城市互通式立体交叉设计及优化研究——以厦门市为例

张 瑞

(中交公路规划设计院有限公司市政部, 北京 100010)

在当代城市化进程中,交通拥堵和交叉路口安全问题是普遍存在的挑战,为了提升交通流动性、减少交通事故并改善居民生活质量,高效的城市快速路运行至关重要[1]。以前,我国采用平面交叉口来解决交通拥堵问题,但这种设计缺乏对交通量的预测功能,导致在交通量激增时无法提高路网运输效率[2]。城市互通式立体交叉作为一种重要的交通基础设施,成为缓解交通拥堵和提高道路通行能力的关键手段,它能够有效缓解交通拥堵的问题[3],能够有效减少交通冲突、提高车辆通行能力,并实现不同交通流的顺畅流动[4]。

然而,在城市互通式立体交叉设计方面,仍然存在一些挑战和待解决的问题。首先,城市互通式立体交叉的设计需要考虑到多种因素,包括道路流量、行车速度、车辆转弯半径等[5]。这些因素之间相互关联,因此需要进行综合优化设计,以达到最佳的交通效果和空间利用效率。其次,随着城市规模的不断扩大和交通需求的增加,立体交叉的设计也需要适应不同的城市环境和交通特点[6]。不同城市具有不同的道路网络结构、人口密度和交通流组成,因此需要有针对性地设计和优化城市互通式立体交叉,以满足特定城市的需求。

为了解决这些问题,本文旨在进行城市互通式立体交叉设计及优化研究。具体而言,以厦门市滨海东大道为研究对象,探索城市互通式立体交叉的设计优化方案,并分析交通组织、交通量影响因素。最后构建基于长短期记忆网络(long short-term memory, LSTM)的互通立交交通流预测模型,对未来年交通流量进行准确预测。本文研究成果可为城市规划者、交通管理者和交通工程师提供参考,从而制定更科学、合理的城市互通式立体交叉设计方案。

1 立交设计方案

1.1 数据采集

本文选取案例为厦门市第二东通道——滨海东大道,它是厦门市城市道路交通网络布局中本岛与大陆腹地跨海通道的重要组成部分,也是厦门市进出岛交通网络规划中重要的跨海通道之一。通过研究设计互通式立体交叉,将有助于辐射、带动和服务岛外翔安、海沧地区发展,进一步缩小岛内外差距,促进区域经济一体化,推动厦门市社会经济的全面可持续协调发展。

选取滨海东大道平交路口为立体交叉改造研究对象。滨海东大道已于2017年12月底通车,作为厦门市“两环八射”路网建设中“内环”的重要组成部分,滨海东大道北起同安大桥,南至大嶝大桥,全长17.4 km,路宽60 m,双向十车道,滨海东大道属于城市快速路,通车后全线速度为80 km/h。此外,滨海东大道是环东海域东岸翔安一侧规划建设的滨海大通道,几乎涵盖了翔安的所有海岸线,与滨海西大道形成一条可与岛内环岛路媲美的岛外海岸旅游观光大道。

1.2 现状交通量分析

交通量是城市道路设计的重要指标,采用人工调查法和录像法相结合的手段,对与滨海东大道连接的四个方向道路进行交通量调查,收集24 h内的交通量数据,并进行室内数据分析。调查结果如表1所示。

表1 现状交通流调查结果

根据对该互通式立交连接的四条城市道路交通量的调查结果显示,滨海东大道南的交通量最大,且非机动车和行人的数量较多。该路段的通行方式属于典型的非机通行。由于滨海东大道南方向车辆和行人众多,如果不采取分类分层通行措施,将导致交通压力巨大、通行质量下降,并容易引发交通事故。调查数据显示,滨海东大道南的日交通量约为5万～6万辆,超过设计交通量的28%～36%。平均行车速度为55 km/h,相比设计速度下降了30.7%。此外,该路段的交通形式复杂,交通事故频发。因此,在该地建设互通式立交道路有助于缓解现有交通路网的交通压力,并减少交通事故的发生。

1.3 互通立交方案概况

根据前两节分析的滨海东大道路网布局和现状交通流量需求,本在滨海东大道节点处布设对称双环变异苜蓿叶形互通,用以分流滨海东大道的交通量,减少交通压力。滨海东大道互通立交规划平面如图1所示。

图1 滨海东大道互通平面

对于主路系统,考虑东向南左转E匝道采用环圈匝道,北向东左转F匝道采用环圈匝道,为减少出入口的设置对主线造成的干扰,考虑将这两个环圈匝道与右转匝道合并接入主线,由于E、F匝道长度均大于500 m,因此采用设置单车道出入口的双车道匝道;西北方向和西南方向单向高峰小时交通量较大,这两个方向为连接跨海桥和本岛段的主要方向,交通需求大,因此考虑西向北左转G匝道和南向西左转H匝道采用半直连式匝道,G、H匝道长度均大于350 m,因此采用双车道匝道。四个方向的右转匝道根据交通量需求确定车道数,均采用直连式。

由于滨海东大道西侧在短距离内有A、E、F、B匝道连续流入或流出,为减少对滨海东大道主线的交通干扰,沿滨海东大道西侧利用现状辅道拼宽改造成双车道集散车道JS匝道。为解决近期刘五店村等附近村庄,远期互通周边地块(如“两场一馆”)与本岛的连接,设置I、J匝道,J匝道采用单车道标准,与F2辅道平交,下穿G匝道、F匝道、主线、E匝道后接入H匝道;I匝道采用单车道标准,从G匝道分流,上跨滨海东大道、H匝道、C匝道后,接入F2辅道。JS、H匝道与滨海东大道分合流连接部结合交通量和滨海东大道远期改造情况合理设置。

对于辅路系统,滨海东大道辅道均改移至匝道外侧,主线地面层辅道基本沿主线桥和匝道外侧布设。至于滨海东大道至肖厝南路间的现状翔安南路,考虑利用现状的翔安南路线位进行拓宽并增设人行道,减少对周边村民出行习惯的影响。同时滨海东大道作为城市快速路,设计速度80 km/h,近期与翔安南路设置平交口进行交通转换,对通行效率和交通安全不利。

1.4 交通组织优化

立交总体方案确定后,要对立交的交通组织、主线及匝道线形、出入口设计不断优化。立交交通组织包括主线交通组织、辅路交通组织、人非系统交通组织。

改造后的主路交通组织优化如图2所示,具体改造结果如下。

图2 主路互通交通组织

(1)本岛→滨海东大道(翔安新机场):出主线收费站进入G匝道,匝道分流进入B匝道,B匝道进入集散车道,集散车道与滨海东大道合流进入滨海东大道主路。

滨海东大道(翔安新机场)→本岛:滨海东大道主路进入H匝道,由H匝道汇入主线桥,进入本岛。

(2)本岛→滨海东大道(同安方向):出主线收费站进入G匝道,由G匝道进入滨海东大道主路。

滨海东大道(同安方向)→本岛:滨海东大道主路进入集散车道,由集散车道分流进入A匝道,之后与H匝道合流,进入主线桥。

(3)本岛→互通周边片区(肖厝南路以西片区):出主线收费站进入G匝道,匝道分流进入I匝道,由I匝道汇入地面辅道系统。

互通周边片区(肖厝南路以西片区):由地面辅道系统进入J匝道,与H匝道合流后,进入主线桥。

(4)翔安大道→滨海东大道(同安方向):主线桥进入D匝道,D匝道与G匝道合流,进入滨海东大道。

滨海东大道(同安方向)→翔安大道:滨海东大道主路进入集散车道,由集散车道分流进入F匝道,进入主线桥。

(5)翔安大道→滨海东大道(翔安新机场方向):主线桥进入E匝道,进入集散车道,由集散车道进入滨海东大道主路。

滨海东大道(翔安新机场方向)→翔安大道:滨海东大道主路进入H匝道,匝道分流进入C匝道,与F匝道合流,进入主线桥。

现状交通组织情况翔安南路与滨海东大道灯控平交,东西向的连接通过此平交口,但滨海东大道为快速路,此交叉口为临时方案,尤其是滨海东大道枢纽互通的设置,为保证行车安全和通行效率,需关闭取消此交叉口,改由F5设置刘五店下穿通道下穿滨海东大道实现东西方向的连接。

改造后的辅道交通组织优化如图3所示,具体改造结果如下。

图3 辅道交通组织

(1)翔安大道→浦南村、刘五店村、桂园村:由地面层肖厝南路平交口进入F5辅道,在浦南村附近右转进入浦南村村道;沿F5辅道进入刘五店下穿通道,到达滨海东大道西侧辅道,进入通过F1辅道,向北进入刘五店村,向南进入桂园村。

桂园村、刘五店村→翔安大道:通过F1辅道进入刘五店下穿通道,沿F5向东,在肖厝南路平交口西侧的出入口位置,汇入F2辅道,进入肖厝南路平交口,向东至翔安大道。

浦南村→翔安大道:沿浦南村村道右转进入F5,向西在刘五店下穿通道上方的掉头区调头,进入F4辅道或F5辅道,如沿F4辅道,向南左转至F2辅道;如沿F5辅道,向东至肖厝南路平交口西侧的出入口进入F2辅道。

(2)F1辅道(刘五店村、桂园村)→浦南村:通过F1和F5平交口进入刘五店下穿通道,沿通道向东,在地面层调头进入F5北半幅,右转进入浦南村。

浦南村→F1辅道(刘五店村、桂园村):沿浦南村村道右转进入F5,向西在刘五店下穿通道上方的掉头区调头,至F5辅道南半幅,沿辅道向东在地面层调头进入刘五店下穿通道至F1辅道。

(3)F2辅道→浦南村:沿F2辅道左转进入F4,至F5地面层后右转,调头进入F5北半幅地面层,之后右转进入浦南村村道。

(4)F2辅道→F1辅道(刘五店村、桂园村):沿F2辅道左转进入F4,至F5地面层后右转,调头进入F5北半幅地下层,之后通过刘五店下穿通道至F1辅道。

慢行系统(人行及非机动车)交通流向:地面层所有辅道均设置有人行及非机动车道,东西向连接通过F5刘五店下穿通道和滨海东大道K7+630处现状人行过街通道。

2 城市立交交通量组成及影响因素分析

城市立交交通量由多个因素组成,包括机动车辆、非机动车辆和行人,受到多种因素的影响。

2.1 城市立交的交通量组成分析

城市立交是现代城市交通系统中重要的交通基础设施之一,其设计和优化需要充分考虑交通量的组成,以满足不同交通参与者的需求和提供高效、安全的交通环境。城市立交的交通量组成通常包括以下几个主要部分[7-9]。

(1)机动车流量。机动车流量是城市立交交通量的主要组成部分。机动车包括各种类型的车辆,如乘用车、货车、摩托车等。机动车流量的数量和类型对于立交的设计和优化至关重要。不同类型的车辆对道路容量和通行能力有不同的要求。乘用车通常是城市道路上最常见的机动车辆,货车则承担着物流和货运的重要任务。在城市立交的设计过程中,需要考虑机动车流量的高峰时段、通行速度、车道需求等因素,以确保立交能够顺畅容纳机动车流量。

(2)行人流量。行人流量是城市立交交通量的另一个重要组成部分。立交不仅要满足机动车辆的通行需求,还需要提供良好的行人通行条件和安全性。行人流量通常集中在人口密集的区域、商业区、学校附近等地方。行人对立交的设计有着特殊的需求,包括行人过街设施、行人天桥、人行通道等。在立交的设计中,需要合理规划行人通行空间,确保行人安全、便捷地穿越立交。

(3)自行车流量。随着人们对可持续出行方式的重视,自行车在城市交通中的角色越来越重要。因此,城市立交的交通量组成中还包括自行车流量。自行车流量的特点包括相对较低的速度、灵活性和对自行车道的需求。在城市立交的设计中,需要考虑自行车道的设置,以提供安全、便捷的自行车通行条件,并促进自行车的使用。

(4)公共交通流量。公共交通流量是城市立交交通量组成中的重要部分,包括公交车、轻轨、地铁等公共交通工具的流量。公共交通在城市交通中起到重要的角色,能够减少私家车使用量、缓解交通拥堵和减少环境污染。在城市立交的设计中,需要充分考虑公共交通的通行需求和便捷性,如设置公交专用道、优化公交站点位置等,以鼓励更多人使用公共交通。

综上所述,城市立交的交通量组成涵盖了机动车流量、行人流量、自行车流量和公共交通流量。在城市立交的设计和优化过程中,需综合考虑各种交通流量的需求和特点,以确保立交能提供高效、安全的交通环境,满足不同交通参与者的出行需求。

2.2 城市立交的交通量影响因素分析

为了进行城市互通式立体交叉的设计和优化,首先需要深入分析交通量的主要影响因素。理解这些因素对于有效地预测和管理城市交通流量至关重要。以下是一些常见的交通量影响因素[10-12]。

(1)人口和经济发展水平。人口数量和经济状况是决定城市交通量的重要因素。随着人口增长和经济发展,交通需求也会相应增加。人口密度高的地区通常会产生更多的交通流量,而经济繁荣的地区可能会有更多的商业和货运交通。

(2)城市规模和土地利用。城市规模和土地利用方式对交通量有着显著影响。城市扩张和土地开发可能导致新的道路需求和交通流量增加。不同的土地利用类型,如商业区、住宅区和工业区,也会对交通流量产生不同程度的影响。

(3)交通设施和道路网络。交通设施的质量和道路网络的布局对交通量起着重要作用。良好的交通设施,如高速公路、快速道路和公共交通系统,可以吸引更多的交通流量。同时,道路的通行能力、拓宽程度和布局设计也会影响交通量的分布和流动性。

(4)交通管理和交通政策。交通管理措施和交通政策对交通流量有着直接的影响。例如,限制车辆通行的政策、交通信号灯的优化、公共交通优先政策等,都可以对交通量产生调控作用。合理的交通管理和政策措施能够平衡交通需求和道路容量,提高交通效率。

(5)时间因素和出行行为。时间因素和出行行为也是影响交通量的重要因素。高峰时段和特定节假日通常会引起交通拥堵,因为人们的出行集中在特定时间段。此外,人们的出行模式、交通选择和出行目的也会影响交通流量的分布和特征。

综上所述,交通量受到多个因素的综合影响。了解这些主要影响因素有助于更好地理解交通流量的变化趋势和空间分布,从而为城市互通式立体交叉的设计和优化提供依据。

2.3 其他因素对城市立交的影响

城市立交是城市交通系统中的重要组成部分,由主线道、匝道和辅路等组成[13]。不同部分的交通量以及行人和非机动车的干扰和影响对于立交的设计和优化具有重要意义[14]。接下来分析城市立交主线交通量、匝道交通量、辅路交通量以及行人和非机动车对交通的干扰和影响[15-16]。

(1)主线交通量。主线道是城市立交中承担机动车流量的主要通道,其交通量对立交的通行能力和效率具有重要影响。主线交通量的高低取决于交通需求、道路容量和通行能力等因素。高峰时段和拥堵情况下,主线交通量可能会达到极高水平,导致交通堵塞和延误。在立交的设计中,需要通过合理规划车道数目、信号灯优化和交通管理措施等手段,以提高主线道的通行能力和缓解交通压力。

(2)匝道交通量。匝道是连接主线道和辅路的通道,承担着车辆的进出交通流量。匝道交通量的变化和平衡对于立交的安全和效率至关重要。匝道交通量过高可能导致匝道拥堵和影响主线交通的流畅性。因此,在立交的设计中,需要合理规划匝道数量和长度,确保匝道的通行能力能够满足交通需求,并通过合理的交通信号控制和匝道设计,优化匝道交通流动性。

(3)辅路交通量。辅路是城市立交中连接主线道和周边道路的侧边通道,主要为行人和非机动车提供通行空间。辅路交通量的合理管理和规划对于立交的交通安全和效率具有重要影响。辅路交通量包括行人流量和非机动车流量,如自行车、摩托车等。高密度的行人和非机动车流量可能导致辅路的拥堵和交通冲突。在立交的设计中,需要充分考虑辅路的通行需求,规划合适的行人通行设施、自行车道和停车区域,以提供安全、便捷的行人和非机动车通行条件。

(4)行人及非机动车对交通的干扰和影响。行人和非机动车在城市立交中对交通的干扰和影响不能忽视。行人和非机动车的行为特点、速度较慢以及对交通信号的敏感性可能导致交通延误和安全隐患。同时,行人和非机动车的通行需求也需要被充分考虑和满足。在立交的设计中,应该合理规划行人过街设施、行人天桥、人行通道等,以及为非机动车提供安全的通行空间和设施,以减少对交通的干扰并提高交通的流畅性和安全性。

综上所述,城市立交主线交通量、匝道交通量、辅路交通量以及行人和非机动车对交通的干扰和影响在立交的设计和优化中起着重要作用。通过合理规划交通流量、交通信号控制和通行设施,可以最大限度地提高立交的通行能力、缓解交通压力、提高交通安全性,并为行人和非机动车提供良好的通行条件。

3 基于LSTM方法的交通量预测

3.1 基于LSTM方法的交通量预测模型构建

交通流量预测是立交设计的理论基础,可通过定性与定量方法相结合来进行[17]。定性方法考虑城市总体规划中道路的规划等级,并分析论证相交道路在城市规划路网中的交通功能和转向交通中的主要交通流和次要交通流,为匝道布线提供理论支持。定量方法则是通过对现状交通的分析,并结合城市自然山水和土地利用布局调查、经济调查、起始点调查(origin-destionation,OD)调查等一系列调查分析,来进行交通量预测[18]。通过这些方法,可以得出未来年高峰小时机动车流量的预测值。

采用深度学习方法,基于现有交通量情况来预测未来年的交通量。深度学习是机器学习技术中的一种方法,而长短期记忆(LSTM)是一种递归神经网络(recurrent neural network, RNN)的架构,在深度学习领域中被广泛使用[19]。LSTM专门设计用于捕捉速度或流量估计和预测中的长期时间依赖性。由于LSTM在时间序列预测等任务中的成功应用,选择LSTM作为深度学习算法。典型的LSTM模型由输入门、输出门、遗忘门和细胞状态组成,这些门控制信息的流动和记忆的保存[20]。图4为LSTM的结构。

图4 LSTM结构

LSTM模型中的第一步是遗忘门ft。它使用sigmoid函数δ来去除不必要的信息。

ft=δ(Wffht-1+Wxfxt-1+bf)

(1)

第二步是输入门it和外部输入门gt。它更新并决定新信息。

it=δ(Wgght-1+Wxgxt-1+bg)

(2)

gt=tanh(Wgght-1+Wxgxt-1+bg)

(3)

第三步主要是更新旧的小区状态st。

st=ftft+itgt

(4)

最后一步是输出门ot。

ot=δ(Wooht-1+Wxoxt-1+bo)

(5)

(6)

δ表示标准的sigmoid函数。

(7)

式(1)～式(7)中:Wff、Wxf、Wgg、Wxg、Woo、Wxo为权重;bf、bg、bo为偏差;ht、xt为变量。

在建立LSTM模型之前,应确定模型中的参数。模型自动调整的参数可以通过模型训练中的训练和学习获得,无须人工干预。超参数需要手动设置,包括输入层数、网络中隐藏层的数量、隐藏层中节点的数量、输出层数、激活函数、损失函数、优化函数、步长、迭代次数等。本文建立的LSTM模型的网络结构包括一个输入层、三个隐藏层,以及一个输出层。在本研究中,使用相同的数据分别测试了具有隐藏层1、隐藏层2和隐藏层3的LSTM模型,并通过比较测试结果选择了误差最小的模型。

3.2 评价标准

本文选取的模型评价标准包括平均绝对误差(MAE)、平均平方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)。定义如下。

(8)

(9)

(10)

式中: meai为第i个测量的交通量;esti为第i个估计的交通量;N为总计数。

3.3 交通量预测结果

3.3.1 不同隐含层的LSTM模型对比

基于滨海东大道互通立交现状观测交通流量,对LSTM模型进行训练,得到未来预测年(2030年)交通量预测结果如图5所示。分别测试了具有隐藏层1、隐藏层2和隐藏层3的LSTM模型,评估指标对比结果如表2所示,通过模型评估指标对比发现,隐含层为三层的模型具有更低的误差,说明三层模型预测精度更高,因此,在后文的流量预测中,构建隐含层为3层的LSTM模型。

图5 不同隐含层LSTM模型预测结果对比

表2 比较不同隐含层的LSTM模型的评估指标

3.3.2 基于LSTM方法与基准模型对比

为了验证本文提出的基于LSTM方法的交通量预测方法的有效性,与基准模型进行对比,所选基准模型包括K最近邻算法(K-nearest neighbor,

KNN)、差分自回归移动平均算法(auto regression integreate moving average, ARIMA)、随机森林算法(random forest, RF)。通过不同的指标对四种模型进行评估,结果如表3所示。研究发现,本文提出的具有三层隐含层的LSTM预测模型结果误差最小,相比于KNN、ARIMA、RF的精度分别提高了15.5%、32.2%、46.3%。因此,通过案例说明本文所提交通量预测方法得到的未来年交通量预测结果具有更高的准确度。

表3 不同模型的评估指标对比

3.3.3 不同预测年份交通量对比

基于前文提出的LSTM预测方法,对滨海东大道互通式立交在规划年交通量进行预测,规划年预测结果包括2030年、2040年、2050年。其各个方向的直行、右转、左转高峰小时交通量结果如图6所示,全天24 h交通量预测结果如表4所示。由图6和表4可知,随着时间推移,交通量逐年增加,这一结果有助于更好地对未来年交通量情况进行掌握和评估。

图6 滨海东大道互通在预测年高峰小时交通量预测结果

表4 滨海东大道互通立交交通量预测结果

4 结语

本文以厦门市为例,对城市互通式立体交叉的设计和优化进行深入研究。通过对厦门市立交的调查和分析,针对主线交通量、匝道交通量、辅路交通量以及行人和非机动车对交通的干扰和影响,提出了一种构建对称双环变异苜蓿叶形互通立交的设计和优化方案。此外,还对互通立交的交通组织优化、城市交通流组成及其影响因素进行详细分析。

研究结果显示,本文提出的方案能够有效提高交通效率,缓解交通拥堵。此外,基于LSTM的交通流预测方法相较于KNN、ARIMA和RF方法,表现出较高的精度和较小的误差,这一方法对于准确预测规划年互通立交的交通量具有重要意义,并可为城市交通规划和设计提供有价值的参考。