分、合流區(qū)通行能力分析方法改進(jìn)研究

陳春安， 榮 建， 周晨靜， 常 鑫

(北京工業(yè)大學(xué) 交通工程研究中心， 北京 100124)

?

分、合流區(qū)通行能力分析方法改進(jìn)研究

陳春安， 榮 建， 周晨靜， 常 鑫

(北京工業(yè)大學(xué) 交通工程研究中心， 北京 100124)

隨著我國公路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)與更新，分、合流區(qū)通行能力分析方法在實(shí)踐過程中出現(xiàn)縱向分析范圍難以滿足新型設(shè)計(jì)規(guī)范和橫向分析區(qū)域難以表征整體服務(wù)水平兩方面的問題. 研究首先通過實(shí)地調(diào)研，考察分、合流車輛在主線右側(cè)車道車流所占比重指標(biāo)隨距分、合流點(diǎn)距離的變化情況，發(fā)現(xiàn)分流點(diǎn)上游距離1 050 m以外，指標(biāo)穩(wěn)定于11%～15%之間；合流點(diǎn)下游距離750 m以外，指標(biāo)穩(wěn)定于11%～12%之間. 由此推斷分流區(qū)通行能力分析范圍可確定在分流點(diǎn)至上游1 050 m之間，合流區(qū)通行能力分析范圍可確定在合流點(diǎn)至下游750 m之間. 然后，采用算例分析法，對分、合流區(qū)影響區(qū)與非影響區(qū)獨(dú)立測算，結(jié)果表明分、合流區(qū)內(nèi)影響區(qū)與非影響區(qū)交通流狀態(tài)會有較大差別，單獨(dú)用影響區(qū)服務(wù)水平難以表征整個分(合)流區(qū)交通流運(yùn)行狀態(tài)，建議增加分、合流區(qū)非影響區(qū)服務(wù)水平分析內(nèi)容.

分流區(qū)影響范圍； 合流區(qū)影響范圍； 服務(wù)水平； 通行能力

0 引言

分、合流區(qū)通行能力分析是公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營和管理，以及公路工程項(xiàng)目可行性研究、公路建設(shè)項(xiàng)目后評估等工作的關(guān)鍵內(nèi)容之一. 20世紀(jì)50年代以來，以美國為主的機(jī)動化程度較高的國家對分、合流區(qū)通行能力進(jìn)行了深入持久的研究，取得了一系列研究成果. 我國也在“九五”、“十五”科技攻關(guān)課題中開展高速公路及快速路分、合流區(qū)通行能力研究，對國外研究成果消化吸收，制定出符合我國實(shí)際道路運(yùn)行狀況的通行能力分析方法，成為《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ001—97)和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ011—94)的配套分析方法. 隨著我國公路建設(shè)事業(yè)發(fā)展，《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及《公路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》先后于2003年及2006年完成修訂工作，相應(yīng)通行能力分析方法也逐漸暴露出一定的不適應(yīng)性，需進(jìn)行更新與完善. 研究面向分、合流區(qū)通行能力分析內(nèi)容，總結(jié)其在公路建設(shè)實(shí)踐應(yīng)用過程中存在的問題，開展針對性研究，提出改善建議.

1 問題提出及分析

1.1 縱向分析范圍劃分問題

現(xiàn)行《公路通行能力分析手冊》中將分、合流區(qū)影響范圍定義為合流點(diǎn)下游450 m、分流點(diǎn)上游450 m區(qū)域[1](如圖1所示). 然而，在我國最新《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]JTG D20—2006中規(guī)定，當(dāng)高速公路主線設(shè)計(jì)速度大于100 km/h時(shí)，雙車道入口車道變速車道長度至少為510 m，已超出450 m的分析范圍.

圖1 分、合流區(qū)影響范圍示意圖

2006版《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》指出：“我國變速車道長度不足，在已建成的交通量較大的高速公路上已有明顯的暴露. 由于減速車道的長度較短，它所鄰接的匝道的平面線形指標(biāo)又較低，駕駛者見此情景后往往在進(jìn)入減速車道之前就開始降速，影響后隨直行車輛的正常行駛，潛在事故隱患. 加速車道由于長度不足而使匯流欠有序”. 鑒于此，新版手冊修訂增長了變速車道，并作了在某些情況下增長變速車道的規(guī)定. 美國1965年版《道路通行能力手冊》(Highway Capacity Manual，簡稱HCM)將分、合流區(qū)通行能力納入分析范圍[3]，1985版HCM基于大量匝道及立交橋區(qū)影響范圍研究，將分流區(qū)通行能力分析范圍界定為分流匝道上游2 500 ft(約750 m)至下游500 ft(約150 m)之間、將合流區(qū)通行能力分析范圍界定為合流匝道上游500 ft(約150 m)至下游2 500 ft(約750 m)之間[4]；美國相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定連續(xù)匝道適宜間距為1 300 ft，長距離大范圍內(nèi)往往包含多個分(合)流區(qū)，對通行能力分析結(jié)果造成負(fù)面影響. 1994版HCM將分、合流區(qū)通行能力分析范圍界定為分流匝道上游、合流匝道下游1 500 ft(約450米)[5]；1997版、2000版及最新2010版HCM均采用該分析范圍界定方法. 我國《公路通行能力手冊》同樣沿用該分析范圍界定方法，服務(wù)于97版《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和94版《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》，卻難以適用于新版《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》.

分、合流區(qū)交通流運(yùn)行特性研究已有成熟研究結(jié)論[6-9]. 對于分流區(qū)，分流車輛在距分流點(diǎn)一定距離時(shí)開始變換到最右側(cè)車道，以便安全駛出主線. 距分流點(diǎn)越近，分流車輛在主線最右側(cè)車道行駛車流所占比重越大；對于合流區(qū)，合流車輛由入口匝道駛?cè)胫骶€后，首先進(jìn)入主線最右側(cè)車道，然后尋求合適間隙變換到左側(cè)車道，以獲取舒適駕駛空間. 距合流點(diǎn)越近，合流車輛在主線最右側(cè)車道行駛車流所占比重越大. 研究從交通流量車道分布的角度開展分析，以分(合)流車輛在主線最右側(cè)車道行駛車流所占比重為考察指標(biāo)，開展分(合)流影響區(qū)對上(下)游車道分布影響分析，重新界定我國分、合流區(qū)通行能力分析范圍.

1.2 橫向分析區(qū)域選擇問題

分、合流區(qū)通行能力分析方法核心內(nèi)容是對匝道、分(合)流點(diǎn)、影響區(qū)關(guān)鍵斷面三部分進(jìn)行交通運(yùn)行狀態(tài)的核查. 而通行能力分析主要目的是考察影響區(qū)內(nèi)部車流運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)施所提供的服務(wù)水平，以此確定設(shè)施建設(shè)或改造方案. 現(xiàn)行分析方法中以分、合流影響區(qū)密度表征分、合流區(qū)整體服務(wù)水平(如圖2). 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，非影響區(qū)車道交通流在一定程度上受影響區(qū)內(nèi)車流分合流行為的影響，但是整體考慮服務(wù)水平無法直接考慮非影響區(qū)內(nèi)車道數(shù)量設(shè)置，工程技術(shù)人員建議獨(dú)立測算，增加分、合流區(qū)非影響區(qū)服務(wù)水平分析內(nèi)容，如圖3.

圖2 現(xiàn)行方法服務(wù)水平分析

圖3 獨(dú)立測算服務(wù)水平

美國HCM分、合流區(qū)手冊通行能力分析方法也是逐步完善的. 1965版HCM分、合流區(qū)通行能力服務(wù)水平評價(jià)只考慮交通流量和車道數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；1985版HCM分、合流區(qū)通行能力分析加入設(shè)施構(gòu)型要素；1994版HCM分、合流區(qū)通行能力分析以運(yùn)行速度作為服務(wù)水平評價(jià)指標(biāo)，并首次確定主線右側(cè)兩車道為分、合流影響區(qū)，確定3個關(guān)鍵斷面交通運(yùn)行狀態(tài)校核的分析方法，橫向分析范圍仍是整個斷面；1997版HCM用密度作為分、合流區(qū)服務(wù)水平評價(jià)指標(biāo)，分析方法及橫向范圍沒有改變；2000版、2010版HCM分、合流區(qū)通行能力分析方法均未改動. 我國《公路通行能力手冊》借鑒1997版HCM分、合流通行能力分析方法.

整體斷面分析具有直觀、簡潔的特點(diǎn)，可以便捷判定道路系統(tǒng)擁堵節(jié)點(diǎn)，并給出量化評價(jià)指標(biāo). 但是由于出行分布及駕駛行為影響，分、合流區(qū)匝道出、入口處往往產(chǎn)生局部擁堵，整體斷面分析方法弱化局部擁堵區(qū)域評價(jià)，影響區(qū)與非影響區(qū)獨(dú)立測算可以滿足精細(xì)化管理需求. 研究采用案例分析方法，分別采用兩種分析思路對2000版HCM計(jì)算算例進(jìn)行測算，對比分析兩者具體差異.

2 數(shù)據(jù)采集及處理

研究選取京哈高速出京方向姚辛莊橋分流區(qū)及合流區(qū)作為調(diào)查地點(diǎn)(如圖4)，主線車道數(shù)量為3，分流區(qū)減速車道長90 m，合流區(qū)加速車道長150 m.

對于分流區(qū)，以分流點(diǎn)(匝道始端)為始點(diǎn)，向分流區(qū)上游每隔150 m設(shè)置一個監(jiān)測點(diǎn)，在1 200 m范圍內(nèi)共設(shè)置9個監(jiān)測點(diǎn)，用攝像機(jī)記錄主線最右側(cè)車道通行車輛，然后人工識別通行車輛牌照，以15 min為間隔統(tǒng)計(jì)每個監(jiān)測點(diǎn)通行車輛.

對于合流區(qū)，以合流點(diǎn)(匝道末端)為始點(diǎn)，向合流區(qū)下游每隔150 m設(shè)置一個監(jiān)測點(diǎn)，同樣在1 200 m范圍內(nèi)共設(shè)置9個監(jiān)測點(diǎn)，用攝像機(jī)記錄主線最右側(cè)車道通行車輛，然后人工識別通行車輛牌照，以15 min為間隔統(tǒng)計(jì)每個監(jiān)測點(diǎn)通行車輛.

圖4 數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)影像圖

調(diào)查時(shí)間選取交通流運(yùn)行穩(wěn)定，無擁堵及交通事故等事件發(fā)生的正常工作日. 調(diào)查從早8：00—12：00點(diǎn)持續(xù)4個小時(shí)，共獲得16組分流區(qū)車輛通行數(shù)據(jù)及16組合流區(qū)車輛通行數(shù)據(jù). 實(shí)驗(yàn)第1個監(jiān)測攝像機(jī)獲取數(shù)據(jù)為分(合)流車輛通行數(shù)據(jù)，結(jié)合各斷面數(shù)據(jù)可以獲得分(合)流車輛在主線最右側(cè)車道行駛車流所占比重(記為P)，調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.

針對橫向分析區(qū)域選擇問題，研究選取2000版HCM分、合流區(qū)分析算例，分別按照斷面整體分析和影響區(qū)與非影響區(qū)獨(dú)立測算的思路，依據(jù)我國《公路通行能力手冊》計(jì)算參數(shù)進(jìn)行案例分析. 非影響區(qū)車流密度計(jì)算按照交通流速度、密度、流量基本公式進(jìn)行計(jì)算，非影響區(qū)服務(wù)水平分級參照高速公路基本路段服務(wù)水平分級表，計(jì)算結(jié)果如表2所示.

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 分流區(qū)影響范圍分析

依據(jù)表1做出分流區(qū)上游距分流點(diǎn)不同距離條件下，分流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重(P分流)的變化趨勢圖，如圖5所示，同時(shí)研究做出各監(jiān)測點(diǎn)相對于上一監(jiān)測點(diǎn)比重變化量，如圖6所示. 由圖可知，隨距分流點(diǎn)距離的增加，分流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重逐漸減小，并趨于穩(wěn)定(穩(wěn)定區(qū)間為11%～15%). 在距分流點(diǎn)1 050 m處，分流車輛在主線右側(cè)車道所占比重變化量明顯減小(為4%)，分流車輛在主線右側(cè)車道所占比重趨于平緩，分流車輛對主線交通分布影響降低. 由此可以確定分流區(qū)影響區(qū)域在分流匝道始端上游1 050 m左右位置.

表1 分(合)流點(diǎn)不同距離處分(合)流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重 %

表2 分、合流區(qū)服務(wù)水平測算對比

圖5 分流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重 (P分流)變化趨勢

圖6 分流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重變化

3.2 合流區(qū)影響范圍分析

依據(jù)表1做出合流區(qū)下游距合流點(diǎn)不同距離條件下，合流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重(P合流)的變化趨勢圖，如圖7所示，同時(shí)研究做出各監(jiān)測點(diǎn)相對于上一監(jiān)測點(diǎn)比重變化量，如圖8所示. 由圖可知，隨距合流點(diǎn)距離的增加，合流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重逐漸減小，趨于穩(wěn)定(穩(wěn)定區(qū)間為11%～12%). 在距分流點(diǎn)750 m處，合流車輛在主線右側(cè)車道所占比重變化量明顯減小(為3.1%)，合流車輛在主線右側(cè)車道所占比重趨于穩(wěn)定，合流車輛不再對主線交通分布產(chǎn)生影響. 由此可以確定合流區(qū)影響區(qū)域在合流匝道始端下游750 m左右位置.

圖7 合流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重(P合流) 變化趨勢圖

圖8 合流車輛在主線最右側(cè)車道所占比重變化圖

3.3 分、合流區(qū)服務(wù)水平測算分析

表2 列出不同分析思路下分、合流區(qū)服務(wù)水平測算結(jié)果. 算例1為雙向4車道道路，分流區(qū)即為分流影響區(qū)；算例4中交通流運(yùn)行處于不穩(wěn)定狀態(tài)；由算例2、3、5可以看出影響區(qū)與非影響區(qū)交通流運(yùn)行狀態(tài)有一定的差別，其中算例3表現(xiàn)尤為明顯，非影響區(qū)車流速度小于影響區(qū)車流速度，非影響區(qū)車流密度遠(yuǎn)大于影響區(qū)內(nèi)車流密度. 由此可見，影響區(qū)服務(wù)水平難以反應(yīng)整個設(shè)施服務(wù)水平，需要進(jìn)行影響區(qū)與非影響區(qū)的獨(dú)立測算.

4 結(jié)論

研究采用視頻攝像方法記錄距分、合流點(diǎn)1 200 m范圍內(nèi)最右側(cè)車道通行車輛，考察分、合流車輛在主線右側(cè)車道所占比重的指標(biāo)變化. 研究發(fā)現(xiàn)在分流點(diǎn)上游距離1 050 m以外，分流車輛在主線右側(cè)車道所占比重穩(wěn)定于11%～15%，在合流點(diǎn)下游距離750 m以外，合流車輛在主線右側(cè)車道所占比重穩(wěn)定于11%～12%. 由此判定分流區(qū)通行能力分析范圍可確定在分流點(diǎn)至上游1 050 m之間，合流區(qū)通行能力分析范圍可確定在合流點(diǎn)至下游750 m之間，如圖9所示.

圖9 推薦分、合流區(qū)通行能力分析范圍

從案例測算分析結(jié)果可知，在不同交通條件下分、合流區(qū)內(nèi)影響區(qū)與非影響區(qū)交通流狀態(tài)會有較大差別，單獨(dú)用影響區(qū)服務(wù)水平難以表征整個分(合)流區(qū)交通流運(yùn)行狀態(tài)，建議增加分、合流區(qū)非影響區(qū)服務(wù)水平分析內(nèi)容.

[1] 周榮貴, 榮建. 城市道路交通擁擠收費(fèi)研究 [R]. 北京: 交通部公路科學(xué)研究院.

[2] JTGD20—2006, 公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

[3] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 1965[M]. Washington DC: National Research Council, 1965.

[4] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 1985[M]. Washington DC: National Research Council, 1985.

[5] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 1994[M]. Washington DC: National Research Council, 1994.

[6] 任福田, 劉小明, 榮建. 交通工程學(xué)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003: 157-174.

[7] 熊烈強(qiáng), 王富. 道路入口匝道連接處通行能力計(jì)算模型[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 34(9): 91-93.

[8] 李秀文. 城市快速路分合流區(qū)通行能力研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2005.

[9] 李文權(quán), 王莉, 王煒. 高速公路上匝道合流區(qū)通行能力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2004, 4(2): 80-84.

Study on Procedures for Analyzing the Capacity of Merging and Diverging Segments

CHEN Chun-an, RONG Jian, ZHOU Chen-jing, CHANG Xin

(Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

With the improvement and update of highway engineering construction standards, the methodology for analyzing merging and diverging segment capacity appears to be inadequate: the longitudinal analysis area cannot meet the new designing standard and the lateral analysis cannot characterize the service of the entire facility. The change of the index that the proportion of the merging or diverging vehicles on the right side of the main road was researched with the change of distance from merging point and diverging point. The results show that the merging influence area extends to 750 m downstream from the merging point and the index stays at 11%-12%; the diverging influence area extends to 1 050 m upstream from the diverging point and the index stays at 11%-15%. An empirical analysis was conducted for the second issue and the results show that influence area and no-influence area of merging and diverging segments are different in traffic operation characterizes, and recommendations were put forward that it is necessary to analyze the level of service of influence areas and no-influence areas separately.

diverging influence area; merging influence area; level of service; capacity

10.13986/j.cnki.jote.2015.06.001

2014- 12- 01.

陳春安(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌骼碚?、道路通行能力及微觀交通仿真. Email：chenchunan86@163.com.

U 491

A

1008-2522(2015)06-01-05