高速公路与城市道路衔接适应性分析

李祎艺

高速公路与城市道路衔接适应性分析

李祎艺

(湖南省交通科学研究院有限公司，长沙 410015)

针对高速公路进出口与城市道路衔接的特点, 从解决实际问题并有利于城市长远发展的角度出发, 文章基于湖南省高速公路互通调研数据, 采用排队理论M/M/S模型和VISSIM仿真实验对收费站服务水平进行了分析, 并通过定性与定量相结合的方法, 对高速公路与城市衔接互通个数、衔接车道数以及设置收费站形式等衔接关键要点的一般性适用要求进行了研究与总结。

高速公路；城市道路；VISSIM实验；衔接适应性；排队论；一般性要求

0 引 言

城市道路本质上是指在城市规划区范围内按照相关交通技术条件铺设的交通道路，主要是为城市自身服务。城市道路交通是城市的生命线，是城市经济活动的重要动态载体。高速公路则主要是连接城市与乡村、城市与城市之间的交通要道[1]，是支撑人流、物流、信息流移动的基础设施，也是区域经济发展、全面推进城乡一体化和乡村振兴所依托的重要基础设施之一。高速公路与城市道路两者是相互独立但同时也是相互依存的系统，必须确保城市道路与高速公路之间有良好的衔接性[2]。

综合目前的研究及实践状况，国内外学者及决策管理部门对于高速公路进出口与城市道路的衔接做了很多工作，既有宏观层面的规划控制选点和规模控制、中观层面的路网形态布局[13]，也有微观层面的出入口衔接过渡横断面设计[4-6]。现阶段对于衔接部通行能力分析在宏观和微观层面综述如下：

（1）从宏观角度看，高速公路与城市道路衔接受到区域交通发展规划、城市空间形态等因素影响，主要是从衔接理论与方法、功能定位等角度进行分析，归纳并总结了衔接的关键点。吴兵、黄国柱、高健智等人[7-9]从实际情况出发，对高速公路与城市道路衔接道路的理论与方法进行了研究，主要从衔接道路规模、横断面形式进行了分析，旨在提供方法指导与理论支持。聂文涛[10]则主要从衔接部的功能定位出发，提出了衔接性数量确定方法，并建立了衔接部通行能力的计算模型。罗稳[11]分析不同过境模式下衔接道路组成类型，并对衔接道路的规划提出了详细的规划设计步骤，并提出衔接道路的车道规模是衔接的关键。

（2）从微观角度看，主要是对衔接部通行能力、服务水平等指标进行分析，并提出通行能力计算模型。廖固[12]通过分析收费站交通流特性，建立了收费站的排队模型，重点计算同一条车道在不同比例下的ETC车辆条件下和多车道情况下不同条数ETC车道的收费站的通行能力。张智勇、荣建等[13]在北京地区的实测数据基础上，采用M/G/K排队模型计算出计算机辅助收费的各种收费站通行能力指标。黄辉先[14]则主要通过数学模型对比分析了不同车流量下一道一亭和一道两亭的平均延误时间。潘全如[15]则给出了M/M/m系统中收费通道最佳个数的求解方法，提出了一种可变服务率的收费站排队模型。

国内外很多学者在衔接互通的规划布局等方面的理论研究与实践成果已经十分丰富，本文则主要综合国内外的实践经验和湖南省公路与城市道路管理体制，在实际调研数据与仿真实验数据的基础上，从微观角度分析高速公路与城市道路衔接要点，并提出衔接部的一般性适用要求，希望对读者有一定的参考价值。

1 高速公路与城市道路衔接目标和影响因素

1.1 高速公路与城市道路衔接目标

由于城镇体系的剧烈变化、城市规模的大幅度扩张，不可避免的使高速公路进出口与城市道路在功能衔接、结构衔接和通行能力衔接方面的问题日益增多，并在短期内集中显现。其衔接优化对于提高高速公路运行效率，改善城市建设环境、提升居民交通安全具有重要意义。从解决实际问题和有利于城市长远发展的角度出发，高速公路与城市道路衔接必须要有效缓解高速公路出入口交通拥堵和降低事故发生率，提高高速公路服务效率；同时，应加强高速公路对城市的服务能力，为城市居民提供优质、可靠、便捷、安全的出行条件。在对高速公路与城市道路衔接优化分析时，必须统筹考虑这两个目标，以获得综合利益最大化。

1.2 高速公路与城市道路衔接影响因素

高速公路与城市道路衔接体系是一个综合体系，其影响因素多。一方面，在对城市道路交通体系进行规划时，需从构建区域交通发展圈的角度出发，认真考虑高速公路与城市道路衔接问题；另一方面，我们还需对城市空间发展问题进行深入研究，以保证城市远期空间扩展的需要。衔接工程往往伴随着大型的多层立交而具有独特的交通与环境特征，必须充分重视它与环境协调发展，保持和延续城市特色与文明，满足资源节约和环境友好的要求。同时，从交通工程角度出发，衔接工程还应满足通行能力相互匹配的功能要求。

2 高速公路与城市道路衔接适应性分析

2.1 高速公路出入口数量与城市规模匹配问题

高速公路是连接市（县）主要城镇、旅游景点、港口、码头和车站等交通的纽带。大量的理论研究表明[16-18]，高速公路在综合交通运输体系中具有覆盖范围广、服务人口多等特点，其出入口数量规模与城市人口、经济体量等指标密切相关，其中，聂文涛在阅读了大量的参考文献后，在其硕士论文中总结了城市出入口数量主要与“城市规模”、“经济发展情况”、“对外交通客运量”等指标密切相关，并建立较为复杂的数学模型计算衔接线数量[10]。本文为研究并验证其关联性，以大量的调研数据为基础，对湖南省14个地州市、重要县（市、区）城市经济总量与高速公路出入口数量进行了函数拟合分析，结果如图1所示：

图1 湖南省城市经济总量与高速公路出入口规模拟合关系

函数拟合2取值为0.884 4，体现了较好的线性特征。以上函数拟合结果揭示了以下现象：湖南省各城市高速公路出入口设置数量与城市本身经济总量成正比，经济总量在500亿元以下的中小城市一般设置一个高速出入口；各地州市中心城市出入口个数与城市经济水平密切相关，一般为3~7个不等；省会城市长沙出入口个数遥遥领先于其他城市，为24个。值得一提的是，我们对人口与高速出入口规模两者关系也进行了拟合分析，发现高速公路出入口规模与人口并无明显规律，甚至有的贫困城镇人口规模很大，但出入口设置却很少的现象。

以上规律表明，城市经济总量越大，城市对外出行需求越高，要求高速公路出入口数量越大。为此，笔者结合湖南省各市州近几年的经济总量数据，对不同城市设置出入口提出一般性适应要求如下：对于经济总量小于200亿元的绝大多数小城市，应设置一处落地互通；对于经济总量200~500亿元的中等城市，设置两处落地互通为宜；对于经济总量为500~1000亿元的城市，至少设置三处落地互通；对于经济总量在1000~2000亿元的城市，至少设置四处落地互通；对于经济总量在2000亿元以上的城市，至少设置六处落地互通。

上述结论源于实际数据的简单分析，根据函数拟合的结果提出了不同城市高速公路出入口规模的基本要求。下面从微观层面分析每个落地互通与城市道路衔接的问题，旨在解决落地互通通行能力瓶颈，降低互通出行的拥堵概率。

2.2 高速公路出入口与城市道路通行能力匹配问题

为提高分析的科学性，我们获取了湖南省404个互通收费站的进出口流量数据与收费站收费车道组成数据。同时，根据规范将收费站分为A和B型，其中A型收费站是指三个进口道五个出口道收费站，B型收费站指五个进口道七个出口道收费站。目前，湖南省绝大部分收费站基本为A型收费站，且一般由2个ETC收费车道和6个MTC车道构成。经统计分析，湖南省收费站出入口平均日交通量在2000~7000辆/天，各出入口流量分布如图2所示。

图2 湖南省404个高速互通收费站交通量

一般情况下，收费站MTC车道排队长度比ETC车道长，因此，在本文中我们仅选取MTC车道进行收费站排队长度分析，并通过排队长度指标判别城市道路与高速公路衔接部的衔接适应程度。为使研究成果更具针对性，分析湖南省2019年3~5月ETC和MTC车道车辆分布情况，并在本文中取平均值，即全省收费站ETC车辆数和MTC车辆数比例为33.4:67.6。

根据《公路联网收费技术要求》规范要求[19]，收费站通行能力与服务时间密切相关，其中：自由流ETC车道服务时间为2~3s，封闭式收费站入口为6~8s，出口为14~20s。本研究中收费站服务时间取规范的平均值。参考国内外相关研究成果[6, 17, 19, 21, 22]，高速公路收费站车辆到达过程服从泊松分布。根据上述分析结果，分别得到了收费站出入口车辆平均服务时间和不同流量水平车辆到达率，采用排队论M/M/S理论模型计算不同收费广场不同流量水平下的排队长度，公式如下：

式中，,,三个输入参数代表车辆到达率、车辆平均服务率和MTC车道数。为此，以湖南省各收费站的流量为基础，分别计算得到A、B型收费站的排队长度，如图3所示。

由图3可以得到以下结论：匝道高峰小时流量低于300pcu/h时，“三进五出”标准收费站平均等候车辆数为3辆及以下，此时收费广场运行正常；当高峰小时流量超过300pcu/h时，排队长度会继续增加，收费广场出现拥堵现象；当高峰小时流量达到450pcu/h时，排队溢出，服务水平大大下降，应采用“五进七出”收费站。值得一提的是，采用排队论计算等候车辆数，当车辆到达达到临界点时，排队长度会迅速增加。

为科学验证该理论模型计算排队长度的准确性，本文采用德国PTV公司的VISSIM交通仿真软件进行情景建模分析，并在此基础上进一步分析了匝道与城市道路的衔接能力问题。考虑到不同仿真参数带来不同的仿真结果，本研究仿真实验中的参数原则上采用规范设计值、实际调研数据统计分布函数或者统计平均值等[20]，因此得出的结论也只适用于一般情形。为精准判别出入口设置的主要影响因素，本文在仿真实验时做以下假定[21-24]：互通匝道设计速度为40km/h，衔接城市道路设计速度为60 km/h，车辆组成客货比为98∶2，收费站车辆缴费时间（单位：秒）为正太分布（60, 2）。同时，考虑收费站出口道路与城市主干道交叉的最不利情况（实验中设置距离较远，保证城市道路交叉口进口道排队不溢出至收费站出口），并假设交叉口为信号控制交叉口，其他三个方向道路饱和度为0.75，各进口道绿灯时间为30s，黄灯时间为3s。（注：不同仿真参数结论可能会有一定的偏差，本文采取的仿真参数取平均值，如匝道设计速度取规范值，车辆组成数据取统计平均值等）建立仿真模型如图4所示。

图3 AB型收费站不同流量下排队等候车辆数

图4 Vissim仿真模型示意图

在仿真模型中，设置两组排队检测器：其中第一组检测器编号①②分别检测断面A（收费广场处）排队长度，第二组检测器编号③④检测断面B（城市道路交叉口处）排队长度。考虑到目前高速公路匝道一般为单向单车道或单向双车道，仿真只建立了单车道匝道模型，如果仿真中单车道匝道出现大面积拥堵，则认为此时应采用双车道匝道以提高通行能力。同理，采用湖南省“三进五出”的标准形式的收费站（以下简称标准收费站）进行仿真实验。

仿真实验分析匝道高峰小时流量（单位pcu/h）变化区间为[100, 800]（参考湖南省匝道数据流量分布特征形成该变化区间），以及收费站连接的城市道路车道数变化区间为[1, 4]情形下，断面A和断面B的排队长度变化如图5和表1所示。

表1 不同交通量水平下收费站及断面A、B排队长度实验结果

续表1

匝道交通量/（veh/h）断面A平均排队长度/veh连接城市道路车道数断面B平均排队长度/veh 70016.6单向单车道13.7 单向双车道9.0 单向三车道4.0 单向四车道1.7 80030.2单向单车道18.9 单向双车道12.4 单向三车道3.1 单向四车道1.8

根据仿真实验输出结果，得出以下规律：（1）匝道高峰小时流量达到300 pcu/h时，标准“三进五出”收费站排队长度为2.8辆，此时收费站仍运行正常；（2）匝道高峰小时流量达到500 pcu/h时，标准收费站排队长度为8.3辆，此时收费站持续排队，出现轻微拥堵现象；匝道流量低于600 pcu/h时，采用单向双车道城市道路衔接可满足通行能力要求，此时交叉口排队长度为0~4辆；当匝道流高于600 pcu/h时，应采用单向三车道城市道路衔接以满足通行能力要求。（3）匝道高峰小时由600增加到700 pcu/h时，排队长度激增，收费站拥堵现象严重；（4）匝道高峰小时流量达到800 puc/h时，收费站基本瘫痪；（5）匝道高峰小时流量低于300 pcu/h时，可采用单向单车道的城市道路与收费站相连，但由于衔接功能不搭配，因此不推荐单车道；（6）当匝道流量高于800 pcu/h时，排队长度溢出，应采用双车道匝道以提高通行能力，防止高速主线出现拥堵现象。

从VISSIM交通仿真结果来看，当流量低于某一临界点（本文中“三进五出”收费站的临界点为450 pcu/h），采用排队论M/M/S模型计算结果基本上可信。但当高于临界点时，采用排队论计算出来的排队长度与仿真有一定的差异，后续将进一步对该模型进行适当地调整与修正。尽管如此，我们仍然可以根据以上分析，总结高速公路与城市道路通行能力衔接一般性适用要求如表2所示：

表2 高速公路与城市道路通行能力衔接一般适用性要求

4 结束语

高速公路与城市道路衔接顺畅是区域交通与城市对外交通中的重难点。本文从微观角度出发，在湖南省高速公路与城市道路衔接现状调研数据的基础上，采用排队理论M/M/S模型和VISSIM仿真实验对收费站服务水平进行了分析，并总结出高速公路与城市道路衔接一般性使用要求，可以作为高速公路与城市道路衔接工程方案选择的参考。

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Applicability Analysis of the Connection Between Expressway and Urban Road

LI Yi-yi

(Hunan Communications Research Institute, Changsha 410015, China)

In view of the characteristics of the connection between urban roads and highway import and export, and with the aim of finding solutions to practical problems for the long-term development of cities, this study analyzed the service level of toll stations. The study was based on the survey data of Expressway Interchange in Hunan Province and used the queuing theory M/M/S model and VISSIM simulation experiment for the analysis. Using both qualitative and quantitative methods, the general application requirements of the key points of connection, such as the number of interchanges, the number of connecting lanes and the form of toll stations, were studied and summarized.

highways; urban roads; vissim simulation experiment; cohesion adaptability; queuing theory; general requirements

1672-4747（2020）02-0132-07

U491.1+23

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.02.016

2019-05-01

李祎艺（1990—），女，汉族，湖南邵东人，硕士研究生，工程师、中级经济师，主要从事交通规划、咨询与研究工作。E-mail：136601252@qq.com

李祎艺. 高速公路与城市道路衔接适应性分析[J]. 交通运输工程与信息学报, 2020, 18（2）：132-138.

（责任编辑：刘娉婷）