城市快速路出口匝道与周边路网交通流特性分析及优化调整研究

摘要：城市快速路是城市交通快速、高效运转的重要支撑，是加强城市之间交通联系的重要保障。本文以济南市历下区燕山立交快速路段为研究对象，采用Vissim 仿真软件对该区域进行协调优化模拟，并通过对比优化前后的快速路出口匝道延误以及系统总延误。研究结果显示，按模型优化后出口匝道车辆运行效率大大提高，平均延误减小率最高可达72.54%，可有效缓解实例工程交通拥堵问题。

关键词：城市快速路;交通流特性;模型仿真;优化算法

1 前言

城市快速路是联系城市内各区域的重要干线，是提高城市客货运服务水平及完善城市路网结构的重要基础设施。城市快速路的建设与应用，可以极大地加快城市内交通体系运行效率，便捷城市各区域交通联系，大幅推动社会和经济效益。

2 出口匝道与周边路网交通流相互影响分析

2.1 存在的交通问题

由于车辆未能及时驶离出口匝道导致车辆排队延伸至主线，造成整个快速路系统运行不畅的现象在中国多数城市中时有发生，究其根源，多半是因为交通供需不均衡造成的。交通拥堵成因根据出口匝道与周边路网交通流组织方式不同也有所差异。结合快速路现实状况，分析其成因主要有以下几个方面：

1、辅路车流量大，占用过多道路资源，限制匝道车流运行。

2、辅路与出口匝道的车流交织换道行为（如：出口匝道车辆右转、辅路车辆左转等）均会妨碍后续车辆运行。一旦交通需求增大，衔接区域将出现交通阻塞现象

3、出口匝道下游交叉口信号配时不合理

主要存在以下两大问题：

（1）绿灯时长较短，车辆不能全部疏散，排队长度累积延伸。

（2）红灯周期过长，车辆离去率小于到达率。

2.2 交通瓶颈分析

合理地管控出入口匝道与毗邻交叉口，对联系和转换快速路主路上的连续交通流与周边路网上的间断交通流有很大帮助。

目前，我国许多大城市的路网结构是以快速路为主体建立的，但依旧存在交通拥堵现象，其根本原因是快速路与其他城市路网未科学耦合，出口匝道的连续交通流与地面道路的间断交通流在衔接处彼此交汇融合，且在有限的空间内争夺通行权，这无疑将引发许多交通问题，形成交通“瓶颈”，阻碍车流运行，降低整个系统运行效率。因此，协调优化城市快速路与其周边路网势在必行，均衡利用各等级道路资源，合理管控快速路通道内的车流，既能确保快速路主路车流的畅通无阻，又能使其他等级道路上的车辆安全顺利地驶入、驶出快速路，从而改善整个交通走廊的运行效率。

一般情况下，在同一时段，未必所有的路段都被完全使用，合理利用道路资源，对辅路车辆进行控制分流，使交通量平衡分配在路网中，能够有效缓解交通阻塞现象。同时，在协调优化快速路与周边路网时，优先考虑整个道路系统中等级最高、运行效率最好的快速路系统是非常必要的，因为只有车辆尽可能快地运转，才能提高整体运行效率，进而更好地激发整个城市路网的潜能。

交通流状态不同，辅路分流比例也有所差异。当出口匝道和辅路车流处于自由流时，车辆运行顺畅平稳，无需分流辅路车辆;交通量逐渐增加，当辅路和出口匝道车流总量超过合流段H 的最大容量时，车辆运行受阻引起排队，则优先满足快速路出口匝道的交通需求，将辅路的一部分交通压力转移到其他路网上，使合流区的通行能力更多地分配给出口匝道，避免引起排队回溯现象发生，促使各路段车辆运行流畅通达

3 工程优化措施研究

3.1  优化算法分析

为证明本章所提模型的有效性及算法的可行性，构建算例路网，如下图所示。路网中共9 个节点，15 条路段，路段上标注的数据分别表示路段编号及长度（km）。除路段11 和路段15 为单向车道以外，其他13 条道路均为双向车道。网络中共6 个OD 对，分别为：。系统内各路段的通行能力、交通需求、自由流速度、运行速度、阻塞密度等交通参数根据道路等级和服务水平的不同都有所差异，参考道路通行能力手册（HCM）查询获得。

构建算例路网优化的数学模型，并利用粒子群算法及Frank-Wolfe 算法对其求解分析，确定道路不同交通需求下的最佳辅路分流比例。辅路分流比例与出口匝道、辅路交通量呈负相关关系。当出口匝道与辅路交通需求为1500 pcu，且周边路网车道有剩余通行性能力可供汇入时，则辅路分流比例最高，可达0.9 以上;因合流区道路容量恒定，且系統遵循优先满足匝道交通需求的原则，因此当出口匝道车流量逐渐增加时，分配给辅路的剩余容量就越少，导致其排队长度不断延伸，路况不断恶化。在此情况下，理论上辅路需要分流的车辆应该增加，但受周边路网道路通行能力的限制以及优化模型需确保系统总延误最小，最终导致辅路分流比例下降的趋势。

3.2建模分析

根据实例工程交通数据进行建模计算。主要建模参数如下：

（1）燕山立交快速路主路，长度约1.1km，期望车速分布为小车60?80km/h，大车60～70km/h;

（2）由北向西南方向出口匝道，长度约0.9km，限制车速为 50km/h;

（3）其他城市道路包括：经十路、山大路、燕子山路、和平路、文化东路5 条主干道及经十路辅路、二环东路辅路两条次干道。其期望车速分布为小车40?60km/h，大车40?45km/h。

3.4 优化分析

利用求解双层规划的算法得出辅路最佳分流比例，并将其分配到其他路网，最终获得优化后车辆总延误值。在相同交通需求仿真情况下，快速路出口匝道与周边路网衔接区域优化前后车辆运行状况。

分析可知，出口匝道车辆平均延误随着交通量的增加而增大。优化前，当合流区通行能力满足不了出口匝道及辅路交通需求总和时，车辆运行受阻，交织严重，衔接区域排队不断累积延伸，出口匝道车辆不能及时驶离快速路主路，导致车辆平均延误急剧增加;优化后出口匝道车辆运行效率大大提高，平均延误减小率最高可达72.54%。

结束语：

本文选取济南市燕山立交快速路局部路段及周边路网区域为研究对象，通过交通现状调查及基础数据分析，利用Matlab 软件确定经十路辅路最佳分流比例。计算结果表明随着辅路交通量与燕山立交出口匝道交通量的增大呈先增大后减小的趋势。45.7%;按模型优化后出口匝道车辆运行效率大大提高，平均延误减小率最高可达72.54%，可有效缓解实例工程交通拥堵问题。

参考文献：

[1]  陈晓鸿， 周商昔. 城市高架路匝道的定位计算方法[J]. 城市道桥与防洪， 1994， （2）： 9-15.

[2]  杨少伟. 道路立体交叉规划与设计[M]. 北京： 人民交通出版社， 2000.

作者简介：黄兰可（1977—），女，重庆市忠县，大学本科，高级工程师，主要从事公路、城市道路设计咨询工作。

（作者单位：苏交科集团股份有限公司）