基于跟驰模型、换道模型的快速路立交微改善研究——以竹叶山立交为例

杜建坤，李 瑞，郑 猛

(1.武汉市交通发展战略研究院，湖北 武汉 430000：2.武汉市规划设计有限公司，湖北 武汉 430000)

1 立交拥堵成因分析

1.1 宏观层面

(1)机动车拥有量持续发展

汽车使用率增加是导致城市交通堵塞的主要原因。2019年底，全国机动车保有量达3.5亿辆，较2018年增加约2 100万辆。现有道路交通资源难以承受日益增长的交通流需求，导致交通拥堵常发。

(2)城市职住不平衡

现阶段，我国城市职住不平衡现象越发严重，这种不平衡的职住带来了较为明显的潮汐交通现象，进一步加剧了早晚高峰城市的拥堵问题。

(3)城市快速路容量与需求不匹配

城市快速路作为过境交通的主要使用道路，其道路容量与承担交通量不匹配亦为造成拥堵的因素。上海市快速路面积占总道路面积的5%左右，而承担交通流量30%左右，每天有250万辆次使用快速路。

1.2 中观层面

(1)路网级配不合理

目前大部分城市存在路网级配不合理的问题，往往是注重快速路、主干路等高快速通道的建设，忽视了次干路、支路等疏解性道路，导致高快速通道上的交通流难以得到快速疏解，由此带来不必要的交通拥堵问题。

(2)匝道设计不合理

目前大部分城市的快速路均存在匝道上不去，下不来的问题，其中很大的原因就是匝道设计不合理，一方面受建设条件影响，另一方面受建设成本影响，衔接距离这一关键要素往往取的是极限值，很容易影响道路的通行效率。

1.3 微观层面

(1)下匝道不畅导致主线拥堵

下匝道不畅主要表现在两个方面，一方面是由于主线和匝道的速度差较大，下匝道通行能力与快速路下匝道流量需求不匹配，导致下匝道口拥堵频发；另一方面是下匝道衔接道路和邻近交叉口设计不合理，衔接道路的通行能力无法容纳从快速路上下来的大流量车流，导致形成路段和交叉口瓶颈。

(2)上匝道合流瓶颈区拥堵

上匝道车流必须在加速车道范围内换道，完成与快速路主线车流的强制并线，在并线过程中行车秩序难以保证，尤其是当主线车流量较大时，这种并道带来的行车干扰将会在很大程度上降低主线的通行能力，进而产生交通瓶颈。

(3)交织段距离过短

非常规立交上下匝道车流在交织区内存在频繁变道行为，尤其是当交织段距离过短时，越容易在该区域发生冲突，导致该段道路通行能力大大降低，进而产生交通拥堵。

2 交通治理微改善措施

2.1 空间转移

立交交通秩序乱很大程度上制约了整个立交的通行效率，同时也极易引发交通事故。非常规立交由于上下匝道距离过近或车道连续变化，普遍存在车流交织严重区域，空间转移主要通过设置隔离栏、实线段等改变道路渠化方式来引导车流按理想方向行驶，优化车流组织，减少空间冲突。

2.2 时间转移

时间转移主要采取信号控制的方式，保障在交通高峰时段(交通需求大于交通供给)快速路能以最高效率运行，具体表现为车流以最佳速度和最佳流量运行。

要达到这样的控制效果，要求在各出口匝道对辅路车流加以控制并与下游信号交叉口协调来保证出口匝道车辆排队不至于到达快速路交织区；各入口匝道放入车辆要与快速路交通流状态相适应，其放入量和放入时间既不至于使快速路形成交通瓶颈又不能浪费快速路的时空资源。与此同时，应协调辅路上游交叉口控制信号、匝道控制信号和辅路下游交叉口控制信号，从而尽量减小辅路的车辆排队和延误。

具体控制策略包括以下两点。

(1)分层优先

高快速路匝道控制应该遵循以下优先级，首先是主线车流通行最优先，再是驶出下匝道车流通行次优先，短距离借路行驶通行处于最低优先级。

(2)辅路及路网协调控制

城市快速路有时候为主辅路的形式，在主线产生交通拥堵时，辅线可在一定程度上起到分流的作用。在进行交通组织时，统筹考虑快速路辅路及邻近路网，可以有效缓解和预防主路阻塞带来的拥堵问题。

2.3 综合保障

通过VIS等发布道路实时信息，协助驾驶员合理地规划行驶路线和选择适当上下匝道口，诱导车辆合理分配城市路网。

3 仿真建模与评价指标体系

3.1 跟驰模型

跟驰模型可分析相同车道、相邻车间的相互作用。考虑到复杂立交匝道合流、分流、交织区可能出现的车辆加速、减塞停再起步等现象以及模型准确性和复杂性，借助IDM(智能驾驶)模型描述匝道合流区车辆跟驰行为。IDM模型由自状态下的加速项和考虑与前车碰撞的减速项两部分构成，能够较好地描述车辆的跟驰行为，公式如下

(1)

(2)

3.2 换道模型

在各类快速路瓶颈中,匝道合流区瓶颈在典型性和数量比例方面占有重要地位，匝道合流区瓶颈内存在大量的强制换道行为,是诱发瓶颈的重要原因，换道动机的不同也是立交与普通路段的不同之处。

Gipps提出了首个换道行为模型框架，该框架着眼于多车道城市路网，但其基本原理也可应用于构建快速路模型框架。Hidas等针对Gipps模型进行优化，提出了自由换道、协同换道、强制换道三类不同的换道行为，后两种换道，为了提供充足的换道空间，目标车道后车需要主动或被迫降低车速。

对于自由换道行为，驾驶员在车辆行驶过程中始终追求更自由的驾驶环境(更快的速度、更大的车辆间距)，存在着向左换道、不换道、向右换道的心理博弈，当换道后的驾驶环境相比于当前驾驶环境更加优越时，驾驶员产生换道动机。

对于自由换道行为，考虑到模型的准确度与复杂度，采用车辆加速度描述换道环境的优劣。借助IDM模型分别计算不换道ac与向左换道al、向右换道ar的加速度大小，当加速度差值达到一定值(记为阈值at)，则认为车辆有足够的动机向该车道换道，即

(3)

对于强制换道行为，为了与自由换道行为统一，可以将匝道终点处看作存在静止障碍物，匝道车辆受到前方障碍物的影响会产生换道需求。如果主路和匝道行车条件相近或主路行车条件更好，主路车辆一般保持在主路车道行驶，匝道车辆尝试汇入主路车道;如果主路行车条件明显差于匝道，可能有靠近匝道的主路车辆换道进入匝道，快速行驶一段距离后再汇入主路，这一情况与实地观测情况相符。

3.3 仿真流程

仿真流程分为四个阶段，资料准备数据采集、模型建立、参数标定及仿真评价。

3.4 评价指标选取

仿真根据所使用的路网对象得出大量数据，例如包含关于车辆、路段、节点、状态、绿灯时间分布、公交的等待时间或面域等信息。

科学地选择评价指标可精准分析交通拥堵的原因，进而有效指导交通拥堵疏解，本次研究选取的评价指标有平均延误、平均停车次数、平均速度以及平均停车延误。

4 实例分析

4.1 项目概况

竹叶山立交是武汉市二环线汉口段一重要节点，也是后湖片区上下二环线的必经转换点。该立交是一个多层互通立交，涉及多个互通出入口，由于各交织道路规划和建设周期不在同一时期，使得该互通立交建设过程中存在一定的现实条件约束，导致互通不同出入口间车流干扰大，同时，由于该互通承载的两条主要快速路，现状立交无法容纳两大快速路的叠加交通量，导致该节点拥堵常发。

4.2 改善措施

(1)空间转移

针对交织严重路段，重新划分交织段车道，采用实线段控制，减少车辆换道冲突，提升运行车速，提升通行能力。

(2)时间转移

优化发展大道(竹叶山转盘至唐家墩路)8处信号配时，并精细化设计路口相位，提高不同路口的协调性。

工作日早高峰7∶30～8∶30，启用匝道控制，控制匝道主要为以下三处：发展大道二七路(东向西)的上高架匝道；发展大道三眼桥(西向东)的上高架匝道；金桥大道兴业路(北向南)的上高架匝道。

(3)综合保障

通过匝道管控保证主线交通畅通，地面层交通信号控制给与主线流量方向一定的优先权。

缩窄发展大道黄孝河路口车道，增加车道数量；合理设置道路标线，防止路口溢出车辆排队；金桥大道(和谐大道至竹叶山立交)、发展大道(竹叶山立交至唐家墩)路段，允许社会车辆在早晚高峰时段借用地面层公交专用道通行。

八古墩东一巷取消路边停车泊位，由单向通行恢复至双向通行，增加绕行选路选择。

4.3 仿真结果

本文选取延误时间、停车次数、停车延误、平均速度四个指标来评价改善前后的路网运行效率。其中路网流量输入现状调查流量，评价的指标通过仿真检测器获得，检测范围包括：研究立交几何型心为中心，800 m范围内所有路段。

表1 仿真结果

改善措施实施后，该立交平均延误时间减少51.6%，平均停车次数减少59.3%，平均速度提升29.8%，平均停车延误时间减少53.7%。可见，路网改善后整体运行效率提升。

5 结 论

城市快速路立交拥堵问题是限制城市道路运行的整体效率重要节点，本文从宏观、中观、微观三个方面分析了城市快速立交拥堵的主要成因，从空间转移、时间转移、综合保障三个方面提出交通微治理措施，同时对快速路驾驶行为模型及评价指标选取进行了研究。利用仿真模型针对武汉市竹叶山立交进行实例仿真分析，结果显示改善措施有效，路网改善后整体运行效率提升。可为类似立交提供治理参考。