成都二环高架出口匝道与辅路对主路出口交通流特性的影响分析

曹俊强

西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610031

0 引 言

高架路是城市快速路网中的重要组成部分，但近年来，随着车辆的骤增，高架路出入口匝道所衔接的道路逐渐成为地面道路通行能力的瓶颈。从高架路出口驶离的车辆如果不能在平交路口上及时疏散将导致车辆排队，严重时排队车辆将上溯至高架路，影响高架路甚至整个路网的正常运行。形成该拥堵的原因大致分两类：第一类是由于出口匝道与下游交叉口距离较短，导致红灯等待期间排队过长，严重时将上溯至出口匝道附近，形成拥堵。解决办法[1-2]主要有三种：设置 U形转向匝道、匝道关闭以及定时限流，但后两个措施会增加司机绕行距离。国外关于出口匝道控制的研究较少，考虑到国内出口匝道与国外有所差别，部分国内学者经过研究取得了一定的成果，如杨晓光[3]分析了该区域在不同的交通组织方式下，对交通的影响；陈峻等[4]建立了高架路下匝道衔接路段的车流模型。第二类是由于辅路车辆较多，导致出口匝道排队车辆上溯至高架路，影响其正常运行。解决办法[5]主要是辅路让行，即辅路信号控制。北京自2000年以来，开始进行辅路信号控制，虽然在一定程度上缓解了由出口匝道不畅引起的主路拥堵，但大大增加了辅路延误。本文选取成都二环高架路红牌楼东一段为研究对象，由实测数据分析了不同道路的交通特性，并且利用vissim仿真模型，分析了辅路和出口匝道的流量变化对高架路交通流特性的影响。

1 基本定义

为了避免后文语言上产生的歧义，这里规定在整个高架路与地面道路组成的系统中，高架路称作主路，地面道路称作辅路。城市高架路出口衔接段一般指高架出口匝道底端与前方邻近交叉口之间的一段距离[6]。车辆从高架路出口匝道下来，汇入地面车道，经过一段距离，在到达前方交叉口进口道之前根据左、直、右方向变换车道。而从出口匝道下来的车辆虽然较高架上车辆的速度有所降低，但与辅路车辆仍然有所不同，因此容易同地面辅路车辆形成交织。如果前方为信号控制交叉口，还需考虑在交叉口前形成的排队：出口匝道与地面的衔接点必须在排队长度以后，否则将由于车辆排队长度过长而延至出口匝道之上，严重时将上溯至高架路，影响车辆的正常通行。因此，有必要分析辅路以及出口匝道衔接段的车流对主路交通流产生的影响。

2 出口匝道及主辅路交通特性分析

本文选取的调查对象为成都二环高架中的红牌楼东站一段，该段主路为三车道，其中包括一条公交专用车道。出口匝道下衔接一交叉口，地面辅路4车道，进口道为6车道（见图1所示）。这里由于公交专用车道、非机动车道以及人行横道对本文研究系统基本无影响，因此在后续数据统计以及仿真中不予考虑。

图1 红牌楼东一段高架出口匝道及衔接段示意Fig.1 Hongpailou eastern section of the elevated section of the exit ramp and join section

2.1 数据采集

本文所选的出口匝道属于交叉口型出口匝道，由于高峰时段能够更好地表现出辅路以及出口匝道衔接段的运行状态对主路交通造成的影响，且红牌楼东站晚高峰现象更为明显，因此笔者利用摄像机等设备选取 2015年 2月 10日和 3月 10日两天，晚高峰17：30～18：30，进行连续1 h的数据采集，采集的内容包括：主路的速度、流量、占有率，辅路的流量、车辆排队，出口匝道的流量、车辆排队。本文将采集到的数据每 30s进行一次统计，并将统计结果录入excel中，由于文章篇幅的限制，这里就不再列出。这里只给出交叉口晚高峰期间的流量调查数据，如表1所示。笔者利用matlab对统计的数据进行分析，得到了主、辅路以及出口匝道的交通特性，具体如图2～图5所示。

表1 流量调查数据Tab.1 Traffic flow survey data

2.2 出口匝道与辅路交通特性

2.2.1 出口匝道与辅路流量特性

从表1和图2可以看出，晚高峰期间，主路流量较大，出口匝道流量范围在1～16veh/30s之间，其中8veh/30s占的居多；辅路直行流量范围在 5～23veh/30s（3车道）之间，其中14veh/30s的居多，两者的流量波动性较大。相反，辅路右转流量和波动性都相对较小。这主要是和辅路车道的摆放位置、渠化方式以及交叉口的信号控制有关。

图2 出口匝道及辅路的流量Fig.2 Traffic flows on the exit ramp and the side roads

2.2.2 出口匝道与辅路排队情况

由图3可以看出，红灯期间，辅路直行道与出口匝道均有周期性且较大的排队长度，而辅路右转道则由于车流量少以及渠化方式的不同，几乎不会产生排队。

图3 出口匝道及辅路的排队长度Fig.3 Queue lengths on the exit ramp and the side roads

2.3 主路交通特性

2.3.1 主路速度特性

从图4可以看出，在出口匝道以及辅路不同流量的影响下，主路下游车速基本维持在70 km/h左右，波动影响较小。主路上游受车辆下匝道提前变道产生交织以及出口匝道上车辆排队上溯至主路的影响，车速介于 35～70 km/h，波动较大。主路出口受到出口匝道排队、辅路流量增加以及交叉口信号控制的影响，车速介于10～62 km/h，波动最大。

图4 主路速度时、空变化Fig.4 Time and space changing of the vehicle speeds on the main road

2.3.2 主路占有率特性

由图5可以看出，主路下游占有率最低，但波动性最小，基本维持在20%～40%；主路出口占有率较大，但由于受到地面交叉口信号控制影响，占有率维持在30%～60%，且具有较强的波动性和规律性；受主路出口影响，主路上游占有率最大，在45%～85%之间。

图5 主路占有率时、空变化Fig.5 Time and space changing of the occupancy of the main road

图2和图3表明，高峰期间，出口匝道与辅路直行车道均出现流量大、排队长的现象，而较大的流量和较长的排队会对主路造成一定不良的影响。图4和图5表明，与主路上下游相比，高峰期间主路出口有关速度、占有率的交通特性曲线波动性最大，规律性也较强，因此后文将进一步研究出口匝道与辅路在流量和占有率方面对主路出口的影响。

3 出口匝道衔接段及主辅路交通特性仿真研究

由于实际的道路状况与模拟仿真存在差异，因此，首先应对vissim仿真模型进行参数标定及检验，去除其差异性。根据上述分析结果，标定高架路主路、地面辅路以及出口匝道的期望速度和驾驶员特性参数，并进行有效性检验。

3.1 仿真参数标定及检验

Vissim软件源于国外，因此在进行仿真之前，考虑到国内外交通流特性的差异，应首先进行参数标定。标定内容包括[7]：道路几何条件、车辆构成、期望车速以及驾驶员特性参数等。

根据之前的调查数据，这里的驾驶行为、跟驰模型选择 Wiedmann74模型，允许车辆在同一车道内，可以任意位置横向行驶，且根据实际情况允许超车。主路车速标定为60～80 km/h，出口匝道车速为 15～50 km/h，辅路车速为 48～60 km/h，公交车为 30～40 km/h。

对以上三者的速度与流量进行有效性检验，模型检验采用双样本假设检验[8]，检验结果见表2。

表2 模型标定检验结果Tab.2 Result of the model calibration

3.2 辅路与出口匝道的交通需求对主路交通特性的影响

本文研究的出口匝道衔接一个信号交叉口，由于仿真运行时，不同出口、辅路交通流量下，信号周期不同，最终不能正确反映出相同统计间隔时间下的运行特性。因此，笔者这里作出假设，出口匝道衔接段距交叉口较远，仅考虑出口匝道与辅路在不同的流量组合下，对主路交通的影响，不考虑信号控制。本文为了探究出从平峰到高峰期间整个过程的交通变化，参考表1高峰期间的调查数据，最终做出如下规定：高架主路流量为一固定值3 200 veh/h，而从主路上驶出的流量分别从500 veh/h逐渐递增加至2 000 veh/h；图2和图3的特性曲线表明辅路右转道路车辆少，车速高，对主路出口交通状态基本无影响，辅路直行流量与辅路右转流量的比例为 4∶1，辅路流量从500 veh/h逐渐增加至3 125 veh/h。具体如表3所示。

根据表3中的数据，运用控制变量法，分别研究出口匝道流量固定、辅路流量改变以及辅路流量固定、出口匝道流量改变两种情况下，主路出口车速和占有率的变化规律。仿真时间为 1h，统计间隔时间为5min，仿真结果如图6和图7所示。

表3 出口匝道及辅路交通流量取值Tab.3 Exit ramp and side roads traffic values

图6 辅路、出口匝道流量不同组合下主路出口速度变化Fig.6 Speed changes of the main road exit under the different combinations of the side roads and exit ramp traffic flows

图7 辅路、出口匝道流量不同组合下主路出口车辆占有率变化Fig.7 Occupancy changes on the main road exit under the different combinations of the side roads and exit ramp traffic flows

由图 6（a）、图 7（a）可以看出，在出口匝道流量和辅路总流量两者的组合下，主路出口速度与占有率出现了相反的变化趋势。当辅路总流量一定时，主路出口速度随着出口匝道流量的增加而降低，主路出口占有率随着出口匝道流量的增加而增加。这种趋势大致分为三个阶段：第一阶段，出口匝道流量从500 veh/h增加到1 000 veh/h时，主路出口速度迅速降低，车辆占有率迅速增加，说明该阶段出口处于自由流状态；第二阶段，出口匝道流在 1 000～1 500 veh/h范围时，主路出口在车速降低和占有率增加两方面的趋势有所减缓，说明该阶段出口能保持较稳定的运动状态；第三阶段，当出口匝道流量增加到1 800 veh/h时，速度骤降，占有率明显提高，且在1 800 veh/h之后，速度与占有率基本保持不变，说明出口匝道流量 1 800 veh/h是影响主路出口车速的极限流量。同理，由图6（b）、图 7（b）可以得出相似的结论，即当辅路总流量为 2 625 veh/h时，主路出口将达到极限状态。

4 结 论

本文首先以成都二环高架红牌楼东站一段为实例，通过调查分析晚高峰期间高架路、出口匝道以及地面辅路在信号交叉口的作用下的交通流特性表明，相比于主路上下游，主路出口的交通状态更容易受出口匝道和地面辅路流量的影响。然后利用vissim仿真软件，并在一定的假设下进行微观仿真。通过仿真表明，出口匝道流量低于1800 veh/h、辅路总流量低于2625 veh/h时，可以满足主路出口的交通需求，当两者的流量至少一个超过其极限值时，将会引发主路出口的交通拥挤，之后的交通状态基本不会改变，即达到饱和。由于本文选取的高架立交出口匝道样式单一，因此今后可以选取不同组合方式的出入口匝道进行调查，使分析结果更准确。本文利用微观仿真手段分析了出口匝道和辅路的交通状态对高架路出口交通流特性的影响，该分析结果对于今后如何提高高架路出口的通行能力、进行出口匝道与信号交叉口的协调控制提供了一定的参考依据。

[ 1 ] Neudorff L G，P. E，Jeffrey E. Randall，P. E. Freeway Management and Operations Handbook[M]. America：US Department of Transportation，2006：9-26.

[ 2 ] M.van den Bergn. Effects of on-ramp and off-ramp metering on queue forming in urban traffic networks[C]. Proceedings of the 11th IFAC Symposium on Control in Transportation Systems，2006：130-135.

[ 3 ] 杨晓光，狄姗. 城市高架道路出口匝道衔接路段交通组织方法研究[J]. 交通运输工程与信息学报，2003，1（2）：49-53.

[ 4 ] 陈峻，於昊，王炜，等. 城市高架道路下匝道地面联接段交通分析与评价[J]. 中国公路学报，2000，13（3）：69-72.

[ 5 ] 陈学文. 城市快速路匝道优化控制策略与方法研究[D]. 吉林：吉林大学博士学位论文，2008.

[ 6 ] 张旭旻，互通立交与周边道路配置关系研究[D]. 南京：东南大学，2006.

[ 7 ] 王元生. 辅路有附加车道的城市快速路出口交通特性研究[D]. 北京：北京工业大学硕士论文，2004．

[ 8 ] 潘维栋. 数理统计方法[M]. 上海：上海教育出版社，1980.