個(gè)互通出入口，由于各交織道路規(guī)劃和建設(shè)周期不在同一時(shí)期，使得該互通立交建設(shè)過(guò)程中存在一定的現(xiàn)實(shí)條件約束，導(dǎo)致互通不同出入口間車流干擾大，同時(shí)，由于該互通承載的兩條主要快速路，現(xiàn)狀立交無(wú)法容納兩大快速路的疊加交通量，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)擁堵常發(fā)。

4.2 改善措施

(1)空間轉(zhuǎn)移

針對(duì)交織嚴(yán)重路段，重新劃分交織段車道，采用實(shí)線段控制，減少車輛換道沖突，提升運(yùn)行車速，提升通行能力。

(2)時(shí)間轉(zhuǎn)移

優(yōu)化發(fā)展大道(竹葉山轉(zhuǎn)盤(pán)至唐家墩路)8處信號(hào)配時(shí)，并精細(xì)化設(shè)計(jì)路口相位，提高不同路口的協(xié)調(diào)性。

工作日早高峰7∶30～8∶30，啟用匝道控制，控制匝道主要為以下三處：發(fā)展大道二七路(東向西)的上高架匝道；發(fā)展大道三眼橋(西向東)的上高架匝道；金橋大道興業(yè)路(北向南)的上高架匝道。

(3)綜合保障

通過(guò)匝道管控保證主線交通暢通，地面層交通信號(hào)控制給與主線流量方向一定的優(yōu)先權(quán)。

縮窄發(fā)展大道黃孝河路口車道，增加車道數(shù)量；合理設(shè)置道路標(biāo)線，防止路口溢出車輛排隊(duì)；金橋大道(和諧大道至竹葉山立交)、發(fā)展大道(竹葉山立交至唐家墩)路段，允許社會(huì)車輛在早晚高峰時(shí)段借用地面層公交專用道通行。

八古墩東一巷取消路邊停車泊位，由單向通行恢復(fù)至雙向通行，增加繞行選路選擇。

4.3 仿真結(jié)果

本文選取延誤時(shí)間、停車次數(shù)、停車延誤、平均速度四個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)改善前后的路網(wǎng)運(yùn)行效率。其中路網(wǎng)流量輸入現(xiàn)狀調(diào)查流量，評(píng)價(jià)的指標(biāo)通過(guò)仿真檢測(cè)器獲得，檢測(cè)范圍包括：研究立交幾何型心為中心，800 m范圍內(nèi)所有路段。

表1 仿真結(jié)果

改善措施實(shí)施后，該立交平均延誤時(shí)間減少51.6%，平均停車次數(shù)減少59.3%，平均速度提升29.8%，平均停車延誤時(shí)間減少53.7%?？梢?jiàn)，路網(wǎng)改善后整體運(yùn)行效率提升。

5 結(jié) 論

城市快速路立交擁堵問(wèn)題是限制城市道路運(yùn)行的整體效率重要節(jié)點(diǎn)，本文從宏觀、中觀、微觀三個(gè)方面分析了城市快速立交擁堵的主要成因，從空間轉(zhuǎn)移、時(shí)間轉(zhuǎn)移、綜合保障三個(gè)方面提出交通微治理措施，同時(shí)對(duì)快速路駕駛行為模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)選取進(jìn)行了研究。利用仿真模型針對(duì)武漢市竹葉山立交進(jìn)行實(shí)例仿真分析，結(jié)果顯示改善措施有效，路網(wǎng)改善后整體運(yùn)行效率提升?？蔀轭愃屏⒔惶峁┲卫韰⒖?。