互通式立交匝道的服务水平分析

2014-07-06董长坤岳绍兴刘晏荣

交通运输研究 2014年7期

董长坤，岳绍兴，张媛，刘晏荣

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710068）

0 引言

服务水平是道路设施能给驾驶员和乘客提供的服务质量好坏的定性指标，也是设计人员对道路预期达到的服务质量的一个评价标准。通过对道路的服务水平分析能有效地解决日益突出的道路通行能力和使用者需求之间的矛盾。

进入21世纪以来，随着人民生活水平的提高，汽车保有量大幅增长，人们出行对道路的服务质量要求越来越高，道路阻塞问题日益突出，给社会经济带了重大的损失。对此，国内外专家、学者对公路主线的服务水平及评价指标进行了大量的分析与研究[1-4]，《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）（以下简称“规范”）[5]也做了相应的规定，但对互通式立交匝道的服务水平分析还是空白。互通式立交是高等级道路的主要组成部分，互通式立交匝道的服务质量会影响整个高等级道路的服务质量，因此通过对匝道服务水平的分析，确保互通式立交匝道与主线保持一致的运行服务水平，为道路使用者提供统一良好的服务质量具有重要的意义，同时也为进一步规范互通式立交匝道设计指标奠定了基础。本文从互通式立交匝道基本路段上车流特性及服务水平影响因素分析出发，来探讨互通式立交匝道的服务水平。

1 服务水平和服务交通量的概念

服务水平（LOS）是衡量道路交通设施所提供的运行质量好坏和交通流运行状况的一种定性质量指标，因道路交通安全与诸多因素有关，服务水平通常用行车速度、行程时间、交通中断、行驶自由度、舒适和方便等服务指标来描述，而没有考虑安全因素[6]。因自身的国情和资源条件的限制，各个国家对服务水平等级的划分标准各不相同，我国参照前苏联对道路服务水平等级划分的做法，将服务水平划分为四级，如图1和图2所示。

图1 一级、二级、三级服务水平（自由流、稳定流中间范围、稳定流下限）

图2 四级服务水平（非稳定流及强制流）

服务交通量是在通常的道路、交通和管制条件下，给定时间段内保持规定服务水平时，车辆通过道路一条车道或道路某一断面或均匀路段单位时间的最大小时交通量[7]。不同服务水平下，单位时间的服务交通量是不同的，服务交通量越小，道路上车辆行驶的自由度就越大，舒适性和安全性就越好，服务水平就越高；反之，服务交通量越大，道路的服务水平就越低。另外，服务交通量不是一个系列值，而是在既定的不同服务水平下道路上所能允许通过的最大交通量值，它是划分不同服务水平之间的交通流量界限。

2 服务水平的影响因素分析

服务水平是道路处在理想条件下，运用的一定计算公式和方法确定的既有道路交通设施能给驾驶员和乘客所提供的服务质量的好坏。在实际车流运行过程中道路的通行能力和服务水平受诸多因素的影响，一般可分为道路、交通、管制、安全和环境五个方面。

2.1 道路因素

道路因素包括道路的几何线形和道路质量状况两方面。其中几何线形因素包括道路的设计速度、平纵面线形、视距、车道数、车道宽度、横断面组成、路肩宽度和侧向净空、匝道出入口设置等；道路质量状况包括路面的平整度、损坏状况、抗滑能力、结构强度及路面外观等方面。

2.2 交通因素

交通因素主要包括车辆类型、车道分布、道路交通容量三方面。在交通车流运行中，大型车对交通运行的影响一方面在于其几何尺寸较大，占用道路的空间较大；另一方面就在于大中型车辆的动力性能要较小客车差，在加速、减速及爬坡制动方面均与小型车特性差距较大，影响整个车流的运行效率。车道分布对于多车道道路来说影响较大，一般最外侧车道较其他车道承担的交通量要小。道路交通容量表明了道路整个系统可能承受的交通车辆数，道路交通容量越大，同一服务水平等级下，道路上的交通量数就越大。

2.3 管理因素

管理因素主要包括管理水平、监控系统、救援系统、服务设施、收费系统等道路附属设施等对道路服务水平的影响。良好的道路管理系统对道路交通服务质量的保障具有重要作用，它能为道路提供一个良好的运行环境，充分发挥道路的功能，保证车辆的有效运行，对保证道路某一服务水平下车辆的安全运行具有极其重要的意义。

2.4 安全因素

安全因素主要在于道路交通安全设施的设置。虽然在服务水平的定义及等级划分上没有考虑车辆运行的安全性这一因素，但是完善的交通安全设施是确保车辆能有序运行的基础，对保证道路服务水平具有重要的意义。交通安全设施的设置主要包括交通标志标线设置、中央分隔带设置、防护和防眩设施设置、视线诱导标志、隔离栅及道路照明等。

2.5 环境因素

环境因素包括车辆运行的道路环境、自然环境。道路环境是指道路设计中对道路沿线景观的设计，良好的道路环境能给驾驶员和乘客提供一个心情舒畅、舒适性较好的运行环境，从驾驶员和乘客的角度对道路服务水平的评价等级就越高。自然环境是指大气、噪声、震动、天气等对车辆运行的影响，随着机动车的增多，空气污染严重、交通噪声来源广泛且持续时间长等现象严重影响了驾驶员的驾驶环境和出行的心情，另外自然环境的好坏影响驾驶员对前方道路的能见度，道路服务水平随之变化。

3 匝道服务水平评价指标的确定

因不同道路交通设施服务功能和服务对象的不同，车辆运行质量的评价指标也有所不同，目前主要有密度（pcu/h/ln）、平均行程车速（km/h）、V/C（饱和度）、时间延误百分率（%）、平均延误（s/辆）等。

互通式立交是供车辆出入高速公路的交通转换设施，是一个空间分离的交叉口，匝道是连接不同转向车辆行驶构成互通式立交小型路网的纽带，互通式立交匝道服务水平评价指标的确定应综合考虑车辆在互通式立交匝道上运行的各种特性。不同出行目的驾驶员和乘客对道路设施服务满意度的要求不同，高速公路是解决长距离出行的交通设施，主要供车辆安全、快速、经济的长距离出行，互通式立交是高速公路上的关键节点，高速公路的运行状况与互通式立交匝道上车辆的运行应保持一致。

有学者通过询问法对互通式立交匝道服务满意度指标进行调查，指出驾驶员和乘客对城市快速路上互通式立交运行的关注点主要是匝道的畅通性，其次为运行的速度、安全和交通量，对道路环境的要求不是很高[8]。因城市快速路与高速公路车辆出行目的不同及车辆在高速公路上快速运行的特点，选取车辆的运行速度作为评价互通式立交匝道服务水平的评价标准，运行速度越高，服务水平就越高，运行速度下降则服务水平降低。另外，运行速度的大小也从另一个侧面反映了匝道上的交通量和密度指标，因为运行速度越快，匝道上的车辆密度和车流量就越小，车辆运行就越顺畅，驾驶员和乘客感知的道路服务水平就越高，因此运行速度可作为对互通式立交匝道综合服务质量的衡量指标。

运行速度本身是一个定量的指标，反映了车辆在互通式立交匝道上运行时的畅通程度和服务质量。不同车辆因动力特性、机动性等差异，运行速度各不相同，互通式立交单车道匝道不允许超车行驶，车辆运行速度之间的差异在匝道上不能完全得以体现，大型车的运行对小型车有很大的限制作用，造成不同车辆之间排队行驶，相互干扰，车辆运行延误，运行的通畅性受阻，运行速度下降。因此可通过行车延误率指标来量化互通式立交匝道的服务水平。

行车延误是车辆在行驶过程中，由于交通摩阻与交通管制引起的行驶时间损失，以s或min计[9]。根据行车延误产生的原因可分为固定延误、停车延误、行驶延误、排队延误、引导延误。互通式立交匝道上没有交通信号灯等交通管制设施，行车延误主要来自于交通流内部的干扰。根据延误的概念，车辆在互通式立交匝道上发生的行车延误主要是发生延误时车辆在匝道上的运行的时间与畅行时运行时间的差值。然而为了比较不同类型匝道，采用单纯的延误作为评价指标缺乏可比性，为了评价标准更为确切，采用相对延误率作为互通式立交匝道服务水平的量化标准，其计算公式如下：

式中：td为车辆在互通式立交匝道上的实际行驶时间（s）；ta为自由流状态下车辆在匝道上的行驶时间（s）。

4 基于相对延误率的匝道服务水平分析

4.1 基于理论的相对延误率计算分析法

4.1.1 自由流状态下车辆行驶时间的确定

自由流状态下车辆的运行速度保持在自由流速度附近，设第i辆车在自由流状态下的运行速度为v0i，匝道上车辆自由行驶持续的时间tai的计算公式为：

式中： ld为匝道基本路段实际长度（m）。

4.1.2 匝道上实际行驶时间的确定

实际状态下，因受匝道不能超车限制的影响，在交通流密度较大的情况下，车辆运行受前车运行状态的影响较为严重，设第i辆车的实际运行速度为vi，车辆在匝道上的实际运行时间tdi的计算公式为：

4.1.3 相对延误率的计算

由式（2）和式（3）计算得到自由流运行持续时间与实际运行持续时间，进而匝道上车辆i运行的相对延误率计算公式为：

由式（4）知，相对延误率的计算回归到不同状态下车辆在匝道运行速度之间的相对比值，充分反映了匝道上车辆的运行服务质量，车辆i的自由流运行速度v0i随不同匝道几何线形的影响而改变，同一匝道不同车辆的实际运行速度vdi随着匝道上车辆跟驰运行状态的不同而改变，单向单车道匝道上车辆跟驰行驶，在交通流密度较大时，前引车的运行状态决定着跟随车的运行行车状态。设跟驰状态用 j表示， j=1,2,3,…,n，用q

表示不同跟驰状态下的车流量，则不同跟车状态下匝道上车辆的平均相对延误率Dˉ计算公式为：

应用式（5）计算得同一匝道在不同运行状态下的平均相对延误率，能充分反映匝道上车辆的运行速度、运行的通畅度及车辆之间相互干扰程度的大小，相对延误率越高，车辆之间相互影响程度就越高；反之，则匝道车辆之间自由运行的程度就越高，匝道设施给驾驶员和乘客提供的服务质量也越高。

4.2 基于实际调查的相对延误率计算分析法

由理论分析知，相对延误率要通过车辆在匝道上的行驶速度来计算得到，因匝道上车辆变速行驶的特征，确定车辆不同跟车状态下的行驶速度较为困难，而且车辆实际运行速度的确定较为复杂，所受的影响因素较多，精度较低。

在实际运用分析中，匝道设施给驾驶员和乘客提供的运行服务质量，可通过车牌号对照法，测定某一时段内跟驰状态和自由流状态下同一车辆通过匝道入口的时间td入、ta入和出口的时间td出、ta出，二者相减便可得跟驰状态下车辆的实际运行时间td=td出-td入，自由流状态下车辆的运行时间ta=ta出-ta入，应用式（1）便可计算得到匝道车辆的相对延误率，分析该时段内匝道运行环境给驾驶员和乘客提供的服务质量。这种运用实测数据的分析方法，需要耗费大量的人力物力来测量高速公路互通式立交匝道上车辆的运行过程，但是计算结果能真实地反应匝道上车辆运行状况和匝道不同跟车状态下的相对延误率，即给驾驶员和乘客提供的服务质量。

另外，有学者将道路上车辆之间的车头时距作为评价延误率的指标。《规范》中采用车头时距小于或等于5s的车辆数占总交通量的百分比作为延误率指标的参考值；美国《HCM2000》用跟车时间百分比作为双车道公路服务水平等级划分的评价指标，其以车头时距小于3s行进的时间百分比来代替。由此可见，匝道服务水平等级划分的量化指标还可通过测量车辆之间的车头时距作为分析匝道上车辆运行的延误率指标。

5 互通式立交匝道服务水平评价标准确定

互通式立交匝道是供车辆转换行驶方向的专用车道，其作为连接两条高速公路或高速公路与地方公路的特殊道路设施，必须与高速公路主线或地方道路的服务水平保持一致。结合前文分析，从互通式立交匝道车流运行特性及匝道几何特征出发，采用相对延误率作为匝道服务水平评价标准，参考《规范》中对二、三级公路服务水平评价量化指标，本文建议匝道服务水平划分为四个等级（见表1）。

表1 互通式立交匝道基本路段各级服务水平的相对延误率指标

一级服务水平代表互通式立交匝道上交通流量小，驾驶员能自由或较为自由地按照自己期望的运行速度行驶，车辆的运行速度较高，行驶车辆之间不受或基本不受其他车辆的影响，车辆在运行过程中因交通流内部干扰所引起的延误较少，能为驾驶员和乘客提供舒适、便利的交通运行环境。

二级服务水平代表互通式立交匝道上随着交通流量的增加，车辆的运行速度降低，驾驶员在根据自己的意愿选择运行速度时，需要关注交通流内其他车辆的运行状况，并有可能影响到对期望速度的选择，车辆行驶的自由度下降，交通流处于稳定流状态，并逐步趋向拥挤，造成车辆运行延误，为驾驶员和乘客提供的舒适、便利程度下降。

三级服务水平代表互通式立交匝道上车辆行驶的自由度受到很大的限制，车辆的运行明显受到交通流内部其他车辆的干扰和影响，运行速度受限状态严重，交通流状态处于稳定流的下半部分，逐渐接近不稳定流范围。交通流稍有增长就可能会出现交通拥堵，服务水平显著下降，在延误率达到80%时，匝道提供给驾驶员和乘客的服务所受的限制达到临界值，但是可通行的交通量还尚未达到通行能力值。

四级服务水平代表匝道上车辆的运行已经严重受到干扰，所有车流的运行速度降到很低，并趋向于一致，行车的自由度受到限制，交通流处于不稳定强制状态，在靠近下限时每小时交通量接近于匝道的通行能力。此时，交通量稍有增加或交通流内部出现小的扰动便会出现交通拥堵，给驾驶员和乘客的服务质量明显下降，车辆排队行驶，出现走走停停的现象。

通过上述互通式立交匝道服务水平等级的划分及划分标准的确定，对互通式立交匝道在规划、设计时选用合适的服务水平，科学地确定互通式立交匝道技术指标，合理地控制互通式立交规模具有重要意义。结合高速公路互通式立交设计的功能及高速公路设计服务水平的选取，本文建议高速公路互通式立交匝道基本路段采用二级服务水平进行设计，而一级公路互通式立交匝道基本路段可按三级服务水平设计。