李春元

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 問題的提出

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市擴(kuò)張速度不斷加大，城市內(nèi)部快速路網(wǎng)逐步完善。一般而言，為更好地解決城市對外交通需求快速集散，城市快速路應(yīng)直接接入高速公路網(wǎng)[1]。因此，在這一背景下，環(huán)城高速公路上新增或改造互通的工程愈來愈多，這類工程特點(diǎn)一是主要服務(wù)于城市對外交通需求，往往代表著一個(gè)城市組團(tuán)或片區(qū)的門戶形象，城市管理者期望收費(fèi)站大方、美觀，而高速公路管理者主要希望滿足功能、高效安全通行；二是新增或改造互通受城市總體規(guī)劃影響，間距較近（3～5 km），且匝道收費(fèi)站布置緊湊，通行車輛通過收費(fèi)站后，快速向高速公路集散，交通組織較為復(fù)雜。

基于上述特點(diǎn)，從城市與高速公路管理者角度出發(fā)，前者要求收費(fèi)站規(guī)模愈大愈好，后者則要求收費(fèi)站滿足交通需求、高效安全通行，二者之間對匝道收費(fèi)站規(guī)模，特別是收費(fèi)車道數(shù)的配置存在一定的矛盾點(diǎn)。目前，收費(fèi)車道數(shù)主要依據(jù)收費(fèi)站斷面交通量預(yù)測結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后，結(jié)合交通發(fā)展情況，綜合配置。但這種計(jì)算并未考慮匝道收費(fèi)站斷面交通量對高速公路主線及互通匝道通行能力的影響。因城市對外交通需求量較大，車輛通過收費(fèi)站后，不能及時(shí)匯入高速公路主線，從而造成車輛在分合流點(diǎn)交織，進(jìn)而影響高速公路主線交通流正常通行。

綜上，本文考慮在保障高速公路互通區(qū)運(yùn)行狀態(tài)的情況下，以匝道收費(fèi)站斷面交通量預(yù)測結(jié)果為依據(jù)，首先分析互通區(qū)服務(wù)水平，在維持互通區(qū)二級服務(wù)水平基礎(chǔ)上，提出斷面交通量適應(yīng)于收費(fèi)車道數(shù)配置依據(jù)的前置條件，然后應(yīng)用《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》匝道收費(fèi)站車道數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行車道數(shù)配置，以期合理地確定車道配置。

2 互通區(qū)通行能力計(jì)算模型

國內(nèi)外對于互通通行能力及服務(wù)水平基本分3個(gè)部分進(jìn)行分析：一是匝道與高速公路連接處；二是匝道通行能力；三是匝道與相連道路處的通行能力。一般而言，匝道自身通行能力雖較正常路段稍低，但通行能力相對較大，不是影響互通通行能力的主要因素；匝道與相連道路處的通行能力則主要受相連道路遠(yuǎn)景規(guī)劃、周圍地形及交通特征等影響[2]，應(yīng)納入相連道路統(tǒng)一進(jìn)行通行能力分析；而在布設(shè)有匝道收費(fèi)站的出入口上，因匝道收費(fèi)站具有的匝道控制器功能(車輛減速—停車—服務(wù)(交費(fèi)、領(lǐng)卡)—加速)，匝道與高速公路連接處的通行能力則主要決定了匝道和高速公路進(jìn)出口的通行能力[3]。

目前，研究匝道連接處通行能力的方法主要為理論分析與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，回歸經(jīng)驗(yàn)公式，如《交通工程總論》、HCM2000中的分析方法，這些模型計(jì)算簡單，應(yīng)用范圍廣，還有一些以間隙接受理論、交通模擬及仿真[3-6]等方法。

本文以雙向四車道高速公路為例，對《交通工程總論》、HCM2000中典型的通行能力計(jì)算圖式及模型進(jìn)行歸納分析。

2.1 《交通工程總論》中互通區(qū)通行能力計(jì)算圖式及模型

《交通工程總論》中分析計(jì)算連接處通行能力時(shí)，分析3個(gè)關(guān)鍵交通量（見圖1、圖2），一是匯合交通量Vm（匯合車流交通量之和，veh/h），二是分離交通量是Vr（即將分離或分流的交通量，veh/h），三是主線交通量Vf，是匝道與高速公路連接處最大的單向交通量，即分合流點(diǎn)上下游單向交通量（veh/h），最后以Vm、Vr、Vf分別滿足服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)判定互通區(qū)服務(wù)水平。

圖1 《交通工程總論》中單車道駛?cè)雸D式

計(jì)算式：V1=136+0.345V′f-0.115Vr，

適用條件：

a)單車道駛?cè)朐训?有或無加減速車道)；b)僅用于上游610 m內(nèi)無相鄰駛?cè)朐训?；c)使用范圍：V'f=360～3 100 veh/h，Vr=50～1 300 veh/h.

圖2 《交通工程總論》中單車道駛出圖式

計(jì)算式：V1=165+0.345V'f+0.520Vr，

適用條件：

a)單車道駛?cè)朐训?有或無加減速車道)；b)僅用于上游610 m內(nèi)無相鄰駛?cè)朐训?；c)使用范圍：V'f=360～3 800 veh/h，Vr=50～1 400 veh/h.

2.2 HCM2000中雙向四車道高速公路單車道駛?cè)?、駛出模?/h3>

美國道路能力手冊HCM2000中，對雙向四車道高速公路單車道駛?cè)腭偝龅墓铝⒃训?圖3、圖4)連接處服務(wù)水平按車流密度k(pcu/(km·ln))進(jìn)行評價(jià)，其中，k與匝道流量r(pcu/h)、上游流量 q12(pcu/h)和加減速車道La(m)呈線性關(guān)系。

圖3HCM2000中單車道駛?cè)雸D式

計(jì)算式：k=3.402+0.004 56r+0.004 8q12-0.012 78La.

圖4HCM2000中單車道駛出圖式

計(jì)算式：k=2.642+0.005 3q12-0.018 3La.

2.3 結(jié)合《交通工程總論》與HCM2000的匝道連接處通行能力模型

從《交通工程總論》、HCM2000中的通行能力模型來看，前者主要考慮互通區(qū)主線交通流最外側(cè)車道與匝道匯入或匯出交通流的疊加影響，模型對于加減速車道的布設(shè)考慮不夠全面，而后者考慮了加減速車道的影響，但對于互通區(qū)交通流最外側(cè)車道的交通量缺乏足夠的計(jì)算依據(jù)。

實(shí)際上，互通區(qū)分合流點(diǎn)車流的運(yùn)行狀況，受交通安全設(shè)施(標(biāo)志、標(biāo)線)等引導(dǎo)，擬通過互通進(jìn)行分合流的將提前實(shí)施轉(zhuǎn)移車道行為，其中，分流點(diǎn)車輛逐漸增加、合流點(diǎn)逐漸減少。因此，互通區(qū)連接處的通行能力應(yīng)重點(diǎn)考慮最外側(cè)車流與分合流車流交織的過程，本文綜合考慮上述因素后，擬采用《交通工程總論》最外側(cè)車道流量計(jì)算模型分析最外側(cè)車道流量，將最外側(cè)車道交通量(veh/h)折算為標(biāo)準(zhǔn)小客車(pcu/h)后應(yīng)用于HCM2000模型中的上游交通量(即令 q12=V1，Vr=r，)，最后通過車流密度(參照《公路通行能力手冊》匝道連接處服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn))評價(jià)匝道連接處服務(wù)水平。

2.4 合流和分流區(qū)的服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)

表1 匝道連接處的服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn) pcu/km/車道

表1匝道連接處(合/分流區(qū))服務(wù)水平的劃分標(biāo)準(zhǔn)是在影響區(qū)內(nèi)車流穩(wěn)定運(yùn)行的前提下制定的，如果出現(xiàn)交通需求大于通行能力，包括需要進(jìn)入影響區(qū)的交通流率大于主線中該區(qū)域的最大交通流率、匝道中交通需求大于匝道車行道通行能力或駛出合流區(qū)的交通流率大于主線通行能力等，都會(huì)出現(xiàn)交通阻塞的情況，不能采用密度來劃分服務(wù)水平等級。這種情況下，建議匝道收費(fèi)站開始實(shí)施其具有的調(diào)節(jié)器功能，適當(dāng)控制車流出入，保障高速公路主線正常通行。

2.5 服務(wù)水平分析

通過對連接處通行能力的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用表1的判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，若計(jì)算結(jié)果可以滿足二級服務(wù)水平，則直接將匝道收費(fèi)站斷面交通量應(yīng)用于收費(fèi)車道數(shù)計(jì)算，若不滿足二級服務(wù)水平，則利用上述模型進(jìn)行反推，將反推后的斷面交通量應(yīng)用于收費(fèi)車道數(shù)計(jì)算，這樣就可以通過匝道收費(fèi)站車道數(shù)配置等控制匯合車流，從而保障高速公路互通區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 收費(fèi)車道數(shù)計(jì)算模型

根據(jù)上述通行能力分析結(jié)果，結(jié)合《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》(2007年第35號公告)，整理收費(fèi)車道數(shù)計(jì)算流程，見圖5所示。其中，虛線框內(nèi)為本文核心，即新增匝道連接處通行能力判別單元(詳細(xì)計(jì)算過程見第2節(jié))。

圖中大中型貨車占有率R按實(shí)際取值；K按0.10～0.12取值；D按1取值 (已有分向交通量預(yù)測結(jié)果)；服務(wù)時(shí)間非自由流ETC車道為2～3 s，封閉式收費(fèi)站入口為6～8 s，出口為14～20 s；收費(fèi)服務(wù)水平一般為平均等待車輛數(shù)1輛；表F-2見《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》附錄F(限于篇幅，本文略)。

圖5 收費(fèi)車道數(shù)計(jì)算模型流程圖

4 工程實(shí)例

太原市西環(huán)高速公路冶峪互通是為配合實(shí)施南中環(huán)街快速化改造，緩解周邊城市道路交通壓力，更快捷地疏散對外交通需求而提出的改造工程。該互通對于解決太原市西南片區(qū)對外交通出行需求具有重要意義，同時(shí)本互通也代表著這一區(qū)域的門戶形象，因此，合理確定這一互通的收費(fèi)車道，對于平衡城市管理者與高速公路管理者的不同要求，切實(shí)解決對外交通出行需求問題等具有重要意義。

互通改造方案(圖6)在維持冶峪互通A匝道（環(huán)形匝道）及B匝道不變的情況下，對A匝道起點(diǎn)段由南向東調(diào)整，順接南中環(huán)街西延段，同時(shí)改造C、D匝道與A匝道銜接。各匝道加減速車道長度見表2所示，互通交通量預(yù)測結(jié)果及車輛組成見圖7、表3所示。

圖6 冶峪互通改造方案簡圖

表2 各匝道加減速車道長度一覽表 m

圖7 交通量分布圖

表3 車輛組成一覽表 %

按上述模型及互通改造參數(shù)，計(jì)算連接處服務(wù)水平結(jié)果值見表4所示。

表4 連接處服務(wù)水平分析結(jié)果一覽表

從上述計(jì)算結(jié)果來看，各匝道連接處服務(wù)水平可以維持在二級以上，即收費(fèi)站斷面交通量能滿足收費(fèi)車道數(shù)計(jì)算模型的前置條件，因此，綜合考慮計(jì)重收費(fèi)、治超檢測、ETC車道布置等影響因素后，在服務(wù)時(shí)間入口取值10 s、出口取值14 s的情況下，查表F-2，該互通收費(fèi)站收費(fèi)車道數(shù)應(yīng)配置為6進(jìn)8出。

5 結(jié)論及展望

本文通過全面分析互通區(qū)通行能力計(jì)算的典型方法后，結(jié)合車流運(yùn)行狀況實(shí)際，提出進(jìn)行匝道收費(fèi)站收費(fèi)車道數(shù)計(jì)算的前置條件，即匝道收費(fèi)站斷面交通量應(yīng)滿足保障高速公路互通運(yùn)行狀態(tài)的情況下進(jìn)行合理取值，可以滿足服務(wù)水平的直接應(yīng)用，不滿足服務(wù)水平的應(yīng)在維持二級服務(wù)水平的基礎(chǔ)上進(jìn)行反推后，利用反推值進(jìn)行車道數(shù)計(jì)算。

應(yīng)用本文的互通收費(fèi)站收費(fèi)車道配置思路后，一方面可以保障高速公路互通區(qū)運(yùn)行狀態(tài)下，使互通區(qū)有一個(gè)良好的通行環(huán)境，另一方面則是可以合理控制收費(fèi)車道數(shù)配置規(guī)模，避免因車流量不足或者過飽和狀態(tài)而導(dǎo)致收費(fèi)車道數(shù)關(guān)閉或者閑置，造成一定的社會(huì)影響。

本文模型中最外側(cè)車道數(shù)計(jì)算、連接處車流密度模型等直接引用了《交通工程總論》、HCM2000中的標(biāo)定結(jié)果，這些結(jié)果在分析中低密度車流條件下是適用的，但為更準(zhǔn)確地配置收費(fèi)車道，在工程實(shí)際應(yīng)用中，特別是在條件允許的情況下，可選擇擬新增或改造互通周邊的互通收費(fèi)站連接處實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。