快速路先入后出型出入口合理间距研究

葛婷， 陆奇， 周源

(1.苏州科技大学土木工程学院， 苏州 215011； 2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司， 上海 200092)

快速路作为城市道路的主动脉，其出入口设置既要考虑道路的可达性和机动性，又要考虑出入口接入对快速路通行效率和行车安全的影响。出入口区域内车辆会存在分流、合流、交织、变换车道等行为，引起车辆在空间上的变换和重新分布，导致一系列的交通冲突和交通紊流现象，从而降低了整体设施的功能。研究发现事故率随出入口密度的增加而增加，而相应的速度和运行效率呈明显下降趋势[1-2]。

目前关于出入口设计的相关研究方法主要分为：一是基于车辆运行过程划分的理论计算，如王进等[3]对加、减速车道、过渡段、交织段、标线渠化带等长度进行了分析，确定了不同平面式快速路出入口组合下的间距；潘兵宏等[4]、王灵利等[5]、邵阳等[6]根据车头时距分布、变换车道特性、服务水平等，建立了高速公路主线连续入口、连续出口最小间距模型；李涛等[7]界定了高速公路主线同侧相邻入口与出口间距，构建了满足合、分流区服务水平的主线同侧相邻单车道匝道入口与出口最小间距模型。二是基于交通仿真软件或驾驶模拟方法展开，交通仿真模拟不同场景，得到了广泛应用，如Zhou等[8]利用Corsim对高速公路立交邻近区域出入口设置影响进行了安全效益分析；魏代梅等[9]采用TSIS仿真软件对先入后出型匝道组合对交织区的影响进行了研究，构建了不同主线设计下的匝道间距理论计算模型；张东明等[10]利用VISSIM对立交节点处同时布置快速路入口匝道的几何设计进行了研究；刘韶新等[11]借助驾驶模拟实验构建了交织区运行风险评价指标。

目前，现有前人研究多集中在高速公路或快速路立交匝道间距及交织区段上，而关于快速路出入口布设及其对车辆运行影响的研究较少。尤其是先入后出型出入口组合，现行设计规范存在一定差异。因此，首先对中外出入口相关设计规范进行了对比；以快速路先入后出型出入口为研究对象，对不同入口-出口间距对车辆运行影响开展深入研究。以此为基础，针对性地提出快速路先入后出型合理间距设计界限值，以期为快速路出入口设计及组织管理提供参考依据。

1 出入口设置规范对比

当相邻出、入口距离较近时，常将其作为一个组合进行研究分析。根据组合顺序不同，有以下4种形式：连续出口、连续入口、先出后入、先入后出。以美国为代表，综合考虑了交织长度和标志标线设置所需的距离需求，确定了不同功能道路出入口匝道间距要求，如表1[12-13]所示。

出入口间距设置在保证主线交通不受进出交通干扰的情况下，应为出入口分、合流交通的加、减速及变换车道提供安全、可靠的条件。中国关于出入口间距的设置除了考虑出入口组合形式外，还考虑了主线不同设计速度差异性的影响，如表2[14-16]所示。对比可知，中、美关于连续出口和连续入口的设计基本保持了一致，即连续出/入口间距的界限值是统一的；先出后入组合的取值也较为接近，但在先入后出组合形式上存在较大差异。《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)并未明确限定先入后出组合下的间距；而现行的城市道路相关设计规程对于先入后出的组合取值存在明显的差异性，《城市快速路设计规程》(CJJ 129—2009)中的取值明显高于《城市道路交叉口设计规程》(CJJ 152—2010)及美国相关规范中的取值规定。因此，有必要对先入后出型出入口组合设计间距取值进行详细研究。

表1 美国公路和城市道路出入口匝道最小间距[12-13]Table 1 Minimum ramp spacing of the American highways and streets[12-13]

表2 我国公路和城市快速路出入口最小间距[14-16]Table 2 Minimum access spacing of highways and streets in China[14-16]

2 仿真参数设置及标定

本次研究分析时以双向六车道城市快速路为背景，以主线和匝道设计速度、出入口间距等作为仿真时可变参量进行动态调整。主线车道宽度为3.75 m；各匝道均为单车道，车道宽度均为3.75 m；仿真时长为4 200 s，考虑到仿真初期初始交通流的稳定性，将仿真前600 s作为预热期。根据相关文献研究成果，数据采集范围控制在入口上游和出口下游300 m范围，在主线车道上间隔100 m设置数据检测器采集相应指标数据，如图1所示。先入后出型出入口间距是指入口匝道合流鼻端至出口匝道分流鼻端间的距离。仿真时相关参数设置如表3所示。

在使用VISSIM前，利用两台无人机同时航拍了北环快速路、中环快速路出入口实际运营情况，利用图像处理软件提取了部分车辆速度、加减速性能、驾驶行为等参数。在此基础上，对平均停车间距(CC0)、期望车头时距(CC1)、跟车随机振荡距离(CC2)、跟车状态阈值(CC4)、最大减速度(MaxCD)等VISSIM仿真参数进行了标定，具体标定参数如表4所示。

表4 仿真参数标定Table 4 Traffic simulation parameters calibration

3 先入后出型出入口对主线车辆运行影响

3.1 对主线速度影响

车速能够直接反映道路的运行效率，其动态变化也可以综合反映车辆行驶的安全水平，故选择主线车辆各采集点的速度作为判定指标进行仿真输出。由图2结合仿真过程可知，当主线交通量输入为2 000 pcu/h时，入口匝道汇入交通量较小，此时主线车辆能自由行驶；入口-出口间距过小，会对主线与出入口设计速度差较大的快速路产生较大影响；随着入口-出口间距增大至300 m时，入口-出口间距变化对主线车辆的速度影响明显减弱，主线车辆维持在较高速度行驶。

当主线交通量为3 000 pcu/h时(图3)，车辆运行呈现稳定流状态。随着间距增加，不同设计速度下主线速度随出入口间距的增大呈明显增大的趋势。主线车辆可以维持在设计速度大小运行，但最外侧车道车辆受合流和分流影响较大。此时主线车速不仅受入口-出口间距影响，还与主线和匝道的设计速度有关。主线设计速度60 km/h时，间距400 m主线速度趋于稳定；主线设计速度80 km/h时，间距500 m主线速度趋于稳定；主线设计速度100 km/h时，间距700 m主线速度趋于稳定。

图1 快速路先入后出示意图Fig.1 An entrance followed by an exit on expressways

表3 快速路交通仿真参数Table 3 Traffic simulation parameters of expressway

图2 主线交通量为2 000 pcu/h， 匝道设计速度40 km/h时的速度Fig.2 Vehicle speed when mainline volume is 2 000 pcu/h and the design speed of ramp is 40 km/h

图3 主线交通量为3 000 pcu/h， 匝道设计速度40 km/h时的速度Fig.3 Vehicle speed when mainline volume is 3 000 pcu/h and the design speed of ramp is 40 km/h

当主线交通量为4 000 pcu/h时(图4)，仿真过程中出现了明显的排队和拥堵现象，主线的速度出现明显的波动变化，主线车速受入口-出口间距影响较小，均位于匝道汇入车辆速度40 km/h附近。

3.2 对行车风险影响

速度离散程度是衡量道路行车安全的重要指标，其与事故率呈正相关[17]。由于不同间距下的数据采集器数量存在差异，采用路段车速变异系数对速度离散程度进行进一步对比分析。不同设计速度下的先入后出型快速路车速变异系数汇总如图5所示。路段车速变异系数计算公式为

(1)

式(1)中：σ为车速标准差，km/h；μ为车速均值，km/h。

可以看出，随着间距的增加，车速变异系数总体呈现下降的趋势；且主线与出入口设计速度差越大，车速变异系数越大；随交通量增加，车速变异系数急剧增加。已有学者采用K均值聚类建立了交织区运行风险等级划分[18]。采用SPSS软件对 225组不同组合条件下得到的车速变异系数值进行K均值聚类，最终得到2个聚类中心值，分别为 0.086 7、0.356 2，以此作为安全和临界安全的划分依据。

图4 主线交通量为4 000 pcu/h，匝道 设计速度40 km/h时的速度Fig.4 Vehicle speed when mainline volume is 4 000 pcu/h and the design speed of ramp is 40 km/h

4 先入后出型出入口合理间距

当主线交通量输入为2 000 pcu/h时，因交通量较小，出入口间距超过300 m对车速变异系数影响不明显。当主线交通量输入为3 000 pcu/h和 4 000 pcu/h 时，车辆处于稳定流和紊流状态，对不同设计速度下的车速变异系数与入口-出口间距进行拟合，拟合结果汇总如表5所示。拟合结果显示车速变异系数与间距的对数呈现线性变化关系。结合上文安全划分依据，以变异系数变化逼近0.086 7、0.356 2 为依据确定不同设计速度下的先入后出型快速路出入口合理间距推荐值(图6)。表5、表2中相关规范的规定存在一定差异。

Q为主线交通量，pcu/h；V为主线和匝道设计速度，km/h；图例中，以 Q2000-V60-40为例，表示主线交通量为2 000 pcu/h，主线设计速度 60 km/h，匝道设计速度40 km/h图5 车速变异系数分布Fig.5 Distribution of speed variation coefficient

表5 先入后出型出入口最小间距推荐值Table 5 Recommended minimum spacing of an entrance followed by an exit

图例中，以Q3000-V60-40为例，表示主线交通量为3 000 pcu/h，主线设计速度60 km/h，匝道设计速度40 km/h图6 车速变异系数与间距关系Fig.6 Relationship between speed variation coefficient and the spacing between an entrance and an exit

5 结论

在对比中外出入口设置规范的基础上，明确我国先入后出型出入口布设间距缺乏统一标准。采用VISSIM仿真，分别考虑交通流特性、设计速度及出入口间距，对快速路先入后出型出入口设计对车辆运行特性的影响进行了研究和分析，得出如下结论。

(1)自由行驶状态下，入口-出口间距超过300 m时，主线车辆维持在较高速度行驶；采用小间距设置时，主线与出入口设计速度差对车辆运行影响较大。随着交通量不断增加，车速离散性明显增大。

(2)采用车速变异系数作为行车风险的表征指标，通过K均值聚类确定2个聚类中心0.086 7、0.356 2，以此作为安全和临界安全的划分依据。

(3)借助对数回归构建车速变异系数与先入后出型出入口间距之间的关系模型，基于安全和临界安全划分依据确定了先入后出型出入口间距的一般值和极限值。

(4)由于本次研究是基于VISSIM仿真展开的，后续还需结合实际数据对研究结果进行进一步确认，为快速路出入口优化设计提供理论参考。