（交通运输规划与管理专业论文）城市高架道路出口匝道与地面道路衔接段交通组织仿真研究.pdf

摘要 摘要 现阶段，由于我国高架道路出口匝道与地面衔接区域存在诸多问题，交通 高峰期间出口匝道经常出现排队，车辆不能快速离开高架道路，导致高架道路 的功能未得以较好的实现。针对这一问题，很多学者从设计、组织、控制等方 面提出了自己的看法和建议，由于对衔接段进行交通组织有直接针对衔接段存 在的问题、实际可操作性强、改善交通见效快等众多优点，而目前已有的相关 研究缺乏系统全面的考虑、实际应用时没有完善的依据，由此论文对高架道路 出口匝道和地面道路衔接段的组织进行研究。 衔接段影响因素众多，且我国缺乏相关历史数据，而用仿真软件建模来研 究交通运行不仅可以弥补数据缺乏的缺点，还可以针对某一个影响因素进行单 独研究，因此论文利用仿真软件建模的方式对衔接段各影响因素进行研究，为 衔接段的交通组织提供理论依据。 首先，论文研究了衔接区域的交通特性，论述衔接区域存在的主要问题， 分析问题成因，并陈述了目前经常使用的对策，其一为衔接段无交织处理，继 而，针对有交织和无交织衔接形式各自的优缺点研究其适用条件。 接着，论文利用前人论证过能较好反映交织区运行特性的仿真软件 v i s s i m 】来建模进行研究，选择典型的衔接段，采集相关数据，对模型进行参 数标定和有效性检验，验证仿真模型能够较好的反映实际情况。 最后，论文利用建好的仿真模型研究以下问题：一、该仿真模型中出口匝 道的疏散能力：二、该仿真模型中出口匝道与地面道路衔接段区域实施工程措 施的边界条件；三、少许改变模型使模型更具有普遍性，同时，考虑到我国右 转车受机动车和行人干扰严重在交叉口内车速较慢这一现实情况，保留仿真模 型中设置的交叉口内右转车减速带。之后，利用该模型进行运行试验，研究交 通量、交织区长度、右转车、车辆转向比等因素对交织区运行及交织区邻近区 域交通运行的影响。 关键词：高架道路出口匝道与地面道路衔接段、疏散能力、工程措施边界条件、 右转车、转向比、交织段长度、服务水平 a b s t r a c t a b s t r a c t a tt h i ss t a g e ，d u et ot h ej o i n to fa t g r a d er o a da n d o u t - r a m po fc i t ye l e v a t e dr o a d i nc h i n ah a v em a n yp r o b l e m s ，d u r i n gt r a f f i ch o u r sq u e u i n gi se x i s ta to u t r a m p ， v e h i c l e sc a nn o tl c a v ee l e v a t e dr o a dr a p i d l y e l e v a t e dr o a d sf u n c t i o nw i l ln o tb e r e a l i z e dc o m p l e t e l y t os o l v et h i sp r o b l e m ，m a n ya c a d e m i c sp r o p o s e dt h e i rv i e w s a n d s u g g e s t i o n s f r o m d e s i g n , o r g a n i z a t i o n , c o n t r o le t c ，b e c a u s et h et r a f f i c o r g a n i z a t i o n st ot h ej o i n tp a r th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sa c c o r d i n gt oj o i n tp a r t s p r o b l e m sd i r e c t l y , b e t t e rm a n e u v e r a b i l i t y , a n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft r a f f i c q u i c k l y t h ec u r r e n tr e s e a r c h e sl a c ko fs y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n , t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nl a c ko ft h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n t h i sp a p e ri sa b o u t r e s e a r c ho nt h et r a f f i c o r g a n i z a t i o no fj o i n to fa t g r a d er o a da n do u t r a m p so f e l e v a t e dr o a d j o i n to fa t - g r a d er o a dh a sm a n yi n f l u e n c ef a c t o r s ，a n dw el a c ko fr e l e v a n t h i s t o r i c a ld a t ai nc h i n a a n db u i l d i n gt h em o d e li ns i m u l a t i o ns o f t w a r et os t u d yt h e t r a f f i co p e r a t i o nn o to n l yc a nm a k eu pf o rt h es h o r t c o m i n g so ft h el a c ko f d a t a , b u t a l s oc a ns t u d yo no l l ei n f l u e n c ef a c t o rs e p a r a t e l y s oi nt h i sp a p e rw eu s es i m u l a t i o n s o f t w a r et ob u i l dt h em o d e lt os t u d yo ni n f l u e n c ef a c t o r so f j o i n to fa t g r a d er o a d ， a n dt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i st ot r a f f i co r g a n i z a t i o n so f j o i n to fa t g r a d er o a d f i r s t l y , i nt h ep a p e rw er e s e a r c ho nt r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so f j o i n to f a t - g r a d er o a d ， d i s c u s st h em a i np r o b l e m se x i s t e di nt h ej o i n to fa t - g r a d er o a d ，a n a l y z et h ec a u s e s ， a n ds t a t et h ec u r r e n tc o u n t e r m e a s u r e su s u a l l yt ob eu s e d ，o n eo fw h i c hi st h e n o n - i n t e r w e a v i n gt r e a t m e n tt ot h ej o i n to fa t g r a d er o a d ，a n dt h e n , f o rt 1 1 er e s p e c t i v e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fi n t e r w e a v i n ga n dn o n i n t e r w e a v i n gj o i n tf o r m s ，w e r e s e a r c hi t sa p p l i c a b l ec o n d i t i o n t h e n ，w eu s es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fv i s s i mw h i c hh a sb e e np r o v e dc a nr e f l e c t t h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r w e a v i n gr e g i o nv e r yw e l l ，t ob u i l dm o d e lf o r s t u d y w ec h o o s et y p i c a lj o i n to fa t g r a d er o a d ，c o l l e c tr e l e v a n td a t a , c o m p l e t et h e m o d e l sp a r a m e t e rc a l i b r a t i o na n de f f e c t i v e n e s st e s t i n g , v e r i f ys i m u l a t i o nm o d e lc a n i i a b s t r a c t r e f l e c tp r a c t i c a ls i t u a t i o nv e r yw e l l f i n a l l y , i nt h ep a p e rw eu s et h es i m u l a t i o nm o d e lt os t u d yt h ef o l l o w i n gi s s u e s ： f i r s t ，t h ee v a c u a t i o na b i l i t yo fo u t r a m pi nt h es i m u l a t i o nm o d e l ；s e c o n d ，b o u n d a r y c o n d i t i o no fe n g i n e e r i n gm e a s u r e so f j o i n to f a t g r a d er o a da n do u t r a m po fe l e v a t e d r o a di nt h es i m u l a t i o nm o d e l ；t h i r d ，al i t t l ec h a n g ei nt h em o d e lt om a k e t h em o d e l m o r eu n i v e r s a l ，a tt h es a m et i m e , t a k i n gi n t oa c c o u n tc a r st ot u m r i g h ta r ei n f l u e n c e d s e r i o u s l yb ym o t o rv e h i c l e sa n dp e d e s t r i a n si nc h i n a , w er e s e r v et u r nr i 出 d e c e l e r a t i n gb a n di nt h ei n t e r s e c t i o no ft h es i m u l a t i o nm o d e l t h e nu s et h em o d e lf o r o p e r a t i o nt e s t so na f f e c t i o nt ot r a f f i c o p e r a t i o no fi n t e r w e a v i n gr e g i o na n d n e i g h b o r i n gr e g i o nb yt h ev o l u m eo ft r a f f i c ，l e n g t ho fw e a v i n gs e c t i o n ，r i g h tt u r n i n g v e h i c l e , v e h i c l e ss t e e r i n gr a t i oe r e k e yw o r d s ：j o i n to fa t - g r a d er o a da n do u t r a m po fc i t ye l e v a t e dr o a d ，e v a c u a t i o n a b i l i t y , b o u n d a r yc o n d i t i o no fe n g i n e e r i n gm e a s u r e s ，r i g h tt u m i n gv e h i c l e ，s t e e r i n g r a t i o ，l e n g t ho fw e a v i n gs e c t i o n ，s e r v i c el e v e l s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：葡，挈及雷 u 8 年够月哆日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文城市高架道路出口匝道与 地面道路衔接段交通组织仿真研究，是本人在导师指导下，进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表 的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律 责任由本人承担。 学位论文作者签名：雨敬专 沙汽年q 月) 多日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 近期，随着我国经济发展和人们生活水平的提高，机动车数量急剧增加， 我国交通供需矛盾日渐尖锐，早晚交通高峰期间道路拥挤现象严重，其中出口 匝道的拥堵排队现象尤为严重，这也是造成整个高架道路使用效率低下的一个 重要原因。当初在设计施工时，出于便于集散的考虑，出口匝道多为接近地面 交叉口进口道布置，因此高架道路与地面道路衔接处交通流运行非常复杂，加 之有些快速路出口匝道与地面道路的衔接不尽合理，进、出口匝道的车辆与地 面交通流频繁交织，从而产生交通瓶颈，造成出口匝道拥堵排队。由此，为了 避免出口匝道的拥挤，提高高架道路的使用效率，快速路出口匝道与地面道路 的衔接，特别是与前方道路交叉口的衔接就尤为关键。 现行解决措施主要分为交通控制和交通组织两个方面。交通控制手段是着 眼于高架路本身的从宏观角度采取的措施，对于衔接路段微观考虑不足，且从 我国目前的国情来看，大规模的实施交通管控技术处理快速路与常规道路的衔 接问题还存在一定难度。因此多采用衔接段交通组织的方法。目前，上海市针 对各出口匝道衔接段交通流特性采用了很多不同的组织方法，改善效果较为及 时显著。但是，对于不同的衔接段和交通流特性，选择何种组织方法，选择时 应该考虑哪些因素，这些因素影响的程度又是如何? 由于影响出口匝道车流运 行的因素众多，而且缺乏相关的历史数据，因此这方面的研究还比较欠缺，进 行交通组织时缺乏全面系统的科学依据。 另外，目前上海市交通拥挤现象已非常严重，部分出口匝道出现的拥挤问 题，通过前方信号交叉口信号配时的优化，或是道路组织、管理等措施，可以 减轻甚至消除拥挤，但是对于有些交叉口，仅仅靠改变交通管控措施已经很难 缓解拥挤，必需依靠工程措施的实施。因此有必要对出口匝道衔接段实施工程 措施的条件进行研究。这要求我们能够比较准确的获知出口匝道的疏散能力( 本 文将疏散能力定义为能离开高架道路并通过交叉口疏散的通行能力，它决定了 高架道路车辆疏散的快慢及最大的疏散交通量) ，同时，上海市目前正在考虑 第1 章绪论 进行出口匝道控制，这同样需要以出口匝道的疏散能力为依据。但是由于出口 匝道的疏散能力受( 1 ) 出口匝道与主线交织区通行能力、( 2 ) 出口匝道通行 能力、( 3 ) 出口匝道与地面衔接段交织区通行能力、( 4 ) 前方交叉口通行能 力四个方面的影响，因此，很难计算出不同出口匝道的疏散能力，即使对于同 一个出口匝道，由于交叉口的地面上游流量是变化的，因此出口匝道的疏散能 力也是变化的，要一一准确计算各形式出口匝道的疏散能力比较困难。 随着模拟仿真软件的发展，用仿真的方法来研究交通问题已经比较成熟， 并且具有很多优点，例如：通过改变参数输入的方法可以弥补历史数据缺乏的 缺陷，通过改变某一个影响因素固定其余影响因素的方法可以研究这个因素单 独的影响情况，通过调节输入并评价模拟运行结果可以代替一些复杂的计算等 等。由此，论文利用仿真模拟软件可以对高架道路出口匝道的衔接组织进行较 全面深入的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 、国外快速路出口匝道与地面道路衔接段交通组织方面的研究 欧美上世纪3 0 年代开始修建快速路，6 0 年代许多发达国家包括美国、日本、 法国、俄罗斯等的大城市都已建成较为完善的城市快速路系统。但是，在此期 间并没有将快速路与常规路网的衔接问题单独罗列出来进行系统的研究，只是 将其作为快速路规划过程中的一个小细节进行考虑，大多数的研究只是集中在 快速路的立交以及匝道的定位、设计上。而在经历了从3 0 年代到6 0 年代大规 模的快速路修建过程之后，当前很少有大规模的城市快速路建设，目前由于快 速路上交通量的急剧增长以及智能运输系统飞速的发展，因而研究的重点己转 向快速路的智能交通控制方面【3 3 1 。 美国交通界对大城市快速路匝道设置及组织方面问题的研究体现在a c c e s s m a n a g e m e n t 技术中。美国官方对a c c e s sm a n a g e m e n t 的定义是“为了向开发地 块提供通道，并且保证地块周边交通环境的交通安全、通行能力和行车速度而 采取的一系列交通措施1 4 引 这些措施包括对辅助通道、分隔带开1 ：3 和立交的位 置、间距、设计和管理进行的系统性控制措施，a m 技术研究的根本对象为各级 2 第1 章绪论 道路的出入口a c c e s sm a n a g e m e n t 措施中出入口间距、联合通道等关键技术的 研究，对快速路匝道的布局及交通组织有很大帮助 欧洲与日本等国家目前对大城市快速路匝道的布局及交通组织缺乏像美国 这样系统有序的考虑，它们是从交通安全便捷角度出发，对匝道进行交通规划 与设计。它们在大城市快速路匝道的设置上采取各自的方法，还未形成系统性 的理谢4 9 1 。 2 、国外关于仿真模拟软件应用于快速路交织区的研究 由于高架道路出口匝道与地面道路为传统的衔接方式时各股车流之间存在 交织，而衔接段存在交通问题的主要原因也是因为各股车流存在交织，因此， 对衔接段的交通特性的研究可以归结为对交织区的车流特性的研究。而随着计 算机科学技术的发展，越来越多的学者将对交织区研究的思想和目光转向计算 机模拟技术，用以解决由于道路交通发展变化所带来的交织区运行的复杂性， 快速路和高速公路仿真模型可分为两大类，其中微观模型包括 i n t r a s ，f r e s i m ，c a r s i m ，w e a v s i m ，f r e e s i m ，宏观模型包括f r e q ， f r e f l o ，k r o n o s ，c o r q 其中i n t r a s w e a v s i m f r e s i m 和k r o n o s 模型 是研究高速公路和快速路中交织区的典型代表【5 0 】【5 1 】。 i n t r a s ( i n t e g r a t e dt r a f f i cs i m u l a t i o n ) t 5 2 】一该模型是美国最为成功的微观 交通仿真模型。它以网络理论为基础，是统计的微观仿真模型。起先主要应用 于城市快速路事件研究及交通控制。它对特定车辆，以时间步长进行模拟，完 整再现交通及其控制。本模型自1 9 7 5 年由四个组织共同开发，主要部分由f h w a 负责。1 9 7 7 年，f h w a 提交了模型的终期报告。至8 0 年代初该模型己成为能对 城市道路和城市快速路进行微观仿真和宏观分析的综合交通仿真系统。当今流 行的综合微观交通仿真软件t s i s 中采用的就是i n t r a s 的改进模型。 f r e s i m e 5 3 l 该模型是按结构化设计技术对i n t r a s 模型的改进，已经集 成在t r a f 家族中。它可以仿真复杂的城市快速路几何构型，比如车道的增加 减少、辅助车道、变化坡度、曲线的超高和不同的半径。可以表现如换车道、 匝道汇入等交通行为。可以说是一个比较完善的城市快速路微观仿真模型。 c a r s i m 5 4 】，w e a v s i m s s 】- - - c a r s i m 和w e a v e s i m 都是基于i n t r a s 模 型之上的，但强调特殊用途。n t r a s 模型作为通用分析模型有一定的局限性， 比如在跟驰逻辑上，i n t r a s 不能很好的表现高速路上车辆停车再启动的过程， c a r s i m 则提供了这些额外的模拟功能：同样i n t r a s 不能模拟交织区内细致的 3 第1 章绪论 换车道行为，而w e a v s i m 则专门用来研究交织区的动态交通流。 k r o n o s 5 6 】一它用一些简单连续模型表现交通流。k r o n o s 能够模拟受干 扰的交通流，例如，换车道、合流、分流、交织、阻塞等车流，这些现象往往 在其它城市快速路宏观模型中不能表现。最新的版本可以用来评估城市快速路 的设计和运营方案。 1 2 2 国内研究现状 1 、国内快速路出口匝道与地面道路交通组织方面 为解决城市交通拥堵问题，上海于2 0 世纪9 0 年代初大规模兴建高架道路， 在几十年的使用过程中，由于交通压力越来越大，同时由于高架道路当初设计 时考虑不周，暴露出很多问题，如：衔接段长度不足，匝道布局不佳，临近交 叉口交通疏散能力不足，快速路周边关联集散通道不完善等等，经常导致高架 道路出口匝道拥堵和排队，影响高架道路的使用效率。 针对以上问题，很多学者从出口匝道本身的布设、衔接段的组织、前方地 面道路交叉口的组织和信号优化，甚至整个路网的结构、布局，区域交通的分 流，城市快速路与地面道路交通整合控制，辅助系统如监控系统、诱导系统的 完善等方方面面提出了自己的看法和建议。相关的研究主要有：同济大学的周 商吾、陈小鸿城市高架道路与地面道路衔接的研究1 2 7 ；东南大学交通学院 的陈恺、张宁、黄卫出入口管理技术改善立交与地面道路的交通衔接 2 8 】； 张海军、杨晓光、赵建新上海市快速路系统交通衔接对策研究【2 9 1 ，城市 快速路交通衔接组织研究【3 0 】等等。 目前对于高架道路出口匝道与地面道路衔接段改善措施的研究主要集中在 城市快速路与地面道路交通整合控制方面以及衔接段的交通组织方面。交通控 制手段是从宏观角度采取的措施，对于衔接路段微观考虑不足，另外，根据我 国目前的国情，大规模的实施交通管控技术处理快速路与常规道路的衔接问题 还存在一定难度，因此该方面研究的现实意义不大。而另一方面，交通管理者 针对各出口匝道衔接路段及交通流特征，采取了一些交通组织手段，改善效果 较为及时显著，考虑到衔接段组织的方法具有直接针对衔接段的存在问题，实 际可操作性强，改善交通见效快等优点，很多学者对此展开研究，主要有： 高奖，过秀成在城市高架道路匝道平面交叉口衔接空间优化设计【删一 4 第1 章绪论 文中从改变交织类型，增加车道数和交织区长度，改变交织流量比三个方面出 发考虑，归纳、改进并提出几种新的匝道与平面交叉口衔接优化设计的方法。 但是论文只是简单的罗列出各种可能的设计、组织方法，并没有详细的分析、 比较不同衔接段的存在问题和交通特性，因此对于各种方法的适用条件或者选 择依据研究不够深入。 杨晓光，狄珊在城市高架道路出口匝道衔接路段交通组织方法研究【4 l 】 对两种组织方式( i 使两股车流充分交织后通过交叉口；i i 物理分隔这两股车 流) 的交通特性和各自的适用范围进行了研究，认为当交织段满足服务水平为c 的要求时，可以采用第一种组织形式，不满足时，考虑采用第二种衔接形式。 论文对于有、无交织衔接方式的适用条件研究比较深入，但是这个结论比较苛 刻，对于交通普遍存在拥挤的我国一些大城市而言不太符合实际情况。 陈峻，於昊，王炜在城市高架道路下匝道地面联结段交通分析与评价 4 2 】 中论述了联结段与前方交叉口的关系，并建立了不同联结段形式下的回归方程， 分析得联接段对速率影响最大，其次为变换车道的车流量。但论文的研究成果 比较偏向于理论研究，实际应用时可能比较困难，而且论文并没有涉及太多衔 接段组织优化的内容。 研究高架道路出口匝道与地面道路的衔接组织对提高高架道路使用效率特 别是解决出口匝道拥堵导致的高架道路效率低下问题有着重要的意义，虽然已 经引起了一些学者的关注，但是这方面的研究还比较零散，且研究时考虑的影 响因素还不全面，离一个完善的深入的理论系统还有一定的差距，这也正反映 出在我国高速公路系统和绝大多数的城市道路系统中，设施规划设计还较少考 虑衔接段交通流的特殊性，而对于我国正在兴起的城市快速路建设，衔接段的 交通运行特性和交通组织研究更需要科学、系统、深入地进行。 2 、国内关于模拟软件应用于快速路的研究 随着仿真软件的引入和发展，国内一些学者开始用仿真建模来研究交织区 的交通特性。 同济大学陈小鸿和肖海峰利用微观仿真手段对交织区交通特性的影响因素 进行研究，分析了交织构型、交织长度、交织交通量比值和设计车速对a 型交 织区交织运行的影响【j 。 刘丽莎，王亚等在基于v i s s i m 的交通微观仿真一文中，介绍v i s s i m 仿真系统的基本原理和应用于交通功能评价的前景，并以交织区的交通评价为 5 第1 章绪论 例，将利用仿真系统v i s s i m 所得到的数据与h c m 的经验公式计算结果进行对 比，认为v i s s i m 仿真系统对于现实交通现象的模拟是比较准确的，其误差在 一个可以接受的范围内1 3 9 1 。 北京工业大学交通工程实验室的钟连德，荣建等在仿真求解快速路交织区 通行能力一文中，用一个实例详细地介绍了用标定过的仿真软件c o r s i m 模 型求解交织区通行能力的方法、步骤，其中，重点完成了模型f r e e s i m s e t u p 中对 通行能力有重要影响的8 个参数的灵敏度分析，据此标定了仿真模型，然后通 过实验方案设计，改变输入条件，得到了不同条件组合下的通行能力值。通过仿 真结果与实测数据的对比，认为该方法是非常可行的，并且有一定的应用价值 【4 7 】 o 北京工业大学的郭南，张婧，刘运通等分别利用v i s s i m 仿真软件对城市快 速路菱形立交先入后出式出口的交通特性和辅路无附加车道的城市快速路出口 交通特性进行研究。首先通过现场调查和交通特性分析，建立仿真模型。并对 影响因素的影响程度进行了分析，得出一些相关结论【2 4 】【2 5 】。 我国高架道路出口匝道与地面的衔接段的交通特性并不完全等同于交织区 的交通特性。首先，我国高架道路出口匝道与地面道路衔接段的长度一般不能 满足交织区服务水平为c 的要求，交织一般非常严重；其次，衔接段的交通特 性还受到前方交叉口信号灯配时的影嗬，且交叉口停车线后的排队长度直接影 响交织段的长度；另外，前方交叉口右转车受非机动车和行人影响严重也导致 我国高架道路与地面道路衔接段的交通运行存在特殊性。一些学者虽然利用仿 真软件对交织区进行了模拟试验，但是对于高架道路出口匝道与地面道路衔接 段的仿真研究还非常的少。 1 3 论文研究目标与主要内容 1 3 1 研究目标 为了提高高架道路的使用效率，解决高架道路出口匝道与地面道路衔接存 在的问题，需要对高架道路出口匝道与地面道路衔接段的交通运行特性、出口 匝道疏散能力以及影响衔接段交通运行的各因素等进行分析研究，从而为更好 的设计、组织衔接段提供理论依据，为决定是否采用工程措施提供依据，同时， 6 第l 章绪论 也为将来出口匝道的控制打下基础。 1 3 2 研究内容 为了使高架道路出口匝道与地面道路的衔接得到改善，本文首先研究了衔 接区域的交通特性，论述衔接区域存在的主要问题，分析问题成因，研究相关 对策，并比较相关对策的利弊。 针对高架道路出口匝道与地面道路衔接段存在的问题，本文选择典型的出 口匝道与地面道路衔接段进行现场观测，分析问题所在，归纳现有的解决方案， 并利用仿真软件建模研究：首先，进行数据采集，选择典型的衔接段，采集相 关几何、交通、控制、环境等数据并进行处理；其次，依据选择的衔接段建立 仿真模型，利用采集的数据进行参数标定，完成建模；最后，进行模型的有效 性检验，验证仿真模型能够真实的反映现实情况。 根据建好的仿真模型，本文进一步研究下列问题： ( 1 ) 以出口匝道排队不 溢出为控制条件，研究该仿真模型中地面上游交通量为实际交通量时出口匝道 的疏散能力；( 2 ) 仍以出口匝道排队不溢出为控制条件，研究不同地面上游交 通量输入下的出口匝道疏散能力，并据此得出仿真模型中出口匝道与地面道路 衔接段区域实施工程措施的边界条件；( 3 ) 为了使模型更具有普遍性，且体现 中国交通右转车辆受干扰严重的特性，改变模型中的一些控制、环境因素，然 后利用其运行试验，研究交通量、交织区长度、右转车、车辆转向比等因素对 交织区运行及交织区邻近区域交通运行的影响，并由此得出一些具有实际应用 价值的结论，供衔接段的交通设计和组织参考。 7 第l 章绪论 1 3 3 研究流程 论文的研究框架见流程图1 1 ： 图1 1 论文研究流程图 8 第2 章城市高架道路山口匝道与地面道路衔接区域交通特性分析 第2 章城市高架道路出口匝道与地面道路衔接区域 交通特性分析 高架道路出口匝道与地面道路的衔接区域是由交织段与停车段组成( 见图 2 1 ) ，因此衔接段的车辆运行特性可以归结为交织区的车辆运行特性。下面从 微观角度对交织区交通特性进行分析，即对交织区的车辆运行特性进行分析。 篙衙一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一篓 图2 1 有交织的衔接段组织方式 2 1 交织区的车辆运行特性 交叉口 从微观角度分析交织区的交通特性，就是对单个车辆在交通流中的操作特 性进行分析，考察在不同情况下驾驶员的加减速和变换车道的可能性，尽量模 拟现实中车辆运行特点和过程，从而通过分析最小组成单元的行为使交通流的 整体特征得到阐述【5 1 。车辆运行特性参数是仿真软件模拟中需要重点标定的参 数。 2 1 1 交织区车辆运行的跟驰特性 车辆跟驰特性描述了车流中车辆之间相互影响、跟驰行驶，形成连续交通 流的特性。车辆的跟驰特性受众多因素的影响，比如驾驶员心理、车辆性能以 9 第2 章城市高架道路出口匝道与地面道路衔接区域交通特性分析 及交通流特性和环境特性等。交织区内交织车辆必须在交织区长度限制内完成 车道变换，所以，交织车辆运行时往往不是追求最大的直行速度而保持和前车 之间的最小车头时距，而是在行进过程中寻找相邻车道车流中合适的可插入空 当。交织车辆的这种特性导致了当与前车间的车头时距增大时，也不急于加速 紧跟，甚至在一定程度上反而会因等候相邻车道中的可插入空当而减速【6 】。交 织区中的非交织车辆期望尽可能避免与交织车辆相互影响，而追求尽可能大的 直行速度。 2 - 1 2 交织区车辆运行的换车道特性 换车道特性是交织区微观分析中必须考虑的另一个问题。由于各车道交通 流中的交织车辆需要转向期望的行进方向，因此必然进行车道变换操作。和基 本路段上相比，交织区内车辆的车道变换行为也有不同特点。交织区内的车辆 变换左道时，由于该车道变换操作必须在交织区长度内完成，所以，受交织区 长度的限制，交织车辆必须在交织区内行驶过程中找到变换车道的可能性并实 现其操作，否则，就只好在交织区内被迫减速等候这种可能性的出现【9 】，从而 造成交织区拥堵。 从上述交织区运行特性的分析可知，交织区内交通运行的关键环节是交织 车辆的车道变换。因为车道变换是构成交织运行的基本操作，造成车辆运行速 度降低，车流运行紊乱，是交织区内的主要矛盾。正是由于需要进行车道变换， 交织车辆才需要寻找可插入间隙，影响本车道及相邻车道交通流的运行，并对 非交织车辆造成影响，从而在微观上使交织区内的车辆跟驰和车道变换行为具 有前述特性，同时在宏观上形成两股交通流之间的相互作用。 2 2 出口匝道与地面衔接区域存在的问题分析 2 2 1 出口匝道与地面衔接区域存在的问题 出口匝道与地面道路衔接区域是否合理一定程度上决定了高架上运行的车 辆是否能安全快速的离开高架道路，从而决定了车辆运行的快速性和高架道 路的高效使用，但是，交通高峰期间，很多出口匝道处都存在着排队现象，有 1 0 第2 章城市高架道路出口匝道与地面道路衔接l 又：域交通特性分析 些排队甚至回溯到高架道路主线，不仅不能保证车辆快速离开高架道路，对高 架道路主线上运行的其他车辆也造成了影响。 而在衔接段，由于车辆拥堵排队，当前车启动前进时，后车立即紧随其后， 车头间距很小，车辆的转向换道只能一边前进一边寻找可以强行插入的空隙， 插入行为所花的时间很长，插入车和被插入车其后的车队被迫减慢速度，走走 停停；而当交织区快结束仍没有找到可以插入的空隙时，车辆就会停下等待， 阻挡了其后车辆的前进，这些都造成交织区车速的降低和车辆的集结排队。 另外，由于出口匝道与主线衔接处存在排队，有些需要离开高架道路的司 机逃避排队便在主线上等待以便强行插入出口匝道排队车流，严重影响主线车 流运行。 2 2 2 存在问题的成因分析及对策【8 】【2 7 】 2 8 1 2 9 】【3 0 】 衔接区域车流捌堵排队的原因，归结起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 出口匝道近交叉口进口道布设，交织段长度不足，交织严重，交织区 服务水平低下； ( 2 ) 由于相应信号交叉口信号配时不合理，交叉口进口道的通行能力不足， 导致进口道车流排队较长，常延伸至交织段内，致使可利用的交织段变得更短； ( 3 ) 严重的交织影响着交叉口内的车辆运行，使得其流率降低，通行能力 也降低，反过来又导致排队过长，影响交织区车辆运行； ( 4 ) 交叉口处机非干扰、交叉口渠化等不尽合理，降低了交叉口进口道的 通行能力； ( 5 ) 出口匝道区域车道数不均衡，导致衔接处交通流运行混乱： ( 6 ) 快速路两侧路网结构不完善、道路功能不明确、主干路功能达不到标 准等，限制了区域路网对快速路出口匝道的交通疏散能力。 为了缓解出口匝道处的交通拥堵问题，需要从微观、中观、宏观多方面多 角度进行考虑：微观方面，需要做好信号配时、交叉口渠化、机非分离、车道 平衡数等；在中观方面，需要通过快速路的车道布局设计和管理、匝道控制管 理、交通诱导、地面路网系统优化等手段来实现；在宏观方面，需要规划组织 快速路流向，力求达到快速路网内的流量平衡，并规划组织地面替代通道系统 第2 章城市高架道路出口匝道与地面道路衔接区域交通特性分析 为车辆出行提供多种具有竞争力的地面路径选择。 2 3 两种衔接方式的比较 考虑到出口匝道衔接段存在的问题多是由于出口匝道与地面道路衔接处衔 接段的车流交织所引起，因此，上海目前出现了一种无交织的衔接方式，它在 解决衔接段交织问题上有很大的成效，但是，这种方式有其本身的缺点，也有 一定的限制条件。下面，论文即分别对这两种衔接方式，即：有交织的衔接方 式、无交织的衔接方式下的交通特性和适用条件进行研究。 2 3 1 组织方式 为了消除或减小衔接段车流交织带来的问题，上海市出现一种无交织的衔 接段形式，它与传统的出口匝道衔接段有所不同，传统的衔接段内地面车流与 匝道车流并没有物理分隔，存在交织，其进口道的车道划分也是遵循常规的形 式，见图2 2 。而无交织的衔接段中地面上游车流与匝道车流在衔接段内用实物 或者栅栏分离，此时交叉口进口道的功能划分也不同于常规形式，而是被分隔 开的车流各自有左、右转车道和直行车道【4 ，与传统的交叉口进口的功能划分 形式不同，对应的信号配时方法也有所不同。具体情况见图2 3 ： 高架道路 裴 停 图2 2 有交织的衔接段组织方式 1 2 交叉口 第2 章城市高架道路出口匝道与地面道路衔接区域交通特性分析 实物或栅栏分离 图2 3 无交织的衔接段组织方式 口 根据实际情况的需要，这两种衔接方式还可以做一些细微的改变，如无交 织的衔接方式还有匝道落地点在地面道路中间，右转车提前分离的情况，有交 织的衔接方式有改变进口道功能的情况等等。 2 3 2 交通特性 两种衔接方式有其各自的交通特性和优缺点： 对于有交织的衔接方式而言，由于匝道和地面上游车流需要变换车道，因 此存在交织( 1 型交织、2 型交织) ，车速比不存在交织时有所降低，当交织长 度较大时，车流基本稳定运行，随着交织长度的减小，车流的平均车速降低， 并逐渐出现混乱，当交织段减小至不能满足稳定运行的条件时，车流强制插入 的可能性大大增加，后续车流走走停停，经常被迫停车，此时衔接段车速较低， 服务水平低下。 对于无交织的衔接方式，虽然车辆也存在换车道的需要，但是由于地面上 游车流与匝道车流物理分隔开，所以不存在( 1 型交织、2 型交织) 交织，车速 相对而言较高。但是也是由于地面车流与匝道车流的物理分隔，不仅要求道路 路幅较宽，而且进口道车道利用率不均衡，造成时空资源的浪费【4 。 第2 章城市高架道路出口匝道与地面道路衔接区域交通特性分析 2 3 3 适用条件 目前国内由于用地方面的限制，交织段长度很少能满足交织区服务水平为 a 级，而实际上，当交织长度稍小于理想长度时，车流仍然能够稳定运行。根 据h c m 的思路，可用于交织段的规划与设计的是交织段的服务水平。根据最 小平均法变换车道车速，可将服务水平分为a f 级，其中a 、b 级服务水平 满足足够的交织段长度，驾驶能够顺利进行；c 、d 、e 级不能满足自由交织， 车速逐渐降低，但是，车流基本稳定运行；f 级不能满足正常车流运行。为了 保证系统的稳定性，交织段服务水平不宜低于c 级【4 。因此可以认为当某种情 况下交织区车辆运行的服务水平低于c 级时，应当选用无交织的衔接形式。 无交织的衔接形式在地面上游交通量和匝道交通量差值较大时不太适用 ( 在后面的软件运行结果分析中可以看出，有交织的衔接方式下，其他情况都 相同时，当地面上游交通量和匝道交通量数值差值越大，该出口匝道区域可以 通过的匝道流量和地面流量总和越大) ，因为单位绿灯时间内能够通过的车辆 数降低了。在地面上游交通量和匝道交通量不均衡系数偏离1 较大时候，折减 了现有设施的利用率。在总流量相等的情况下，该方向的车流需要更长的绿灯 时间来通过交叉口，变相增加了交叉口的交通压力。因此，在交织段段服务水 平满足c 级的要求时，无交织设计的衔接段模式总是会浪费部分道路资源，此 时应选用有交织的衔接形式。 综上，交织区车辆运行的服务水平低于c 级时，应当选用无交织的衔接形 式，在交织段段服务水平满足c 级且地面上游交通量和匝道交通量的不均衡系 数不是很大时，采用无交织的衔接方式。以上结论将作为推断是否应该采用无 交织衔接形式的依据。 需要说明的是，对于组织形式i 和i i 都不能满足的情况，可以考虑对禁行、 实施交通控制方案或进行交通信息引导。 2 4 本章小结 为了使高架道路出口匝道与地面道路的衔接得到改善，论文首先研究了衔 接区域两个重要的车辆运行特性：跟驰特性和换车道特性，指出交织车辆的车 道变换是交织区内交通运行的关键环节。 1 4 第2 章城市高架道路出口匝道与地面道路衔接区域交通特性分析 其次，论文论述了衔接区域存在的主要问题，即车辆拥堵排队，车辆的换 道行为经常为强行插入，插入车和被插入车其后的车队都被迫减慢速度，交织 区服务水平低下，且车辆不能及时疏散，影响高架道路使用效率。 接着，论文分析衔接区域存在问题的成因，如交织段长度过短、匝道落地 点不合理、交叉口信号配时不合理、交叉口内机非干扰严重登，并陈述了目前 经常使用的对策，指出其中最具特色的、也是上海目前使用非常广泛的一种对 策是采用衔接段无交织的衔接形式，继而比较有交织和无交织衔接形式组织方 式和交通特性的不同，并针对两种衔接方式各自的优缺点研究两种衔接形式的 适用条件：即当交织区服务水平满足c 时采用有交织的衔接方式，而当交织区 服务水平不满足c 且地面上游交通量和匝道交通量的不均衡系数不是很大时采 用无交织的衔接方式。该结论将作为推断是否应该采用无交织衔接形式的依据。 1 5 第3 章数据采集与调查 3 1 调查目的 第3 章数据采集与调查 为了使仿真模型能够真实的反映现状，必须对建模过程中需要的数据进行 调查，