城市立交交織區(qū)交通運(yùn)行特性和改善方法

程鈺 于春艷 靳露

收稿日期：2024-03-11

作者簡介：程鈺（1979—），男，博士，教授，研究方向：巖土工程，低碳交通。

通信作者：靳露（1980—），女，碩士，講師，研究方向：交通控制，低碳交通。

摘要 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷向前邁進(jìn)，農(nóng)村人口不斷向城市涌入，機(jī)動(dòng)車的數(shù)量也不斷增加。盡管城市道路不斷建設(shè)，但是仍出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，于是在城市道路建設(shè)中出現(xiàn)了縱向分離。為了解決城市道路的一些問題，在城市中修建立交，讓城市在橫向和縱向兩個(gè)方向都進(jìn)行分離。文章對(duì)城市立交交織區(qū)進(jìn)行了研究，有利于城市交通的順暢運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 交織區(qū)；運(yùn)行特性；改善方法

中圖分類號(hào) U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0021-04

0 引言

我國對(duì)交織區(qū)的研究起步比較晚，起初主要是參考國外其他學(xué)者的研究成果，然后對(duì)我國的交織區(qū)進(jìn)行分析。1975年國外學(xué)者Pignataro等人[1]通過回歸分析的方法估計(jì)出了交織車輛和非交織車輛的速度估計(jì)方程；2000年Lertworawanich等人[2]通過特定的方法研究了A型和B型交織區(qū)的通行能力；張雪榆等人[3]（2020）對(duì)城市車道交織區(qū)的微觀駕駛行為特征進(jìn)行了分析。之后的幾年國外對(duì)交織區(qū)的研究主要集中在交織區(qū)的長度、交織區(qū)的車道數(shù)等一些影響交織區(qū)的因素，還對(duì)交織區(qū)的交通運(yùn)行特性，對(duì)速度、密度和流量之間的關(guān)系等進(jìn)行了研究。

1 城市立交交織區(qū)交通運(yùn)行特性分析

交織區(qū)是道路系統(tǒng)的重要組成部分。交織的定義[1]為行駛方向大致相同的兩股或多股車流，沿著相當(dāng)長的路段，不借助于交通控制設(shè)施（交通引導(dǎo)標(biāo)識(shí)除外）而形成的交叉。在同一方向上的兩股或多股交通流交叉運(yùn)行時(shí)形成交織區(qū)[4]。

1.1 交織區(qū)流量特性

1.1.1 交織區(qū)流量分布特性

根據(jù)晚高峰流量觀測(cè)，為了方便交織區(qū)上游基本路段、下游基本路段、入口匝道和出口匝道的交通量的變化，分別統(tǒng)計(jì)了交織區(qū)單位小時(shí)的交通量，如表1所示。

表1 交織區(qū)交通量匯總

名稱 交通量/（輛/h）

交織區(qū)上游 1 560

交織區(qū)下游 1 164

入口匝道 660

出口匝道 1 080

由表1可知，入口匝道和出口匝道的交通量相差較大，出口匝道的交通量遠(yuǎn)大于入口匝道的交通量，說明經(jīng)過交織區(qū)變換車道的車輛大多數(shù)是進(jìn)入主線行駛；交織區(qū)上游的交通量遠(yuǎn)大于交織區(qū)下游的交通量。

1.1.2 交織流量比和交織比特性

交織流量比是指交織區(qū)內(nèi)交織交通量和總交通量的比值。交織流量比能夠反映交織區(qū)交織車輛相對(duì)數(shù)目的多少，而交織比能夠反映兩個(gè)交織方向的交織車輛相對(duì)行駛的車輛數(shù)目。

表2 交織流量比與交織比

時(shí)間 0～5 5～10

交織流量比 0.6 0.9

交織比 0.4 0.3

從表2可以看出，兩個(gè)時(shí)段的交織交通量分布不平衡，前段時(shí)間車流量較大，交織不能順暢完成；而后段時(shí)間內(nèi)兩個(gè)方向的交織車輛的數(shù)目不同，交織不平衡，駛出交織區(qū)的交通量要比駛?cè)虢豢梾^(qū)的交通量多。通過交織流量比可以明顯地看出，交織車輛在交織區(qū)總交通量的所占比例越大，交織車輛就會(huì)相對(duì)增加，交織次數(shù)就會(huì)增多。當(dāng)交織車輛增多時(shí)，會(huì)影響交織區(qū)的通行能力，可能發(fā)生擁堵，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)導(dǎo)致相連道路發(fā)生擁堵，若駕駛員不注意時(shí)還可能會(huì)發(fā)生交通事故。

1.2 交織區(qū)速度特性

區(qū)間平均車速的定義：在某一特定瞬間，行駛于道路某一特定長度內(nèi)，全部車輛車速分布的平均值。當(dāng)觀測(cè)長度一定時(shí)，其數(shù)值為地點(diǎn)車速觀測(cè)值的調(diào)和平均值，其計(jì)算公式如（1）所示：

（1）

式中，——區(qū)間平均車速（km/h）；n——車輛行駛于路段長度s的次數(shù)；vi——第i輛車的地點(diǎn)車速（km/h）；s——路段長度（km）；ti——第i輛車的行駛時(shí)間（s）。

交織區(qū)各車道的區(qū)間平均車速見表3所示：

表3 交織區(qū)各車道區(qū)間平均車速

車道名稱 內(nèi)側(cè)車道 中間車道 外側(cè)車道

區(qū)間平均車速/（km/h） 23 43 56

從表3可以看出，交織區(qū)車道的區(qū)間平均速度依次是外側(cè)車道最高、中間車道次之、內(nèi)側(cè)車道最低。內(nèi)側(cè)車道受交織的影響，出口匝道的交通量多于入口匝道的交通量，而最外側(cè)車道幾乎不受交織的影響。

1.3 交織區(qū)車頭時(shí)距特性

車頭時(shí)距[5]是指同向行駛的車流中，前后相鄰兩輛車行駛通過某一段面的時(shí)間間隔。

1.3.1 交織區(qū)各車道車頭時(shí)距分布

交織區(qū)各車道車頭時(shí)距分布如表4～6所示：

表4 交織區(qū)內(nèi)側(cè)車道車頭時(shí)距分組表

分組 組中值 觀測(cè)頻數(shù)/

（輛/h） 累計(jì)頻數(shù)/

（輛/h） 觀測(cè)頻率 累計(jì)頻率

0—1 0.5 0 0 0 0

1—2 1.5 36 36 0.034 483 0.034 483

… … … … … …

9—10 9.5 6 1 038 0.005 747 0.994 253

10—11 10.5 6 1 044 0.005 747 1

表5 交織區(qū)中間車道車頭時(shí)距分組表

分組 組中值 觀測(cè)頻數(shù) 累計(jì)頻數(shù) 觀測(cè)頻率 累計(jì)頻率

0—1 0.5 0 0 0 0

1—2 1.5 6 6 0.013 889 0.013 889

… … … … … …

23—24 23.5 6 420 0.013 889 0.972 222

24—25 24.5 12 432 0.027 778 1

表6 交織區(qū)外側(cè)車道車頭時(shí)距分組表

分組 組中值 觀測(cè)頻數(shù) 累計(jì)頻數(shù) 觀測(cè)頻率 累計(jì)頻率

0—1 0.5 6 6 0.008 772 0.008 772

1—2 1.5 36 42 0.052 632 0.061 404

… … … … … …

18—19 18.5 6 678 0.008 772 0.991 228

19—20 19.5 6 684 0.008 772 1

1.3.2 交織區(qū)各車道車頭時(shí)距的平均值和方差

交織區(qū)各車道車頭時(shí)距的平均值和方差參見表7所示：

表7 交織區(qū)各車道車頭時(shí)距和方差

車道名稱 平均值 方差

內(nèi)側(cè)車道 4.48 3.1

中間車道 8.91 35.51

外側(cè)車道 5.92 23.38

從表7分析得出，內(nèi)側(cè)車道車頭時(shí)距最小，中間車道車頭時(shí)距最大，可以看出中間車道大部分只是起到交織變換車道的作用，大部分車輛在交織區(qū)上游能夠完成車道變換。內(nèi)側(cè)車道車頭時(shí)距分布均勻，交通流連續(xù)；外側(cè)車道交通流受交織車輛的影響，交通流發(fā)生中斷。

1.4 交織區(qū)交通流三參數(shù)關(guān)系

交通流的三個(gè)基本參數(shù)為交通量Q、行車速度V、車流密度K。車流密度是指某一瞬間內(nèi)單位道路長度上的車輛數(shù)目。車流密度的計(jì)算公式如（2）所示：

/（輛/km） （2）

式中，N——路段內(nèi)的車輛數(shù)（輛）；L——路段長度（km）。

交通流三參數(shù)的基本關(guān)系如公式（3）所示：

Q=VK （3）

式中，Q——平均流量（輛/h）；V——區(qū)間平均速度（km/h）；K——平均密度（輛/km）。

1.4.1 速度—密度關(guān)系

1934年，格林希爾茲提出了速度和密度之間的關(guān)系模型，其公式如下：

v （4）

式中，vf——暢行速度（km/h）；Kj——阻塞密度（輛/km）。

根據(jù)交織區(qū)測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別得到某立交出口交織區(qū)各車道“速度—密度”回歸模型R2值，參見表8所示：

表8 各車道速度—密度回歸模型R2值

車道名稱 R2

外側(cè)車道 0.942 1

中間車道 0.785 6

內(nèi)側(cè)車道 0.865 5

由表8可看出，中間車道“速度—密度”回歸擬合程度最差，內(nèi)側(cè)車道“速度—密度”回歸擬合程度最好。

1.4.2 流量—密度關(guān)系

由公式（3）和公式（4）可以得出流量與密度的基本關(guān)系式如下：

Q=Kvf （5）

式中，vf——暢行速度（km/h）；Kj——阻塞密度（輛/km）。

根據(jù)交織區(qū)測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別得到某立交出口交織區(qū)各車道“流量—密度”回歸模型R2值，參見表9所示。

由表9可看出，外側(cè)車道流量—密度回歸擬合程度最差，內(nèi)側(cè)車道流量—密度回歸擬合程度最好。

1.4.3 速度—流量關(guān)系

對(duì)公式（4）進(jìn)行變形，然后代入公式（5）可以得到流量與速度的基本關(guān)系如下：

Q （6）

式中，vf——暢行速度（km/h）；Kj——阻塞密度（輛/km）。

表9 各車道流量—密度回歸模型R2值

車道名稱 R2

外側(cè)車道 0.975 2

中間車道 0.915 4

內(nèi)側(cè)車道 0.813 9

根據(jù)交織區(qū)測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別得到某立交出口交織區(qū)各車道“速度—密度”回歸模型R2值，參見表10所示：

表10 各車道速度—流量回歸模型R2值

車道名稱 R2

外側(cè)車道 0.945 4

中間車道 0.814 7

內(nèi)側(cè)車道 0.704 6

從表9可以看出，內(nèi)側(cè)車道“速度—流量”回歸擬合程度最差，外側(cè)車道“速度—流量”回歸擬合程度最好。

2 城市立交交織區(qū)改善方法

交織區(qū)內(nèi)的交織行為主要有從匝道進(jìn)入主線，以及從主線進(jìn)入匝道的車輛部分交織。某立交的交織方式既有從匝道進(jìn)入中間車道的車輛與從中間車道變換到內(nèi)側(cè)車道的車輛形成的交織，也有從匝道連續(xù)兩次變換車道變換到最外側(cè)車道的車輛與最外側(cè)車道直接從交織區(qū)上游行駛至交織區(qū)下游的車輛形成的交織，還有最外側(cè)車道變換到最內(nèi)側(cè)車道的車輛與其他兩車道的車輛形成的交織，如圖1所示。

圖1 交織區(qū)交織方式示意圖

整個(gè)變換車道過程可分為五個(gè)過程（如圖2所示）：車輛在交織區(qū)進(jìn)行變換車道前的準(zhǔn)備活動(dòng)；駕駛員尋找間隙并準(zhǔn)備變換車道；調(diào)整車速進(jìn)行換道行為；完成換道后進(jìn)行車頭時(shí)距調(diào)整；根據(jù)需要可能調(diào)整車速。

2.1 增加交織區(qū)的長度

增加交織區(qū)的長度，車輛駕駛員將有足夠的時(shí)間進(jìn)行交織前的準(zhǔn)備活動(dòng)，可以完成交織過程中的全部五個(gè)過程，調(diào)整合適的速度和車頭時(shí)距，以最快的速度、最安全的行駛方式通過交織區(qū)。當(dāng)交織區(qū)的長度增加時(shí)，駕駛員在駕駛車輛時(shí)緊張感會(huì)有所降低，駕駛員變換車道的準(zhǔn)確性將會(huì)得到提升，變換車道的成功率將會(huì)增加，交織區(qū)的交通組織會(huì)得到改善，有助于提升交織區(qū)的通行能力。

圖2 交織區(qū)變換車道示意圖

2.2 增設(shè)隔離設(shè)施

在兩個(gè)車道之間設(shè)置物理隔離，當(dāng)車輛從匝道進(jìn)入主線時(shí)，只能從隔離欄的一端進(jìn)入；當(dāng)主線上的車輛從主線進(jìn)入匝道時(shí)，只能從隔離欄的另一端進(jìn)入。如圖3所示，這樣避免了在兩車道之間出現(xiàn)車輛任意交織的現(xiàn)象，能夠有效地防止交通流的紊亂，提高交織區(qū)車輛的行駛速度，減少擁堵的發(fā)生，進(jìn)而提高交織區(qū)的通行能力、盡量避免交通事故的發(fā)生。

圖3 增加隔離護(hù)欄

2.3 交叉口優(yōu)化

城市立交出口車道延伸到與地面路口相交的信號(hào)交叉口控制，稱為落地處交叉口控制，落地處交叉口如圖4所示。

落地處交叉口的運(yùn)行狀況會(huì)影響交織區(qū)的運(yùn)行狀況。當(dāng)交通量較大時(shí)，對(duì)落地處的交叉口進(jìn)行優(yōu)化，可提高交叉口通行能力，可以間接影響交織區(qū)的交通情況。當(dāng)落地出交叉口的車流能夠順利通行時(shí)，車輛不會(huì)溢滿到交織區(qū)。

對(duì)落地處的交叉口進(jìn)行感應(yīng)信號(hào)控制。在交通流較大的路口設(shè)置檢測(cè)器，在平時(shí)，交通流較大的道路上總是綠燈。當(dāng)檢測(cè)器在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到車流量大的道路上有車量時(shí)，將會(huì)轉(zhuǎn)換相位；當(dāng)檢測(cè)到車流量大的道路上有車輛時(shí)，將返回車流量大的道路上。

2.4 規(guī)范標(biāo)志標(biāo)線

道路交通標(biāo)志具有引導(dǎo)駕駛員在道路上安全行駛的作用。城市立交交織區(qū)范圍內(nèi)若不設(shè)置或不能規(guī)范相應(yīng)的指示標(biāo)志，不能明確的指出此路段的行駛信息，導(dǎo)致駕駛員行駛緊張，速度減慢，致使交織區(qū)路段的交通不暢；若設(shè)置的交通標(biāo)志只是依照先前的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，未能充分進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，只關(guān)注相應(yīng)的規(guī)范，而忽略與本地城市立交的實(shí)際交通量相符合，即使設(shè)置了道路交通標(biāo)志也不能給交織區(qū)帶來積極的影響。

圖4 落地處交叉口示意圖

道路交通標(biāo)線的設(shè)計(jì)與實(shí)施的不規(guī)范，具有很大的盲目性和隨意性。如果城市立交交織區(qū)的標(biāo)線不能夠結(jié)合整個(gè)路網(wǎng)進(jìn)行施畫，則不能對(duì)級(jí)別較高的信息進(jìn)行表達(dá)；交織區(qū)域的指示標(biāo)線和警告標(biāo)線之間相互配合性差，會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)藛T出現(xiàn)誤判導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

通過該文調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，交織區(qū)最外側(cè)車道中從交織區(qū)上游基本路段直接駛?cè)虢豢梾^(qū)下游基本路段，幾乎不受交織車輛的影響；內(nèi)側(cè)車道中交通流量最大，相鄰兩車之間連續(xù)經(jīng)過同一橫斷面的時(shí)間間距最小，車頭時(shí)距的方差最小；交織車輛大部分在交織區(qū)上游完成交織行為。

參考文獻(xiàn)

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