分、合流区通行能力分析方法改进研究

陈春安， 荣 建， 周晨静， 常 鑫

(北京工业大学 交通工程研究中心， 北京 100124)



分、合流区通行能力分析方法改进研究

陈春安， 荣 建， 周晨静， 常 鑫

(北京工业大学 交通工程研究中心， 北京 100124)

随着我国公路工程建设标准的改进与更新，分、合流区通行能力分析方法在实践过程中出现纵向分析范围难以满足新型设计规范和横向分析区域难以表征整体服务水平两方面的问题. 研究首先通过实地调研，考察分、合流车辆在主线右侧车道车流所占比重指标随距分、合流点距离的变化情况，发现分流点上游距离1 050 m以外，指标稳定于11%～15%之间；合流点下游距离750 m以外，指标稳定于11%～12%之间. 由此推断分流区通行能力分析范围可确定在分流点至上游1 050 m之间，合流区通行能力分析范围可确定在合流点至下游750 m之间. 然后，采用算例分析法，对分、合流区影响区与非影响区独立测算，结果表明分、合流区内影响区与非影响区交通流状态会有较大差别，单独用影响区服务水平难以表征整个分(合)流区交通流运行状态，建议增加分、合流区非影响区服务水平分析内容.

分流区影响范围； 合流区影响范围； 服务水平； 通行能力

0 引言

分、合流区通行能力分析是公路规划、设计、运营和管理，以及公路工程项目可行性研究、公路建设项目后评估等工作的关键内容之一. 20世纪50年代以来，以美国为主的机动化程度较高的国家对分、合流区通行能力进行了深入持久的研究，取得了一系列研究成果. 我国也在“九五”、“十五”科技攻关课题中开展高速公路及快速路分、合流区通行能力研究，对国外研究成果消化吸收，制定出符合我国实际道路运行状况的通行能力分析方法，成为《公路工程技术标准》(JTJ001—97)和《公路路线设计规范》(JTJ011—94)的配套分析方法. 随着我国公路建设事业发展，《公路工程技术标准》及《公路线路设计规范》先后于2003年及2006年完成修订工作，相应通行能力分析方法也逐渐暴露出一定的不适应性，需进行更新与完善. 研究面向分、合流区通行能力分析内容，总结其在公路建设实践应用过程中存在的问题，开展针对性研究，提出改善建议.

1 问题提出及分析

1.1 纵向分析范围划分问题

现行《公路通行能力分析手册》中将分、合流区影响范围定义为合流点下游450 m、分流点上游450 m区域[1](如图1所示). 然而，在我国最新《公路路线设计规范》[2]JTG D20—2006中规定，当高速公路主线设计速度大于100 km/h时，双车道入口车道变速车道长度至少为510 m，已超出450 m的分析范围.

图1 分、合流区影响范围示意图

2006版《公路路线设计规范》指出：“我国变速车道长度不足，在已建成的交通量较大的高速公路上已有明显的暴露. 由于减速车道的长度较短，它所邻接的匝道的平面线形指标又较低，驾驶者见此情景后往往在进入减速车道之前就开始降速，影响后随直行车辆的正常行驶，潜在事故隐患. 加速车道由于长度不足而使汇流欠有序”. 鉴于此，新版手册修订增长了变速车道，并作了在某些情况下增长变速车道的规定. 美国1965年版《道路通行能力手册》(Highway Capacity Manual，简称HCM)将分、合流区通行能力纳入分析范围[3]，1985版HCM基于大量匝道及立交桥区影响范围研究，将分流区通行能力分析范围界定为分流匝道上游2 500 ft(约750 m)至下游500 ft(约150 m)之间、将合流区通行能力分析范围界定为合流匝道上游500 ft(约150 m)至下游2 500 ft(约750 m)之间[4]；美国相应设计规范中规定连续匝道适宜间距为1 300 ft，长距离大范围内往往包含多个分(合)流区，对通行能力分析结果造成负面影响. 1994版HCM将分、合流区通行能力分析范围界定为分流匝道上游、合流匝道下游1 500 ft(约450米)[5]；1997版、2000版及最新2010版HCM均采用该分析范围界定方法. 我国《公路通行能力手册》同样沿用该分析范围界定方法，服务于97版《公路工程技术标准》和94版《公路路线设计规范》，却难以适用于新版《公路路线设计规范》.

分、合流区交通流运行特性研究已有成熟研究结论[6-9]. 对于分流区，分流车辆在距分流点一定距离时开始变换到最右侧车道，以便安全驶出主线. 距分流点越近，分流车辆在主线最右侧车道行驶车流所占比重越大；对于合流区，合流车辆由入口匝道驶入主线后，首先进入主线最右侧车道，然后寻求合适间隙变换到左侧车道，以获取舒适驾驶空间. 距合流点越近，合流车辆在主线最右侧车道行驶车流所占比重越大. 研究从交通流量车道分布的角度开展分析，以分(合)流车辆在主线最右侧车道行驶车流所占比重为考察指标，开展分(合)流影响区对上(下)游车道分布影响分析，重新界定我国分、合流区通行能力分析范围.

1.2 横向分析区域选择问题

分、合流区通行能力分析方法核心内容是对匝道、分(合)流点、影响区关键断面三部分进行交通运行状态的核查. 而通行能力分析主要目的是考察影响区内部车流运行状态，设施所提供的服务水平，以此确定设施建设或改造方案. 现行分析方法中以分、合流影响区密度表征分、合流区整体服务水平(如图2). 在实际工程设计中，非影响区车道交通流在一定程度上受影响区内车流分合流行为的影响，但是整体考虑服务水平无法直接考虑非影响区内车道数量设置，工程技术人员建议独立测算，增加分、合流区非影响区服务水平分析内容，如图3.

图2 现行方法服务水平分析

图3 独立测算服务水平

美国HCM分、合流区手册通行能力分析方法也是逐步完善的. 1965版HCM分、合流区通行能力服务水平评价只考虑交通流量和车道数，依据经验数据进行分析；1985版HCM分、合流区通行能力分析加入设施构型要素；1994版HCM分、合流区通行能力分析以运行速度作为服务水平评价指标，并首次确定主线右侧两车道为分、合流影响区，确定3个关键断面交通运行状态校核的分析方法，横向分析范围仍是整个断面；1997版HCM用密度作为分、合流区服务水平评价指标，分析方法及横向范围没有改变；2000版、2010版HCM分、合流区通行能力分析方法均未改动. 我国《公路通行能力手册》借鉴1997版HCM分、合流通行能力分析方法.

整体断面分析具有直观、简洁的特点，可以便捷判定道路系统拥堵节点，并给出量化评价指标. 但是由于出行分布及驾驶行为影响，分、合流区匝道出、入口处往往产生局部拥堵，整体断面分析方法弱化局部拥堵区域评价，影响区与非影响区独立测算可以满足精细化管理需求. 研究采用案例分析方法，分别采用两种分析思路对2000版HCM计算算例进行测算，对比分析两者具体差异.

2 数据采集及处理

研究选取京哈高速出京方向姚辛庄桥分流区及合流区作为调查地点(如图4)，主线车道数量为3，分流区减速车道长90 m，合流区加速车道长150 m.

对于分流区，以分流点(匝道始端)为始点，向分流区上游每隔150 m设置一个监测点，在1 200 m范围内共设置9个监测点，用摄像机记录主线最右侧车道通行车辆，然后人工识别通行车辆牌照，以15 min为间隔统计每个监测点通行车辆.

对于合流区，以合流点(匝道末端)为始点，向合流区下游每隔150 m设置一个监测点，同样在1 200 m范围内共设置9个监测点，用摄像机记录主线最右侧车道通行车辆，然后人工识别通行车辆牌照，以15 min为间隔统计每个监测点通行车辆.

图4 数据采集地点影像图

调查时间选取交通流运行稳定，无拥堵及交通事故等事件发生的正常工作日. 调查从早8：00—12：00点持续4个小时，共获得16组分流区车辆通行数据及16组合流区车辆通行数据. 实验第1个监测摄像机获取数据为分(合)流车辆通行数据，结合各断面数据可以获得分(合)流车辆在主线最右侧车道行驶车流所占比重(记为P)，调查统计结果如表1所示.

针对横向分析区域选择问题，研究选取2000版HCM分、合流区分析算例，分别按照断面整体分析和影响区与非影响区独立测算的思路，依据我国《公路通行能力手册》计算参数进行案例分析. 非影响区车流密度计算按照交通流速度、密度、流量基本公式进行计算，非影响区服务水平分级参照高速公路基本路段服务水平分级表，计算结果如表2所示.

3 数据分析

3.1 分流区影响范围分析

依据表1做出分流区上游距分流点不同距离条件下，分流车辆在主线最右侧车道所占比重(P分流)的变化趋势图，如图5所示，同时研究做出各监测点相对于上一监测点比重变化量，如图6所示. 由图可知，随距分流点距离的增加，分流车辆在主线最右侧车道所占比重逐渐减小，并趋于稳定(稳定区间为11%～15%). 在距分流点1 050 m处，分流车辆在主线右侧车道所占比重变化量明显减小(为4%)，分流车辆在主线右侧车道所占比重趋于平缓，分流车辆对主线交通分布影响降低. 由此可以确定分流区影响区域在分流匝道始端上游1 050 m左右位置.

表1 分(合)流点不同距离处分(合)流车辆在主线最右侧车道所占比重 %

表2 分、合流区服务水平测算对比

图5 分流车辆在主线最右侧车道所占比重 (P分流)变化趋势

图6 分流车辆在主线最右侧车道所占比重变化

3.2 合流区影响范围分析

依据表1做出合流区下游距合流点不同距离条件下，合流车辆在主线最右侧车道所占比重(P合流)的变化趋势图，如图7所示，同时研究做出各监测点相对于上一监测点比重变化量，如图8所示. 由图可知，随距合流点距离的增加，合流车辆在主线最右侧车道所占比重逐渐减小，趋于稳定(稳定区间为11%～12%). 在距分流点750 m处，合流车辆在主线右侧车道所占比重变化量明显减小(为3.1%)，合流车辆在主线右侧车道所占比重趋于稳定，合流车辆不再对主线交通分布产生影响. 由此可以确定合流区影响区域在合流匝道始端下游750 m左右位置.

图7 合流车辆在主线最右侧车道所占比重(P合流) 变化趋势图

图8 合流车辆在主线最右侧车道所占比重变化图

3.3 分、合流区服务水平测算分析

表2 列出不同分析思路下分、合流区服务水平测算结果. 算例1为双向4车道道路，分流区即为分流影响区；算例4中交通流运行处于不稳定状态；由算例2、3、5可以看出影响区与非影响区交通流运行状态有一定的差别，其中算例3表现尤为明显，非影响区车流速度小于影响区车流速度，非影响区车流密度远大于影响区内车流密度. 由此可见，影响区服务水平难以反应整个设施服务水平，需要进行影响区与非影响区的独立测算.

4 结论

研究采用视频摄像方法记录距分、合流点1 200 m范围内最右侧车道通行车辆，考察分、合流车辆在主线右侧车道所占比重的指标变化. 研究发现在分流点上游距离1 050 m以外，分流车辆在主线右侧车道所占比重稳定于11%～15%，在合流点下游距离750 m以外，合流车辆在主线右侧车道所占比重稳定于11%～12%. 由此判定分流区通行能力分析范围可确定在分流点至上游1 050 m之间，合流区通行能力分析范围可确定在合流点至下游750 m之间，如图9所示.

图9 推荐分、合流区通行能力分析范围

从案例测算分析结果可知，在不同交通条件下分、合流区内影响区与非影响区交通流状态会有较大差别，单独用影响区服务水平难以表征整个分(合)流区交通流运行状态，建议增加分、合流区非影响区服务水平分析内容.

[1] 周荣贵, 荣建. 城市道路交通拥挤收费研究 [R]. 北京: 交通部公路科学研究院.

[2] JTGD20—2006, 公路路线设计规范[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, 刘小明, 荣建. 交通工程学[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003: 157-174.

[7] 熊烈强, 王富. 道路入口匝道连接处通行能力计算模型[J]. 华中科技大学学报: 自然科学版, 2006, 34(9): 91-93.

[8] 李秀文. 城市快速路分合流区通行能力研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2005.

[9] 李文权, 王莉, 王炜. 高速公路上匝道合流区通行能力经验模型[J]. 中国公路学报, 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.

陈春安(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为交通流理论、道路通行能力及微观交通仿真. Email：chenchunan86@163.com.

U 491

A

1008-2522(2015)06-01-05