高速公路出口匝道與城市道路銜接設(shè)計(jì)

李俊龍

（荊州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 荊州 434000）

0 引言

隨著我國交通建設(shè)速度的不斷加快，高速公路出口匝道和城市道路交會(huì)的情況也較為多見，銜接交匯區(qū)域因車流量大和路線設(shè)計(jì)不合理，會(huì)出現(xiàn)明顯的持續(xù)性擁堵，造成大量車輛在匝道區(qū)域排隊(duì)等候，甚至?xí)厮葜粮咚俟仿范?，?yán)重影響高速公路主線路的正常通行。為此，本文主要對(duì)高速公路出口匝道和城市道路銜接段交通運(yùn)行實(shí)際展開深入分析，提出切實(shí)可行的高速公路匝道與城市道路銜接部位交通運(yùn)行優(yōu)化方案。

1 高速公路出口匝道概況

荊州某高速公路G 立交出口匝道為擁堵的主要路段，該路段出口匝道銜接城市道路，其出口匝道分別連接城市道路的中間及內(nèi)外側(cè)車道，根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 37—2012），高速公路匝道坡腳與城市道路停車線之間的距離至少應(yīng)為140m，但實(shí)地勘察結(jié)果顯示，該公路G出口匝道坡腳和下游交叉路口的距離顯然與規(guī)范要求不符，連接段交通運(yùn)行實(shí)際也表明，該高速公路出口匝道和城市道路銜接處的實(shí)際距離不滿足交通正常運(yùn)行的要求。

城市道路在交通高峰期內(nèi)對(duì)大型重型車輛限制通行，故通行車輛中主要為小汽車、小型貨車和客車。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，從該銜接段開始至道路右轉(zhuǎn)段，交通量最大可達(dá)102veh/h；匝道落地點(diǎn)、出口結(jié)束段與交織區(qū)域相距40m、80m 及120m。五個(gè)橫斷面車速均值分別為 35.86km/h、44.35km/h、45.21km/h、32.78km/h 和30.65km/h。由于銜接段長度短，匝道交通和地面道路銜接后存在車輛頻繁更換車道現(xiàn)象，導(dǎo)致銜接段交通紊亂。

2 銜接段參數(shù)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

針對(duì)交通仿真系統(tǒng)，必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)模型的結(jié)合以再現(xiàn)復(fù)雜交通現(xiàn)象，確定交通分析技術(shù)方法。當(dāng)前常用的城市道路交通仿真系統(tǒng)包括宏觀仿真和微觀仿真兩種，前者主要將交通流視為整體流量，基于流體力學(xué)角度進(jìn)行交通模型變化的模擬分析；后者則基于駕駛員及車輛的視角，進(jìn)行車輛關(guān)系確定。本文通過比較不同仿真模型的適用情形，最終選定在交通運(yùn)行領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的VISSIM 模型，既能完成道路模型參數(shù)操作，又能有效展示銜接路段實(shí)際交通特征變化情況。對(duì)于高速公路出口匝道和城市道路銜接路段，車輛變道頻繁且大量均為橫向移動(dòng)狀態(tài)，嚴(yán)重占據(jù)正常行駛車道，影響到上游車輛正常行駛?；诖耍捎肰ISSIM 模型模擬銜接路段車流行為特征，并為車輛行駛尋求更優(yōu)的運(yùn)行環(huán)境。

2.1 駕駛行為

確定仿真模型中與城市道路車輛行為相關(guān)的參數(shù)，再具體判定相關(guān)參數(shù)。本文在采用VISSIM 模型進(jìn)行駕駛行為參數(shù)校正處理的過程中主要分析了仿真軟件中較為明確的駕駛行為針對(duì)行程時(shí)間和排隊(duì)長度的敏感性，并在此基礎(chǔ)上增加了停車距離均值、安全距離、最大減速度等高敏感性參數(shù)，各參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果具體見表1。

表1 駕駛行為參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果

2.2 期望車速

車輛行駛速度將直接影響高速公路出口匝道和城市道路銜接區(qū)域仿真結(jié)果，所以必須進(jìn)行駕駛員期望行駛速度分布曲線參數(shù)仿真試驗(yàn)。駕駛員所期望的車速指車輛在不受其余車輛影響的情況下其所期望并能達(dá)到的最佳安全車速。本文在進(jìn)行該參數(shù)標(biāo)定時(shí)主要以銜接段實(shí)際調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，并結(jié)合仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行。在車流量處于高峰期時(shí)，其余車輛所帶來的行程約束將明顯增大，所對(duì)應(yīng)的行車速度必將低于期望車速。為此，進(jìn)行期望車速調(diào)查時(shí)必須避開車流量較大的時(shí)間段，選擇平峰數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。根據(jù)所收集到的平峰時(shí)段具體數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真期間多次調(diào)查結(jié)果進(jìn)行期望車速分布曲線擬合。該高速公路出口匝道路段對(duì)大貨車有交通限制，故進(jìn)行期望車速標(biāo)定時(shí)主要以小汽車和公交車為主。最后結(jié)合視頻錄像對(duì)該銜接段平峰時(shí)期車輛行駛速度進(jìn)行采集分析，所確定出的累計(jì)頻率情況詳見表2。

表2 平峰時(shí)期銜接段車輛運(yùn)行速度累計(jì)頻率

2.3 車輛轉(zhuǎn)向及交織比

在高速公路出口匝道和城市道路銜接段車輛交會(huì)過程中，應(yīng)保證期望車道變換逐漸實(shí)現(xiàn)，為此，必須解決車輛左轉(zhuǎn)、直行及右轉(zhuǎn)等行為的關(guān)系。應(yīng)用VIS?SIM 仿真模型進(jìn)行以上情況處理的過程中，應(yīng)通過路徑設(shè)置達(dá)到行車步入期望行駛方向的目的，對(duì)于匝道及輔道情況，應(yīng)通過調(diào)整各種類型行車目的地比例以實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向調(diào)整。

2.4 限速設(shè)置

車輛在該銜接區(qū)域內(nèi)經(jīng)過交叉口時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制行車速度，在仿真模型中應(yīng)加強(qiáng)特定期望車速的合理設(shè)置，并通過減速區(qū)域輔助期望速度設(shè)定。

3 銜接段通行能力仿真分析

結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以該高速公路G出口匝道銜接區(qū)段通行能力為基礎(chǔ)，分析影響其通行能力的可能因素。

3.1 交叉口通行能力

目前，有關(guān)道路交叉口通行能力的計(jì)算方法并不統(tǒng)一，為避免僅將分析重點(diǎn)放在交叉口通行能力分析上，而忽略對(duì)其他因素的考慮，本研究主要采用停車線法，即以停車線所在橫斷面為截面計(jì)算經(jīng)過交叉口的車輛數(shù)量[1]。

單車道通行能力按照式（1）確定：

式中：N直為單車道通行能力；Tc為信號(hào)周期；tg為一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)直行綠燈時(shí)間（s）；t損為一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)綠燈損失時(shí)間（s），主要指停止線前方首輛車輛在綠燈后啟動(dòng)及加速所損失的時(shí)間，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，無倒計(jì)時(shí)時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間為2s，有倒計(jì)時(shí)時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間為1.5s；而加速損失時(shí)間通過v/2a計(jì)算，其中v為經(jīng)過交叉口的直行車輛運(yùn)行速度，取15km/h，a為車輛加速度，小汽車、中型客貨車、大型客貨車分別取0.6～0.7m/s2、0.5～0.6m/s2、0.4～0.5m/s2；ti為直行車輛經(jīng)過停車線時(shí)車頭時(shí)間距離（s），取2.5s。

左轉(zhuǎn)車道通行能力的計(jì)算過程同上，只是公式中tg表示一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間，其余參數(shù)均取相同含義。

右轉(zhuǎn)車道通行能力按照式（2）確定：

式中：N右為右轉(zhuǎn)車道通行能力；ti右為右轉(zhuǎn)車輛經(jīng)過停止線時(shí)車頭時(shí)間距離（s），只有小汽車以及大小車型混行時(shí)分別取3.0～3.6s、4.5s。

3.2 銜接段通行能力

對(duì)于銜接路段如果存在至少兩個(gè)車輛頻繁變道，則很容易引發(fā)停車或減速；如果這種情況出現(xiàn)在交通運(yùn)行高峰期間，則會(huì)嚴(yán)重影響交通運(yùn)行效率?；谙掠谓徊婵谕ㄐ心芰?gòu)建匝道與城市道路銜接段交通通行能力計(jì)算模型[2]，見式（3）：

式中：C為匝道與城市道路銜接段交通通行能力；C0為車輛變道影響范圍內(nèi)進(jìn)口車道的通行能力；γ為銜接區(qū)通行能力折減系數(shù)；C1為無車輛變道影響的進(jìn)口車道通行能力。

為保證模型分析的準(zhǔn)確性，還應(yīng)進(jìn)行以下方面的假設(shè)：①進(jìn)出口匝道過渡區(qū)域特定長度范圍內(nèi)如能快速實(shí)現(xiàn)車輛分流，則地面右轉(zhuǎn)車輛便會(huì)逐漸匯入直行車道；②交織區(qū)域變道只影響換入目標(biāo)車道和本車道通行。針對(duì)所構(gòu)建起的通行能力計(jì)算模型，銜接區(qū)通行能力折減系數(shù)γ的取值至關(guān)重要；此外，還應(yīng)對(duì)地面交通情況和銜接段交織長度進(jìn)行綜合分析。

（1）折減系數(shù)γ的影響因素

通過VISSIM 仿真模型進(jìn)行折減系數(shù)γ及其主要影響因素關(guān)系的分析，再通過公式（4）計(jì)算：

γ的具體取值，結(jié)合相關(guān)分析，道路銜接段通行能力折減系數(shù)仿真模擬結(jié)果具體見表3，由表3 中數(shù)據(jù)可以看出銜接段通行能力和交織比的具體關(guān)系。

表3 銜接段通行能力折減系數(shù)仿真模擬結(jié)果

通過分析交織區(qū)域長度不同情況下銜接段通行能力和交織比的具體關(guān)系可以看出，交織區(qū)域長度分別為100m 和150m 時(shí)，道路右轉(zhuǎn)交通量比VR 和通行能力折減系數(shù)γ之間相似度較高，采用Origin 進(jìn)行兩者函數(shù)關(guān)系曲線的擬合后表示如式（5）：

式中：A、Z均為系數(shù)項(xiàng)；Z為交織區(qū)域長度Lw的函數(shù)，為得到交織區(qū)域長度、交織比及通行能力折減系數(shù)間的關(guān)系，將該公路段數(shù)據(jù)取值代入公式計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 不同交織區(qū)域長度下Z的取值

根據(jù)表4 中的計(jì)算結(jié)果可以看出，Z和交織區(qū)域長度Lw之間存在的函數(shù)關(guān)系可以表示如式（6）。

式中：B、C均為模型系數(shù)。

（2）折減系數(shù)γ的模型構(gòu)建

通過以上分析可以得出高速公路出口匝道和城市道路銜接段通行能力折減系數(shù)的模型，表示如式（7）：

該模型經(jīng)過回歸分析可以寫成式（8）：

通過對(duì)高速公路G出口匝道和城市道路銜接段的實(shí)地調(diào)查，銜接區(qū)段存在兩個(gè)交通異常擁堵的高峰時(shí)段，將調(diào)查所得到的路面右轉(zhuǎn)比例及銜接區(qū)段交織區(qū)長度等交通數(shù)據(jù)帶入所構(gòu)建的模型中進(jìn)行處理計(jì)算，并將結(jié)果與實(shí)時(shí)交通量進(jìn)行比較，具體結(jié)果詳見表5。通過表中結(jié)果的比較可以看出，兩者評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差僅為3.76%，屬于可接受水平，也說明本文所構(gòu)建的仿真模型比較接近該公路G出口匝道銜接段交通運(yùn)行實(shí)際。

表5 銜接段通行能力評(píng)價(jià)結(jié)果比較

4 高速公路出口匝道與城市道路銜接設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，在進(jìn)行高速公路出口匝道處交通量預(yù)測(cè)及仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行該高速公路出口匝道與城市道路銜接的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，該高速公路在平峰狀態(tài)下交通量為正常水平，但遇到高峰時(shí)段，便會(huì)出現(xiàn)交通擁堵。造成交通擁堵主要有以下幾方面原因：G 立交南側(cè)未設(shè)置左轉(zhuǎn)匝道，使下行交叉口大量車輛掉頭；匝道車流和城市道路車輛互相影響，使得擁堵更加嚴(yán)重。

4.1 模型參數(shù)設(shè)置

結(jié)合交通運(yùn)行數(shù)據(jù)及實(shí)地勘察結(jié)果，下匝道與城市道路交叉口車輛運(yùn)行速度緩慢，自由流平均速度僅為35km/h，在綜合考察停車車頭間距和車身標(biāo)準(zhǔn)長度后，根據(jù)3s 的仿真步長，最終確定出的車身長度為6m[3]。仿真模型參數(shù)具體見表6。

表6 仿真模型參數(shù)設(shè)置

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

該高速公路G出口匝道和城市道路銜接段在高峰期間出現(xiàn)明顯的排隊(duì)和擁堵現(xiàn)象，為進(jìn)行路段優(yōu)化設(shè)計(jì)，還對(duì)其交通流進(jìn)行了調(diào)查，具體見表7。為在交通量飽和情況下優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，選擇高峰時(shí)段流量為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表7 高峰期間銜接段交通流量

基于VISSIM 模型和該高速公路G 出口匝道各項(xiàng)參數(shù)，在充分考慮外部交通需求的基礎(chǔ)上展開方案優(yōu)化仿真分析，并依托仿真時(shí)間前移進(jìn)行路網(wǎng)加載，并在優(yōu)化處理前進(jìn)行路網(wǎng)初始化，以保證路網(wǎng)穩(wěn)定。針對(duì)當(dāng)前部分車輛在此處掉頭的問題，進(jìn)行道路平面改造；或是將G立交南進(jìn)口處左轉(zhuǎn)的車輛引流至其余路段，減少交叉路口交通運(yùn)行交織強(qiáng)度，保證通行效率。

4.3 優(yōu)化效果

按照以上思路進(jìn)行該高速公路G出口匝道和城市道路銜接段交叉路口優(yōu)化處理后，通過仿真模型分析，匝道銜接段、重型車道及左轉(zhuǎn)車道排隊(duì)擁堵現(xiàn)象得到有效緩解；優(yōu)化前的進(jìn)口交叉區(qū)為交通量飽和度最高的區(qū)域，在未采取引流措施時(shí)，高峰時(shí)段匝道排隊(duì)長度一度達(dá)到128m，左轉(zhuǎn)流鏈排隊(duì)長度124m，導(dǎo)致匝道左轉(zhuǎn)車流很難有效通行，排隊(duì)長度溢出。優(yōu)化措施實(shí)施后，左轉(zhuǎn)車道排隊(duì)問題得到有效解決，排隊(duì)長度僅為60m左右，該高速公路G出口匝道和城市道路銜接段通行效率顯著提升。

5 結(jié)語

結(jié)合本文分析結(jié)果，造成實(shí)例高速公路G出口匝道和城市道路銜接段交通擁堵的主要原因在于下游交叉口交通組織方式安排不合理，本研究基于相應(yīng)的交通組織方案進(jìn)行了銜接段交通仿真實(shí)驗(yàn)以及交通運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所提出的遠(yuǎn)引左轉(zhuǎn)并設(shè)置調(diào)頭車道、引流掉頭車輛的方案實(shí)施后，對(duì)于簡化該銜接段交通運(yùn)行復(fù)雜交織問題、解決高峰時(shí)段交通擁堵問題作用十分明顯，可為同類道路銜接段及交叉口設(shè)計(jì)提供借鑒。