成都二環(huán)高架出口匝道與輔路對(duì)主路出口交通流特性的影響分析

曹俊強(qiáng)

西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031

0 引 言

高架路是城市快速路網(wǎng)中的重要組成部分，但近年來(lái)，隨著車(chē)輛的驟增，高架路出入口匝道所銜接的道路逐漸成為地面道路通行能力的瓶頸。從高架路出口駛離的車(chē)輛如果不能在平交路口上及時(shí)疏散將導(dǎo)致車(chē)輛排隊(duì)，嚴(yán)重時(shí)排隊(duì)車(chē)輛將上溯至高架路，影響高架路甚至整個(gè)路網(wǎng)的正常運(yùn)行。形成該擁堵的原因大致分兩類(lèi)：第一類(lèi)是由于出口匝道與下游交叉口距離較短，導(dǎo)致紅燈等待期間排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)將上溯至出口匝道附近，形成擁堵。解決辦法[1-2]主要有三種：設(shè)置 U形轉(zhuǎn)向匝道、匝道關(guān)閉以及定時(shí)限流，但后兩個(gè)措施會(huì)增加司機(jī)繞行距離。國(guó)外關(guān)于出口匝道控制的研究較少，考慮到國(guó)內(nèi)出口匝道與國(guó)外有所差別，部分國(guó)內(nèi)學(xué)者經(jīng)過(guò)研究取得了一定的成果，如楊曉光[3]分析了該區(qū)域在不同的交通組織方式下，對(duì)交通的影響；陳峻等[4]建立了高架路下匝道銜接路段的車(chē)流模型。第二類(lèi)是由于輔路車(chē)輛較多，導(dǎo)致出口匝道排隊(duì)車(chē)輛上溯至高架路，影響其正常運(yùn)行。解決辦法[5]主要是輔路讓行，即輔路信號(hào)控制。北京自2000年以來(lái)，開(kāi)始進(jìn)行輔路信號(hào)控制，雖然在一定程度上緩解了由出口匝道不暢引起的主路擁堵，但大大增加了輔路延誤。本文選取成都二環(huán)高架路紅牌樓東一段為研究對(duì)象，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了不同道路的交通特性，并且利用vissim仿真模型，分析了輔路和出口匝道的流量變化對(duì)高架路交通流特性的影響。

1 基本定義

為了避免后文語(yǔ)言上產(chǎn)生的歧義，這里規(guī)定在整個(gè)高架路與地面道路組成的系統(tǒng)中，高架路稱(chēng)作主路，地面道路稱(chēng)作輔路。城市高架路出口銜接段一般指高架出口匝道底端與前方鄰近交叉口之間的一段距離[6]。車(chē)輛從高架路出口匝道下來(lái)，匯入地面車(chē)道，經(jīng)過(guò)一段距離，在到達(dá)前方交叉口進(jìn)口道之前根據(jù)左、直、右方向變換車(chē)道。而從出口匝道下來(lái)的車(chē)輛雖然較高架上車(chē)輛的速度有所降低，但與輔路車(chē)輛仍然有所不同，因此容易同地面輔路車(chē)輛形成交織。如果前方為信號(hào)控制交叉口，還需考慮在交叉口前形成的排隊(duì)：出口匝道與地面的銜接點(diǎn)必須在排隊(duì)長(zhǎng)度以后，否則將由于車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而延至出口匝道之上，嚴(yán)重時(shí)將上溯至高架路，影響車(chē)輛的正常通行。因此，有必要分析輔路以及出口匝道銜接段的車(chē)流對(duì)主路交通流產(chǎn)生的影響。

2 出口匝道及主輔路交通特性分析

本文選取的調(diào)查對(duì)象為成都二環(huán)高架中的紅牌樓東站一段，該段主路為三車(chē)道，其中包括一條公交專(zhuān)用車(chē)道。出口匝道下銜接一交叉口，地面輔路4車(chē)道，進(jìn)口道為6車(chē)道（見(jiàn)圖1所示）。這里由于公交專(zhuān)用車(chē)道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道以及人行橫道對(duì)本文研究系統(tǒng)基本無(wú)影響，因此在后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及仿真中不予考慮。

圖1 紅牌樓東一段高架出口匝道及銜接段示意Fig.1 Hongpailou eastern section of the elevated section of the exit ramp and join section

2.1 數(shù)據(jù)采集

本文所選的出口匝道屬于交叉口型出口匝道，由于高峰時(shí)段能夠更好地表現(xiàn)出輔路以及出口匝道銜接段的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)主路交通造成的影響，且紅牌樓東站晚高峰現(xiàn)象更為明顯，因此筆者利用攝像機(jī)等設(shè)備選取 2015年 2月 10日和 3月 10日兩天，晚高峰17：30～18：30，進(jìn)行連續(xù)1 h的數(shù)據(jù)采集，采集的內(nèi)容包括：主路的速度、流量、占有率，輔路的流量、車(chē)輛排隊(duì)，出口匝道的流量、車(chē)輛排隊(duì)。本文將采集到的數(shù)據(jù)每 30s進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果錄入excel中，由于文章篇幅的限制，這里就不再列出。這里只給出交叉口晚高峰期間的流量調(diào)查數(shù)據(jù)，如表1所示。筆者利用matlab對(duì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了主、輔路以及出口匝道的交通特性，具體如圖2～圖5所示。

表1 流量調(diào)查數(shù)據(jù)Tab.1 Traffic flow survey data

2.2 出口匝道與輔路交通特性

2.2.1 出口匝道與輔路流量特性

從表1和圖2可以看出，晚高峰期間，主路流量較大，出口匝道流量范圍在1～16veh/30s之間，其中8veh/30s占的居多；輔路直行流量范圍在 5～23veh/30s（3車(chē)道）之間，其中14veh/30s的居多，兩者的流量波動(dòng)性較大。相反，輔路右轉(zhuǎn)流量和波動(dòng)性都相對(duì)較小。這主要是和輔路車(chē)道的擺放位置、渠化方式以及交叉口的信號(hào)控制有關(guān)。

圖2 出口匝道及輔路的流量Fig.2 Traffic flows on the exit ramp and the side roads

2.2.2 出口匝道與輔路排隊(duì)情況

由圖3可以看出，紅燈期間，輔路直行道與出口匝道均有周期性且較大的排隊(duì)長(zhǎng)度，而輔路右轉(zhuǎn)道則由于車(chē)流量少以及渠化方式的不同，幾乎不會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)。

圖3 出口匝道及輔路的排隊(duì)長(zhǎng)度Fig.3 Queue lengths on the exit ramp and the side roads

2.3 主路交通特性

2.3.1 主路速度特性

從圖4可以看出，在出口匝道以及輔路不同流量的影響下，主路下游車(chē)速基本維持在70 km/h左右，波動(dòng)影響較小。主路上游受車(chē)輛下匝道提前變道產(chǎn)生交織以及出口匝道上車(chē)輛排隊(duì)上溯至主路的影響，車(chē)速介于 35～70 km/h，波動(dòng)較大。主路出口受到出口匝道排隊(duì)、輔路流量增加以及交叉口信號(hào)控制的影響，車(chē)速介于10～62 km/h，波動(dòng)最大。

圖4 主路速度時(shí)、空變化Fig.4 Time and space changing of the vehicle speeds on the main road

2.3.2 主路占有率特性

由圖5可以看出，主路下游占有率最低，但波動(dòng)性最小，基本維持在20%～40%；主路出口占有率較大，但由于受到地面交叉口信號(hào)控制影響，占有率維持在30%～60%，且具有較強(qiáng)的波動(dòng)性和規(guī)律性；受主路出口影響，主路上游占有率最大，在45%～85%之間。

圖5 主路占有率時(shí)、空變化Fig.5 Time and space changing of the occupancy of the main road

圖2和圖3表明，高峰期間，出口匝道與輔路直行車(chē)道均出現(xiàn)流量大、排隊(duì)長(zhǎng)的現(xiàn)象，而較大的流量和較長(zhǎng)的排隊(duì)會(huì)對(duì)主路造成一定不良的影響。圖4和圖5表明，與主路上下游相比，高峰期間主路出口有關(guān)速度、占有率的交通特性曲線波動(dòng)性最大，規(guī)律性也較強(qiáng)，因此后文將進(jìn)一步研究出口匝道與輔路在流量和占有率方面對(duì)主路出口的影響。

3 出口匝道銜接段及主輔路交通特性仿真研究

由于實(shí)際的道路狀況與模擬仿真存在差異，因此，首先應(yīng)對(duì)vissim仿真模型進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定及檢驗(yàn)，去除其差異性。根據(jù)上述分析結(jié)果，標(biāo)定高架路主路、地面輔路以及出口匝道的期望速度和駕駛員特性參數(shù)，并進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。

3.1 仿真參數(shù)標(biāo)定及檢驗(yàn)

Vissim軟件源于國(guó)外，因此在進(jìn)行仿真之前，考慮到國(guó)內(nèi)外交通流特性的差異，應(yīng)首先進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。標(biāo)定內(nèi)容包括[7]：道路幾何條件、車(chē)輛構(gòu)成、期望車(chē)速以及駕駛員特性參數(shù)等。

根據(jù)之前的調(diào)查數(shù)據(jù)，這里的駕駛行為、跟馳模型選擇 Wiedmann74模型，允許車(chē)輛在同一車(chē)道內(nèi)，可以任意位置橫向行駛，且根據(jù)實(shí)際情況允許超車(chē)。主路車(chē)速標(biāo)定為60～80 km/h，出口匝道車(chē)速為 15～50 km/h，輔路車(chē)速為 48～60 km/h，公交車(chē)為 30～40 km/h。

對(duì)以上三者的速度與流量進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，模型檢驗(yàn)采用雙樣本假設(shè)檢驗(yàn)[8]，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 模型標(biāo)定檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of the model calibration

3.2 輔路與出口匝道的交通需求對(duì)主路交通特性的影響

本文研究的出口匝道銜接一個(gè)信號(hào)交叉口，由于仿真運(yùn)行時(shí)，不同出口、輔路交通流量下，信號(hào)周期不同，最終不能正確反映出相同統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)間下的運(yùn)行特性。因此，筆者這里作出假設(shè)，出口匝道銜接段距交叉口較遠(yuǎn)，僅考慮出口匝道與輔路在不同的流量組合下，對(duì)主路交通的影響，不考慮信號(hào)控制。本文為了探究出從平峰到高峰期間整個(gè)過(guò)程的交通變化，參考表1高峰期間的調(diào)查數(shù)據(jù)，最終做出如下規(guī)定：高架主路流量為一固定值3 200 veh/h，而從主路上駛出的流量分別從500 veh/h逐漸遞增加至2 000 veh/h；圖2和圖3的特性曲線表明輔路右轉(zhuǎn)道路車(chē)輛少，車(chē)速高，對(duì)主路出口交通狀態(tài)基本無(wú)影響，輔路直行流量與輔路右轉(zhuǎn)流量的比例為 4∶1，輔路流量從500 veh/h逐漸增加至3 125 veh/h。具體如表3所示。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用控制變量法，分別研究出口匝道流量固定、輔路流量改變以及輔路流量固定、出口匝道流量改變兩種情況下，主路出口車(chē)速和占有率的變化規(guī)律。仿真時(shí)間為 1h，統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)間為5min，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

表3 出口匝道及輔路交通流量取值Tab.3 Exit ramp and side roads traffic values

圖6 輔路、出口匝道流量不同組合下主路出口速度變化Fig.6 Speed changes of the main road exit under the different combinations of the side roads and exit ramp traffic flows

圖7 輔路、出口匝道流量不同組合下主路出口車(chē)輛占有率變化Fig.7 Occupancy changes on the main road exit under the different combinations of the side roads and exit ramp traffic flows

由圖 6（a）、圖 7（a）可以看出，在出口匝道流量和輔路總流量?jī)烧叩慕M合下，主路出口速度與占有率出現(xiàn)了相反的變化趨勢(shì)。當(dāng)輔路總流量一定時(shí)，主路出口速度隨著出口匝道流量的增加而降低，主路出口占有率隨著出口匝道流量的增加而增加。這種趨勢(shì)大致分為三個(gè)階段：第一階段，出口匝道流量從500 veh/h增加到1 000 veh/h時(shí)，主路出口速度迅速降低，車(chē)輛占有率迅速增加，說(shuō)明該階段出口處于自由流狀態(tài)；第二階段，出口匝道流在 1 000～1 500 veh/h范圍時(shí)，主路出口在車(chē)速降低和占有率增加兩方面的趨勢(shì)有所減緩，說(shuō)明該階段出口能保持較穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；第三階段，當(dāng)出口匝道流量增加到1 800 veh/h時(shí)，速度驟降，占有率明顯提高，且在1 800 veh/h之后，速度與占有率基本保持不變，說(shuō)明出口匝道流量 1 800 veh/h是影響主路出口車(chē)速的極限流量。同理，由圖6（b）、圖 7（b）可以得出相似的結(jié)論，即當(dāng)輔路總流量為 2 625 veh/h時(shí)，主路出口將達(dá)到極限狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文首先以成都二環(huán)高架紅牌樓東站一段為實(shí)例，通過(guò)調(diào)查分析晚高峰期間高架路、出口匝道以及地面輔路在信號(hào)交叉口的作用下的交通流特性表明，相比于主路上下游，主路出口的交通狀態(tài)更容易受出口匝道和地面輔路流量的影響。然后利用vissim仿真軟件，并在一定的假設(shè)下進(jìn)行微觀仿真。通過(guò)仿真表明，出口匝道流量低于1800 veh/h、輔路總流量低于2625 veh/h時(shí)，可以滿足主路出口的交通需求，當(dāng)兩者的流量至少一個(gè)超過(guò)其極限值時(shí)，將會(huì)引發(fā)主路出口的交通擁擠，之后的交通狀態(tài)基本不會(huì)改變，即達(dá)到飽和。由于本文選取的高架立交出口匝道樣式單一，因此今后可以選取不同組合方式的出入口匝道進(jìn)行調(diào)查，使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。本文利用微觀仿真手段分析了出口匝道和輔路的交通狀態(tài)對(duì)高架路出口交通流特性的影響，該分析結(jié)果對(duì)于今后如何提高高架路出口的通行能力、進(jìn)行出口匝道與信號(hào)交叉口的協(xié)調(diào)控制提供了一定的參考依據(jù)。

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