快速路出入口組合類型適用性研究

石建軍，劉晨強

(北京工業(yè)大學 交通工程北京市重點實驗室，北京 100124)

城市快速路是城市發(fā)展的產(chǎn)物，它包括城與城之間的快速路和城市內(nèi)部快速路，主要承擔著長距離、大容量的通過性交通[1]。交織區(qū)是城市快速路的瓶頸路段[2-4]，而不同的出入口設(shè)計，將形成不同的交織類型和改變交織區(qū)的位置。出入口又是快速路的重要組成部分，不僅僅是快速路主路和輔路的連接器，實現(xiàn)不同道路等級和不同車速的過渡，而且是快速路運行狀態(tài)的指示器。當出入口間距、加減速車道長度、車道寬度和組合類型等設(shè)計與周圍路網(wǎng)和車輛運行特性相符時，可使快速路交通運行效率得到提高，反之則會在出入口形成擁堵、排隊，甚至成為交通事故發(fā)生的黑點。因此，出入口的設(shè)計就顯得尤為重要。

快速路出入口的組合類型分為4種：出—出、出—入、入—入和入—出[5]。出—出和入—入這兩種類型將在快速路主路和輔路上產(chǎn)生合流區(qū)和分流區(qū)，對主路和輔路的影響相對出—入和入—出這兩種類型較小。出—入和入—出這兩種組合類型將分別在輔路和主路上形成交織區(qū)，車輛要通過加減速、變換車道，尋找可接受間隙匯入輔路或主路，對交通運行有很大的影響。因此本文主要研究出—入和入—出這兩種組合類型。

朱勝躍[6]分析探討了如何合理設(shè)置出入口才能更好地發(fā)揮城市快速路的交通功能，總結(jié)概括了出入口組合類型、出入口設(shè)置原則和出入口間距的確定。在談到出入口設(shè)置是先入后出還是先出后入的選擇時，強調(diào)一般設(shè)計為先入后出型，只有當出入口間距不滿足要求時才設(shè)置成先出后入型。廖林霞[7]系統(tǒng)分析歸納了影響城市快速路出入口設(shè)置的影響因素，討論了快速路主輔路車流量對四種出入口組合類型設(shè)置的影響。彭樺[8]分析了影響快速路出入口交通運行的因素，運用VISSIM仿真，以通過車輛數(shù)、行程時間、延誤和排隊長度為指標，以TOPSIS法為評價模型，對出入口幾何設(shè)置方案進行評價。上海交通大學的陳海濤[9]、魏代梅[10]和李鄭明[11]，運用TSIS仿真分別研究了城市快速路匝道分布類型的通行效率對比分析及優(yōu)化設(shè)計、快速路出入口匝道組合類型和間距對組合區(qū)平均速度的影響、快速路出入口匝道組合方式對主線交通流的影響。上述研究為出入口組合類型做出了卓越的貢獻，但是大部分都是每種組合類型內(nèi)部研究，包括出入口間距、加減速車道的長度和出入口的控制策略，而針對不同組合類型之間的研究(如先入后出和先出后入)卻很少。而且大部分論文只考慮了快速路主路的交通運行狀況，涉及輔路和主路整體研究的也很少。

本文利用視頻觀測法得到的交通運行參數(shù)，結(jié)合實測的幾何參數(shù)，搭建VISSIM仿真環(huán)境，以出入口處通過車輛數(shù)、速度、延誤和排隊長度以及主路和輔路車輛的行程時間為指標，通過建立的DEA/AHP評價模型，研究先入后出和先出后入兩種組合類型在設(shè)計服務(wù)交通量，不同匯入、匯出比下的適用性。

1 指標選取和DEA/AHP評價模型

1.1 指標選取

評價指標的選取要能夠充分、客觀地反映所要評價系統(tǒng)的特征和結(jié)構(gòu)，既要科學、合理，又要簡單、可行。各個指標之間要相互對立，以避免偏差的相關(guān)性。本文指標的選取考慮了快速路主路和輔路的交通運行，分別是出入口處的通過交通量、地點車度、延誤和排隊長度以及主路和輔路車輛的行程時間。通過交通量、速度、延誤和排隊長度用來反映出入口處的交通運行，行程時間反映主路交織區(qū)和輔路路段的交通運行(當出入口組合類型是先出后入型時，反映主路路段和輔路交織區(qū)的交通運行)。

1.2 DEA/AHP評價模型

1.2.1 DEA及AHP基本原理

DEA(Data Envelopment Analysis)數(shù)據(jù)包絡(luò)法是基于輸入和輸出數(shù)據(jù)(輸入越小越好，輸出越大越好)對決策單元的相對有效性進行評價，其特點是在評價各個決策單元時選擇最有利于該決策單元的權(quán)，評價結(jié)果不受任何主觀因素的影響，而且不需要事先假設(shè)輸入和輸出的函數(shù)關(guān)系，因此在多目標分析中應(yīng)用廣泛，如文獻[12-15]。

AHP(the Analytic Hierarchy Process)層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析的決策方法。首先根據(jù)主觀判斷為每一層元素構(gòu)建兩兩對比判斷矩陣，然后計算該矩陣的特征值和特征向量，得到同層次各元素對于上一層次同一單元的相對重要性，再按照從底層依次向上的順序，計算綜合重要度，最后進行單排序一致性檢驗和總排序一致性檢驗，一致性檢驗通過后，就得到了各備選方案的排序。

但是，單純的DEA方法不能在同一個層次上對所有的決策單元進行全排序，它只能判斷評價對象的相對有效性；而AHP方法雖然能夠?qū)υu價對象進行全排序，但是在構(gòu)造對比判斷矩陣時，受主觀影響較大，結(jié)果不能令人信服。

為了彌補這兩種方法的缺陷，本文提出DEA/AHP評價模型，即先利用DEA數(shù)據(jù)包絡(luò)法得到?jīng)Q策單元的相對有效性，構(gòu)建兩兩對比判斷矩陣，再用AHP層次分析法對決策單元進行全排序。這樣既能克服DEA數(shù)據(jù)包絡(luò)法不能全排序和AHP層次分析過于主觀的缺點，又能發(fā)揮各自的優(yōu)點。

1.2.2 DEA/AHP模型

1.2.2.1 利用DEA構(gòu)造判斷矩陣

設(shè)X為輸入數(shù)據(jù)，Y為輸出數(shù)據(jù)，xij為第j個方案中第i個輸入指標，ykj為第j個方案中第k個輸出指標，uk和vi是權(quán)重向量，其中i=1,2,3…,nj=1,2,3…,m，k=1,2,3…s。DEA模型計算表達式為[16]

(1)

初始DEA模型是分式，不容易計算，可以通過C2變換對其進行變形處理，處理后的公式如

maxh0=uTY0

s.t.μTYj-ωTXj0

ωTX0=1

μ≥0 ,ω≥0

(2)

從備選方案中選擇兩個方案A和B，用DEA模型計算其相對效率hAB和hBA，構(gòu)造AHP所需的兩兩對比判斷矩陣Am×m=[aj1j2]m×m：

(3)

1.2.2.2 利用AHP對備選方案進行全排序

1)計算由(1)得到的判斷矩陣Am×m=[aj1j2]m×m的特征值λ和特征向量ω。

2)進行一致性檢驗：

(4)

(5)

式中：CI為一致性指標，其值越小說明一致性越大；RI為隨機一致性指標，通過查表得到(見表1)；CR為檢驗系數(shù)，CR<0.1則認為通過檢驗。

3)找到λmax對應(yīng)的特征向量ω0，并對ω0進行歸一化處理，就到了各個備選方案的排序序列，從而獲得最終評選結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)采集和VISSIM仿真

2.1 數(shù)據(jù)采集

高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是研究的基礎(chǔ)，而采集地點的選擇直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的質(zhì)量。由于本文既考慮快速路主路的交通運行，又考慮輔路的交通運行，因此對數(shù)據(jù)采集地點的要求比較苛刻。本文數(shù)據(jù)采集地點選擇在北京四環(huán)窯洼湖橋北由南向北行駛的路段，出入口組合類型為先入后出型。采集時間為2016-11-27 T 14:00-15:00，此時交通運行狀態(tài)為平峰，各車輛能夠連續(xù)行駛，而且有利于觀測視頻數(shù)據(jù)提取。

觀測數(shù)據(jù)處理分別采用Traffic Analyzer技術(shù)和自編VB(Visual Basic)半自動數(shù)車程序。Traffic Analyzer技術(shù)可提取視頻中快速路主路和輔路及出入口處車輛的速度，VB半自動數(shù)車程序可實現(xiàn)對快速路主路和輔路及匯入、匯出車輛的統(tǒng)計，并將其轉(zhuǎn)化為當量交通量。

2.2 VISSIM仿真

為了實現(xiàn)在相同交通條件和道路幾何條件下，研究先入后出型和先出后入型出入口組合的適用性，本文借助VISSIM仿真實現(xiàn)上述條件。仿真環(huán)境見圖1，圖1上半部分是道路的實際環(huán)境，圖1下半部分在上圖的基礎(chǔ)上只改變出入口的位置，以此來進行對比研究。

圖1 交通仿真環(huán)境

3 實驗結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

在設(shè)計服務(wù)交通量下對入-出和出-入兩種組合類型的設(shè)計進行仿真，仿真時間長4 500 s，數(shù)據(jù)采集時間段為600～4 200 s。合流比例(ROM)由50%逐漸變?yōu)?0%，分流比例(ROD)由10%逐漸變?yōu)?0%，變化步長為5%。經(jīng)過50(5×5×2)次的仿真，其結(jié)果如表1和表2。

表1 入-出組合類型的仿真結(jié)果

表2 出-入組合類型的仿真結(jié)果

續(xù)表2

3.2 出入口組合類型評價結(jié)果

通過仿真我們得到了用于評價的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到建立的DEA/AHP評價模型，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)和圖2(b)的變化趨勢大致相同，在合流比例為50%～55%和分流比例小于25%時，兩種組合類型效果相差不大，但當分流比例為30%時，出-入組合類型明顯好于入-出組合類型。圖2(c)、圖2(d)和圖2(e)的變化趨勢大致相同，當分流比例為15%或20%時無論合流比例如何，出-入組合類型總是優(yōu)于入-出組合類型，但當分流比例增加時，無論合流比例如何，這種優(yōu)勢都會逐漸減少，直至兩種組合類型相當。

圖2 不同合流比例下的權(quán)重

4 結(jié) 論

在設(shè)計服務(wù)交通量下，當合流和分流比例比較低時，出-入組合類型總是優(yōu)于入-出組合類型，但當合流和分流比較高時，無論何種組合類型，其效果都比較差，主要是受到合流和分流的影響。因此，本文的下一步工作將研究合流和分流行為對快速路系統(tǒng)的影響。