通過增加車道以改善交織區(qū)擁堵的可行性研究

陳利霖　龍家彥

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室　上?！?01804)

通過增加車道以改善交織區(qū)擁堵的可行性研究

陳利霖龍家彥

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海201804)

摘要針對短交織區(qū)交通擁堵問題，在分析車道的增設(shè)方式及其作用的基礎(chǔ)上，通過交通供需分析確定交織區(qū)擁堵的矛盾所在。以交織車流供需矛盾為研究重點，從微觀的角度對交織車輛的換道操作進行剖析，以交織車輛最短換道距離為依據(jù)，推算出可增設(shè)分流車道的交織區(qū)最短長度(26 m)。采用VISSIM仿真，確定增設(shè)分流車道后交織車道的通行能力，并將其與交織需求進行對比，來判定可行性。

關(guān)鍵詞交通工程可行性供需分析交織區(qū)通行能力交織車道

交織區(qū)是快速路的重要組成部分，由于城市用地限制等因素造成交織區(qū)長度較短(一些甚至已不足100 m)，交織問題突出，成為快速路的瓶頸路段。交織區(qū)通行能力的影響因素較多，主要有：交織區(qū)的長度、車道數(shù)、車速、交織比、車型比例、交織區(qū)類型。其中，只有車道數(shù)是較容易改變的，其他因素都較難改變。因此，目前的工程改造中，為改善交織段的擁堵，通常是增加交織區(qū)車道數(shù)。然而，由于交織長度并未增加，增加交織區(qū)車道數(shù)的作用及增加后是否能滿足交通需求等問題，需要進行針對性的研究。

與此有關(guān)的國內(nèi)外研究主要集中在交織區(qū)的通行能力領(lǐng)域：Ponlathep Lertworawanich和Lily Elefteriadou[1]基于可接受空擋理論和線性規(guī)劃的方法建立了交織區(qū)廣義通行能力的模型；鐘連德等[2]在分析對通行能力有重要影響的8個參數(shù)的基礎(chǔ)上，標定了仿真軟件CORSIM，得到不同條件組合下的通行能力值；趙靖等[3]以HCM2000中交織區(qū)通行能力建議值為基礎(chǔ)，建立了通行能力的回歸模型；Wa’el H.’Awad[4]采用線性回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2種方法來計算交織區(qū)通行能力；HCM[5]給出了不同類型交織區(qū)的通行能力的建議值；劉立英等[6-7]利用仿真數(shù)據(jù)對Rakha和Zhang提出的交織區(qū)通行能力折減系數(shù)模型進行了參數(shù)標定；Li和Jia[8-9]等利用元胞自動機對含有交織區(qū)的交通系統(tǒng)進行了建模，分析了交織區(qū)的通行能力和駛?cè)胲囕v流率和駛出車輛流率的關(guān)系，當駛出車輛流率較大時，總流量會減少到較低的值。雖然相關(guān)研究較多，但基本上是基于可接受空擋來建立交織區(qū)理論通行能力模型，或者通過仿真軟件建立交織區(qū)通行能力的仿真模型；而沒有涉及增加車道可否提高短距離交織區(qū)的通行能力，可否緩解交織區(qū)擁堵等問題。

由于我國交織區(qū)以A類交織區(qū)為主，本文將選擇A類交織區(qū)作為研究對象。以VISSIM仿真軟件為工具，來確定增設(shè)分流車道后交織車道的通行能力，并將其與交織需求進行對比，從而驗證通過增加車道來改善交織區(qū)擁堵的可行性。

1　增加車道的作用分析

為了方便說明，將交織區(qū)車道分為交織車道(見圖1中的車道4、車道5)、直行車道(見圖1中的車道1、車道2、車道7)及增設(shè)的分流車道(見圖1中的車道3、車道6)3類。增加交織區(qū)車道的方式有2種：在直行車道側(cè)增設(shè)直行車道及在交織車道兩側(cè)增設(shè)分流車道。增設(shè)方式及交通渠化設(shè)置見圖1。其中：直行車道的通行能力為斷面①與斷面②的通行能力之和；由于交織車流不管其來自上游哪個車道，其必須執(zhí)行的換道操作為：從車道4換至車道5或者從車道5換至車道4，所以交織車道的通行能力為車道4與車道5的通行能力之和，即斷面③與斷面④的通行能力之和。

在交織區(qū)長度較短無法增長的情況下，增加交織區(qū)的車道便于分離直行車流與交織車流，降低其相互之間的干擾，提高交織區(qū)的運行效率。同時，若增加交織區(qū)的直行車道，可提高直行車道的通行能力；若增設(shè)分流車道，可分流交織車道上已完成交織的車流，使得交織車道上的車流密度下降，車頭時距增大，為未完成交織的車流提供了更多換道的機會、騰出了換道空間，提高了換道效率，進而提高了交織車道的通行能力。

圖1　增設(shè)交織區(qū)車道示意圖

2　交織區(qū)供需矛盾分析

2.1流量調(diào)查

在進行交通供需分析之前，應(yīng)對交織區(qū)交通流量流向進行調(diào)查。見圖2，交織區(qū)交通流向可分為直行流量Q1與Q4，以及交織流量Q2與Q3。一般情況下，流量Q1、流量Q2、流量Q3較大，且相互混雜，直接調(diào)查容易混淆，誤差較大。本文采用間接的方法來調(diào)查流量Q1、流量Q2、流量Q3，調(diào)查流程如下。

步驟1。選擇3個觀測斷面(觀測斷面1、觀測斷面2、觀測斷面3)。一般情況下，直行車流Q4較少，單獨對其進行調(diào)查。

步驟2。同時，在觀測斷面1統(tǒng)計出流量Q4與Q3之和Q43，則流量Q3為

(1)

步驟3。間接調(diào)查流量Q2：在觀測斷面3統(tǒng)計出Q4與Q2之和Q42，推算出流量Q2為

(2)

由于流量Q4經(jīng)過觀測斷面1與觀測斷面3有個時刻差Δt13，則觀測斷面3的調(diào)查時刻較觀測斷面1推遲Δt13。Δt13的計算公式為

(3)

式中：l13為觀測斷面1與觀測斷面3之間的距離；V4為車流Q4的平均運行速度。

步驟4。間接調(diào)查流量Q1：在觀測斷面3統(tǒng)計出Q1與Q2之和Q12，推算出流量Q1為

(4)

由于流量Q2經(jīng)過觀測斷面2與觀測斷面3有個時刻差Δt23，則觀測斷面2的調(diào)查時刻較觀測斷面3提前Δt23。Δt23的計算公式為：

(5)

式中：l23為觀測斷面2與觀測斷面3之間的距離；v2為車流Q2的平均運行速度。

圖2交織區(qū)流量流向示意圖

2.2交通供需分析

由于交織車流與直行車流在交織區(qū)的運行特征完全不同，需單獨分析兩者的交通供需。設(shè)該交織區(qū)長度為Lw，一條直行車道的設(shè)計通行能力為cs，交織區(qū)直行車道數(shù)為Ns。則通過查閱HCM(2000)，可獲得交織長度為Lw，交織流量比為1的2交織車道的通行能力為Cw。

2.2.1直行車流供需分析

交織區(qū)直行車道總的通行能力為Cs=cs×Ns。若直行流量Qs≤Cs，則直行車流通行需求能得到滿足；若直行流量Qs>Cs，則直行車流通行需求無法得到滿足，需增加直行車道數(shù)量，增加直行車道的規(guī)模為

(6)

2.2.2交織車流供需分析

若交織流量Qw≤Cw，則交織車流的通行需求能得到滿足；若交織流量Qw>Cw，則交織車流的通行需求無法得到滿足。由于增設(shè)分流車道來提高通行能力的效果受多因素影響，不像增加直行車道效果那么顯著，需單獨對其進行分析。

3　增設(shè)分流車道效果研究

增設(shè)分流車道的作用為降低交織車道的密度、提高車頭時距，為交織車輛提供更多的換道機會。要達到上述目的，交織車輛需在交織區(qū)范圍內(nèi)完成交織且成功換道至分流車道。由于車輛換道有最短長度限制，所以要提高交織車道的通行能力交織區(qū)必須滿足最短長度要求。

3.1交織區(qū)需滿足的最短長度

分流車道要起作用的條件為交織車輛可在交織區(qū)范圍內(nèi)完成2次換道，即交織區(qū)的最短長度要求為交織車輛最短換道距離的2倍，其可按下列的方法進行求解：

根據(jù)分析，當車輛軸距為len，見圖3，則轉(zhuǎn)彎半徑的簡化計算公式為

(7)

式中:β為前輪與前進方向夾角，其最大取值為25.9°[10]；len為車輛軸長，由于快速路上以小汽車為主，其取2.6 m。

如圖3所示，當目前車身航向角為α，則與前輪轉(zhuǎn)向角有關(guān)的收角距離為

(8)

同理，可獲得

(9)

在調(diào)整階段，車身的航向角已經(jīng)歸零是交織車輛的換道距離L取得最小值時必須滿足的條件之一。當調(diào)整階段車身的航向角已經(jīng)歸零時，則有

(10)

式中：Llane為車道寬度，一般快速路交織區(qū)車道寬度取3.5 m。

由此，可求得換道距

(11)

式中：lcar為車輛長度，由于快速路上以小汽車為主，其取5 m。

則，交織車輛最短換道距離min(L)為在滿足式(12)條件下式(11)取得的最小值。

(12)

求解得，當β=25.9°，α=48.5°時，min(L)=13 m。

則交織區(qū)需滿足的最短距離為

圖3　交織車輛換道示意圖

3.2仿真求解交織車道通行能力

步驟1。采集建模時所需的輸入數(shù)據(jù)(有交織區(qū)的長度、車道的寬度、流量OD、自由流車速)及驗證數(shù)據(jù)(本文采用交織速度與直行車速作為驗證指標)。

步驟2。根據(jù)實際交織區(qū)的幾何數(shù)據(jù)、駕駛行為數(shù)據(jù)、仿真控制參數(shù)等建立仿真基礎(chǔ)模型。

步驟3。確定模型的精度要求(一般要求為仿真數(shù)據(jù)與實際觀測數(shù)據(jù)偏差不大于10%)，對仿真模型進行標定[11]，標定過程見圖4。

圖4　模型標定過程

步驟4。重新構(gòu)建仿真模型中的路網(wǎng)(交織區(qū)只包括分流車道和交織車道的路網(wǎng))。

步驟5。確定上下匝道流量的交織比，以該比例作為上下匝道流量輸入的依據(jù)，利用VISSIM中流量的多周期輸入功能，逐步提高仿真輸入流量，當系統(tǒng)的交通流出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，這時系統(tǒng)(交織車道)所能通過的最大流量就作為交織車道的實際通行能力。

3.3可行性驗證

由前文可知，直行車流的供需矛盾可通過增加直行車道來解決，故通過增加車道來改善交織區(qū)擁堵的可行性研究主要在于驗證增設(shè)分流車道是否可以緩解交織車流的供需矛盾，驗證流程見圖5。

圖5　可行性驗證流程

3.4分流車道增設(shè)原則

4　案例分析

烏魯木齊市廣匯立交東西向南側(cè)交織區(qū)改造前為3車道，高峰時段擁堵嚴重，見圖6a)。其中上匝道交織流量為936 pcu/h，下匝道交織流量為1 020 pcu/h，直行流量總計為1 865 pcu/h(較交織流量小，且小于2個直行車道的通行能力)，故引起擁堵的主因為交織車流的供需矛盾。該交織區(qū)長度為98 m，滿足加寬時最小長度要求，由于上下匝道交織流量均較大，故在原車道兩側(cè)分別增設(shè)一條分流車道。按照上述流程，采用VISSIM仿真來求解加寬后交織區(qū)的通行能力，求解結(jié)果為2 950 pcu/h，大于交織需求，則增設(shè)分流車道可緩解交織區(qū)擁堵。

實際改造中為降低對主線交通的影響，將該交織區(qū)改建為“主線+集散車道”的組合(集散車道為4車道，主線為3車道)，其中集散車道的流量為上匝道交織流量為936 pcu/h，下匝道交織流量為1 020 pcu/h，直行流量總計為817 pcu/h?？紤]到建設(shè)成本及直行流量較小，且分流車道通行能力有剩余，未單獨建設(shè)直行車道，而是讓直行車流借用分流車道通行。目前，改造已經(jīng)完成，高峰時段運行井然有序，見圖6b)。

a)改造前b)改造后

圖6交織區(qū)的運行狀況

5　結(jié)語

由于直行車流的供需矛盾通過增設(shè)直行車道可以得到解決，故通過增加車道來改善交織區(qū)擁堵的可行性研究的重點就成為研究是否可通過增設(shè)分流車道來提高交織車道的通行能力，緩解交織車流的供需矛盾。研究的關(guān)鍵在于確定分流車道發(fā)揮作用時，交織區(qū)需滿足的長度要求，以及增設(shè)分流車道后交織車道的通行能力；根據(jù)交織車輛的換道特征，提出交織區(qū)需滿足的最短長度為26 m，采用VISSIM仿真軟件對交織車道的通行能力進行了求解。本文的研究對象是已建成的擁堵交織區(qū)，但在設(shè)計階段由于用地限制使得交織段的長度無法滿足規(guī)范要求時，也可研究是否可以通過增加交織區(qū)車道的方法來提高交織區(qū)通行能力來滿足直行車流與交織車流的通行要求。

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收稿日期：2015-04-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.046