（交通运输规划与管理专业论文）城市互通立交最小间距研究.pdf

摘要 摘要 立体交叉在道路交通系统中起着十分重要的作用，作为现代化发展的标志，许多城市投入大量 资金建设立体交叉。然而，因为我国目前立交规划设计的规范标准不完善，导致一些大城市的城市 环线、快速路上的立交间距不合理，出现了道路拥堵和交通事故，匝道周围路段形成瓶颈等问题。 为完善立交规划设计标准，缓解城市立交周围的交通压力，提高道路利用效率，保证城市道路通行 能力和服务水平，本文从系统的角度研究了城市快速路互通立交的最小间距。 本文首先研究城市快速路上互通立交间距的定义，分析影响互通立交间距的各种因素，包括土 地利用、道路类型、立交形式、价值因素等。接着对调查数据及资料进行处理与分析，研究城市互 通立交间路段，包括基本路段、合流区、分流区的交通流特性和换车道行为；运用数理统计方法和 回归技术，得出基本路段、合流区、分流区交通流的速度和车头时距分布规律；然后运用运动学、 效用函数等方法，分析影响互通立交最小间距的主要因素，建立了互通立交最小间距模型；并对该 模型按不同等级快速路进行分析计算。最后，应用t s i s 软件对互通立交问路段进行微观仿真研究， 验证城市快速路互通立交最小间距模型。 【关键词】 城市快速路，互通立交，最小间距，换车道，交通标志，交通仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e r c h a n g ei sa ni m p o r t a n tp a r ti nf r e e w a ya n dt r a f f i cs y s t e m t h el o c a lg o v e r n m e n t so f m a n yc r i e s s p e n da l o to f f u n d so i li n t e r c h a n g e sc o n s t r u c t i o no f t h ec i t yc i r c l ea n d e x p r e s s w a ya sam o d e r n i z a t i o ns i g n h o w e v e r , o u rp l a n n i n ga n dd e s i g nt e c h n o l o g yo f i n t e r c h a n g ei sf a rf r o mp e r f e c t t r a f f i c j a m sa n da c c i d e n t s h a p p e no c c a s i o n a l l yo nr o a d sb e c a u s eo f u n r e a s o n a b l ei n t e r c h a n g es p a c i n gi nc i 锣c i r c l e sa n de x p r e s s w a y , a n do n o f f - r a m pj u n c t i o n sb e c o m eb o t t l e n e c k so ft h et r a f f i es y s t e m t h e r e f o r e , r e s e a r c ho i lm i n i m u m d i s t a n c eb e t w e e ni n t e r c h a n g e sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rr e m o v i n gt h o s eb o r l e n e c k s ，i m p r o v i n gf r e e w a y c a p a c i t ya n dd e t e r m i n i n gf r e e w a yl e v e lo f s e r v i c e t h em a i nb o d yo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sm a d eu po fe i g h tc h a p t e r s f i r s t l y , t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h e d i s t a n c eb e t w e e ni n t e r c h a n g e s ，s u c ha sl a n ec h a n g i n gb e h a v i o ra n dn a f f i cs i g ns t a n d a r d s ，w e r ea n a l y z e d s e c o n d l y b a s e do nal o to f a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go nt h ed a t ac o l l e c t e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t r a f f i cf l o w a n dd r i v e rb e h a v i o rw e r es t u d i e d 1 1 l i r d l v w i t hs t a t i s t i c a lm e t h o d sa n dr e g r e s s i o nt e c h n i q u e s , t h er u l e so f f l o wr a t ea n dh e a d w a yd i s t r i b u t i o nf o rt h es e g m e n tb e t w e e ni n t e r c h a n g e sw e r ef o u n d f o u r t h l y , t h e p r i m a r yf a c t o r sw e r ec a l c u l a t e da n dt h em i n i m u md i s t a n c em o d e lw a se s t a b l i s h e d t h e n , w i t ht h em o d e l t h em i n i m u md i s t a n c eb e t w e e ni n t e r c h a n g e sw a sw o r k e do u ti nd i f f e r e n tf r e e w a yc o n d i t i o n s f i n a l l y , t h e t r a f f i cf l o wo ft h es e g m e n tb e t w e e na d j a c e n ti n t e r c h a n g e sw a sa n a l y z e dw i t ht h eh e l po ft h et r a l 陆c s i m u l a t i 0 1 3s o f t w a r er l a m e dt s i s k e yw o r d s i e x p r e s s w a y , i n t e r c h a n g e ，m i n i m u md i s t a n c e ，c h a n g i n gl a n e s , t r a 伍cs i g n s ，t r a f 矗cs i m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：2 墅日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：查耋j 睦：日期： 第一章绪论 i i 研究背景及意义 第一章绪论 改革开放以来，我国国民经济飞速发展。经济的发展带动了城市机动车保有量的增长，许多城 市出现了交通拥堵的现象。立体交叉可以将平面互相冲突的车流分别设置在不同高程的道路上，互 相跨越，使交通流按各自的方向以正常速度行驶。建设立体交叉可以取代平面交叉上的信号管理， 基本上消除了所有冲突点，缓解了平面交叉口的交通拥堵。而近年来，经济全球化给我国城市带来 了新的机遇也带来新的挑战，提高城市竞争力成为发展的首要途径。立交作为现代化城市的标志， 许多城市投入了大量资金建设立交以进一步提升城市竞争力。 立交根据相互交叉道路有无连接匝道分为分离式立交和互通式立交【l 】，如图1 1 ( a ) 、( b ) 分 离式立交指的是相交道路相互跨越，但相交道路上的车辆不能转换道路的交叉形式；互通式立交是 相交道路在主交叉点以分离式立交跨越，而相交道路上的车辆可以通过一定的连接道路( 匝道) 实 现各方向的车辆转移。 n l e f f 三至 h ( a ) 分离式立交 ( b ) 互通式立交( 苜蓿叶型) 图1 1 道路立交形式图 互通立交的主要功能是满足车辆以正常速度安全、舒适的转向行驶。然而因为我国目前立交设 计技术的不完善，导致从立交的规划到设计都出现问题。例如我国现有规范中的立交间距设计标准 为0 7 l o k m ，这一标准较小。不合理的立交间距不但无法提高道路通行能力，甚至使本已不堪重 负的城市道路更加拥堵。如果互通立交间距过短，互通立交过于集中，不仅造成工程建设资金浪费， 而且还会引起交通流频繁的交织，导致城市道路上交通流紊乱，形成较大延误，引发交通事故。但 是互通立交间距过大，又会造成沿线居民出行不便，导致沿线交通流不均匀分布，增加其他道路的 交通负荷，造成路网交通不平衡。因此，为提高我国的立交规划、设计水平，对规范进行技术更新， 从系统的角度研究互通立交最小间距成为亟待解决的问题。这就是本论文研究的背景及意义所在。 马 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外对互通立交最小间距的研究是在对基本路段，立交通行能力，立交匝道，交通标志标牌设 置，道路交通安全等研究的基础上进行的。道路通行能力的研究始于美国，1 9 5 0 年美国交通工程师 协会( a a s h t o ) 出版了道路通行能力手册( h i g h w a yc a p a e i t ym a n u a l ) 第一版，随后于1 9 6 5 年修订出版了第二版h c m ，1 9 8 5 年第三版h c m 问世，与前两版相比，第三版除详细论述了公路与 城市道路的通行能力外。又增加分析了高速公路、自行车道、人行道和无信号交叉口等交通设施通 行能力的内容。随着时间的推移，车辆拥有量、交通条例和交通行为均发生了变化，美国的道路通 行能力手册仍在继续修订中，1 9 9 4 年又出版了对第三版道路通行能力手册的最新修订本，它着 重对信号交叉口和无信号交叉口通行能力的研究方法进行了修正，采用了许多新思想、新方法。后 来又出现了名为( h c m 2 0 0 0 ) 2 1 的新手册，它对在不同交通条件下现有道路、交叉1 2 1 的通行能力进 行了新的修订，并增加了车辆安全设施、i t s 的内容，这也将使h c m 的内容越来越丰富。 在( h c m 2 0 0 0 中，第2 2 章对公路设施，第2 3 章对公路基本路段，第2 5 、2 6 章对互通立交 匝道都做了详细研究。美国国家合作公路研究项目( n c h i 冲) 在2 0 0 4 年对互通立交周边交叉口路 径管理也做了研究报告 3 1 。其他各国通过对互通立交通行能力、匝道、标志标牌设置、交通安全等 研究，也都制订了符合各国国情的互通立交最小间距标准，各国互通立交最小间距参考值【1 1 见表1 1 。 h c m 2 0 0 0 在第2 3 章对不同自由流速度和车道情况下，有详细的互通立交最小间距推荐值，见 表1 2 。 表1 1 各国互通立交最小间距 国家最小间距( k m ) 市区1 o 美国 郊区1 0 3 0 市区2 0 加拿大 郊区3 0 日本1 5 4 0 表1 2 不同自由流速度和车道数的城市互通立交最小间距 自由流速度( k m h ) 车道数立交最小间距( k m ) 1 0 01 2 52 o o3 0 0 2 9 49 71 0 11 0 3 39 69 91 0 31 0 5 4 9 81 0 21 0 61 0 8 5 9 91 0 41 0 81 1 0 1 2 2 国内研究概况 国内对互通立交最小间距的研究较少，多集中于对立交各组成部分的通行能力、设计标准等研 究。我国城市道路设计规范【4 】中，规定的2 个相邻互通立交间最小净距见表i 3 。从上世纪8 0 年代开始，交通部公路科研所、公路规划研究院、东南大学、同济大学、北京工业大学等有关科研 单位在学习国外有关通行能力的研究方法及内容的同时，也针对我国国情进行了相应的较为深入的 2 第一章绪论 研究。东南大学石小法，李文权，李铁柱，常玉林等利用概率论方法，从理论上研究高速公路加速 车道的设置方法，提出了一种设置加速车道长度和算法p 】。东南大学李文权、王炜等对高速公路合 流区匝道车辆的汇入特征嘲进行调查分析，运用微分法建立了匝道车辆的汇入模型和行驶距离模型 ”j 。天津市市政工程设计研究院的朱兆芳在城市快速环线设计标准的研究中【8 】，对设计车速，横断面 布置，通行能力，立交间距等因素进行了分析。长沙理工大学的龙科军，同济大学的杨晓光等。根 据城市快速匝道的特点，应用驾驶员行为理论，模拟了驾驶员在城市快速匝道上的驾驶行为，通过 分析匝道组合模式、计算匝道加减速车道长度、以及车流从匝道汇入主线后由于车流变道而形成交 织车流长度，确定匝道最小间距例。北京工业大学的贺玉龙、刘小明、任福田结合北京快速路分析 了影响城市快速路互通立交间距的因素，提出了城市快速路互通立交最小间距的计算方法【。由于 缺乏对互通立交最小间距的系统研究，我国现有规范中的互通立交最小间距标准o 7 1 0 k m 是参考 国外经验值设定的。随着我国经济的发展，城市规模的扩大，城市交通量的增大，这一标准相对较 小，不尽合理。因此，研究符合我国的交通流特性的互通立交最小间距意义重大。本论文就是力图 从系统的角度分析研究影响互通立交间距的因素，并得出互通立交最小间距的计算方法。 表1 3 我国互通立交最小间距标准 主线计算车速( k i r d h )8 06 0 5 04 0 最小间距( m ) 1 0 0 09 0 08 0 07 0 0 1 3 研究内容 本文主要研究内容包括： 1 、分析互通立交最小间距的影响因素对影响互通立交间距的因素进行分析，包括周围土地利 用、道路类型及立交形式、立交上的匝道几何布置、交通标志和信号布置、司机驾驶顺适度、投资 收益等价值因素等。通过具体分析这些影响因素，为建立互通立交最小间距模型提高参考。 2 ，互通立交间路段车辆运行状况调查与分析对部分城市快速路互通立交之间的基本路段、合 流影响区、分流影响区的车辆运行状况进行调查，对可获取的调查数据进行处理与分析。 3 、互通立交问路段交通流特性与行为分析。互通立交问路段内的关键运行特征是主路与匝道入 口车辆交替进入合流段，匝道车辆进入加速车道加速，接受主路交通流间隙而汇入主路；部分车辆 看到交通指示标志后，寻找目标车道上可插入间隙完成换车道行为；下匝道车辆进入减速车道减速。 这一路段通行能力主要受主路车流车头时距、交通量分布、车道临界间隙、加速车道车辆加减速行 为等交通行为特征参数的影响。本文运用已有数据分析互通立交间基本路段、合流影响区、分流影 响区的交通量、速度、车头时距等分布规律，通过互通立交问路段交通流特性与行为分析，为互通 立交最小间距分析提供依据。 4 ，互通立交最小间距模型的建立。通过计算影响互通立交最小间距的主要因素，得出互通立交 最小间距模型。为互通立交规划、设计规范提出最小间距参考计算方法，并按不同的道路等级计算 得出参考值。 5 ，互通立交问路段交通仿真研究。应用t s i s 软件按互通立交最小间距对互通立交问路段进行 交通流微观仿真研究，模拟路段上车辆交通流运行情况，将模型计算结果与模拟结果进行比较，验 证互通立交最小间距模型的可行性。 1 4 研究技术路线 1 、确定研究目标 研究目标是整体工作开展的纲领，以此形成论文的中心思路，有助于分解细化研究方向并协调 3 东南大学硕士学位论文 分步实旃。本文的研究目标即建立互通立交最小间距模型，并验证其实用性。 2 、借鉴已有的研究成果开拓创新 通过对国内外相关研究成果的全面总结，借鉴其成功的理论模型，开拓创新。 3 、综合运用多学科知识 论文研究过程中，注意综合运用交通运输工程、交通规划、城市规划、数理统计、系统工程、 经济学、心理学等多学科知识，进行分析和研究 4 、研究内容逻辑框图 论文的研究内容并非各自独立的。作为有机统一体的组成部分，各研究内容之间保持相互关联， 将使论文形成完整严密的组织结构。本论文按照“以系统理论为指导、以观测数据为基础、以计算 机模拟为手段”的指导思想，结合我国城市道路交通特点，建立互通立交最小间距模型，为我国互 通立交规划、设计规范的技术更新提供理论参考。论文研究技术路线流程图见图1 2 。 1 5 研究重点与难点 图1 2 研究技术路线流程图 本文在分析调查数据的基础上，进行互通立交问路段交通流特性与行为分析，研究影响互通立 交间距的因素，并进行分析；推导并建立了互通立交最小间距模型；运用t s i s 仿真软件对互通立交 4 第一章绪论 问路段进行了微观仿真研究，验证最小间距模型。研究重点与难点主要有： 1 、进行互通立交问路段交通流特性与行为分析。 由于我国交通构成的特殊性和车辆性能的复杂性，因此，在研究过程中要充分考虑道路条件、 车辆类型等情况，分析国内外交通的差异，将理论分析与我国交通特色紧密结合，找出符合我国交 通流特性的互通立交问路段的交通流特性与行为特征参数。 2 、建立互通立交最小间距模型。 影响互通立交最小间距的因素很多，包括周围土地利用、道路类型及立交形式、立交上的匝道 几何布置、交通标志和信号布置、司机驾驶顺适度、投资收益等价值因素等。但是只能考虑其中的 主要因素，运用运动学、效用函数等方法进行分析计算，建立互通立交最小间距模型。 3 ，进行互通立交问路段微观仿真研究 运用t s l s 仿真软件对互通立交问路段交通流进行微观仿真研究，对仿真模型参数进行敏感性分 析，并对其进行验证。对互通立交问路段车辆运行状况进行模拟分析。 1 6 研究方法 1 6 1 统计方法 统计方法是研究交通问题的最传统，也是最被普遍使用的方法。交通规律一般都是隐藏在大量 的、杂乱无章的现场数据里。统计方法以大量实测数据为基础，从中找出规律性的东西进行分析论 证，得到交通规律。只有通过统计方法，才能透过事物的表象，把握到事物存在、运行的深层次的 内核。 1 6 2 概率论方法 概率论也是研究交通问题的基本方法。交通现象是纷繁复杂的，表面上看来无任何规律可寻， 但无论是交通现象本身，还是影响交通流特征的各种因素，都近似符合某种特定分布。概率论方法 是我们解决交通问题的重要手段。 1 6 1 计算机模拟方法 计算机模拟是以系统理论、形式化理论、随机性理论和优化理论为基础，以计算机和模拟系统 软件为工具，对现实系统或未来系统进行动态实验研究的理论和方法。交通流具有随机性的特点， 交通系统在某时刻的状态不是确定的，而是按照一定的概率特征来变化。因此不可能用解确定性问 题的方法来求解交通问题。对于外界影响因素比较少，系统内各组成部分相互作用规律容易掌握的 情况，仅仅用概率论方法就可以对系统做出比较透彻的研究。但由于研究系统组成复杂，系统内各 个部分间相互作用关系也很复杂，用概率论方法很难将各种影响因素考虑完全。因此，应用系统模 拟方法来模拟系统的状态变化，进而详细观察系统在各个时刻的状态，满足研究的需要。 1 7 主要结论 本文对影响互通立交最小间距的各种因素，包括周围土地利用、道路类型及立交形式、立交上 的匝道几何布置、交通标志和信号布置、司机驾驶顺适度、投资收益等因素进行分析。根据影响因 素，对互通立交问路段交通流进行调查，根据调查结果对互通立交间路段车辆运行状况进行了分析。 研究了互通立交间的交通流特性，即快速路基本路段、合流区、分流区的交通量分布、车速、车头 5 东南大学硕士学位论文 时距、车辆组成等特性。通过计算影响互通立交最小间距的主要因素，得出互通立交最小间距模型。 按不同的道路类型和等级进行计算，为互通立交规划、设计规范提供互通立交最小间距参考值。应 用t s i s 软件按互通立交最小间距对互通立交问路段进行交通流微观仿真研究，模拟分析路段上交通 运行情况，并将计算结果和模拟结果进行比较。 6 第二章影响互通立交闻距的因素分析 第二章影响互通立交间距的因素分析 2 1 互通立交间距及其影响因素 2 1 1 互通立交间距的定义 道路立体交叉是利用空间完成两条或两条以上道路的交叉。道路立交是在道路平面交叉的基础 上发展起来的，是为解决平面交叉的服务水平低下的问题而提出的。道路立交满足了较大交通量道 路的交叉运行要求，取代了平面交叉口上的信号管理，基本上消除了所有冲突点，使车辆能连续不 断的通过，并有效提高了道路的通行能力。 根据交通功能和匝道布置方式，道路立交可分为分离式立交和互通式立交两类。互通式立交是 指相交道路在主交叉点以分离式立交跨越，而相交道路上的车辆可以通过一定的连接道路( 匝道) 实现各方向的车辆转移。 从城市立交在城市路网中的功能定位来看，城市立交可分为以下2 种类型：枢纽型立交、服务 型立交。枢纽型立交是指快速道路系统通过匝道直接连接的立交，有高等级公路与城市快速路连接、 城市快速路与城市快速路连接。服务型立交又分为：一般互通立交f 含部分互通立交) 、城市交叉口立 体化、分离式立交3 种形式。一般互通式立交是指高等级公路、城市快速路与城市主干道及以下道 路通过匝道直接连接的全互通或部分互通立交。城市交叉口立体化是指主要车流采用立交形式，可 以简单穿越，也可在必要车流向增设连接匝道，而城市交叉口仍为平面交叉以满足各流向车流的行 驶。分离式立交是指两条道路简单上跨或下穿，无交通转向功能。枢纽型互通立交、服务型互通立 交设计理念有较大的区别，前者强调高速行驶的车辆在速度变化不大的条件下实现安全有效的相互 转换，而后者强调低速行驶车辆通过相对较大幅度调整速度进行车辆行驶相互转换。 城市快速路与主干道的安全与运营性能在很大程度上取决互通式立交的间距。互通立交最小间 距应保证交通运行要求的距离“j ，也就是说，要保证前一个互通式立交驶入匝道的合流点与后一个 互通立交驶出匝道的分流点之间车辆交织运行所需的长度；同时保证向驾驶员提供及时的交通信息 而需在到达后一个互通立交之前设置一系列前置标志所需的距离。通常所说的互通立交间距是指相 邻互通立交主线间距，即2 条横向道路和主线交叉点的距离s ，如图2 1 所示。 图2 1 一般互通立交间距示意图 7 东南大学硕士学位论文 但是因为城市快速路上相邻立交的形式不一定相同，立交单侧匝道长度也不同。为了研究的普 遍性和通用性，本文所研究的互通立交间距，指的就是相邻立交的匝道一主线连接处之间的距离d ， 如图2 2 中所示。 图2 2 本文研究的互通立交间距示意图 互通立交间距按照交通流特性，由基本路段以及合流影响区、分流影响区组成。基本路段是指 主线上不受匝道附近车辆汇合、分离以及交织运行影响的路段部分。在稳定运行情况下，具体的说， 是指驶入匝道一主线连接处上游1 5 0 m 至下游7 6 0 m 以外、驶出匝道一主线连接处上游7 6 0 m 至下游 1 5 0 m 以外以及表示交织区开始的汇合点上游1 5 0 m 至表示交织区终端的分离点下游1 5 0 m 以外的主 线路段，见图2 3 。高速公路基本路段的理想条件：( 1 ) 车道宽度大于3 7 5 m ，小于4 5 0 m ；( 2 ) 侧 向净宽大于1 7 5 m ；( 3 ) 车流中全部为小客车；( 4 ) 驾驶员均为经常行驶高速公路且技术熟练遵守 交通法规者。 按照不同的匝道组合形式，车辆分、合流影响范围不相同，相邻立交间距也就不相同。根据图 2 3 中i 、i i 、四种不同的匝道组合形式，得到互通立交最小间距，见表2 1 。其中厶 为车 辆合流影响距离，工分为车辆分流影响距离，三基本为基本路段长度不同的匝道组合形式下，k 、 厶、上基本的值也各不相同。 8 第二章影响互通立交间距的因素分析 1 5 0 m7 6 0 n 7 6 0 m1 5 0 n 1 5 0 m7 6 0 m1 5 0 m7 6 0 m 7 6 0 m1 5 0 n l基本l合 7 6 0 m1 5 0 m l分l基奉 7 6 0 m1 5 0 m l 分 1 5 0 m7 6 0 m l分l基奉l合 图2 3 道路基本路段及匝道组合形式示意图 表2 1 不同匝道组合形式下的互通立交最小间距 匝道组合形式最小间距 形式i 三台+ 上基本+ 工分 形式 三台+ 三基本+ 三合 形式 工分+ 上基奉+ 工分 形式 工分+ 三基奉+ 三音 9 东南大学硕士学位论文 2 1 2 互通立交间距影响因素 城市快速路的安全与运营性能在很大程度上取决于互通立交的间距。一方面，在城市快速路上 发生的交通事故，很多是发生在互通立交范围内的，特别是在变速车道和进出口匝道范围内。如果 互通式立交间距过小，事故率的增加是显而易见的，同时工程投资也大大增加。另一方面，过于加 大立交间距，会使得立交与路网协调困难，影响路网整体效益的发挥。因此合理设置立交间距在互 通式立交的规划与设计中十分重要。国内一些现有设计和施工中的公路立交间距i l ”如表2 2 所示， 部分城市快速路环线上的立交间距p j 如表2 3 所示。 表2 2 部分高等级公路的互通式立交间距 名称 里程( k m ) 立交座数平均间距( 1 ：i r l ) 沈阳大连3 7 5 52 5 1 5 0 京津塘1 4 2 6 981 7 9 西安临潼2 3 8 921 1 9 沪嘉 2 0 521 0 2 广州佛山1 5 7 43 ，9 济南青岛 3 1 8 9 62 01 5 9 广深珠1 2 01 3 9 2 上海南京2 7 11 81 5 2 洛阳开封 1 1 6 6 471 6 7 基隆高雄3 7 34 09 3 天津中环线 3 4 584 3 广州环市路7 33 2 4 表2 3 部分城市快速路环线上的互通式立交间距 名称设计速度( k a h )环线长( h )平均间距( k m ) 上海内环线 8 03 21 4 9 北京二环 8 03 3 1 0 4 北京三环8 04 8 广州内环6 02 61 5 7 互通立交间距直接制约着立交的通行能力以及城市快速路的运行车速。快速路段上的右进、右 出匝道，由于其与主线连接的区段受合流、分流的车辆交织行驶影响，易产生紊流现象，从而导致 快速路通行能力降低。合理确定互通立交最小间距。在快速路立交规划设计中具有十分重要的意义 影响互通立交间距的因素主要有以下几个： ( 1 ) 周围土地利用 城市土地利用对于立交建设有很多的约束。土地的功能性决定了其开发的程度，土地利用性质 也对互通立交间距有影响。 ( 2 ) 道路类型、立交形式及基本路段交通特性 互通立交间距受道路类型和立交形式影响很大。道路等级越高，相邻立交间距相对较大；立交 形式越复杂，相邻立交间距也相对较大，以满足立交几何布置的需要。同时，互通立交间基本路段 的交通特性也对互通立交间距有很大影响。合理的立交间距应均匀的分散交通流，使基本路段上车 辆保持正常速度运行。 ( 3 ) 匝道几何布置及合流区、分流区交通特性 1 0 第二章影响互通立交间距的因素分析 交织路段是前一个立交匝道的合流点至后一个立交匝道的分流点间的路段，合流区、分流区的 交通特性对互通立交间距有很大影响。合理的匝道布置使得相邻立交之间有足够的交织路段，满足 车辆进出快速路主线时相互交换车道的要求。 ( 4 ) 标志和信号布置 车辆行经互通式立交时，如果拟转弯出去却错过了出口，则要到下一个立交才能驶出绕行回来， 耽误很大。因此，相邻立交之间应保证足够的距离，以使司机能在此路段内预见到所设置的一系列 标志，并做出相应反应。由于互通式立交前的预告标志与服务设施有关，因此相邻立交最小间距还 与这些交通标志设置有关。 ( 5 ) 司机驾驶顺适度 互通式立交，尤其多层式立交，其线形变换和纵断起伏皆很频繁，如间距过近，对车辆安全运 行、驾驶操作很不利。 ( 6 ) 经济因素 从投资收益的角度看，如果互通立交布置过密、造价很高，反而不如改为高架路经济合理。 ( 7 ) 环境景观 若立交间距过近，立交布置紧凑，线形变化复杂，视觉景观和空气质量较差。 2 2 交通标志设置距离 指路标志是用以表明道路通往地点、方向和距离，明确辖界，并于沿途进行导向的一种交通标 志。不同功能的城市道路，驾驶员对于路线信息的要求也不同。城市互通立交之间的道路多为城市 快速路，且通常为城市环线。城市快速路是用来配合高速道路承担过境交通、从匝道进出市内外长 距离交通功能的道路，它具有较大的交通量，及较高的速度。当方向感不强、不熟悉路况的驾驶员 在建有立交的城市环线上行驶时，要比在一般城市道路上行驶困难。因此，在城市快速路上正确有 效的设置指路标志非常重要。 在城市快速路上设置指路标志需满足以下几个要求： 1 、在匝道出口上游一定距离处，预告各个车道达到目的地的名称和里程，引导驾驶员进入合适 的车道。 2 、在匝道出口处，明确匝道下游的路线信息和主线到达目的地的名称和里程，使驾驶员确认行 车道路线，更新到达目的地的心理里程。 3 、明确各条道路( 包括主线和各匝道) 上的路线和方向，使驾驶员对下游交叉口匝道的道路线 形有所了解。 4 、为驾驶员提供方向指引。 驾驶员对交通标志的感觉分为五个阶段：发现、判别、认读、理解和采取行动。在发现阶段， 驾驶员在视野范围内觉察到交通标志，但不能判断它的形状或其它某些特征；在判别阶段，驾驶员 能够确定交通标志的外形和细节，随即认读标志，并理解它的意思，紧接着采取相应的行动( 如减 到规定的限速值、急转弯、或紧急刹车停住等) 。驾驶员从开始读标志到读完标志止采取相应行动的 这段距离，与判读时间和行驶速度有关。在一定的判读时间内。行驶距离与行驶速度成正比。 根据交通部公路所的测试【l 】，随着速度的增加，判读距离有所缩短，车速越快，判读距离缩短 的越显著。根据实验得出结果表2 4 。 表2 4 不同速度下对指示标志的判读距离实验结果表 f速度( k m h )4 06 08 0l o o 平均判读距离( m )4 3 54 1 13 7 43 2 6 东南大学硕士学位论文 交通指路标志的大小必须保证驾驶员在某一距离处能看清标志板上汉字和图案的内容，并且顺 利诱导驾驶员按照标志内容改变行驶车道及采取其它必要的措施，完成交通行为。这一过程可分解 为：认读标志、理解标志、开始操作、完成操作四个连续的步骤，见图2 4 。 开始采 发现标志认读开始认读结束 取行动消失点 标志牌 厂广厂厂厂厂 a b cdef 汇d 正d v l 匹d 正d 正d 匹d v 2 消失距离九4 _ - - - - - - - 认读距离x 1 判定距离九5 前置 判断距离地l 行动距离九3 祝认距离九 图2 4 交通标志确认过程图 行驶中的车辆驾驶员在a 点处发现标志，到b 点可以看清标志并开始认读标志内容，到c 点完 成认读，此段距离称为认读距离。驾驶员根据标志内容判断应选择的行动，到n 点开始采取行动， 在此判断时间内所行驶的距离称为判断距离乞从行动开始点到路口的距离为行动距离，车辆在 此距离内必须能安全、顺利的完成根据标志内容所采取的全部行动( 如换车道、减速、停车、变更 方向等) 。认读开始点b 至标志的距离称为视认距离，。标志牌在驾驶员视野中的消失点e 到标志的 距离称为消失距离认读终点c 到标志牌的距离称为判定距离f ，。标志牌至路口边缘的距离称为 前置距离毛因此，标志最小视认距离，应同时满足以下条件： ，= i i + f 2 + 毛一l = + ( 2 1 ) = 毛+ 厶一1 2 ( 疗一1 ) 1 ，l t l + ( v ；一v ；) 2 口 ( 2 2 ) = v t t 2 ( 2 3 ) 屯= v l 屯 ( 2 4 ) 其中，0 1 ) v l f l 改变车道需要的距离； ( 砰一谚) 2 口减速距离； 第二章影响互通立交间距的因素分析 行车道数； v 1 行近路口时的车速( m l s ) ； f l 次变更车道需要的时间( s ) ，约l o s ： 口减速度( m l s 2 ) ，一般为0 7 5 i 5 m s 2 ； v 2 到达路口时的车速( m l s ) ； f 2 戳读标志所需要的时间( j ) ，一般为1 2 s ； f 3 判断距离需采取的措施的时间( j ) ，一般为2 o 2 5 s 。 2 3 换车道行为分析 车辆在道路上行驶，通常有诱因使驾驶员变换车道，根据动机不同，换车道行为可划分为两类： ( 1 ) 强制性换车道行为 指车辆为了完成其正常行驶目的而必须采取的车道变换行为。是具有确定目标车道，且在某一 范围内必须实施的换车道行为。如匝道的分、合流，车辆的交织。 ( 2 ) 判断性换车道行为 非强制性的换车道行为。通常由需求产生、间隙检测、换车道执行几个步骤组成。如超车行为 等。 假设相邻两个互通立交间距在经济上可行，且能够满足匝道布置要求，集散周围交通。当驾驶 员在上一互通立交的匝道入口驶入，并进入基本路段后，看到交通标志，采取行动变换到内侧车道， 将这个换车道过程归类为判断性换车道行为。 车辆完成认读和判断交通标志，并产生变换车道意图后，将持续观察变道至相邻车道的可行性。 目标车道就是驾驶员考虑了一系列影响因素后，选择变换的最佳车道。这些影响因素包括目标车辆 与周围其他车辆的空间关系，以及与这些空间关系相关的车道特性，驾驶员的出行计划。驾驶员特 性等。当驾驶员发现相邻车道( 包括相邻左侧车道和相邻右侧车道) 出现可变道的空当即实施换车 道行为。 换车道模型从三个部分描述了驾驶员所做出的判断： 目标车道选择 可接受间隙 换车道行为执行 2 3 1 目标车道选择 目标车道选择可用随机效用理论进行描述。 效用函数包含了驾驶员在经过一段时间对换车道选择所做出的重复观察。驾驶员及车辆的特性， 如驾驶员的驾驶技术、车辆速度和加速性能对变换车道行为都有重要相关性。将驾驶员在不同车道 行驶的满意程度用效用值来表示，驾驶员将目前车道与相邻车道对比，效用值最高的车道满意度最 高，成为目标车道，产生换车道需求。 1 3 东南大学颐士学位论文 个人在一个可以选择的、选择分肢是相互独立的集合中，会选择他认为对自己来说效用最大的 选择分肢。这一假定是随机效用理论的基础，即效用最大化假设。通常观测者不可能观测出影响效 用的全部因素，因此效用被认为是随机的。随机效用函数的数学式表达为： = 4 - 其中，【k 个人i 对选择肢n 的效用值； 个人i 对选择肢n 的效用的固定项； s 0 卟人i 对选择肢n 的效用的随机项。 ( 2 5 ) 占n 是效应函数的随机项假定与相互独立并服从某种概率分布。不同的概率分布，可得到不 同的预测模型，可假定各分量服从相互独立的二重指数分布，即为i o g i t ( 分对数) 模型。效用函 数可以用各种函数形式来表达，目前广泛采用的是线性函数形式： 圪= 如 ( 2 6 ) 玩为可以观测的要素向量，吼为该向量的线性系数。假设个体应用效用最大化进行二项选择， 效用函数为线性形式，气服从二重指数分布，个人n 选择方案i 的概率： 己= p ；f y ；i ，c n j = 尸眈+ 气 + ；f 硒ij c n ) 2 7 其中，o 圪s 1 ，圪= 1 。随机项、相互独立且服从参数( o ，1 ) 的二重指数分 e o 布。 目标车道效用值受车道特征影响，如车道上交通流密度和速度、大车率，以及与道路规划相关 的变量。同时，目标车辆当前车道和位置，目标车辆与周围车道上车辆的空间分布关系、速度，都 将对目标车道选择产生影响。 2 3 2 可接受间隙 当确定了目标车道，驾驶员就要判断目标车道上是否有间隙可满足车辆插入。间隙接受模型描 述了驾驶员选择的车辆转向的相邻车道是否能够满足换车道行为。驾驶员估计与相邻车道上前后车 辆的间隙，即当前车辆的车头与相邻车道上前面车辆的车尾的净距，以及当前车辆的车尾与相邻车 道上后面车辆的车头的净距。如图2 4 所示，n 为等待进行变换车道的当前车辆，a 、b 为相邻车道 的前车和后车，他们的车速分别为、屹、v 6 ；d 0 、如当前车辆与相邻车道前后车辆净距。 1 4 第二章影响互通立交间距的因素分析 i bi n 吃捌邻乍遒 n | _ 当翦中遒 d 屯 图2 5 换车道的车辆与相邻车道前后车辆间距情况 判断车辆是否能够插入相邻车道，需分析相邻车道的车头时距。车头时距是交通流的重要参数， 它是进行交通流模拟、应用间隙接受理论进行通行能力分析及交通控制方法选择的基本要素。车头 时距分布属于连续型分布，常用的有以下几种模型： ( 1 ) 负指数分布 负指数分布常用来描述道路上车辆较少，车流密度不大，车辆可以自由超车状态下的车头时距 分布。其分布函数： p 积f ) = p 一 ( 2 8 ) 其中，p o r ) 车头时距大于等于t 秒的概率 a 单位时间的平均到达率，辆，s 。 车流的流量q 辆m ，则旯= q 3 6 0 0 ，令t = 1 五= 3 6 0 0 q ，t 表示车头时距的平均值。负 指数分布可以写成： ，伪f ) = e 刮7 ( 2 9 ) 数学期望和方差分别为： e ( t ) = v x = t ( 2 1 0 ) 哳o ) = 1 俨= t 2 概率密度函数为： 跗= = ( 2 ) 移位负指数分布 移位负指数分布常用来描述车流量较大， 其分布函数： p ( 五t ) - - e - “- f ) t f ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 运行受限制，不能超车的状态下的车头时距分布。 其中，p 积f ) 车头时距大于等于t 秒的概率； 五单位时间的平均到达率，辆，s ： 1 5 ( 2 1 3 ) 东南大学硕士学位论文 f 车头时距的最小值，s 车流的流量q 辆，h ，则a = q 3 6 0 0 ，令丁= 1 五= 3 6 0 0 q ，t 表示车头时距的平均值。移 位负指数分布可以写成： p o f ) = p 焉 r 2 f ( 2 1 4 ) 数学期望和方差分别为： e o ) = l 五= t ( 2 1 5 ) v a r ( f ) = 仃一f ) 2 ( 2 1 6 ) 概率密度函数为： l f 叶 ，( f ) ： 去8 “晓7 ( 2 1 7 ) 【0 t 0 ，为最小车头时距，口为自由流的比例，五为衰减常量，g 为主路车流量。 第二章影响互通立交间距的因素分析 五：卫 ( 2 2 3 ) l q z ( 5 ) 定长分布模型 当车流量很大，接近于通行能力时，车头时距基本上可以认为是恒定的，其值为安全跟车时距， 可以认为是无穷阶的e r l a n g 分布模型。 2 3 3 换车道行为 执行换车道行为的描述一般有两种。一种是初始化一个换车道偏角，进行时实仿真。另一种更 为普遍的方法是定义一个大致的完成换车道行为所需要的时间t ，由于目标车辆在跟驰状态下不会 发生大的变化，可以在t 时刻进行瞬时换车道。t 一般取值2 - 3 s 。 2 4 价值因素 由于互通立交相比其他道路形式，造价高、建设周期长，因此，必须在建设之前就充分考虑其 价值因素，设置互通立交带来的经济效益须大于不设置互通立交的经济损失。比如芝加哥地区的交 通规划，相距约1 6 k i n 的快速通道已定型，规划要考虑时间效益和造价。因此得出理论上最佳的 互通立交间距： z = 2 2 4 1 c t 肋只 ( 2 2 4 ) 其中，卜最佳互通立交间距( k m ) ； g 快速干道的单位造价( 美元触) ； 置交通出行的时间价值( 人们越富裕，事情越紧急，时间价值越高) ； d 单位面积内的出行吸引量( 车次, k m 2 ) ； 11 1 ，v “= ( 二一刁，、v ，分别为主干道和快速路的车速( m i l e h ) ； 叶 只只= e ，表示所有出行长度大于某一个值( k m ) 的比例，为出行中会用到快 ，( ，) 速路的最小出行长度( k m ) 快速路的交叉口间距与下面一些因素有十分明显的关系，在规划中要充分结合当地的土地使用 和社会经济发展的特点： 当建造费用上升时，快速通道的间距场，也就是通道网比较稀疏； 交通出行时间价值高，也就是说当人们越来越富裕时，要求快速通道的间距短； 如果常规道路的车速可以保持较高水平，则快速通道可以少建； 人口、就业岗位密度高，汽车出行密度大，则要求快速通道的规模大； 平均出行距离增加，快速通道的间距可取较大值；相反，如果平均出行距离较短，则应有较高 的密度。 离城市中心的远近与间距大小也有密切关系。通常离市中心近，交叉口间距较小；离市中心远， 交叉口间距较大 1 7 东南大学硕士学位论文 第三章互通立交基本路段、合流区、分流区车辆运行状况调查 城市互通立