快速路交織區(qū)通行能力分析方法對比研究

馮星宇, 周晨靜, 榮 建, 劉小明

(北京工業(yè)大學 交通工程研究中心, 北京 100124)

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快速路交織區(qū)通行能力分析方法對比研究

馮星宇, 周晨靜, 榮 建, 劉小明

(北京工業(yè)大學 交通工程研究中心, 北京 100124)

快速路交織區(qū)通行能力分析方法是當前我國城市快速路建設分析所缺少的關鍵內(nèi)容，為梳理交織區(qū)通行能力研究脈絡，確定交織區(qū)通行能力分析方法研究方向，研究首先應用對比分析及實測數(shù)據(jù)測算方法，從定性及定量兩個方面對我國工程技術人員在開展交織區(qū)通行能力分析工作時常用的“九五”公路通行能力分析指南、“十五”公路通行能力分析指南、2003年《公路通行能力手冊》中交織區(qū)通行能力的分析方法進行對比研究，而后詳細闡述了2010版美國《道路通行能力手冊》中最新交織區(qū)通行能力分析方法及流程，論述改版方法的優(yōu)點及不足，為我國交通研究人員開展交織區(qū)通行能力研究提供參考與借鑒.

交織區(qū)； 通行能力； 對比分析； 交通工程

0 引言

高速的城市化進程導致我國城市規(guī)模急劇增大，道路基礎設施建設也迅猛增加. 理論先于實踐是我國道路設施建設存在的很大弊端. 我國城市快速路系統(tǒng)建設已有將近30年的歷史，然而目前仍然缺少針對城市快速路交織區(qū)通行能力分析方法. 現(xiàn)階段，我國交織區(qū)通行能力的研究分析工作主要按照我國“九五”公路通行能力分析指南[1](以下簡稱“九五”指南)、“十五”公路通行能力分析指南[2](以下簡稱“十五”指南)通行能力分析指南以及2003年《中國公路通行能力手冊》[3](以下簡稱2003版手冊)方法開展. 但目前尚無針對這3種方法的比較研究，在進行快速路交織區(qū)通行能力分析工作當中，應選取哪種方法開展尚無定論. 文章首先從定性、定量兩方面對3種方法進行對比，并最終給出推薦方法.

美國《道路通行能力手冊》(Highway Capacity Manual，以下簡稱HCM)在吸收和借鑒世界范圍內(nèi)的優(yōu)秀研究成果基礎上，成為交通工程實踐領域的指導性手冊. 2010年，美國運輸研究委員會(Transportation Research Board)再次更新出版2010版HCM[4]，對交織區(qū)通行能力分析方法進行了全方位的更新. 研究對歷版HCM手冊交織區(qū)通行能力分析體系演變過程進行梳理，以期為我國城市快速路交織區(qū)通行能力分析研究提供參考.

1 當前我國交織區(qū)通行能力分析方法比較

1.1 分析方法簡介

交織區(qū)通行能力分析基本流程是在給定交織區(qū)長度、交織區(qū)構(gòu)型及交通流量條件下，求算交織區(qū)運行速度和密度，進而確定設施運行服務水平. 如果當前服務水平低于要求所要達到的服務水準，那么需要對該設施進行重新設計或改善. 文章從交織區(qū)構(gòu)型、交織區(qū)速度預測模型、交織區(qū)通行能力計算模型、服務水平劃分指標4個方面，對“九五”指南、“十五”指南、2003版手冊中交織區(qū)通行能力分析方法進行匯總，如表1所示.

表1 我國現(xiàn)有交織區(qū)通行能力分析方法匯總

注：表中Sw，Snw為交織車流，非交織車流平均行駛速度(km/h)；VR為交織流量比；v為交織區(qū)內(nèi)斷面總流率；N為交織區(qū)內(nèi)車道數(shù)；L為交織區(qū)長度(m)；α,β,γ回歸分析系數(shù)；Cw為交織區(qū)通行能力(pcu/h)；C0為一條車道的理論通行能力(pcu/h)；rs為交織區(qū)類型修正系數(shù)，對Ⅰ類取0.95，對Ⅱ類取1.0；rN為交織區(qū)內(nèi)車道數(shù)修正系數(shù)；rL為交織區(qū)長度修正系數(shù)；rVR為交織流量比修正系數(shù)；SFF為設施自由流速度(km/h)；a、b、c、d為模型常數(shù).

圖1 “九五”指南交織區(qū)類型劃分

圖2 2003手冊交織區(qū)類型劃分

1.2 方法定性比較

我國“九五”、“十五”指南以及2003版手冊中交織區(qū)通行能力分析方法均以美國1985版HCM[5]中交織區(qū)通行能力分析方法為原型，應用我國實際調(diào)查數(shù)據(jù)開展了模型的標定及驗證工作.

在交織區(qū)構(gòu)型的劃分上，按照車道平衡與否導致交織車流運行換道形式不同，對交織區(qū)進行分類，“九五”指南中Ⅰ類、Ⅱ類對應于其他2種方法中的A型和B型交織區(qū).

在速度模型計算公式上：“九五”、“十五”指南中交織區(qū)交織速度及非交織速度直接應用公式開展計算，且“十五”指南僅僅給出A型交織區(qū)速度預測模型參數(shù). 2003版手冊中，將交織區(qū)車流運行分為約束及非約束2種. 在相同交織區(qū)構(gòu)型條件下，隨著通行交通流中交織流量所占比例的提升，車流運行逐漸由非約束狀態(tài)轉(zhuǎn)化為約束狀態(tài)，在計算過程中首先假設所有車流均處于非約束狀態(tài)，依據(jù)交織區(qū)幾何特性和交織流量比計算交織強度，進而得到平均交織速度，并最終得到非約束運行所需的車道數(shù)，如果小于指定閾值，那么該股交通流處于非約束狀態(tài)，否則處于約束狀態(tài)，由此選用不同標定參數(shù).

在通行能力計算模型上，“九五”指南給出簡單的通行能力折減模型、2003手冊及“十五”指南均以列表的形式給出.

在服務水平劃分標準上均將交織區(qū)服務水平劃分為4個等級，且均以密度作為劃分指標.

1.3 方法定量分析

圖3 現(xiàn)場實景圖

圖4 交織區(qū)結(jié)構(gòu)形式

文章以早、晚高峰小時內(nèi)天津衛(wèi)昆立交橋交織區(qū)交通流實測數(shù)據(jù)為基礎，對以上方法進行定量分析. 分析數(shù)據(jù)現(xiàn)場實景及交織區(qū)結(jié)構(gòu)形式見圖3.

分析數(shù)據(jù)中高峰小時系數(shù)PHF=0.935，司機為熟悉道路的職業(yè)司機(fp)，快速路自由流速度VFF=72.6 km/h，交織段長度L=170 m. 第一組數(shù)據(jù)采集時間為早高峰7:30—8:30，基本流量參數(shù)見表2.

第二組分析數(shù)據(jù)采集時間為早高峰15:30—16:30，基本情況表如表3.

應用以上3種通行能力分析方法，分別對2組實測數(shù)據(jù)進行測算分析，結(jié)果匯總后見表4.

通過對數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論.

1) “九五”指南分析方法與實測結(jié)果相比，速度、密度差別很大，與其他分析方法相比，交織區(qū)速度最低. 交織速度預測模型影響因素與其他方法相同，說明該版方法交織區(qū)速度預測模型的參數(shù)取值并不準確. 通行能力值是各種方法中最低的，且低于實際觀測值，表明交織流量比折算系數(shù)并不準確. 實際流率超過方法應用限制，導致計算結(jié)果偏差較大，表明此方法的應用范圍較窄. 分別根據(jù)密度和負荷度得到的服務水平并不一致.

表2 交織區(qū)基本流量參數(shù)

表3 交織區(qū)基本流量參數(shù)

表4 分析結(jié)果對比

注：其中“九五”指南及2003年版《中國公路通行能力手冊》中通行能力列表均未能給出符合算例中的交織流量比要求的數(shù)值，所以未能明確給出通行能力值.

“九五”指南分析方法過于簡單，應用范圍狹窄，折算系數(shù)、交織區(qū)速度預測模型參數(shù)還需重新標定，故不建議進行深入研究和采納.

2) 由于“十五”指南分析方法中交織區(qū)類型偏少，沒有考慮主線交織的情況. 在流量分布、交織車道數(shù)和車道長度均相同的情況下，由于速度預測模型標定系數(shù)與交織區(qū)類型無關，也就無法對主線交織區(qū)設計和優(yōu)化方案進行對比分析，僅通行能力值的差別不能有效說明問題. 故此方法不具備主線交織區(qū)設計分析的能力.

3) HCM2000應用至今已有十余年，經(jīng)過實際應用的驗證，《中國公路通行能力手冊》分析方法在其基礎上以大量國內(nèi)實測數(shù)據(jù)進行標定，使其更加完善，除通行能力取值不同外，其他指標結(jié)果均相同. 不僅沒有以上列出的其他方法的問題，而且其計算結(jié)果與實測值差值較小，滿足使用要求. 但是在實際操作過程中該方法較為復雜，計算量較大.

綜合以上考慮，現(xiàn)階段在我國開展的通行能力分析中，建議使用2003版手冊方法.

2 HCM2010交織區(qū)通行能力分析方法研究

2.1 HCM2010交織區(qū)通行能力分析方法簡介

相比于之前交織區(qū)通行能力分析方法，2010版HCM交織區(qū)通行能力分析方法有了明顯變化：

1) 在交織區(qū)構(gòu)型的分析上，該版方法將目前道路常見交織區(qū)分為同側(cè)和異側(cè)2種構(gòu)型(見圖5、6). 對于同側(cè)交織區(qū)可以用主線交織車輛最小換道次數(shù)、匝道交織車輛最小換道次數(shù)及交織車道數(shù)等交通運行特征來分析交織行為對整體交通流運行影響，并以此刻畫交織區(qū)設計形式；對于異側(cè)交織區(qū)，車流運行過程中只是進口匝道到出口匝道的車流運行干擾主線車流的運行，利用車輛最小換道次數(shù)即車輛由進口匝道進入到出口匝道分出所需最小換道次數(shù)，來描述車輛的運行特征并刻畫交織區(qū)設計形式.

圖5 同側(cè)交織區(qū)示意圖

圖6 異側(cè)交織區(qū)示意圖

主線交織車輛最小換道次數(shù)指主線車流向匝道行駛車輛完成交織行為所需的最小換道次數(shù)；匝道交織車輛最小換道次數(shù)指匯入主線車流的匝道車輛完成交織行為所需的最小換道次數(shù)；交織車道數(shù)指交織區(qū)車流在利用不多于1次換道行為完成交織過程所占用交織區(qū)的車道數(shù).

2) 交織區(qū)通行能力分析不再受交織區(qū)長度的限制，該版方法提出了最大交織長度的概念，若交織區(qū)物理長度大于最大交織長度則出入口構(gòu)成交織區(qū)，否則按單獨分流區(qū)與合流區(qū)進行處理.

3) 新版手冊給出交織區(qū)通行能力的具體計算公式，手冊認為當交織區(qū)車流每條車道的平均密度K=27 pcu/km時或?qū)τ?車道交織區(qū)總流率Q=2 400 pcu/h(對于3車道交織區(qū)總流率Q=3 500 pcu/h)時，交織區(qū)達到通行能力狀態(tài)，手冊給出2種條件下通行能力計算模型，取其較小值作為交織區(qū)通行能力.

4) 新版交織區(qū)在進行速度模型預測時，最大變化是取消了交織區(qū)運行狀態(tài)(約束或非約束)的概念，提出了以交織區(qū)內(nèi)車流換道率作為基本指標，以衡量交織區(qū)內(nèi)車流運行紊亂程度. 交織區(qū)內(nèi)車流換道率指單位時間內(nèi)交織區(qū)運行車流換道次數(shù). 交織區(qū)內(nèi)車流換車道行為分為3種：

① 交織車輛強制性換道行為，指交織車輛要完成交織行為必須完成的換車道行為；

② 交織車輛選擇性換道行為，指對于交織車輛完成交織行為并不是必要的換車道行為；

③ 非交織車輛選擇性換道行為，指由于駕駛員個人意志而產(chǎn)生的非交織車輛換道行為.

2010HCM分別給出以上3種換道行為次數(shù)的預測模型，并基于此給出交織速度及非交織速度預測模型.

2.2 HCM方法體系演變分析

HCM在吸收借鑒歷年研究成果的基礎上逐步完善和發(fā)展，交織區(qū)通行能力分析方法由原來的諾模圖逐步演變?yōu)楝F(xiàn)在的公式計算，經(jīng)歷了4種分析體系的變化，但基本分析目標均圍繞著運營評價及構(gòu)型設計開展，核心分析指標均為交織區(qū)交織車流運行速度及非交織車流運行速度，所有計算模型基本采用統(tǒng)計回歸方法得出. 不同的是考慮因素不斷完善(見表5)，在交通條件上由最初較為宏觀的交織流量影響分析(HCM1950[6]及HCM1965[7])演化為交織流量比導致交織區(qū)交通運行狀態(tài)分析(HCM 1985、1994[8]、1997[9]、2000[10])到如今的交織區(qū)交織換道次數(shù)對交通流運行影響分析(HCM2010)，整體分析思路逐漸趨向于交織行為干擾機理研究，分析內(nèi)容趨向于微觀行為特性對宏觀交通流特征影響分析.

2010版HCM交織區(qū)分析體系以計算換道率對交織區(qū)運行影響為基本出發(fā)點，預測不同交通流狀態(tài)下交織區(qū)換道次數(shù)的變化，由此計算交織區(qū)交織車流及非交織車流運行速度及交織區(qū)整體運行速度和密度.

表5 交HCM影響因素匯總表

2010HCM提出以交織區(qū)流量比計算最大交織長度和交織區(qū)物理長度作對比，判斷設施車流是否處于交織運行狀態(tài)，判定設施是滿足交織區(qū)分析基本條件，突破了舊版方法中交織區(qū)長度小于750 m的局限.

新版方法中以交織換道率作為微觀交織行為對宏觀交通流影響的中間銜接指標，突破以往車流處于約束流和非約束流的思路，分析邏輯性更強，更易揭示交織區(qū)車流干擾機理.

新版方法中直接給出交織區(qū)通行能力計算公式，較以往表格分析方法自由度更高.

然而，在交織區(qū)幾何構(gòu)型的劃分上，為保證與分析方法中計算模型相一致，2010HCM依據(jù)交織區(qū)內(nèi)車輛換道次數(shù)，將交織區(qū)類型劃分為同側(cè)及異側(cè)交織區(qū)，與2000HCM中依據(jù)車道布置劃分為A、B、C 3種類型，沒有本質(zhì)上區(qū)別. 然而，由于3種類型的劃分已經(jīng)有30年的歷史，并且新的劃分方法并不能直觀確定交織區(qū)幾何形式；同樣應用天津市實測數(shù)據(jù)對2010HCM交織區(qū)通行能力分析方法進行測算，測算結(jié)果如表6所示，發(fā)現(xiàn)應用該模型計算得出交織速度高于非交織速度，與交織區(qū)運行特性相矛盾，模型準確性需要更多數(shù)據(jù)支撐.

表6 2010HCM分析方法測算

3 結(jié)束語

針對我國當前交織區(qū)通行能力分析方法，2003版手冊方法是基于我國的實測數(shù)據(jù)，這對HCM2000交織區(qū)通行能力分析方法進行本土化標定具有一定指導意義. HCM2010手冊全面更新了交織區(qū)通行能力分析方法，突破了原來物理長度的限制，以交織區(qū)換道率為基本指標計算交織區(qū)交織及非交織車流運行速度，并給出通行能力計算模型，方法分析邏輯性強、自由度高、模型物理意義明確，具有較高的應用價值，可以作為我國城市快速路交織區(qū)通行能力研究的發(fā)展方向. 但是方法合理性、模型準確性均需要在我國工程實踐中進一步檢驗.

[1] 交通部公路科學研究所. 公路通行能力研究分報告交織區(qū)通行能力研究[R]. 北京： 北京工業(yè)大學， 1999.

[2] 交通部公路科學研究所. 快速路系統(tǒng)通行能力研究分報告交織區(qū)通行能力研究[R]. 北京： 北京工業(yè)大學， 2004.

[3] 交通部公路科學研究所. 公路通行能力手冊[R]. 北京： 北京工業(yè)大學， 2003.

[4] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB, National Research Council， Washington DC， 2010.

[5] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 1985.

[6] Barbara Ostrom， LannonLeiman and Adolf D. May， Suggested Procedures for Analyzing Freeway Weaving Sections [J]， TRR1398， 1993： 42-48.

[7] Alexander Skabardonis and Amy Kim， Weaving Analysis， Evaluation and Refinement [R]. California PATH Research Report， 2010： 1-70.

[8] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 2000.

[9] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 1994.

[10] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 1997.

Comparative Study of Capacity in Urban Expressway Weaving Segments

FENG Xing-yu, ZHOU Chen-jing, RONG Jian, LIU Xiao-ming

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

The expressway capacity analysis for weaving segments in China has received little attention, owing to the lack of fundamental research in this area. In order to clarify the research methods of weaving segment capacity, and determine the research direction of weaving segment capacity analysis , this paper first applied comparing analysis and actual data measure method, from both qualitative and quantitative aspects, to compare the capacity analysis methods presented in the Guidelines for the Analysis of Highway Capacity developed during the 9thFive-year Plan, the Guidelines for the Analysis of Highway Capacity developed during the 10thFive-year Plan, and the Highway Capacity Manual 2013 Edition, followed by an illustration of the new weaving area capacity analysis method presented in the 2010 Highway Capacity Manual. This paper then analyzed the advantages and disadvantages of the new method in the 2010 Highway Capacity Manual, which provides a useful reference for researchers in China to futher study the weaving segment capacity.

weaving area; capacity; comparing analysis; traffic engineering

10.13986/j.cnki.jote.2015.06.009

2015- 03- 28.

馮星宇(1988—)， 男， 碩士研究生， 研究方向為道路通行能力. E-mail： fengxingyu@bjut.edu.cn.

U 491.4

A

1008-2522(2015)06-43-07