高架出口匝道区域工程措施实施边界条件研究

陈颖雪，吴 兵

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092）

高架出口匝道区域工程措施实施边界条件研究

陈颖雪1，吴 兵2

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092）

针对目前上海市交通高峰期部分出口匝道拥挤严重而面临可能采取工程措施的情况，利用VISSIM仿真软件建模进行出口匝道区域工程措施实施的边界条件研究。以模型中出口匝道车辆排队长度不回溯至主线为条件，确定某个出口匝道的疏散能力（能离开该出口匝道并通过前方交叉口疏散的最大交通量），为今后出口匝道的组织和控制奠定理论基础，并结合现状交通需求，定量确定实施工程措施的充分条件和必要条件，给上海乃至全国高架道路出口匝道区域工程措施实施与否提供理论依据。

高架道路出口匝道;工程措施边界条件;VISSIM仿真;排队长度;疏散能力

在上海，早晚交通高峰期间，出口匝道出现拥挤排队回溯至主线影响整个高架交通系统的现象非常普遍，而且愈演愈烈，有些仅靠交通组织、管理等手段已经很难缓解，还需依靠工程措施，如“亚洲第一弯（延安路高架外滩下匝道）”由于“提前达到使用寿命变成外滩交通的瓶颈”而遭到拆除。但是拆除匝道或任何工程措施代价都比较大，因此有必要对出口匝道衔接段实施工程措施的条件进行研究。

笔者认为，工程措施实施与否的依据是出口匝道的疏散能力是否小于出口匝道交通需求而造成地面和高架道路拥挤，而疏散能力应该是由匝道与主线交织区的通行能力、匝道通行能力、匝道与地面交织区的通行能力以及匝道落地点前方交叉口的进口道通行能力所共同决定的，代表能离开出口匝道并通过前方交叉口的最大交通量。当交通需求等于出口匝道的疏散能力时，即达到了实施工程措施的边界条件。

由于交织区交通流的复杂性，靠理论计算获得出口匝道疏散能力非常困难［1］，而用仿真的方法来研究交通问题已经比较成熟，它可以模拟各种交通情况并给出对应的交通流数据及评价结果［2］，这对于研究出口匝道区域复杂的交通流有很大帮助。经证明VISSIM软件能很好的模拟衔接段的交织区交通分析［3］，因此笔者利用VISSIM仿真模拟软件对高架道路出口匝道区域的疏散能力以及工程措施边界条件进行了研究。

1 模型建立

1.1 出口匝道的选择

出口匝道的选择应具有典型性，并利于模型的建立。出口匝道交通流与地面上游交通流在衔接段应存在交织，交通运行在高峰期间拥挤，平峰期间畅通。在出口匝道处埋有线圈，前方交叉口处也埋设有线圈。根据以上要求，选择上海市近四平路与中山北二路交叉口的出口匝道为建模对象（图1）。

图1 研究区域的几何特征Fig.1 Geometric features of area studied

1.2 参数标定

依据调查工作对模型参数进行标定:出口匝道区域及交叉口几何参数;出口匝道及地面交通流的交通特性，如:出口匝道区域的车速分布模型，交叉口饱和车头时距、出口匝道交通量、转向比例及交通组成，出口匝道落地点上游地面交通量、转向比例及交通组成;交叉口信号控制参数等参数。

另外，论文对驾驶行为参数进行了详细标定:采用wiedemann（1974）的生理-心理跟车模型。经过反复的调试，本文中与驾驶行为有关的参数取值如表1。

表1 驾驶行为相关参数Tab.1 Relevant parameters of driving behavior

其余均可取系统默认值。

本文在研究出口环境时充分考虑了非机动车及行人对右转无控机动车流的干扰，体现在交口内设置的机动车行车减速带。

2 模型的有效性检验

在模型投入使用之前，必须对模型进行有效性检验［7］。论文通过调查获得了高峰小时衔接段车速数据23个（左直右各8个数据，去掉特殊数据1个），并运行软件，采取与实际调查相同的方式采集数据，并通过改变随机数，同样获得23个车速数据，对实际的和仿真的衔接段车速的两组（Xn，Yn）进行T 检验［8］，过程如下:

由于Xn、Yn都是速度值，符合正态分布，因此Dn也服从正态分布。

建立原假设与备选假设:H0:d0=0 H1:d0≠0

现将两组数据散点图附于图2。

图2 实测、仿真数据拟合Fig.2 Fitting chart of measured and simulation data

3 疏散能力计算

通过理论计算获得出口匝道的疏散能力非常困难，而模型中出口匝道流量与出口匝道落地点的排队长度存在正相关关系，因此可以考虑以排队长度为限计算出口匝道的疏散能力。考虑到上海市交通拥挤的实际情况，决定以出口匝道的排队长度不溢出出口匝道［9］，即不影响到主线车辆的运行为约束条件来计算出口匝道的疏散能力。

在模型中，在匝道落地点处布设排队长度检测器，以此计算软件运行中匝道上的排队长度。保持其他输入不变，不断变化出口匝道的流量值，获得出口匝道流量与排队长度的关系，如表2。可以看出，在地面流量为实际流量949 veh/h时，出口匝道的疏散能力为1 188 veh/h（注:由于交通管控方面的改善不在本文的研究范围内，因此论文在下例中假设管控措施已经达到最优）。

以上的结果是在取随机数为42的情况下得出，取随机数分别为60、78、86计算出口匝道疏散能力，计算结果列于表3。

由表3可以看出，虽然随机数的改变可能会影响输出的结果，但是影响程度较小，下面为减小工作量，都只取随机数为42进行软件的模拟运行。

表2 地面流量为949时匝道上车辆排队长度Tab.2 Vehicle queue length of outramp when ground traffic flow is 949 vehicles/h

表3 各随机数下出口匝道疏散能力Tab.3 Evacuation capability of the outramp of random number in VISSIM

4 工程措施边界条件

4.1 充分条件

工程措施充分条件是在疏散能力基础上获得的，当出口匝道交通需求大于对应地面交通量下的出口匝道疏散能力时，排队回溯至主线，地面交通与高架交通均发生拥堵，此时需要实施工程措施。

运行软件，不同地面上游流量下的匝道疏散能力汇总于表4。

表4 各地面流量下的匝道疏散能力Tab.4 Evacuation capability of the outramp under every ground traffic flow

判断是否需要实施工程措施的依据是以出口匝道流量为纵坐标，地面上游流量为横坐标标点于图3上，当此点落于图中折线上方时，需要实施工程措施。相反，当点落于图中线条下方时，可以不实施工程措施。

对图4进行分析可以看出，地面上游交通量和匝道交通量数值越相近，即交织越严重时，出口匝道区域可以通过的匝道流量和地面流量总和越小。当交织严重时可以考虑将出口匝道与地面道路有交织的衔接形式改为无交织的衔接形式。

图3 匝道疏散能力与地面上游流量的关系（工程措施边界条件线）Fig.3 Relationship between evacuation capability of the outramp and ground traffic flow（engineering boundary line）

图4 匝道/地面流量比与匝道和地面流量总和的关系Fig.4 Relationship of ratio and total of outramp and ground traffic flow

4.2 必要条件

实施工程措施的必要条件是实施后交通运行改善效果明显，实施工程措施的“优势”大于“劣势”。通过VISSIM仿真出工程措施实施后的交通运行情况，对比实施前确定改善程度，并定量衡量改善程度与实施工程措施付出的代价，进而决定是否实施工程措施。而对于客流不成熟或者客流将发生大变化的区域，一般不建议进行工程措施，而应等客流稳定后再分析。

对于文中提到的衔接区交织严重的情况，将衔接段形式分析改为无交织衔接形式时，可以采取的工程措施是在出口匝道落地点的左侧拓宽出一条车道，地面上游车流在匝道落地点的上游提前分流，左转车进入该拓宽车道，这也是上海已经普遍使用的衔接形式［10］，经证明，可以提高出口匝道疏散能力至少20%。

5 结论

解决出口匝道交通拥堵，应该先从交通管控方面入手，特别是协调好与出口匝道衔接的地面交通。只有在管控手段已经无法缓解拥堵，并且相关工程措施确实可以明显改善交通运行的情况下再考虑工程措施。论文利用VISSIM建模，首先研究现有出口匝道在现状地面交通情况下的疏散能力，给出口匝道组织和控制奠定理论基础，并在此基础之上，定量的给出工程措施实施的边界条件，以期给上海乃至全国的高架道路出口匝道工程措施的实施与否提供理论依据。

［1］ 孟祥燕.高等级道路交织区通行能力研究［D］.南京:东南大学，2006.

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［4］ 钟连德，荣建，孙小端，等.仿真求解快速路交织区通行能力［J］.公路交通科技，2006，23（4）:88-93.

［5］ Taehyung K.Limitations of Previous Models on Car-Following Behavior and Research Needs［C］//In Proceedings of the 82th TRB Annual Meeting，washington D.C，2003.

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［8］ 刘丽莎，王亚.基于VISSIM的交通微观仿真［J］.交通科技，2006（4）:79-81.

［9］ 杨晓芳，付强，杨晓光.城市快速路与地面道路交通整合控制分析［J］.交通与计算机，2005，23（5）:4-7.

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Boundary Conditions of Engineering Implementation at Zone of Exit Ramp of Elevated Road

CHEN Ying-xue1，WU Bing2
（1.School of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering ＆ Science，Shanghai 201620，China;
2.Key Laboratory for Road ＆ Traffic Engineering of Education Ministry，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Currently，some exit ramps of elevated roads in Shanghai are so crowd at peak time that they face to be taken of engineering measures.Boundary conditions of engineering implementation at zone of exit ramp of road are studied by using VISSIM software to model.Firstly，the evacuation capability of the exit（the largest traffic volume to leave the ramp and to get through the intersection ahead）is determined on the condition that the queue length of vehicle at the zone of exit ramp does not go back to the main line，which establishes theoretical foundation for the control and organization of exit ramp.Then，with the combination of existing traffic demand，the sufficient conditions and necessary conditions of engineering implementation are determined quantitatively，which can provide a theoretical basis for the engineering implementation at zone of exit ramp of elevated roads in Shanghai or other cities in China.

exit ramp of elevated road;boundary conditions of engineering implementation;VISSIM simulation;queue length;evacuation capability

U121

A

1674-0696（2010）01-0103-03

2009-08-25

上海市教育委员会重点学科建设项目（J51401）;上海市高校选拔培养优秀青年教师专项基金项目（gid09024）

陈颖雪（1983-），女，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向为交通规划与管理。E-mail:chenyingxue04@163.com。