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)

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，在分析車道的增設方式及其作用的基礎上，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)，推算出可增設分流車道的交織區(qū)最短長度(26 m)。采用VISSIM仿真，確定增設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。

與此有關的國內(nèi)外研究主要集中在交織區(qū)的通行能力領域：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，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)絡技術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)增設直行車道及在交織車道兩側(cè)增設分流車道。增設方式及交通渠化設置見圖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。設該交織區(qū)長度為Lw，一條直行車道的設計通行能力為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　增設分流車道效果研究

增設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。

參考文獻

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收稿日期：2015-04-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.046