城市快速路互通立交交織區(qū)長度可靠性設(shè)計

張 航,段和柱,儲澤宇

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,湖北 武漢 430063)

0 引 言

互通立交交織區(qū)作為城市快速路系統(tǒng)的重要組成部分,是發(fā)揮交通功能的瓶頸區(qū)以及交通事故的多發(fā)區(qū)。當(dāng)城市快速路互通立交的匝道出入口間距不能滿足規(guī)范要求時,通常需要在相鄰入口和出口間增設(shè)輔助車道,互通立交區(qū)域內(nèi)的車輛會在輔助車道及相鄰車道間發(fā)生交織行為,這要求該輔助車道最小長度應(yīng)符合車輛完成車道變更行為所需要的距離(即該輔助車道的長度需要滿足交織區(qū)的長度),并與城市快速路整體的道路通行能力相適應(yīng)。若交織區(qū)長度過小,會嚴(yán)重影響城市快速路的道路通行能力,甚至造成交通事故;若交織區(qū)長度過大,雖然可以提高互通立交整體的通行效率,但會導(dǎo)致占地面積大且工程造價更高。因此,應(yīng)從交通安全、道路通行能力等角度綜合考慮來確定合理的交織區(qū)長度。

目前,學(xué)者對城市快速路交織區(qū)內(nèi)的通行能力以及交織區(qū)長度廣泛的研究。周榮貴等[1]通過對國內(nèi)城市快速路交織區(qū)通行能力的研究分析,并借鑒和吸收美國HCM2010交織區(qū)運行分析方法的相關(guān)規(guī)定,出版了《公路通行能力手冊》(簡稱《手冊》);周晨靜等[2]以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對《手冊》中交織區(qū)內(nèi)的速度計算模型進(jìn)行了適用性分析,發(fā)現(xiàn)模型在城市快速路中同側(cè)交織區(qū)擬合度較高。上述研究發(fā)現(xiàn),《手冊》中借鑒美國HCM2010交織區(qū)的相關(guān)方法進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和修正所用的實測數(shù)據(jù)均來自城市快速路交織區(qū),因此《手冊》中交織區(qū)的相關(guān)分析方法普遍適用于城市快速路交織區(qū),但當(dāng)城市快速路交織區(qū)出現(xiàn)過飽和交通流、交織區(qū)限速、交織區(qū)應(yīng)用智能交通系統(tǒng)、下游堵塞或需求匱乏、多重交織區(qū)等情況時,《手冊》中交織區(qū)的相關(guān)方法將不再適用。

孟祥燕[3]把交織區(qū)長度作為通行能力的主要影響因素,建立交織區(qū)通行能力線性優(yōu)化模型,得出不同交織區(qū)長度時對應(yīng)的通行能力值;徐艷等[4]通過建立以密度為指標(biāo)評價交織區(qū)服務(wù)水平計算模型,得到滿足某一服務(wù)水平和交織流量下所需的最小交織區(qū)長度。這些研究均是基于實例進(jìn)行分析,得到滿足某服務(wù)水平下交織區(qū)長度和交織區(qū)總流量之間關(guān)系,從而得出相應(yīng)的交織區(qū)長度。在研究交織區(qū)高效運行、相關(guān)道路指標(biāo)取值滿足規(guī)范的同時,該道路指標(biāo)是否能保證其設(shè)計安全,且安全水平有多高,在現(xiàn)階段所有規(guī)范中均未具體的說明且缺少直接方法確定交織區(qū)長度。特別是交織區(qū)長度在CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》[5](簡稱《規(guī)范》)中只給出相對范圍(150～750 m),對相應(yīng)設(shè)計速度下的交織區(qū)長度未給出明確值,因此當(dāng)受到道路條件限制,設(shè)計人員往往憑經(jīng)驗確定交織區(qū)長度時,其設(shè)計指標(biāo)的預(yù)期安全效果將會不太明確。F.P.D.NAVIN等[6]最先將可靠性理論引入到道路工程中去,并采用相關(guān)案例進(jìn)行說明。游克思等[7]通過構(gòu)建基于質(zhì)點模型的側(cè)滑失效功能函數(shù),評價了車輛在曲線段的安全可靠性。仉文崗等[8]運用可靠度理論相關(guān)知識對隧道的施工過程以及運營過程展開分析。

鑒于此,筆者將結(jié)合可靠度理論知識,對交織區(qū)長度進(jìn)行安全可靠性分析,采用可靠度指標(biāo)和失效概率將交織區(qū)長度安全可靠性進(jìn)行量化研究。同時基于現(xiàn)有研究成果及《手冊》交織區(qū)中的相關(guān)方法,構(gòu)建交織區(qū)長度計算模型;結(jié)合可靠度理論知識,依托交織區(qū)長度計算模型,建立可靠度功能函數(shù);在不同設(shè)計速度下用該函數(shù)檢驗《規(guī)范》中最小交織區(qū)長度的可靠性;并用可靠度指標(biāo)和失效概率對該指標(biāo)進(jìn)行評價;在滿足三級服務(wù)水平的條件下,根據(jù)城市快速路所采用的目標(biāo)可靠指標(biāo),反算得出不同設(shè)計速度下相對應(yīng)的交織區(qū)長度推薦值。

1 互通立交交織區(qū)長度確定

1.1 互通立交交織區(qū)安全分析

A型交織區(qū)是我國城市快速路互通立交中最為典型交織構(gòu)型如圖1,其中A型交織區(qū)主要分布在互通立體交叉中的苜蓿葉立交、環(huán)形立交的匝道出入口間及快速路主輔路的出入口間。根據(jù)《手冊》中對A型交織區(qū)的分析,駕駛員為到達(dá)期望車道至少需進(jìn)行一次車道變更行為[5]。在A型交織區(qū)內(nèi),交織車輛的車速、道路通行能力及安全可靠性均會隨交織區(qū)長度增加而提高。在交織區(qū)總流量及交織流量比一定的條件下,主線為雙向四車道的交織區(qū)內(nèi)可實現(xiàn)路徑變更的車道數(shù)最少,其道路通行能力也最差[5]。因此,A型交織區(qū)內(nèi),在主線車道設(shè)計為單向兩車道,輔助車道為單車道(即交織區(qū)內(nèi)可用的交織車道數(shù)為3的情況下)這種最不利的條件下,計算所得到的交織區(qū)長度在應(yīng)用時最為安全。

圖1 A型交織區(qū)

根據(jù)《規(guī)范》可知,當(dāng)主線設(shè)計速度為100 km/h時,在交織區(qū)總流量以及交織流量比相同的情況下,其滿足所需服務(wù)水平的交織區(qū)長度最長,這表明設(shè)計速度越大,越不利于交織車輛完成變更路徑行為,所需的交織區(qū)長度越長。根據(jù)實地調(diào)查數(shù)據(jù),交織車道數(shù)為3的A型交織區(qū)的最大交織流量比為0.45。由《規(guī)范》可知,城市快速路基本路段交通安全、順暢行駛的要求是滿足三級服務(wù)水平,由于《規(guī)范》中未對交織區(qū)的服務(wù)水平和交通密度做出特殊規(guī)定,因此交織區(qū)內(nèi)服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)也采用三級服務(wù)水平(采用三級服務(wù)水平上限值進(jìn)行研究,即每車道車流密度為32.0 pcu/km),這樣做也是偏于安全的。則可根據(jù)在滿足三級服務(wù)水平的條件下,可求得交織區(qū)中最大服務(wù)交通量,結(jié)果見表1。

表1 互通立交交織區(qū)基本數(shù)據(jù)設(shè)定

1.2 城市快速路交織區(qū)長度計算模型

《規(guī)范》中規(guī)定交織區(qū)長度為150～750 m。規(guī)范認(rèn)為,在城市快速路系統(tǒng)中若交織區(qū)長度低于150 m,此情況與無信號交叉口類似,可視為無信號交叉口做出研究分析;若交織區(qū)長度高于750 m,此情況下車輛有足夠機(jī)會去完成交織所需的車道變更行為,相當(dāng)于一般路段變更車道現(xiàn)象,與基本路段無明顯差別。筆者研究了《規(guī)范》中所提供的最小交織區(qū)長度在道路設(shè)計中的安全可靠性,并在給定服務(wù)水平條件下,反算出不同設(shè)計速度下相對應(yīng)的一個交織區(qū)長度推薦值,供在城市快速路互通立交確定合理的交織區(qū)長度設(shè)計進(jìn)行參考。圖2為城市快速路互通立交交織區(qū)長度計算流程。

結(jié)合我國城市快速路實際情況,將道路服務(wù)水平(車流密度指標(biāo))作為約束條件,在上述分析最不利的情況下構(gòu)建出交織區(qū)長度計算模型,利用MATLAB進(jìn)行腳本代碼的編寫來實現(xiàn)該模型的計算。具體建模思路為:

根據(jù)《手冊》交織區(qū)相關(guān)公式,推導(dǎo)出交織區(qū)長度的計算公式,在三級服務(wù)水平的條件下,求得該交織區(qū)內(nèi)的最大交通流量,輸入A型交織區(qū)最不利交通參數(shù),得到對應(yīng)于某一車流密度下的交織區(qū)長度。

圖2 城市快速路交織區(qū)長度計算流程

根據(jù)以上思路,城市快速路交織區(qū)長度的計算模型如下:

1)交織強(qiáng)度系數(shù)Wi

(1)

式中:Q為交織區(qū)總流量,pcu/h;Qr為流量比;L為交織區(qū)長度,m;N為交織區(qū)內(nèi)總車道數(shù);a、b、c、d為標(biāo)定的常數(shù),可參照《手冊》,如表2;Q為交織區(qū)總流量,pcu/h。

當(dāng)i=w時,即Ww為交織車流交織強(qiáng)度系數(shù);當(dāng)i=nw時,即Wnw為非交織車流交織強(qiáng)度系數(shù)。

表2 計算交織強(qiáng)度系數(shù)時的常量

2)交織與非交織車速Vi

(2)

式中:VFF為基本路段的平均自由流速度,km/h。

當(dāng)i=w時,即Vw為交織車輛區(qū)間平均速度,km/h;當(dāng)i=nw時,即Vnw為非交織車輛區(qū)間平均速度,km/h。

3)交織區(qū)速度V

(3)

式中:Qnw為交織區(qū)非交織流量,pcu/h。

4)車流密度K

(4)

5)交織區(qū)長度Ls

(5)

城市快速路交織區(qū)路段內(nèi)交織區(qū)總流量可以分為4種方向的OD需求,即Q=QFF+QFR+QRF+QRR,如圖3。

圖3 交織區(qū)內(nèi)OD需求

主線到主線(freeway-to-freeway,FF),流量為QFF;主線到匝道(freeway-to-ramp,FR),流量為QFR;匝道到主線(ramp -to- freeway, RF),流量為QRF;匝道到匝道(ramp-to-ramp,FR),流量為QRR。通過不斷調(diào)整各種流向的流量即可得到應(yīng)用于不同類型城市快速路交織區(qū)長度的計算模型。如輸入交織區(qū)總流量時QRR=0,而其他流向的交織區(qū)流量不變,可得到只進(jìn)不出的城市快速路互通交織區(qū)長度計算模型;輸入交織區(qū)總流量時QRF=0,其他流向的交織區(qū)流量不變,可得到只出不進(jìn)的城市快速路互通交織區(qū)長度計算模型。

2 基于可靠度理論的交織區(qū)分析

2.1 建立可靠度功能函數(shù)

交織區(qū)長度的作用,在于讓交織車輛的駕駛員在有限的時間和空間內(nèi)實現(xiàn)行駛路徑變更,到達(dá)自己的期望車道[9]。交織區(qū)長度可靠性分析在應(yīng)用可靠性理論知識時可闡述為:當(dāng)交織車輛的駕駛?cè)嗽诮豢梾^(qū)進(jìn)行行駛,車輛需要在有限的交織區(qū)長度內(nèi)實現(xiàn)行駛路徑變更,為使得駕駛員能夠按照自己的期望車速進(jìn)行車道變換,需要有合適的交織區(qū)長度,這個交織區(qū)長度就是駕駛?cè)笋{駛汽車行駛在道路上為保證行車安全所需的交織區(qū)長度,可視為可靠性理論中的需求(與結(jié)構(gòu)中的荷載效應(yīng)相類似);而由道路為駕駛?cè)怂峁┑慕豢梾^(qū)長度,在筆者研究中取規(guī)范中的下限(與結(jié)構(gòu)中的抗力相類似)。因此,根據(jù)可靠度相關(guān)理論,可用式(6)描述交織區(qū)長度的可靠度功能函數(shù)C:

C=f(L)=LR-LS

(6)

式中:LR為交織區(qū)長度在《規(guī)范》中的范圍下限值;LS為保證行車安全所需的交織區(qū)長度。

在可靠度理論中通常采用可靠概率Ps、失效概率Pf、可靠指標(biāo)β來進(jìn)行衡量。β與Ps、Pf這3項指標(biāo)具有一一對應(yīng)的關(guān)系,即可靠指標(biāo)β越大,可靠概率Ps越大,失效概率Pf反而越小。

2.2 可靠度功能函數(shù)參數(shù)分析

可靠度功能函數(shù)中涉及的變量較多,現(xiàn)將交織車輛區(qū)間平均速度、交織區(qū)基本路段的平均自由流速度作為隨機(jī)變量。

a、b、c、d與交織類型有關(guān),確定其類型后,可將之作為確定性變量;在分析確定交織區(qū)中車道數(shù)的最不利情況是在約束運行的條件下,主線為單向雙車道,輔助車道為單車道的形式,且根據(jù)實地調(diào)查數(shù)據(jù),三車道A型交織段的最大交織流量比為0.45,即Qr=0.45、N=3;Q交織區(qū)總流量則是根據(jù)所對應(yīng)道路服務(wù)水平等級求得最大交織流量。因此,以上這些變量均可視為確定性變量。

目前,大多數(shù)研究認(rèn)為在城市快速路交織區(qū)內(nèi),交織車輛區(qū)間平均速度、交織區(qū)基本路段的平均自由流速度基本服從正態(tài)分布。經(jīng)過對武漢市快速路交織區(qū)進(jìn)行實地調(diào)研,利用雷達(dá)微波監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測參數(shù)包括以車道為基礎(chǔ)的流量、速度等。在進(jìn)行交織區(qū)選擇時,應(yīng)選擇與研究對象相一致的帶有輔助車道的典型A型交織區(qū),以及能夠較好的監(jiān)測出交織區(qū)及與其相連的入匝道、出匝道交通流數(shù)據(jù)的地點。將采集到的城市快速路交織車輛區(qū)間平均速度和交織區(qū)基本路段的平均自由流速度作為統(tǒng)計樣本,經(jīng)SPSS軟件K-S檢驗得到以下正態(tài)參數(shù),如表3。

表3 運行速度統(tǒng)計正態(tài)參數(shù)

2.3 交織區(qū)長度可靠度

通過對以上各變量的研究與分析,采用式(6)建立交織區(qū)長度可靠度功能函數(shù),檢驗我國現(xiàn)有規(guī)范中最小交織區(qū)長度的可靠性。目前,用可靠度理論知識結(jié)合城市快速路相關(guān)的設(shè)計研究較少,《規(guī)范》中沒有對在城市快速路中的可靠度應(yīng)用做出明確規(guī)定,一般來講,由于交織區(qū)長度不足引發(fā)交通沖突頻發(fā)程度,及車輛行駛的安全情況受到威脅程度與由路面結(jié)構(gòu)引發(fā)的事故程度相近,因此可以借鑒JTG 2120—2020《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[10]中對路面結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度的規(guī)定,應(yīng)用于筆者模型進(jìn)行求解,如表4。

表4 不同城市道路等級的目標(biāo)可靠性

現(xiàn)在以主線設(shè)計速度為100 km/h時,對最小交織區(qū)長度可靠度進(jìn)行分析為例展開計算。

在Qr=0.45時,假設(shè)該城市快速路交織區(qū)每車道車流密度K=32.0 pcu/km,根據(jù)道路服務(wù)水平和最大交通流量一一對應(yīng)的關(guān)系,可知該交織區(qū)的最大交織流量為4 480 pcu/h。交織區(qū)長度可靠性功能函數(shù)中采用的參數(shù)變量見表3。

采用交織區(qū)長度可靠度功能函數(shù)C,通過蒙特卡羅法計算其最小交織區(qū)長度的失效概率,式中LR=150 m,LS為的最小交織區(qū)長度計算如式(5),利用MATLAB進(jìn)行計算,見表5。

表5 LR=150 m時交織區(qū)長度對應(yīng)可靠度計算

在主線設(shè)計速度為100 km/h的條件下,通過分析及表3可知,若交織區(qū)長度采用的是現(xiàn)行規(guī)范的最小值即LR=150 m時,其可靠度指標(biāo)β≈0.625 6;失效概率Pf≈26.65%;可靠概率Ps≈73.35%,因此《規(guī)范》中最小交織區(qū)長度可靠性在一定程度上沒有符合安全等級為一級的可靠度要求(表4)。

同理,按照上述得分析步驟,亦可利用最小交織區(qū)長度可靠度功能函數(shù)計算出設(shè)計速度為80、60 km/h時現(xiàn)行規(guī)范中最小交織區(qū)長度的可靠度,結(jié)果如表6。

表6 可靠度功能函數(shù)計算結(jié)果

通過對表6數(shù)據(jù)的分析,在設(shè)計速度為100、80、60 km/h時,當(dāng)采取現(xiàn)行規(guī)范中交織區(qū)長度的最小值LR=150 m時的失效概率Pf分別為26.65%、21.62%、15.64%,可靠概率Ps分別為73.35%、79.38%、84.36%,參考表4可知,采用該值作為最小交織區(qū)長度的安全可靠性在一定程度上沒有滿足安全等級為一級的安全可靠要求。因此,經(jīng)筆者構(gòu)建的交織區(qū)長度可靠度功能函數(shù)的檢驗,得出現(xiàn)行規(guī)范中所規(guī)定的交織區(qū)長度范圍的最小值可靠概率較低,即安全可靠性較低。

3 基于可靠度的交織區(qū)長度

現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定新建城市快速路的設(shè)計應(yīng)采用三級服務(wù)水平,可根據(jù)滿足三級服務(wù)水平條件下,求出不同設(shè)計速度下交織區(qū)內(nèi)總交通流量。由表4可知,城市快速路相對應(yīng)的安全等級為一級,經(jīng)過對已知相關(guān)參數(shù)變量的分析,反算筆者構(gòu)建的交織區(qū)長度可靠度功能函數(shù),從而得出所對應(yīng)指標(biāo)下道路所提供的交織區(qū)長度LR,所得對應(yīng)數(shù)據(jù)見表7。

表7中的計算是在可靠概率95%的條件下進(jìn)行反算,結(jié)果表明:當(dāng)設(shè)計速度為100、80、60 km/h時,交織區(qū)長度的推薦值為400、370、350 m。

表7 交織區(qū)長度計算值及推薦選用值

4 實例分析

以某立交下游(由西向東方向)A型交織區(qū)為例,進(jìn)行交織區(qū)長度可靠性分析,使用雷達(dá)槍,攝像機(jī)等儀器,通過錄像并輔以人工調(diào)查獲取交通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù),其中主線車道數(shù)為雙向四車道,設(shè)計速度為80 km/h;匝道車道數(shù)為單向一車道,設(shè)計速度為40 km/h,數(shù)據(jù)整理如表8。

表8 交織區(qū)交通流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

4.1 計算過程

基于實地所收集到的交通流數(shù)據(jù),利用交織區(qū)長度對應(yīng)的可靠度功能函數(shù),進(jìn)行MATLAB計算,從而得到其交織區(qū)長度的失效概率,并得到滿足目標(biāo)可靠度指標(biāo)為1.64(即可靠概率為95%)所需的交織區(qū)長度。采用車流密度作為評價指標(biāo),將實例中所采用的交織區(qū)長度、滿足目標(biāo)可靠度指標(biāo)為1.64所需的交織區(qū)長度以及表7中相對應(yīng)的推薦交織區(qū)長度進(jìn)行對比分析。計算結(jié)果見表9。

4.2 結(jié)果分析

1)經(jīng)過對表9的結(jié)果進(jìn)行分析可知,交織區(qū)長度為160 m時容易造成路段的擁堵,這與該路段高峰時期經(jīng)常發(fā)生擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重的事實相吻合。若采用交織區(qū)長度363.12 m,在一定程度上可以緩解交通擁堵嚴(yán)重這個問題。

2)通過對表9中95%交織區(qū)長度以及表7中交織區(qū)推薦值的對比,發(fā)現(xiàn)在安全等級為一級時,即可靠概率95%的條件下進(jìn)行反算出的交織區(qū)長度,可以看出其較好地符合表7中基于可靠度理論的交織區(qū)長度推薦選用值。

5 結(jié) 語

根據(jù)我國《公路通行能力手冊》中對交織區(qū)的相關(guān)理論知識,構(gòu)建了城市快速路互通立交交織區(qū)長度計算模型,以該模型為基礎(chǔ)并引入可靠度理論知識建立最小交織區(qū)長度可靠度功能函數(shù),檢驗現(xiàn)行規(guī)范中交織區(qū)長度最小值的可靠性,發(fā)現(xiàn)其可靠概率較低不滿足安全等級為一級的可靠性要求。根據(jù)在可靠概率95%的條件下即滿足一級安全等級的前提下進(jìn)行反算,求解得出不同設(shè)計速度下相應(yīng)地基于可靠度理論知識的交織區(qū)長度推薦選用值。鑒于目前對城市快速路互通立交交織區(qū)長度沒有明確的計算方法,在對以輔助車道相連的交織區(qū)長度設(shè)計時,為保證車輛完成車道變更行為所需要的距離且與城市快速路整體的道路通行能力相適應(yīng)的要求,研究結(jié)論作為交織區(qū)長度設(shè)計取值的參考。