苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距研究

潘兵宏，劉娟，柴虎，李翔，張冉陽(yáng)

長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064

互通式立體交叉（以下簡(jiǎn)稱(chēng)立交）范圍內(nèi)的分合流端及交織區(qū)是交通事故的高發(fā)區(qū)［1-4］，同側(cè)相鄰出、入口匝道的組合形式與間距會(huì)對(duì)立交范圍內(nèi)車(chē)輛的運(yùn)行效率與安全產(chǎn)生一定影響，其中，“先入后出”式入出口的影響尤為顯著.為提高通行能力，可在主線外側(cè)增設(shè)集散車(chē)道，將交通紊亂部分有效轉(zhuǎn)移至集散車(chē)道，從而保證主線上直行車(chē)輛的通行效率與安全.

隨著對(duì)復(fù)雜型立交的深入研究，當(dāng)交通量較大、用地允許且工程造價(jià)可接受時(shí)，為苜蓿葉型立體交叉（以下簡(jiǎn)稱(chēng)苜蓿葉立交）設(shè)置集散車(chē)道的工程實(shí)例越來(lái)越多，如中國(guó)長(zhǎng)春市前進(jìn)路苜蓿葉立交設(shè)置了2個(gè)集散車(chē)道，盡管通車(chē)后交通量較大，但交織區(qū)與主線分離后極大提高了主線的通行能力.然而，集散車(chē)道交織區(qū)內(nèi)情況復(fù)雜，存在交通沖突大、安全性低等問(wèn)題，長(zhǎng)度不合理的交織運(yùn)行使集散車(chē)道成為事故多發(fā)區(qū).《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）［5］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《路線規(guī)范》）中對(duì)立交同側(cè)入口與下游出口（簡(jiǎn)稱(chēng)連續(xù)入出口）之間的間距無(wú)明確規(guī)定，而實(shí)際設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)立交連續(xù)入出口距離過(guò)近的情況，直接導(dǎo)致通行能力降低，安全性下降.因此，在苜蓿葉立交主線設(shè)置集散車(chē)道的情況下，有必要根據(jù)交通流的運(yùn)行特性，分析其連續(xù)入出口的最小間距.

美國(guó)的《A policy on geometric design of highways and streets》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“綠皮書(shū)”）［6］中認(rèn)為，高速公路和集散道上入出口的最小間距分別為600 m 和480 m，但未根據(jù)不同設(shè)計(jì)速度做出具體規(guī)定.在此基礎(chǔ)上，《日本公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的解說(shuō)與運(yùn)用》［7］根據(jù)主線不同的設(shè)計(jì)速度加以細(xì)化，但未規(guī)定集散車(chē)道上先入后出型匝道的最小間距.中國(guó)《路線規(guī)范》對(duì)高速公路主線上的相鄰出口、相鄰入口、出口至前方相鄰入口的最小間距做出規(guī)定，但尚未規(guī)定入出口最小間距.對(duì)于設(shè)置集散車(chē)道后連續(xù)入出口轉(zhuǎn)移到集散車(chē)道上的情況，我國(guó)其他相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)細(xì)則亦未給出具體規(guī)定.

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究大多集中于主線連續(xù)出入口間距與主線交織區(qū)的通行能力方面，對(duì)主線連續(xù)出入口的研究多為連續(xù)入口、連續(xù)出口和連續(xù)出入口，較少涉及連續(xù)入出口.邵陽(yáng)等［8］基于車(chē)輛變道模型、交通標(biāo)志識(shí)別規(guī)則及駕駛規(guī)律探討主線和匝道連續(xù)分合流時(shí)的間距問(wèn)題，并與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行對(duì)比；王靈利等［9］通過(guò)研究高速公路車(chē)頭時(shí)距的分布規(guī)律與換道模型特征，建立主線側(cè)連續(xù)出口最小間距模型，基于車(chē)道數(shù)和設(shè)計(jì)速度提出最小間距建議值；潘兵宏等［10］通過(guò)確定主線車(chē)輛和下游匝道匯入車(chē)輛間的安全視距模型，建立高速公路主線同側(cè)連續(xù)入口最小間距模型，并基于主線和匝道的設(shè)計(jì)速度、入口匝道車(chē)道數(shù)，提出最小間距指標(biāo)值；孫劍等［11］基于上海市60 處快速路典型交織區(qū)1 a 的交通數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算各交織區(qū)通行能力，提出城市快速路交織區(qū)通行能力的估計(jì)模型；孟祥燕［12］基于間隙接受理論和線形優(yōu)化模型得到苜蓿葉式或部分苜蓿葉式交織區(qū)通行能力模型，并通過(guò)TSIS 軟件對(duì)高等級(jí)道路交織區(qū)進(jìn)行微觀仿真分析.也有部分研究涉及集散車(chē)道設(shè)置條件與集散車(chē)道交織區(qū)，如丁華磊［13］利用交織區(qū)理論和分合流理論研究集散車(chē)道設(shè)置條件，并通過(guò)VisSim仿真驗(yàn)證設(shè)置條件的合理性和準(zhǔn)確性，但其在交織區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算時(shí)僅考慮直行車(chē)輛；李璨等［14］根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行特點(diǎn)和交織區(qū)長(zhǎng)度，提出對(duì)應(yīng)車(chē)道單元組合設(shè)計(jì)方案，經(jīng)安全評(píng)價(jià)后確定了集散車(chē)道交織區(qū)車(chē)道單元組合優(yōu)化方案；袁愈鋒［15］研究了苜蓿葉立交集散車(chē)道車(chē)輛運(yùn)行速度和技術(shù)指標(biāo)，并根據(jù)《Highway Capacity Manual》［16］中交織區(qū)的分析方法，基于交織區(qū)處于非約束狀態(tài)的假設(shè)，計(jì)算得到集散車(chē)道交織區(qū)長(zhǎng)度.

國(guó)外對(duì)于道路交織區(qū)的研究較早，但大多僅限于交織區(qū)和匝道分合流方面，較少涉及集散車(chē)道交織區(qū)，這與國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀一致.在立交連續(xù)入出口的分合流區(qū)域研究方面，則通過(guò)基于大量交通數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，研究立交范圍內(nèi)交通特性及間距等，如BARED 等［17］從安全角度證明立交間距建議的合理性，通過(guò)采集加利福尼亞州3條高速公路的交通事故和高速公路特征數(shù)據(jù)，建立碰撞頻率與立交間距的回歸模型；AHAMMED等［18］通過(guò)采集加拿大渥太華市417公路上23個(gè)合流區(qū)的交通數(shù)據(jù)，建立安全性能模型，用于聯(lián)系碰撞總數(shù)與合流區(qū)域的特征；EL-BASHA 等［19］利用加拿大渥太華市 417 公路上13 個(gè)分流區(qū)的數(shù)據(jù)，研究駕駛員在高速公路分流區(qū)的行為特征，收集了交通數(shù)據(jù)，并用線形回歸分析方法對(duì)85%位速度和減速度進(jìn)行建模，得到8個(gè)預(yù)測(cè)分流區(qū)駕駛員行為的模型；KONDYLI等［20］通過(guò)采集分析車(chē)輛試驗(yàn)中駕駛員的合流行為數(shù)據(jù)，建立不同合流條件下的間隙接受模型和考慮不同駕駛員類(lèi)型的駕駛員行為模型，提出評(píng)價(jià)車(chē)輛相互作用對(duì)交通流影響的Merging Turbulence模型.

由以上分析可見(jiàn)，已有研究多采用《Highway Capacity Manual》［16］中對(duì)交織區(qū)的分析方法，對(duì)苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口的最小間距進(jìn)行研究，存在車(chē)輛組成考慮不善以及假設(shè)建立缺乏有效驗(yàn)證的不足.本研究基于苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口路段的車(chē)輛運(yùn)行特性，確定連續(xù)入出口最小間距的計(jì)算模型.采用《公路通行能力手冊(cè)》［21］中的交織區(qū)分析方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《通行能力手冊(cè)》），研究集散車(chē)道交織區(qū)長(zhǎng)度，并檢驗(yàn)交織區(qū)長(zhǎng)度和服務(wù)水平等級(jí)是否滿足要求，提出不同設(shè)計(jì)速度組合下苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距推薦值.利用VisSim 和SSAM軟件仿真評(píng)價(jià)各組最小間距推薦值，驗(yàn)證其合理性，為我國(guó)苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口的設(shè)計(jì)提供參考.

1 集散車(chē)道連續(xù)入出口形式及車(chē)輛運(yùn)行特性

集散車(chē)道連續(xù)入出口指集散車(chē)道的外側(cè)先合流后分流的形式.《路線規(guī)范》規(guī)定集散車(chē)道宜為雙車(chē)道，但實(shí)際的苜蓿葉立交設(shè)計(jì)受到占地和工程造價(jià)等限制，除交織段為雙車(chē)道外，其他主體部分均為單車(chē)道，因此，本研究以單車(chē)道和雙車(chē)道兩種集散車(chē)道型式為對(duì)象.苜蓿葉立交集散車(chē)道連接的入口匝道和出口匝道均為單車(chē)道環(huán)形匝道.從入口匝道駛?cè)氲能?chē)輛進(jìn)入集散車(chē)道后匯入主線，與集散車(chē)道上需要從出口匝道駛出的車(chē)輛產(chǎn)生交織.車(chē)輛在駛?cè)虢豢梾^(qū)時(shí)，要通過(guò)集散車(chē)道外側(cè)由加速和減速車(chē)道相連形成的附加車(chē)道，交織車(chē)輛離開(kāi)集散車(chē)道駛?cè)胫骶€或從出口匝道駛出都要進(jìn)行車(chē)道變換.車(chē)輛在交織區(qū)內(nèi)彼此影響較大，存在交通沖突可能.

主線和集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距設(shè)計(jì)的不同之處在于速度和交通量.在主線外側(cè)設(shè)置集散車(chē)道的目的是轉(zhuǎn)移交織區(qū)，避免交織車(chē)輛干擾主線上的直行車(chē)輛，將交織車(chē)輛轉(zhuǎn)移至速度較低的集散車(chē)道，有利于行車(chē)安全和保障主線的通行能力.主線連續(xù)入出口路段同時(shí)存在轉(zhuǎn)彎車(chē)輛和直行車(chē)輛，主線設(shè)置集散車(chē)道后，只有主線上需要從匝道分流的車(chē)輛以及匝道上需要匯入主線的車(chē)輛會(huì)進(jìn)入集散車(chē)道，因此，集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距設(shè)計(jì)，只需要考慮轉(zhuǎn)彎車(chē)輛而不需要考慮直行車(chē)輛.

2 集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距計(jì)算模型

2.1 單車(chē)道集散車(chē)道型式

因合流和分流三角區(qū)設(shè)置了實(shí)線標(biāo)線，禁止車(chē)輛行駛，因此，本研究將集散車(chē)道連續(xù)入出口間距定義為入口匝道合流點(diǎn)與出口匝道分流點(diǎn)的距離（圖1）.入口匝道的車(chē)輛進(jìn)入集散車(chē)道是為了匯入主線，集散車(chē)道上已有車(chē)輛主要為需要從出口匝道駛出的車(chē)輛.車(chē)輛在合流三角區(qū)之后、交織區(qū)下游的分流三角區(qū)之前發(fā)生車(chē)道交換，因此，連續(xù)入出口間距即為交織區(qū)長(zhǎng)度（LW）.

圖1 集散車(chē)道連續(xù)入出口間距示意圖Fig.1 Spacing diagram for continuous entrance and exit of collector-distributor road

2.1.1 交織區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算

交織區(qū)內(nèi)車(chē)輛的主要行為是車(chē)道變換，交織區(qū)長(zhǎng)度不足會(huì)導(dǎo)致交織車(chē)輛無(wú)法完成車(chē)道變換.未能完成換道的車(chē)輛會(huì)降低車(chē)速并伺機(jī)等待可插入間隙，有的車(chē)輛可能停留原地，未完成交織的車(chē)輛會(huì)錯(cuò)過(guò)出口，部分駕駛員甚至?xí)诜至鞅嵌说管?chē)或強(qiáng)行變換車(chē)道.

交織區(qū)長(zhǎng)度與交織區(qū)構(gòu)造型式有關(guān).交織區(qū)的構(gòu)造型式根據(jù)交織車(chē)輛在通過(guò)交織路段時(shí)所需的車(chē)道變換次數(shù)分為同側(cè)和異側(cè)交織區(qū)兩種.其中，同側(cè)交織區(qū)是指出入口匝道位于主線同側(cè)，車(chē)輛完成交織需要的換道次數(shù)不多于2次的區(qū)域，又分為匝道交織區(qū)和主線交織區(qū)；異側(cè)交織區(qū)是指出入口匝道位于主線兩側(cè)，車(chē)輛至少需要3次換道行為才能完成交織的區(qū)域.

在集散車(chē)道交織區(qū)內(nèi)，車(chē)輛完成交織行為需要的換道次數(shù)不多于2 次，交織區(qū)內(nèi)只存在2 組轉(zhuǎn)彎車(chē)流構(gòu)成交織車(chē)流，不考慮通過(guò)集散車(chē)道再返回主線的誤行車(chē)輛，以及通過(guò)入口匝道駛?cè)朐儆沙隹谠训礼偝龅牡纛^車(chē)輛，即交織區(qū)不存在非交織車(chē)輛，因此，交織區(qū)構(gòu)型為同側(cè)匝道交織區(qū)，見(jiàn)圖2.其中，F(xiàn) 表示高速公路主線（freeway）；R 表示匝道（ramp）.

圖2 交織區(qū)運(yùn)行示意圖Fig.2 Diagram of weaving operation

總交通量為交織交通量之和，即Q=QFR+QRF，其中，QFR為駛出集散車(chē)道的交通量；QRF為駛?cè)爰④?chē)道的交通量.集散車(chē)道交織車(chē)輛最小換道次數(shù)LCFR= 1，匝道交織車(chē)輛最小換道次數(shù)LCRF= 1，交織車(chē)道數(shù)NWL= 2.

《通行能力手冊(cè)》中采用2 個(gè)指標(biāo)確定交織區(qū)服務(wù)水平等級(jí)，其中，主要指標(biāo)為V/C，V是最大服務(wù)交通量，C是基本通行能力；次要指標(biāo)為小客車(chē)實(shí)際行駛速度與基準(zhǔn)自由流速度差.在一定速度差下，確定交織車(chē)輛速度，可算出交織區(qū)長(zhǎng)度，然后驗(yàn)算是否滿足交織區(qū)最大長(zhǎng)度，最后計(jì)算V/C，確定交織區(qū)服務(wù)水平等級(jí).在保證計(jì)算得出的服務(wù)水平等級(jí)不低于設(shè)計(jì)服務(wù)水平等級(jí)的前提下，計(jì)算出的長(zhǎng)度即為交織區(qū)最小長(zhǎng)度推薦值.

1）交織區(qū)車(chē)輛實(shí)際行駛速度v

《通行能力手冊(cè)》給出車(chē)輛實(shí)際行駛速度與基準(zhǔn)自由流速度差的不同取值范圍，采用不同的速差值得出的交織區(qū)長(zhǎng)度也有差異，因此，本研究需對(duì)計(jì)算出的交織區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行合理性判斷，從而確定速度差的最佳取值.若交織區(qū)長(zhǎng)度很長(zhǎng)，車(chē)輛的運(yùn)行狀況和基本路段一樣，合流和分流運(yùn)行分開(kāi)，本研究規(guī)定交織長(zhǎng)度不超過(guò)750 m［14］；若交織長(zhǎng)度很短，車(chē)輛的車(chē)道變換行為類(lèi)似于X型無(wú)信號(hào)控制交叉口，本研究規(guī)定交織區(qū)長(zhǎng)度不小于90 m［21］.因此，以90～750 m作為參考，通過(guò)試算確定出能最大程度滿足該長(zhǎng)度范圍的速度差為34 km/h，進(jìn)而可得不同基準(zhǔn)自由流速度下的交織區(qū)車(chē)輛實(shí)際行駛速度v.集散車(chē)道交織區(qū)內(nèi)只有交織車(chē)輛，故交織區(qū)車(chē)輛行駛速度與交織車(chē)輛速度相等，即

其中，vFF為集散車(chē)道實(shí)際自由流速度，單位為km/h；WI為交織區(qū)強(qiáng)度；vW為交織車(chē)輛速度.

2）交織區(qū)長(zhǎng)度LW

集散車(chē)道交織區(qū)內(nèi)車(chē)輛換道次數(shù)LCALL等于交織車(chē)輛換道次數(shù)LCW，為

其中，LCMIN為交織區(qū)內(nèi)車(chē)流最小換道次數(shù)，LCMIN= LCFRQFR+ LCRFQRF；LW為交織區(qū)長(zhǎng)度，單位為m；N為交織區(qū)內(nèi)車(chē)道數(shù)，單車(chē)道集散車(chē)道N= 2；ID 為立體交叉口密度，以交織區(qū)為中心，前后10 km 內(nèi)的立交個(gè)數(shù)除以10，計(jì)算時(shí)取ID = 1.

交織區(qū)強(qiáng)度WI為

根據(jù)式（1）WI可改寫(xiě)為

將式（2）帶入式（3）即可求解出LW.

3）計(jì)算參數(shù)確定

集散車(chē)道的設(shè)計(jì)速度vC、基準(zhǔn)自由流速度vBFF、vFF及基準(zhǔn)通行能力C0對(duì)交織區(qū)長(zhǎng)度有較大影響.vC一般應(yīng)低于高速公路主線的設(shè)計(jì)速度.《公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTGT D21—2014）［22］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《細(xì)則》）指出，集散車(chē)道可采用匝道設(shè)計(jì)速度及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)《日本高速公路設(shè)計(jì)要領(lǐng)》［23］，車(chē)輛與主線分流和合流所達(dá)到的速度一般為主線設(shè)計(jì)速度的70%，故本研究vC采用高速公路主線設(shè)計(jì)速度的70%，并通過(guò)四舍五入方式對(duì)其取整，如表1.該結(jié)果也滿足《細(xì)則》規(guī)定.

表1 集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度、基準(zhǔn)自由流速度、基準(zhǔn)通行能力及對(duì)應(yīng)的匝道設(shè)計(jì)速度Table 1 Design speed,reference free flow speed,reference capacity and corresponding ramp design speed of collectordistributor road

根據(jù)高速公路基本路段設(shè)計(jì)速度與基準(zhǔn)自由流速度對(duì)應(yīng)關(guān)系（可掃描論文末頁(yè)右下角二維碼查看表S1，參考《通行能力手冊(cè)》），得出vBFF見(jiàn)表1.

一般認(rèn)為vFF與vBFF相同，而C0與vBFF有關(guān)，參考《通行能力手冊(cè)》，不同vBFF所對(duì)應(yīng)集散車(chē)道基本路段中1條車(chē)道的基準(zhǔn)通行能力值見(jiàn)表1.

匝道的設(shè)計(jì)速度vB對(duì)交織區(qū)長(zhǎng)度具有一定影響，考慮到入口和出口匝道均為環(huán)形匝道，故設(shè)計(jì)速度為35～50 km/h.不同集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度所對(duì)應(yīng)的匝道設(shè)計(jì)速度見(jiàn)表1.

本研究假設(shè)匝道交通量為其設(shè)計(jì)通行能力.根據(jù)《細(xì)則》，匝道的設(shè)計(jì)通行能力見(jiàn)表2.

表2 匝道的設(shè)計(jì)通行能力及交織區(qū)交通量Table 2 Design capacity of ramp and traffic volume of weaving area

4）交織區(qū)最大交織長(zhǎng)度Lmax

Lmax計(jì)算為

其中，QR 為總交織流量與總流量之比，由于不存在非交織車(chē)輛，因此，QR= 1. 當(dāng)LW≤Lmax時(shí)，才可按照交織區(qū)分析確定該路段的通行能力.

5）交織區(qū)飽和度V/C與服務(wù)水平

交織區(qū)通行能力CW為

其中，CIWL為交織區(qū)內(nèi)1 條車(chē)道的基準(zhǔn)通行能力（pcu·h-1·ln-1）；DR為匯出流量比，DR=QFR/Q.

馮玉榮等［24］認(rèn)為《通行能力手冊(cè)》中交織區(qū)通行能力的計(jì)算方法低估了流量比對(duì)通行能力的影響，因此，根據(jù)主交通流具有優(yōu)先權(quán)的規(guī)則，改進(jìn)通行能力模型，即將式（7）中的DR替換為較大的交織流量與總交織流量之比，亦即匯入流量比與匯出流量比較大者（WR），則交織區(qū)通行能力改進(jìn)模型為

交織區(qū)飽和度為

根據(jù)《細(xì)則》要求，單車(chē)道環(huán)形匝道所能容納的交通量為900～1 200 pcu/h，故交織區(qū)的總交通量Q為1 800～2 400 pcu/h.對(duì)應(yīng)于不同的匝道設(shè)計(jì)速度，交織區(qū)所能容納的最大交通量Q如表2.

《路線規(guī)范》中將公路立體交叉范圍內(nèi)的服務(wù)水平分為6 級(jí)（表3），高速公路主線的最低設(shè)計(jì)服務(wù)水平為3級(jí)，集散車(chē)道的設(shè)計(jì)服務(wù)水平可比主線低1 級(jí)，但不應(yīng)低于4 級(jí).故本研究計(jì)算得出的服務(wù)水平等級(jí)應(yīng)最低滿足4級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

表3 交織區(qū)服務(wù)水平分級(jí)Table 3 Service level classification of weaving area

2.1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算得到集散車(chē)道交織區(qū)長(zhǎng)度見(jiàn)表4. 由式（5）可得Lmax= 4 339 m，可見(jiàn)，不同匝道設(shè)計(jì)速度下得出的所有交織區(qū)長(zhǎng)度均小于Lmax.由V/C值可知，交織區(qū)處于3 級(jí)服務(wù)水平和4 級(jí)服務(wù)水平，滿足集散車(chē)道交織區(qū)服務(wù)水平最低等級(jí)要求.

表4 單車(chē)道集散車(chē)道交織區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果及連續(xù)入出口最小間距推薦值Table 4 Calculation results of weaving length of single lane collector-distributor road and recommended minimum spacing of continuous entrance and exit

2.1.3 最小間距推薦值

因此，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)集散車(chē)道交織區(qū)長(zhǎng)度取整5 m，作為連續(xù)入出口最小間距推薦值.由表4可見(jiàn)，最小間距值隨集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度的減小而減?。划?dāng)集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度相同時(shí)，最小間距值隨匝道設(shè)計(jì)速度的減小而減小.同一集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度下，改變?cè)训涝O(shè)計(jì)速度，最小間距值的變化較小，差值最大僅為105 m，且集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度越小，對(duì)應(yīng)不同匝道設(shè)計(jì)速度的最小間距值差異越小；但在匝道設(shè)計(jì)速度相同時(shí)，對(duì)應(yīng)集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度不同，最小間距值差異很大，如匝道設(shè)計(jì)速度50 km/h 時(shí)，集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度80 km/h 和70 km/h的最小間距值分別為655 m 和310 m，二者相差345 m.可見(jiàn)，集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度與匝道設(shè)計(jì)速度對(duì)連續(xù)入出口最小間距的影響程度不同，集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度的影響更大.

2.2 雙車(chē)道集散車(chē)道型式

雙車(chē)道集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距的計(jì)算方法與單車(chē)道集散車(chē)道相同，主要區(qū)別在于雙車(chē)道集散車(chē)道N= 3.雙車(chē)道集散車(chē)道交織區(qū)長(zhǎng)度見(jiàn)表5.可見(jiàn)，雙車(chē)道集散車(chē)道型式下的7組交織區(qū)長(zhǎng)度LW均小于Lmax，且交織區(qū)處于2級(jí)服務(wù)水平和3級(jí)服務(wù)水平下，滿足集散車(chē)道交織區(qū)服務(wù)水平最低等級(jí)要求.

表5 雙車(chē)道集散車(chē)道交織區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果及連續(xù)入出口最小間距推薦值Table 5 Calculation results of weaving length of two-lane collector-distributor road and recommended minimum spacing of continuous entrance and exit

對(duì)表5 中的交織區(qū)長(zhǎng)度取整5 m，得到雙車(chē)道集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距推薦值.與單車(chē)道集散車(chē)道的結(jié)論相同，雙車(chē)道集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距與集散車(chē)道及匝道設(shè)計(jì)速度均呈正相關(guān)關(guān)系，且集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度對(duì)連續(xù)入出口最小間距的影響更大.

由表4 和表5 可見(jiàn)，雙車(chē)道集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距的推薦值大于單車(chē)道推薦值.雙車(chē)道集散車(chē)道內(nèi)側(cè)車(chē)道上的車(chē)輛需要變換兩次車(chē)道才能從出口匝道駛出，而單車(chē)道集散車(chē)道上的車(chē)輛不變換車(chē)道就能從出口匝道駛出，因此，車(chē)輛完成交織需要的長(zhǎng)度更大.

3 基于VisSim 和SSAM軟件的連續(xù)入出口最小間距的仿真

運(yùn)用VisSim 仿真軟件和交通沖突評(píng)價(jià)模型SSAM 對(duì)連續(xù)入出口最小間距進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證上文給出推薦值的合理性.

利用VisSim軟件構(gòu)建單車(chē)道和雙車(chē)道集散車(chē)道型式下的連續(xù)入出口路段仿真模型（圖3），模型建立前根據(jù)《路線規(guī)范》確定了集散車(chē)道和匝道的設(shè)計(jì)參數(shù)（表6）.為確保模型的準(zhǔn)確性和仿真結(jié)果的真實(shí)性，模型調(diào)整了車(chē)輛期望速度、車(chē)輛組成、交通量、仿真時(shí)間及駕駛行為等參數(shù).集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度分別為80、70 及60 km/h，仿真期望速度輸入值分別為75～90、65～80 及55～70 km/h；匝道設(shè)計(jì)速度分別為50、40 及35 km/h，仿真期望速度輸入值為45～60、35～50 及30～45 km/h.研究車(chē)型為小汽車(chē)和貨車(chē)，比例為4∶1［25］.仿真交通量按匝道的設(shè)計(jì)通行能力確定，匝道設(shè)計(jì)速度為50、40 及35 km/h 時(shí)，交織區(qū)交通量分別為2 400、2 000及1 800 pcu/h.為保證車(chē)流穩(wěn)定，仿真時(shí)間設(shè)置為200～600 s，對(duì)每組間距推薦值仿真運(yùn)行10 次，將10次數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果.根據(jù)駕駛員的實(shí)際心理特征與駕駛行為，將車(chē)道變換行為參數(shù)中的最大減速度、-1 m/s2距離、可接受的減速度、安全折減系數(shù)及協(xié)調(diào)剎車(chē)最大減速度分別調(diào)整為-4 m/s2、50 m、-2 m/s2、0.5和-4 m/s2.

圖3 單車(chē)道和雙車(chē)道集散車(chē)道連續(xù)入出口仿真模型Fig.3 (Color online)Simulation models of continuous entrance and exit of single lane and two-lane collector-distributor road

表6 集散車(chē)道及匝道設(shè)計(jì)參數(shù)Table 6 Design parameters of collector-distributor road and ramp

交通沖突技術(shù)具有周期短、可信度高及定量評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通安全評(píng)價(jià).基于Vis-Sim 的交通沖突是指行駛車(chē)輛與前車(chē)的跟車(chē)距離比期望的車(chē)頭時(shí)距小，此時(shí)可判定車(chē)輛處于交通沖突狀態(tài).交通沖突率為

其中，f為沖突率，單位為次/（pcu·km）-1；TC 為交通沖突次數(shù)；L為行駛車(chē)輛與前車(chē)的間距，采用最小間距推薦值.

本研究選取沖突率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)許源［26］的研究結(jié)果，采用表7的指標(biāo)確定安全等級(jí).基于VisSim仿真得到14組車(chē)輛軌跡文件，通過(guò)SSAM分析車(chē)輛軌跡文件，得到不同間距下的沖突次數(shù)，采用式（10）計(jì)算沖突率.仿真評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表8.

表7 安全水平分級(jí)［26］Table 7 Safety level classification 次·pcu-1·km-1

由表8 可見(jiàn)，集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度為80 km/h 和70 km/h 時(shí)，基于最小間距推薦值的仿真評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)均為安全；集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度為60 km/h、匝道設(shè)計(jì)速度為40 km/h時(shí)，間距推薦值為105 m，評(píng)價(jià)結(jié)果為較安全；集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度為60 km/h、匝道設(shè)計(jì)速度為35 km/h 時(shí)，間距推薦值為95 m，評(píng)價(jià)結(jié)果為臨界安全.因此，設(shè)計(jì)速度越高的集散車(chē)道，連續(xù)入出口最小間距推薦值越大，其安全等級(jí)越高.以上結(jié)果表明，基于沖突率的苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距推薦值均滿足安全要求，仿真結(jié)果驗(yàn)證了間距推薦值的合理性.

表8 集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距推薦值仿真評(píng)價(jià)結(jié)果Table 8 Simulation evaluation results of minimum spacing recommended value for continuous entrance and exit of collector-distributor road

結(jié) 語(yǔ)

本研究基于苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口型式下的車(chē)輛運(yùn)行特性分析，建立連續(xù)入出口最小間距計(jì)算模型，將連續(xù)入出口間距轉(zhuǎn)化為交織區(qū)長(zhǎng)度考慮.通過(guò)計(jì)算交織區(qū)車(chē)輛速度和交織強(qiáng)度等參數(shù)，得到不同集散車(chē)道和匝道設(shè)計(jì)速度組合下的交織區(qū)長(zhǎng)度最小值，提出集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距推薦值，并應(yīng)用VisSim和SSAM軟件對(duì)14組最小間距推薦值進(jìn)行仿真評(píng)價(jià).研究結(jié)果表明，①苜蓿葉立交集散車(chē)道連續(xù)入出口最小間距與集散車(chē)道及匝道的設(shè)計(jì)速度有關(guān)，集散車(chē)道設(shè)計(jì)速度越大，所需的間距越大.同一集散車(chē)道速度下，匝道設(shè)計(jì)速度越大，所需的間距越大；②建議的連續(xù)入出口最小間距安全水平為安全、較安全和臨界安全，故間距推薦值合理；③本研究提出的間距推薦值對(duì)苜蓿葉立交集散車(chē)道的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義.后續(xù)研究可通過(guò)增加實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證間距推薦值的合理性，并增加出入口匝道車(chē)道數(shù)以完善連續(xù)入出口間距的廣泛性.