高速公路出口匝道影响区分级限速方案适用性研究

■周丽娟 茹小磊 朱 宏

（1.陕西省高速公路建设集团公司西宝高速公路改扩建项目管理处，咸阳 712011；2.长安大学公路学院，西安 710064；3.温州市城市基础设施建设投资有限公司，温州 325000）

0 引言

驾驶人在高速公路主线和出口匝道的连接部分行驶时，其驾驶操作行为比较复杂多变，同时行驶车辆间的速度离散程度比较大，导致这部分路段的交通冲突数量较多、交通流混乱，交通效率和交通安全受到了严重的影响。为了避免运行速度突变现象发生，减小连续路段之间的速度差值，使车辆的运行速度可以逐步减小到匝道限速值，在出口匝道影响区采用分级限速方案的方法被提出。

目前国内外对在出口匝道影响区交通安全的研究大多数主要集中于对其限速标志位置的设置、限速值的计算模型、限速标志的设计、限速分级标准等方面，但对在出口匝道影响区车辆的运行速度降到匝道限速值过程中，究竟选取几级限速方案的效果最佳这方面却涉及很少。因为出口匝道影响区的交通组织环境较为复杂，所以在车辆降速过程中采用不同的分级限速方案，其效果是不同的。故本文以提高出口匝道区域交通安全和交通效率的效果最佳为目标，对分级限速方案在高速公路出口匝道影响区的适用性进行研究。

1 分级限速方案控制方法

1.1 出口匝道选取及其影响区域划分

本文选取最具代表性的直接式单匝道（其中主线车道数为两车道）作为研究对象。根据高速公路出口匝道交通特性，利用出口匝道渐变段起点和出口匝道分流鼻端，将高速公路出口匝道影响区划分为4个部分，即主线上游区、“主线—匝道”分流区、主线下游区、出口匝道区，如图1所示。

图1 出口匝道影响区的划分

（1）主线上游区是指第三块出口匝道预告标志至出口匝道渐变段起点的一段区域。在该区域内，准备驶入出口匝道的大部分车辆均已由内侧车道变换到外侧车道并且做好进入减速车道的准备；（2）“主线—匝道”分流区是指从出口匝道渐变段起点至出口匝道分流鼻端的一段区域。在该区域内，准备驶入出口匝道的车辆从主线交通流中分离出来，并驶入出口匝道；（3）主线下游区是指从出口匝道分流鼻端向下游延伸300m的一段区域。在该区域内，受出口匝道影响的车辆将会恢复正常行驶状态；（4）出口匝道区是指从出口匝道分流鼻端向匝道下游延伸400m的一段区域。在该区域内，行驶车辆将会以不高于匝道鼻端限速值的车速行驶并逐渐稳定下来。

1.2 分级限速方案种类

在高速公路出口匝道影响区设置分级限速方案的限速值及其种类时主要考虑的因素为：①考虑到布设限速标志的可操作性，分级限速标志不应过多；②限速值不应过低，否则将会影响出口匝道影响区的交通效率；③限速值变化不宜过于频繁，以免驾驶员产生烦躁心理。分级限速标志值间的递减量一般为10km/h~20km/h。通过相关交通数据调查和统计，界定高速公路正常路段上小型车的平均运行车速为100km/h~120km/h，大型车的平均运行车速为90km/h~110km/h。故本文将研究一级、二级及三级分级限速方案，并根据在出口匝道影响区采取的限速递减量和递减次数确定各分级限速方案的限速值及其种类，如表1所示。

表1 分级限速方案的限速值及其种类

根据《公路路线设计规范》及GoogleEarth观测，我国出口匝道鼻端处的限速值大多为40km/h，所以本文将研究40、60～40、80～60～40这3种常见分级限速方案在出口匝道影响区不同交通组织环境下的适用性情况。

2 分级限速方案适用性评估方法

2.1 评估指标体系构建

本文根据相关研究资料，并考虑评估指标之间的相对重要性、计算评估指标的复杂度，运用专家分析法，构建分级限速方案适用性的评估指标体系，如图2所示。

图2 高速公路出口匝道分级限速方案适用性评估指标体系

2.1.1 交通安全评估指标

基于非事故统计的间接评估方法，选取速度离散性评估指标——速度偏差的变化系数（theCoefficientof VariationoftheSpeedDeviation,CVSD）和交通冲突评估指标——交通冲突率f，从这两个交通安全指标来对高速公路出口匝道影响区的交通安全进行评估。

（1）速度离散性评估指标——速度偏差的变化系数CVSD

在出口匝道影响区的影响下，导致高速公路的连续车流受到干扰、车速离散程度变大、车头时距变小，随之造成交通拥挤、车辆排队长度变长等。如果把出口匝道影响区看作一个系统，则该系统内要素之间具有很强的制约关系，该系统是一个不稳定系统。通过分析相关研究成果可知，交通安全和车速的离散程度存在着非常密切的关系，即交通安全性和车速的离散程度呈反比。而在高速公路出口匝道影响区中，由于不同断面的平均运行车速都不一样，为避免受到不同运行车速的干扰，本文选用速度离散性评估指标CVSD来评估各断面的交通安全性。其中速度偏差的变化系数CVSD的计算公式为：

（2）交通冲突评估指标——交通冲突率f

在出口匝道影响区中，由于驶入出口匝道的车辆要实现减速、变换车道、寻找插入空隙等驾驶行为，从而对出口匝道影响区内的交通流产生干扰，导致同一车道的车辆之间发生纵向冲突、相邻车道的车辆发生横向冲突，极易发生交通事故，导致出口匝道影响区安全性较差。另外，专家研究表明交通冲突和交通事故存在紧密的关系，则交通冲突率和事故率也存在紧密的关系，即交通冲突数越高，交通冲突率就会越高，事故率也就会越高。所以，本文选用交通冲突评估指标——交通冲突率f，来对出口匝道影响区分级限速方案的适用性进行研究。其中，交通冲突率f 的计算公式为：

式中，f 为交通冲突率，次/veh·km；TC 为出口匝道主线上游区和“主线—匝道”分流区外侧车道至出口匝道车道的时均冲突数，次；Q 为出口匝道主线上游区和“主线—匝道”分流区外侧车道至出口匝道车道的路段交通量，pcu/h；d 为出口匝道主线上游区和“主线—匝道”分流区外侧车道至出口匝道车道的路段长度，km。

2.1.2 交通效率评估指标

由于出口匝道影响区拥挤现象较为突出，交通影响区中分级限速标志不同的设置方案必然会对其交通效率引起较大影响，若分级限速标志设置的不合理，交通影响区的交通效率必会下降。所以，本文从“时间”和“空间”两个角度选取交通效率评估指标，即时间占用性指标和空间占用性指标。

（1）时间占用性指标——车均延误时间D

出口匝道影响区由于行驶车辆经常会出现减速、变换车道等操作行为，其车辆在通过出口匝道影响区的平均行程时间必然会增大，占用的时间较长，尤其在交通量较大时甚为严重。本文从“时间”角度考虑评估交通效率，选取时间占用性指标，即车均延误时间。其中车均延误时间D的计算公式为：

式中，D为出口匝道影响区车均延误时间，s；Tm为车辆通过出口匝道影响区的实际平均行程时间，s；Tn为车辆通过出口匝道影响区的理论平均行程时间，s。

（2）空间占用性指标——平均排队长度q

出口匝道影响区由于交通环境复杂、交通流较为紊乱，交通拥堵时有发生，尤其交通量较大时，从出口匝道鼻端向主线上游延伸的路段甚为严重，经常发生车辆排队现象。在出口匝道影响区，如果分级限速方案的适用性较强，则产生对出口匝道影响区交通效率的干扰就较小，其平均排队长度就较短，占用的道路空间就较小；如果分级限速方案的适用性较弱，则产生对出口匝道影响区交通效率的干扰就较大，其平均排队长度就较长，占用的道路空间就较大。本文从“空间”角度考虑评估交通效率，选取空间占用性指标，即从出口匝道鼻端向主线上游延伸所产生的平均排队长度q。

2.2 加权加法平均法综合评估

本文采用加权加法平均法来评估高速公路出口匝道影响区分级限速方案的适用性，其流程如下。

2.2.1 评估指标建立

不同交通组织环境下分级限速方案的适用性是不同的，基于此，在高速公路出口匝道影响区的某种交通组织环境下，要对在这个交通组织环境下“40、60～40、80～60～40”这3种不同的分级限速方案适用性情况进行评估，而CVSD、f、D、q则为分级限速方案的评估指标。假设第i(i=1,2,3)个分级限速方案在第j(j=1,2,3,4)个指标得到的标值为，第j个指标的权重系数为。

2.2.2 评估指标值无量纲化

由于加权加法平均法要把各评估指标值进行相加计算，所以就要求所有评估指标标值必须具有相同的量纲。本文选用直线型阈值法对定量指标无量纲化，其计算公式为：

2.2.3 评估指标权重分配

本文选用特征向量法确定评估指标权重。特征向量法的实施步骤为：（1）列出基于评估指标重要性的4×4的判断方阵A；（2）求判断方阵A的特征根λ；（3）判断方阵A的一致性检验；（4）求出判断方阵A的最大特征根λmax的特征向量。步骤详见文献[3]。

2.2.4 加权加法平均法综合评估值计算

加权加法平均法综合评估的计算模型为：

分级限速方案适用性加权加法平均法综合评估值的计算原理如表2所示。

表2 分级限速方案适用性加权加法平均法综合评估值的计算原理

分级限速方案适用性加权加法平均法综合评估值越高，则该分级限速方案的适用性就越强，反之，就越弱。

3 分级限速方案适用性评估

3.1 基于VISSIM 的分级限速方案仿真

3.1.1 交通组织仿真环境

确定分级限速仿真方案，关键在于交通组织环境仿真方案的确定，交通组织环境的组成因素主要包括主线上游交通量、车型比例、出口匝道驶出率和减速车道长度。由于这四个因素涉及的数据组合较多，先将不同出口匝道驶出率和不同减速车道长度进行组合,得aj/bj(j=1,2,3)，共6种，如表3所示。

表3 出口匝道驶出率和减速车道长度的交通组成

然后在交通组成aj/bj(j=1,2,3)条件下，对不同的主线上游交通量和车型比例进行组合ci/di/ei（i=1,2,3,4），得交通组织环境仿真方案共有72种，如表4所示。

表4 交通组织环境仿真方案

3.1.2 仿真流程

基于VISSIM 的分级限速方案的适用性评估仿真流程如图3所示。流程详见文献[3]。

图3 分级限速方案的适用性评估仿真流程

3.2 分级限速方案的适用性评估综合分析

对仿真得到的数据，运用章节2.2中介绍的方法，综合评估3种分级限速方案在72种交通组织环境仿真方案下的适用性，分析结果如图4～图9所示。

（1）出口匝道减速车道长度≤200m且出口匝道驶出率为20%左右时分级限速方案在出口匝道影响区的适用性情况

图4 3 种分级限速方案在交通组织环境a1+ci/di/ei下的适用性综合评估

从图4可得出：（1）当出口匝道影响区交通量≤3200pcu/h且大车比率越小时，分级限速方案的适用性强弱情况为：40>60~40>80~60~40；（2）当3200pcu/h<出口匝道影响区交通量≤3600pcu/h且大车率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：60≤40>40>80≤60≤40。

(2)出口匝道减速车道长度≤200m且出口匝道驶出率为35%左右时分级限速方案在出口匝道影响区的适用性情况。

从图5可得出：（1）当出口匝道影响区交通量≤2800pcu/h且大车比率越小时，分级限速方案的适用性强弱情况为：40>60~40>80~60~40；（2）当2800pcu/h<出口匝道影响区交通量≤3600pcu/h且大车比率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：60~40>40>80~60~40。

(3)出口匝道减速车道长度≤200m且出口匝道驶出率为50%左右时分级限速方案在出口匝道影响区的适用性情况

从图6可得出：（1）当出口匝道影响区交通量≤2400pcu/h且大车比率越小时，分级限速方案的适用性强弱情况为：40>60～40>80～60～40；（2）当2400pcu/h<出口匝道影响区交通量≤2800pcu/h且大车比率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：60～40>40>80～60～40;（3）当2800pcu/h<出口匝道影响区交通量≤3200pcu/h且大车比率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：60～40>80～60～40>40；（4）当3200pcu/h<出口匝道影响区交通量≤3600pcu/h且大车比率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：80～60～40>60～40>40。

图6 3 种分级限速方案在交通组织环境a3+ci/di/ei下的适用性综合评估

（4）出口匝道减速车道长度>200m且出口匝道驶出率为20%左右时分级限速方案在出口匝道影响区的适用性情况

从图7可得出：当出口匝道影响区交通量≤出口匝道影响区通行能力且大车比率越小时，分级限速方案的适用性强弱情况为：40>60～40>80～60～40。

图7 3 种分级限速方案在交通组织环境b1+ci/di/ei下的适用性综合评估

（5）出口匝道减速车道长度>200m且出口匝道驶出率为35%左右时分级限速方案在出口匝道影响区的适用性情况

从图8可得出：（1）当出口匝道影响区交通量≤3200pcu/h且大车比率越小时，分级限速方案的适用性强弱情况为：40>60~40>80~60~40；（2）当3200pcu/h<出口匝道影响区交通量≤3600pcu/h且大车比率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：60~40>40>80~60~40。

图8 3 种分级限速方案在交通组织环境b2+ci/di/ei下的适用性综合评估

(6)出口匝道减速车道长度>200m且出口匝道驶出率为50%左右时分级限速方案在出口匝道影响区的适用性情况

从图9可得出：（1）当出口匝道影响区交通量≤2800pcu/h且大车比率越小时，分级限速方案的适用性强弱情况为：40>60~40>80~60~40；（2）当2800pcu/h<出口匝道影响区交通量≤3200pcu/h且大车比率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：60~40>80~60~40>40;（3）当3200pcu/h<出口匝道影响区交通量≤3600pcu/h且大车比率越大时，分级限速方案的适用性强弱情况为：80~60~40>60~40>40。

图9 3 种分级限速方案在交通组织环境b3+ci/di/ei下的适用性综合评估

4 结论

本文对出口匝道影响区分级限速方案适用性研究具有一定的合理性，分级限速方案在不同交通组织环境下的适用性都是不同的。对于分级较多限速方案，虽然速度变化的连续性较好，在一定程度上保障了交通安全性，但是考虑到驾驶员的驾驶特性，其实这种限速方案对交通安全性的帮助并不大。因为驾驶员在道路上行驶时，需要注意各种交通情况，所以设置过多的限速标志时，驾驶员就有可能会一直注意这些标志，从而忽视了自己的驾驶行为，这样是非常容易发生交通事故的。所以，出口匝道影响区采用几级限速方案应根据交通组织环境而定，具体如下：

（1）当出口匝道影响区交通量较小、出口匝道驶出率较小且大车率较小时，可考虑采用一级限速方案；

（2）当出口匝道影响区交通量较大、出口匝道驶出率较大且大车率较大时，可考虑采用二级限速方案；

（3）当出口匝道影响区交通量很大（接近出口匝道影响区通行能力）、出口匝道驶出率很大且大车率很大时，方可考虑采用三级限速方案。

这样才能使分级限速方案的作用达到最佳，更有效地保障出口匝道影响区交通安全和提高其交通效率。

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