■周麗娟 茹小磊 朱 宏

（1.陜西省高速公路建設集團公司西寶高速公路改擴建項目管理處，咸陽 712011；2.長安大學公路學院，西安 710064；3.溫州市城市基礎設施建設投資有限公司，溫州 325000）

0 引言

駕駛人在高速公路主線和出口匝道的連接部分行駛時，其駕駛操作行為比較復雜多變，同時行駛車輛間的速度離散程度比較大，導致這部分路段的交通沖突數(shù)量較多、交通流混亂，交通效率和交通安全受到了嚴重的影響。為了避免運行速度突變現(xiàn)象發(fā)生，減小連續(xù)路段之間的速度差值，使車輛的運行速度可以逐步減小到匝道限速值，在出口匝道影響區(qū)采用分級限速方案的方法被提出。

目前國內外對在出口匝道影響區(qū)交通安全的研究大多數(shù)主要集中于對其限速標志位置的設置、限速值的計算模型、限速標志的設計、限速分級標準等方面，但對在出口匝道影響區(qū)車輛的運行速度降到匝道限速值過程中，究竟選取幾級限速方案的效果最佳這方面卻涉及很少。因為出口匝道影響區(qū)的交通組織環(huán)境較為復雜，所以在車輛降速過程中采用不同的分級限速方案，其效果是不同的。故本文以提高出口匝道區(qū)域交通安全和交通效率的效果最佳為目標，對分級限速方案在高速公路出口匝道影響區(qū)的適用性進行研究。

1 分級限速方案控制方法

1.1 出口匝道選取及其影響區(qū)域劃分

本文選取最具代表性的直接式單匝道（其中主線車道數(shù)為兩車道）作為研究對象。根據(jù)高速公路出口匝道交通特性，利用出口匝道漸變段起點和出口匝道分流鼻端，將高速公路出口匝道影響區(qū)劃分為4個部分，即主線上游區(qū)、“主線—匝道”分流區(qū)、主線下游區(qū)、出口匝道區(qū)，如圖1所示。

圖1 出口匝道影響區(qū)的劃分

（1）主線上游區(qū)是指第三塊出口匝道預告標志至出口匝道漸變段起點的一段區(qū)域。在該區(qū)域內，準備駛入出口匝道的大部分車輛均已由內側車道變換到外側車道并且做好進入減速車道的準備；（2）“主線—匝道”分流區(qū)是指從出口匝道漸變段起點至出口匝道分流鼻端的一段區(qū)域。在該區(qū)域內，準備駛入出口匝道的車輛從主線交通流中分離出來，并駛入出口匝道；（3）主線下游區(qū)是指從出口匝道分流鼻端向下游延伸300m的一段區(qū)域。在該區(qū)域內，受出口匝道影響的車輛將會恢復正常行駛狀態(tài)；（4）出口匝道區(qū)是指從出口匝道分流鼻端向匝道下游延伸400m的一段區(qū)域。在該區(qū)域內，行駛車輛將會以不高于匝道鼻端限速值的車速行駛并逐漸穩(wěn)定下來。

1.2 分級限速方案種類

在高速公路出口匝道影響區(qū)設置分級限速方案的限速值及其種類時主要考慮的因素為：①考慮到布設限速標志的可操作性，分級限速標志不應過多；②限速值不應過低，否則將會影響出口匝道影響區(qū)的交通效率；③限速值變化不宜過于頻繁，以免駕駛員產生煩躁心理。分級限速標志值間的遞減量一般為10km/h~20km/h。通過相關交通數(shù)據(jù)調查和統(tǒng)計，界定高速公路正常路段上小型車的平均運行車速為100km/h~120km/h，大型車的平均運行車速為90km/h~110km/h。故本文將研究一級、二級及三級分級限速方案，并根據(jù)在出口匝道影響區(qū)采取的限速遞減量和遞減次數(shù)確定各分級限速方案的限速值及其種類，如表1所示。

表1 分級限速方案的限速值及其種類

根據(jù)《公路路線設計規(guī)范》及GoogleEarth觀測，我國出口匝道鼻端處的限速值大多為40km/h，所以本文將研究40、60～40、80～60～40這3種常見分級限速方案在出口匝道影響區(qū)不同交通組織環(huán)境下的適用性情況。

2 分級限速方案適用性評估方法

2.1 評估指標體系構建

本文根據(jù)相關研究資料，并考慮評估指標之間的相對重要性、計算評估指標的復雜度，運用專家分析法，構建分級限速方案適用性的評估指標體系，如圖2所示。

圖2 高速公路出口匝道分級限速方案適用性評估指標體系

2.1.1 交通安全評估指標

基于非事故統(tǒng)計的間接評估方法，選取速度離散性評估指標——速度偏差的變化系數(shù)（theCoefficientof VariationoftheSpeedDeviation,CVSD）和交通沖突評估指標——交通沖突率f，從這兩個交通安全指標來對高速公路出口匝道影響區(qū)的交通安全進行評估。

（1）速度離散性評估指標——速度偏差的變化系數(shù)CVSD

在出口匝道影響區(qū)的影響下，導致高速公路的連續(xù)車流受到干擾、車速離散程度變大、車頭時距變小，隨之造成交通擁擠、車輛排隊長度變長等。如果把出口匝道影響區(qū)看作一個系統(tǒng)，則該系統(tǒng)內要素之間具有很強的制約關系，該系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)。通過分析相關研究成果可知，交通安全和車速的離散程度存在著非常密切的關系，即交通安全性和車速的離散程度呈反比。而在高速公路出口匝道影響區(qū)中，由于不同斷面的平均運行車速都不一樣，為避免受到不同運行車速的干擾，本文選用速度離散性評估指標CVSD來評估各斷面的交通安全性。其中速度偏差的變化系數(shù)CVSD的計算公式為：

（2）交通沖突評估指標——交通沖突率f

在出口匝道影響區(qū)中，由于駛入出口匝道的車輛要實現(xiàn)減速、變換車道、尋找插入空隙等駕駛行為，從而對出口匝道影響區(qū)內的交通流產生干擾，導致同一車道的車輛之間發(fā)生縱向沖突、相鄰車道的車輛發(fā)生橫向沖突，極易發(fā)生交通事故，導致出口匝道影響區(qū)安全性較差。另外，專家研究表明交通沖突和交通事故存在緊密的關系，則交通沖突率和事故率也存在緊密的關系，即交通沖突數(shù)越高，交通沖突率就會越高，事故率也就會越高。所以，本文選用交通沖突評估指標——交通沖突率f，來對出口匝道影響區(qū)分級限速方案的適用性進行研究。其中，交通沖突率f 的計算公式為：

式中，f 為交通沖突率，次/veh·km；TC 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側車道至出口匝道車道的時均沖突數(shù)，次；Q 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側車道至出口匝道車道的路段交通量，pcu/h；d 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側車道至出口匝道車道的路段長度，km。

2.1.2 交通效率評估指標

由于出口匝道影響區(qū)擁擠現(xiàn)象較為突出，交通影響區(qū)中分級限速標志不同的設置方案必然會對其交通效率引起較大影響，若分級限速標志設置的不合理，交通影響區(qū)的交通效率必會下降。所以，本文從“時間”和“空間”兩個角度選取交通效率評估指標，即時間占用性指標和空間占用性指標。

（1）時間占用性指標——車均延誤時間D

出口匝道影響區(qū)由于行駛車輛經常會出現(xiàn)減速、變換車道等操作行為，其車輛在通過出口匝道影響區(qū)的平均行程時間必然會增大，占用的時間較長，尤其在交通量較大時甚為嚴重。本文從“時間”角度考慮評估交通效率，選取時間占用性指標，即車均延誤時間。其中車均延誤時間D的計算公式為：

式中，D為出口匝道影響區(qū)車均延誤時間，s；Tm為車輛通過出口匝道影響區(qū)的實際平均行程時間，s；Tn為車輛通過出口匝道影響區(qū)的理論平均行程時間，s。

（2）空間占用性指標——平均排隊長度q

出口匝道影響區(qū)由于交通環(huán)境復雜、交通流較為紊亂，交通擁堵時有發(fā)生，尤其交通量較大時，從出口匝道鼻端向主線上游延伸的路段甚為嚴重，經常發(fā)生車輛排隊現(xiàn)象。在出口匝道影響區(qū)，如果分級限速方案的適用性較強，則產生對出口匝道影響區(qū)交通效率的干擾就較小，其平均排隊長度就較短，占用的道路空間就較?。蝗绻旨壪匏俜桨傅倪m用性較弱，則產生對出口匝道影響區(qū)交通效率的干擾就較大，其平均排隊長度就較長，占用的道路空間就較大。本文從“空間”角度考慮評估交通效率，選取空間占用性指標，即從出口匝道鼻端向主線上游延伸所產生的平均排隊長度q。

2.2 加權加法平均法綜合評估

本文采用加權加法平均法來評估高速公路出口匝道影響區(qū)分級限速方案的適用性，其流程如下。

2.2.1 評估指標建立

不同交通組織環(huán)境下分級限速方案的適用性是不同的，基于此，在高速公路出口匝道影響區(qū)的某種交通組織環(huán)境下，要對在這個交通組織環(huán)境下“40、60～40、80～60～40”這3種不同的分級限速方案適用性情況進行評估，而CVSD、f、D、q則為分級限速方案的評估指標。假設第i(i=1,2,3)個分級限速方案在第j(j=1,2,3,4)個指標得到的標值為，第j個指標的權重系數(shù)為。

2.2.2 評估指標值無量綱化

由于加權加法平均法要把各評估指標值進行相加計算，所以就要求所有評估指標標值必須具有相同的量綱。本文選用直線型閾值法對定量指標無量綱化，其計算公式為：

2.2.3 評估指標權重分配

本文選用特征向量法確定評估指標權重。特征向量法的實施步驟為：（1）列出基于評估指標重要性的4×4的判斷方陣A；（2）求判斷方陣A的特征根λ；（3）判斷方陣A的一致性檢驗；（4）求出判斷方陣A的最大特征根λmax的特征向量。步驟詳見文獻[3]。

2.2.4 加權加法平均法綜合評估值計算

加權加法平均法綜合評估的計算模型為：

分級限速方案適用性加權加法平均法綜合評估值的計算原理如表2所示。

表2 分級限速方案適用性加權加法平均法綜合評估值的計算原理

分級限速方案適用性加權加法平均法綜合評估值越高，則該分級限速方案的適用性就越強，反之，就越弱。

3 分級限速方案適用性評估

3.1 基于VISSIM 的分級限速方案仿真

3.1.1 交通組織仿真環(huán)境

確定分級限速仿真方案，關鍵在于交通組織環(huán)境仿真方案的確定，交通組織環(huán)境的組成因素主要包括主線上游交通量、車型比例、出口匝道駛出率和減速車道長度。由于這四個因素涉及的數(shù)據(jù)組合較多，先將不同出口匝道駛出率和不同減速車道長度進行組合,得aj/bj(j=1,2,3)，共6種，如表3所示。

表3 出口匝道駛出率和減速車道長度的交通組成

然后在交通組成aj/bj(j=1,2,3)條件下，對不同的主線上游交通量和車型比例進行組合ci/di/ei（i=1,2,3,4），得交通組織環(huán)境仿真方案共有72種，如表4所示。

表4 交通組織環(huán)境仿真方案

3.1.2 仿真流程

基于VISSIM 的分級限速方案的適用性評估仿真流程如圖3所示。流程詳見文獻[3]。

圖3 分級限速方案的適用性評估仿真流程

3.2 分級限速方案的適用性評估綜合分析

對仿真得到的數(shù)據(jù)，運用章節(jié)2.2中介紹的方法，綜合評估3種分級限速方案在72種交通組織環(huán)境仿真方案下的適用性，分析結果如圖4～圖9所示。

（1）出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為20%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

圖4 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境a1+ci/di/ei下的適用性綜合評估

從圖4可得出：（1）當出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越小時，分級限速方案的適用性強弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：60≤40>40>80≤60≤40。

(2)出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為35%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況。

從圖5可得出：（1）當出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越小時，分級限速方案的適用性強弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：60~40>40>80~60~40。

(3)出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為50%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖6可得出：（1）當出口匝道影響區(qū)交通量≤2400pcu/h且大車比率越小時，分級限速方案的適用性強弱情況為：40>60～40>80～60～40；（2）當2400pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：60～40>40>80～60～40;（3）當2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：60～40>80～60～40>40；（4）當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：80～60～40>60～40>40。

圖6 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境a3+ci/di/ei下的適用性綜合評估

（4）出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為20%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖7可得出：當出口匝道影響區(qū)交通量≤出口匝道影響區(qū)通行能力且大車比率越小時，分級限速方案的適用性強弱情況為：40>60～40>80～60～40。

圖7 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b1+ci/di/ei下的適用性綜合評估

（5）出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為35%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖8可得出：（1）當出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越小時，分級限速方案的適用性強弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：60~40>40>80~60~40。

圖8 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b2+ci/di/ei下的適用性綜合評估

(6)出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為50%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖9可得出：（1）當出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越小時，分級限速方案的適用性強弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：60~40>80~60~40>40;（3）當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時，分級限速方案的適用性強弱情況為：80~60~40>60~40>40。

圖9 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b3+ci/di/ei下的適用性綜合評估

4 結論

本文對出口匝道影響區(qū)分級限速方案適用性研究具有一定的合理性，分級限速方案在不同交通組織環(huán)境下的適用性都是不同的。對于分級較多限速方案，雖然速度變化的連續(xù)性較好，在一定程度上保障了交通安全性，但是考慮到駕駛員的駕駛特性，其實這種限速方案對交通安全性的幫助并不大。因為駕駛員在道路上行駛時，需要注意各種交通情況，所以設置過多的限速標志時，駕駛員就有可能會一直注意這些標志，從而忽視了自己的駕駛行為，這樣是非常容易發(fā)生交通事故的。所以，出口匝道影響區(qū)采用幾級限速方案應根據(jù)交通組織環(huán)境而定，具體如下：

（1）當出口匝道影響區(qū)交通量較小、出口匝道駛出率較小且大車率較小時，可考慮采用一級限速方案；

（2）當出口匝道影響區(qū)交通量較大、出口匝道駛出率較大且大車率較大時，可考慮采用二級限速方案；

（3）當出口匝道影響區(qū)交通量很大（接近出口匝道影響區(qū)通行能力）、出口匝道駛出率很大且大車率很大時，方可考慮采用三級限速方案。

這樣才能使分級限速方案的作用達到最佳，更有效地保障出口匝道影響區(qū)交通安全和提高其交通效率。

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