快速路交织区通行能力分析方法对比研究

冯星宇, 周晨静, 荣 建, 刘小明

(北京工业大学 交通工程研究中心, 北京 100124)



快速路交织区通行能力分析方法对比研究

冯星宇, 周晨静, 荣 建, 刘小明

(北京工业大学 交通工程研究中心, 北京 100124)

快速路交织区通行能力分析方法是当前我国城市快速路建设分析所缺少的关键内容，为梳理交织区通行能力研究脉络，确定交织区通行能力分析方法研究方向，研究首先应用对比分析及实测数据测算方法，从定性及定量两个方面对我国工程技术人员在开展交织区通行能力分析工作时常用的“九五”公路通行能力分析指南、“十五”公路通行能力分析指南、2003年《公路通行能力手册》中交织区通行能力的分析方法进行对比研究，而后详细阐述了2010版美国《道路通行能力手册》中最新交织区通行能力分析方法及流程，论述改版方法的优点及不足，为我国交通研究人员开展交织区通行能力研究提供参考与借鉴.

交织区； 通行能力； 对比分析； 交通工程

0 引言

高速的城市化进程导致我国城市规模急剧增大，道路基础设施建设也迅猛增加. 理论先于实践是我国道路设施建设存在的很大弊端. 我国城市快速路系统建设已有将近30年的历史，然而目前仍然缺少针对城市快速路交织区通行能力分析方法. 现阶段，我国交织区通行能力的研究分析工作主要按照我国“九五”公路通行能力分析指南[1](以下简称“九五”指南)、“十五”公路通行能力分析指南[2](以下简称“十五”指南)通行能力分析指南以及2003年《中国公路通行能力手册》[3](以下简称2003版手册)方法开展. 但目前尚无针对这3种方法的比较研究，在进行快速路交织区通行能力分析工作当中，应选取哪种方法开展尚无定论. 文章首先从定性、定量两方面对3种方法进行对比，并最终给出推荐方法.

美国《道路通行能力手册》(Highway Capacity Manual，以下简称HCM)在吸收和借鉴世界范围内的优秀研究成果基础上，成为交通工程实践领域的指导性手册. 2010年，美国运输研究委员会(Transportation Research Board)再次更新出版2010版HCM[4]，对交织区通行能力分析方法进行了全方位的更新. 研究对历版HCM手册交织区通行能力分析体系演变过程进行梳理，以期为我国城市快速路交织区通行能力分析研究提供参考.

1 当前我国交织区通行能力分析方法比较

1.1 分析方法简介

交织区通行能力分析基本流程是在给定交织区长度、交织区构型及交通流量条件下，求算交织区运行速度和密度，进而确定设施运行服务水平. 如果当前服务水平低于要求所要达到的服务水准，那么需要对该设施进行重新设计或改善. 文章从交织区构型、交织区速度预测模型、交织区通行能力计算模型、服务水平划分指标4个方面，对“九五”指南、“十五”指南、2003版手册中交织区通行能力分析方法进行汇总，如表1所示.

表1 我国现有交织区通行能力分析方法汇总

注：表中Sw，Snw为交织车流，非交织车流平均行驶速度(km/h)；VR为交织流量比；v为交织区内断面总流率；N为交织区内车道数；L为交织区长度(m)；α,β,γ回归分析系数；Cw为交织区通行能力(pcu/h)；C0为一条车道的理论通行能力(pcu/h)；rs为交织区类型修正系数，对Ⅰ类取0.95，对Ⅱ类取1.0；rN为交织区内车道数修正系数；rL为交织区长度修正系数；rVR为交织流量比修正系数；SFF为设施自由流速度(km/h)；a、b、c、d为模型常数.

图1 “九五”指南交织区类型划分

图2 2003手册交织区类型划分

1.2 方法定性比较

我国“九五”、“十五”指南以及2003版手册中交织区通行能力分析方法均以美国1985版HCM[5]中交织区通行能力分析方法为原型，应用我国实际调查数据开展了模型的标定及验证工作.

在交织区构型的划分上，按照车道平衡与否导致交织车流运行换道形式不同，对交织区进行分类，“九五”指南中Ⅰ类、Ⅱ类对应于其他2种方法中的A型和B型交织区.

在速度模型计算公式上：“九五”、“十五”指南中交织区交织速度及非交织速度直接应用公式开展计算，且“十五”指南仅仅给出A型交织区速度预测模型参数. 2003版手册中，将交织区车流运行分为约束及非约束2种. 在相同交织区构型条件下，随着通行交通流中交织流量所占比例的提升，车流运行逐渐由非约束状态转化为约束状态，在计算过程中首先假设所有车流均处于非约束状态，依据交织区几何特性和交织流量比计算交织强度，进而得到平均交织速度，并最终得到非约束运行所需的车道数，如果小于指定阈值，那么该股交通流处于非约束状态，否则处于约束状态，由此选用不同标定参数.

在通行能力计算模型上，“九五”指南给出简单的通行能力折减模型、2003手册及“十五”指南均以列表的形式给出.

在服务水平划分标准上均将交织区服务水平划分为4个等级，且均以密度作为划分指标.

1.3 方法定量分析

图3 现场实景图

图4 交织区结构形式

文章以早、晚高峰小时内天津卫昆立交桥交织区交通流实测数据为基础，对以上方法进行定量分析. 分析数据现场实景及交织区结构形式见图3.

分析数据中高峰小时系数PHF=0.935，司机为熟悉道路的职业司机(fp)，快速路自由流速度VFF=72.6 km/h，交织段长度L=170 m. 第一组数据采集时间为早高峰7:30—8:30，基本流量参数见表2.

第二组分析数据采集时间为早高峰15:30—16:30，基本情况表如表3.

应用以上3种通行能力分析方法，分别对2组实测数据进行测算分析，结果汇总后见表4.

通过对数据的分析，得到以下结论.

1) “九五”指南分析方法与实测结果相比，速度、密度差别很大，与其他分析方法相比，交织区速度最低. 交织速度预测模型影响因素与其他方法相同，说明该版方法交织区速度预测模型的参数取值并不准确. 通行能力值是各种方法中最低的，且低于实际观测值，表明交织流量比折算系数并不准确. 实际流率超过方法应用限制，导致计算结果偏差较大，表明此方法的应用范围较窄. 分别根据密度和负荷度得到的服务水平并不一致.

表2 交织区基本流量参数

表3 交织区基本流量参数

表4 分析结果对比

注：其中“九五”指南及2003年版《中国公路通行能力手册》中通行能力列表均未能给出符合算例中的交织流量比要求的数值，所以未能明确给出通行能力值.

“九五”指南分析方法过于简单，应用范围狭窄，折算系数、交织区速度预测模型参数还需重新标定，故不建议进行深入研究和采纳.

2) 由于“十五”指南分析方法中交织区类型偏少，没有考虑主线交织的情况. 在流量分布、交织车道数和车道长度均相同的情况下，由于速度预测模型标定系数与交织区类型无关，也就无法对主线交织区设计和优化方案进行对比分析，仅通行能力值的差别不能有效说明问题. 故此方法不具备主线交织区设计分析的能力.

3) HCM2000应用至今已有十余年，经过实际应用的验证，《中国公路通行能力手册》分析方法在其基础上以大量国内实测数据进行标定，使其更加完善，除通行能力取值不同外，其他指标结果均相同. 不仅没有以上列出的其他方法的问题，而且其计算结果与实测值差值较小，满足使用要求. 但是在实际操作过程中该方法较为复杂，计算量较大.

综合以上考虑，现阶段在我国开展的通行能力分析中，建议使用2003版手册方法.

2 HCM2010交织区通行能力分析方法研究

2.1 HCM2010交织区通行能力分析方法简介

相比于之前交织区通行能力分析方法，2010版HCM交织区通行能力分析方法有了明显变化：

1) 在交织区构型的分析上，该版方法将目前道路常见交织区分为同侧和异侧2种构型(见图5、6). 对于同侧交织区可以用主线交织车辆最小换道次数、匝道交织车辆最小换道次数及交织车道数等交通运行特征来分析交织行为对整体交通流运行影响，并以此刻画交织区设计形式；对于异侧交织区，车流运行过程中只是进口匝道到出口匝道的车流运行干扰主线车流的运行，利用车辆最小换道次数即车辆由进口匝道进入到出口匝道分出所需最小换道次数，来描述车辆的运行特征并刻画交织区设计形式.

图5 同侧交织区示意图

图6 异侧交织区示意图

主线交织车辆最小换道次数指主线车流向匝道行驶车辆完成交织行为所需的最小换道次数；匝道交织车辆最小换道次数指汇入主线车流的匝道车辆完成交织行为所需的最小换道次数；交织车道数指交织区车流在利用不多于1次换道行为完成交织过程所占用交织区的车道数.

2) 交织区通行能力分析不再受交织区长度的限制，该版方法提出了最大交织长度的概念，若交织区物理长度大于最大交织长度则出入口构成交织区，否则按单独分流区与合流区进行处理.

3) 新版手册给出交织区通行能力的具体计算公式，手册认为当交织区车流每条车道的平均密度K=27 pcu/km时或对于2车道交织区总流率Q=2 400 pcu/h(对于3车道交织区总流率Q=3 500 pcu/h)时，交织区达到通行能力状态，手册给出2种条件下通行能力计算模型，取其较小值作为交织区通行能力.

4) 新版交织区在进行速度模型预测时，最大变化是取消了交织区运行状态(约束或非约束)的概念，提出了以交织区内车流换道率作为基本指标，以衡量交织区内车流运行紊乱程度. 交织区内车流换道率指单位时间内交织区运行车流换道次数. 交织区内车流换车道行为分为3种：

① 交织车辆强制性换道行为，指交织车辆要完成交织行为必须完成的换车道行为；

② 交织车辆选择性换道行为，指对于交织车辆完成交织行为并不是必要的换车道行为；

③ 非交织车辆选择性换道行为，指由于驾驶员个人意志而产生的非交织车辆换道行为.

2010HCM分别给出以上3种换道行为次数的预测模型，并基于此给出交织速度及非交织速度预测模型.

2.2 HCM方法体系演变分析

HCM在吸收借鉴历年研究成果的基础上逐步完善和发展，交织区通行能力分析方法由原来的诺模图逐步演变为现在的公式计算，经历了4种分析体系的变化，但基本分析目标均围绕着运营评价及构型设计开展，核心分析指标均为交织区交织车流运行速度及非交织车流运行速度，所有计算模型基本采用统计回归方法得出. 不同的是考虑因素不断完善(见表5)，在交通条件上由最初较为宏观的交织流量影响分析(HCM1950[6]及HCM1965[7])演化为交织流量比导致交织区交通运行状态分析(HCM 1985、1994[8]、1997[9]、2000[10])到如今的交织区交织换道次数对交通流运行影响分析(HCM2010)，整体分析思路逐渐趋向于交织行为干扰机理研究，分析内容趋向于微观行为特性对宏观交通流特征影响分析.

2010版HCM交织区分析体系以计算换道率对交织区运行影响为基本出发点，预测不同交通流状态下交织区换道次数的变化，由此计算交织区交织车流及非交织车流运行速度及交织区整体运行速度和密度.

表5 交HCM影响因素汇总表

2010HCM提出以交织区流量比计算最大交织长度和交织区物理长度作对比，判断设施车流是否处于交织运行状态，判定设施是满足交织区分析基本条件，突破了旧版方法中交织区长度小于750 m的局限.

新版方法中以交织换道率作为微观交织行为对宏观交通流影响的中间衔接指标，突破以往车流处于约束流和非约束流的思路，分析逻辑性更强，更易揭示交织区车流干扰机理.

新版方法中直接给出交织区通行能力计算公式，较以往表格分析方法自由度更高.

然而，在交织区几何构型的划分上，为保证与分析方法中计算模型相一致，2010HCM依据交织区内车辆换道次数，将交织区类型划分为同侧及异侧交织区，与2000HCM中依据车道布置划分为A、B、C 3种类型，没有本质上区别. 然而，由于3种类型的划分已经有30年的历史，并且新的划分方法并不能直观确定交织区几何形式；同样应用天津市实测数据对2010HCM交织区通行能力分析方法进行测算，测算结果如表6所示，发现应用该模型计算得出交织速度高于非交织速度，与交织区运行特性相矛盾，模型准确性需要更多数据支撑.

表6 2010HCM分析方法测算

3 结束语

针对我国当前交织区通行能力分析方法，2003版手册方法是基于我国的实测数据，这对HCM2000交织区通行能力分析方法进行本土化标定具有一定指导意义. HCM2010手册全面更新了交织区通行能力分析方法，突破了原来物理长度的限制，以交织区换道率为基本指标计算交织区交织及非交织车流运行速度，并给出通行能力计算模型，方法分析逻辑性强、自由度高、模型物理意义明确，具有较高的应用价值，可以作为我国城市快速路交织区通行能力研究的发展方向. 但是方法合理性、模型准确性均需要在我国工程实践中进一步检验.

[1] 交通部公路科学研究所. 公路通行能力研究分报告交织区通行能力研究[R]. 北京： 北京工业大学， 1999.

[2] 交通部公路科学研究所. 快速路系统通行能力研究分报告交织区通行能力研究[R]. 北京： 北京工业大学， 2004.

[3] 交通部公路科学研究所. 公路通行能力手册[R]. 北京： 北京工业大学， 2003.

[4] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB, National Research Council， Washington DC， 2010.

[5] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 1985.

[6] Barbara Ostrom， LannonLeiman and Adolf D. May， Suggested Procedures for Analyzing Freeway Weaving Sections [J]， TRR1398， 1993： 42-48.

[7] Alexander Skabardonis and Amy Kim， Weaving Analysis， Evaluation and Refinement [R]. California PATH Research Report， 2010： 1-70.

[8] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 2000.

[9] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 1994.

[10] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual. TRB， National Research Council， Washington DC， 1997.

Comparative Study of Capacity in Urban Expressway Weaving Segments

FENG Xing-yu, ZHOU Chen-jing, RONG Jian, LIU Xiao-ming

(Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The expressway capacity analysis for weaving segments in China has received little attention, owing to the lack of fundamental research in this area. In order to clarify the research methods of weaving segment capacity, and determine the research direction of weaving segment capacity analysis , this paper first applied comparing analysis and actual data measure method, from both qualitative and quantitative aspects, to compare the capacity analysis methods presented in the Guidelines for the Analysis of Highway Capacity developed during the 9thFive-year Plan, the Guidelines for the Analysis of Highway Capacity developed during the 10thFive-year Plan, and the Highway Capacity Manual 2013 Edition, followed by an illustration of the new weaving area capacity analysis method presented in the 2010 Highway Capacity Manual. This paper then analyzed the advantages and disadvantages of the new method in the 2010 Highway Capacity Manual, which provides a useful reference for researchers in China to futher study the weaving segment capacity.

weaving area; capacity; comparing analysis; traffic engineering

10.13986/j.cnki.jote.2015.06.009

2015- 03- 28.

冯星宇(1988—)， 男， 硕士研究生， 研究方向为道路通行能力. E-mail： fengxingyu@bjut.edu.cn.

U 491.4

A

1008-2522(2015)06-43-07