（交通运输规划与管理专业论文）互通式立体交叉通行能力的研究.pdf

i 摘摘 要要 目前， 关于互通式立体交叉通行能力的概念及计算方法国内外尚无统一的说法， 国内交通工作者常将互通式立交各流向（包括主线和匝道）的通行能力相“叠加” ， 以此作为立交的设计通行能力并用于指导立交的规划设计工作。但事实证明，以传 统“叠加法”为依据设计出来的立交经常会出现“整体通行能力过剩、局部通行能 力不足”的现象，笔者认为其根本原因在于， “叠加法”只是从立交结构物本身去计 算立交整体能够通过的最大交通量，而忽略了实际交通流向流量的影响。 本着改善传统“叠加法”这种设计弊端的理念，笔者提出了立交“设计通行能 力”和“实际通行能力”的概念，并将通行能力和服务水平一一对应起来，具体为， 某一服务水平下立交的设计通行能力即立交主线及匝道在该服务水平下设计通行能 力之和，某一服务水平下立交的实际通行能力是在实际交通流向流量及交通组成下 当立交某一组成部位已达到该服务水平时，整个立交所能容纳的实际交通量。 论文第 2 章首先从互通式立交各组成部位的运营分析方法及相应通行能力的计 算方法入手，对目前国内外较为成熟的立交通行能力方面的研究成果进行了总结分 析，也为下文新概念及新理论的提出作出了铺垫。第 3 章提出计算与服务水平相对 应的互通式立交各组成部位（交织区、合（分）流区主线、匝道端部、主线及匝道 基本路段）通行能力的新理论，并于第 4 章给出了互通式立交通行能力的定义及计 算方法。最后第 5 章以上海市内环高架与南北高架相交的共和新路立交为例，说明 传统的通行能力“叠加”计算法在立交运营分析中的不足之处，以及如何应用实际 通行能力进行互通式立交的运营分析和改善研究。 关键词：关键词：互通式立交;设计通行能力;实际通行能力;服务水平;流向流量 ii abstract at present, there is not a uniform definition about interchange capacity at home and abroad, neither the capacity calculation method. the most often used capacity calculating method by domestic engineers is the “adding up method”, thats take the sum of capacity of each mainline and ramp as interchange capacity to guide the interchange planning and design. but it has been proved that this capacity calculating method has certain shortcomings, such as disproportional distribution of interchange capacity among all the interchange compositions. in our opinion, the radical reason of this phenomenon is: the above method doesnt consider the differences of traffic demand among different traffic flow directions of interchange. in light of the existing problems and causes of “adding up method”, the author put forwards the concepts of design capacity and actual capacity, together with the point that interchange capacity should be one to one correspondent with the level of service （los） . in details, design capacity under a certain los is the sum of each mainline and ramp capacity, actual capacity under a certain los is the total volume that can be accommodated by interchange under the design flow direction and volume, while one of the interchange compositions has reached the above los. chapter 2 of this paper has generalized and analyzed the production in interchange capacity field at home and abroad. chapter 3 has put forward a new set of theory to calculate the capacity of each composition of interchange, including weaving segment, mainline segment in merge （diverge） area, ramp junction, and basic segment of mainline and ramp. chapter 4 has given out the definition and calculating method of interchange capacity. finally, chapter 5 takes example of gonghe interchange in shanghai to illuminate the differences between design capacity and actual capacity, to show how to carry through operation analysis and make correspondent improvements with the new theory in this paper. key words: interchange; design capacity; actual capacity; los; flow direction 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景 立体交叉是利用跨线构造物使道路与道路（或铁路）在不同标高相互交叉的连 接方式，它是伴随着社会经济增长和汽车工业发展而产生的一种道路交通设施1。 上世纪 20 年代初， 新建城市中构想采用多层、 空间交叉的高效快速交通系统就已在 国外提出并建成。追溯道路立体交叉的发展和演变，从构思到实现，从平面到空间， 发端于城市道路， 发展于高速公路。 早在上世纪 20 年代， 美国就开始修建立体交叉， 1928 年美国在新泽西州的两条道路交叉处修建了第一座立体交叉， 该立体交叉为全 苜蓿叶式。19311935 年，瑞典在斯德哥尔摩建成了著名的斯鲁先立体交叉，该立 交采用 3 个环道的部分苜蓿叶式立交解决交通问题。 德国从 1935 年开始修建大量苜 蓿叶式或部分苜蓿叶式立体交叉。1996 年，加拿大在安大略省别尔里格顿城附近的 公路上建成第一座三路喇叭式立体交叉。二次世界大战后，汽车保有量的急剧增加 使高速公路应运而生，由于传统的平面交叉已不能适应高速公路交通特性的要求， 代之而起的是空间立体交叉的交通分配模式。 上世纪 50 年代中期开始， 美、 英、 法、 德、日等多开始大量修建高速公路，立体交叉向多层化方向发展。进入 60 年代，澳 大利亚、西班牙、墨西哥、加拿大、捷克斯洛伐克、南斯拉夫及一些发展中国家也 加入到大量修建立体交叉的行列。我国修建立体交叉起步较晚，首先从解决城市道 路交叉口的交通问题开始的。 1955 年武汉在滨江路上建成第一座部分苜蓿叶式立体 交叉。 1956 年， 北京开始在京密引水工程滨河路上修建三座部分苜蓿叶式立体交叉。 1964 年，广州市在大北路建成第一座双层环行立体交叉。从上世纪 70 年代初开始， 北京市在二环路上先后修建了十几座立体交叉。 进入 80 年代后， 随着我国高速公路 的兴建，立体交叉也得到了一定的发展。 立体交叉按交通功能可划分为分离式立体交叉和互通式立体交叉两类。分离式 立体交叉仅设跨线构造物（跨线桥或地道）一座，使相交道路空间分离，上、下道 路间无匝道连接，这种类型立体交叉结构简单，占地少，造价低，但相交道路的车 2 辆不能转弯行驶，只能保证直行方向的车辆空间分离行驶。互通式立体交叉不仅设 跨线构造物使相交道路空间分离，而且上、下道路之间有匝道连接，以供转弯车辆 行驶，主要优点是上、下道路的车辆可以转弯行驶，全部或部分消灭了冲突点，各 方向行车相互干扰小。本文主要研究对象即为互通式立体交叉（简称互通式立交） 。 互通式立交是高等级公路及城市道路的交通枢纽。近年来，随着我国公路及城 建事业的飞速发展，各地已陆续兴建了一些互通式立交，从发展趋势来看，仍有方 兴未艾之势。互通式立交的规划布局合理与否，对交叉口通行能力的提高、交通的 安全、行驶时间的节省和道路功能的发挥有很大的影响。衡量互通式立交规划布局 合理与否的一个重要标准就是其设计是否能满足未来的交通需求， 即供需平衡问题， 这就涉及到成熟的通行能力计算理论和交通需求预测理论。 1.2 国内外研究现状与分析国内外研究现状与分析 立交通行能力是立交规划、设计和运营管理工作中的基础参数，世界各国对立 交通行能力都进行了不同程度的研究。其中，最具系统性和代表性的是美国交通研 究所 （transportation research board， 简称 trb） ， 该院在 1975 年以前， 名为 highway research board， 简称 hrb， 该院前后对其研究成果 highway capacity manual （hcm） 进行了三次修订，具体为 1950 年版（hcm1950） 、1965 年版（hcm1965） 、1985 年版（hcm1985）和 2000 年版（hcm2000） 。继美国之后，许多西方发达国家如 英国、法国、德国、瑞典、加拿大、澳大利亚、日本等国均根据本国实情组织专门 研究队伍开展了这方面的实地调研，编制出版各自的 hcm 手册，如 1977 年，瑞典 出版了瑞典通行能力手册 ，1984 年，加拿大出版了加拿大信号交叉口通行能 力规程 ，1986 年，日本出版了道路通行能力 ，1994 年，德国出版了道路通行 能力手册 （hbs） 。20 世纪 80 年代初，一些发展中国家，如印度、巴西、印度尼 西亚、韩国、马来西亚等国也在各国政府的支持下，对道路通行能力进行研究，编 制出适合各自国情的通行能力手册。美国 hcm2000 将互通式立交分解为交织区、 匝道基本路段、匝道端部以及主线基本路段，并分别给出了各部位服务水平评价方 法及经验计算公式2。印度尼西亚 ihcm 给出了交织区和机动车专用路的通行能力 3 计算方法3。 国内，研究较为全面的要属王炜的交通工程学 ，但同其他大多数文献类似， 交通工程学也仅对互通式立交各组成部位的通行能力进行了研究，而没有涉及 到整个立交通行能力的计算方法4。杨少伟的道路立体交叉规划与设计1以及 严宝杰的道路通行能力分析5也给出了互通式立交某些组成部位通行能力的理 论计算公式或经验取值。此外，很多交通学者也陆续不断地提出了计算立交各组成 部位通行能力的新方法、新模型，包括道路入口匝道连接处通行能力计算模型6、 城市高架道路连续入口匝道通行能力研究7、城市快速路基本路段通行能力的确定 8、出口匝道连接处通行能力分析计算模型9等。近几年，也有学者提出应用先进 的计算机仿真技术和严谨的数学模型来计算立交通行能力，包括仿真求解快速路交 织区通行能力10、高架道路立交通行能力的组合计算方法11以及通过突变理论模拟 交通流三要素之间的关系，从而计算立交通行能力12等。 关于整个互通式立交，国内学者普遍取各流向（匝道、主线）通行能力“叠加” 之和为整个立体交叉的通行能力，而各组成部位所能服务的最大交通量即为该组成 部位的通行能力。事实上，在应用上述“叠加”通行能力指导立交规划设计时，经 常会出现以下情况：由于某一匝道或某一主线方向上的堵塞而造成整个立交交通的 瘫痪，但此时，整个立交的实际交通量却远小于上述“叠加”的通行能力。我们认 为，造成这种现象的一个很重要的原因就是设计时没有考虑到立交各组成部位的通 行能力与相应部位交通流量需求差距的不同13。 如上所述，以往关于互通式立交通行能力的研究主要集中在各组成部位，而较 少将其作为一个整体，使得立交设计的科学性大大降低，最终导致修建出来的立交 总的通行能力与总的交通需求不相吻合，各流向的通行能力与相应的交通需求不相 吻合，以及各流向之间服务质量的不均衡等等现象，如此，既不能有效地发挥立交 的基本功能、解决交通拥堵问题，又造成了资源的浪费。有鉴于此，本文提出了一 套计算互通式立交通行能力的新方法。 4 1.3 研究目标研究目标 目前国内最常用的互通式立交通行能力的计算方法即上述的 “叠加法” 。 由于 “叠 加法”计算通行能力时没有考虑到立交各流向交通需求之间的不同，所以本文认为 这种方法并不能准确地描述互通式立交的实际运行状况，更为严重的是，此法还会 掩盖立交运行中可能会出现的瓶颈部位。论文主要观点为：互通式立交的通行能力 与交叉口的交通流向流量需求以及预计达到的服务水平密切相关。在此基础上，本 文旨在理清互通式立交的通行能力与交叉口流向流量以及服务水平之间复杂的关 系，最终寻找一套能够有效计算不同服务水平下互通式立交通行能力的理论方法， 从而能更好地用于指导立交的规划布局与设计。 以科学性、实用性为基础，本文重点研究互通式立体交叉的通行能力，其结论 可用于： 1. 现有互通式立体交叉的运行分析和改善研究； 2. 待建互通式立体交叉的可行性研究、选型及设计。 1.4 研究内容研究内容 本文是这样进行逻辑构思的：首先在第 2 章对现有国内外的研究成果进行系统 回顾，重点剖析了较为典型的三本文献，包括美国道路通行能力手册（hcm2000） 、 印度尼西亚道路通行能力手册（ihcm）和国内的交通工程学 （王炜） ，为后文 提出新的理论作了宽厚的铺垫。在此基础上，于第 3 章给出了与服务水平和交通流 向流量相关的立交各组成部位通行能力的计算方法，于第 4 章给出了立交设计通行 能力和实际通行能力的定义及各自的计算方法。最后第 5 章以上海市内环高架与南 北高架相交的共和新路立交为例说明设计通行能力与实际通行能力的不同之处，以 及如何应用文中新理论进行互通式立交的运营分析和改善研究。其中，第 3 章和第 4 章是本文的核心组成部分。概言之，全文的逻辑架构围绕三个内容展开：研究的 理论依据是什么？研究的具体内容是什么？如何应用研究成果？ 5 1.5 创新之处创新之处 论文的创新之处主要反映在以下三个方面： 第一， 认为互通式立交的通行能力与服务水平一一对应14。 现有观点大多认为， 立交的布局、形式、构造一经确定，它的通行能力也就随之确定了，其值为主线和 匝道通行能力的简单“叠加” ，是一定值。实际应用时，常根据立交设计交通量与立 交通行能力的比值（饱和度）大小来分析立交疏导交通流的能力，一般的，饱和度 小于 1.0，即认为该立交方案基本能够满足预测交通流的需求。我们认为，将立交通 行能力定义为一定值并不能有效指导立交的布局和设计。立交的通行能力应与服务 水平应是一一对应的关系，不同等级的立交在设计时应有不同的服务水平目标，一 般而言，立交等级越高，设计时所应提供的服务水平也应越高，而同一立交，服务 水平越高，允许通过的最大车流量就越小。 第二，认为互通式立交的通行能力与交通流向流量密切相关。传统“叠加法” 仅从道路自身条件计算立交通行能力，并未考虑实际流向流量的影响，所以设计出 来的立交经常会出现各流向交通分布极不均匀的现象：交通量大的转向上车流异常 密集，高峰时段甚至产生拥堵，而此时形成明显对比的是另外一些方向上的车流却 较为稀少。为了改善这种交通流对立交各组成部位利用不均匀的情况，必然要将立 交的通行能力与交叉口的交通流向流量挂钩。设计时，应力求做到使不同流向的服 务水平旗鼓相当， 以发挥立交的最大通行潜力。 基于此， 本文提出了互通式立交 “设 计通行能力”和“实际通行能力”的概念： “设计通行能力”是立交各主线及匝道的 设计通行能力之和，其计算方法与传统“叠加法”大同小异； “实际通行能力”是在 实际交通流向流量组成下，当立交某一组成部位已达到设计服务水平时，整个立交 所能容纳的实际交通量。相对设计通行能力，实际通行能力还考虑到了立交各流向 交通需求之间的差异以及实际交通组成的影响。 第三，认为互通式立交匝道出入口既对匝道端部通行能力有影响2，也对主线 通行能力有影响。传统“叠加法”取主线与匝道通行能力之和作为整个立交的通行 能力，计算过程虽考虑到了匝道出入口对匝道通行能力的影响，但却忽视了匝道出 6 入口对主线通行能力的影响。不难想象，匝道出入口处车流的分流和合流必然会影 响到主线上直行车流的通行，既而影响到主线的通行能力。所以，本文将主线分为 主线交织区、合（分）流区主线和主线基本路段三个部位，计算时，主线通行能力 取三者中通行能力的最小值。而匝道通行能力的计算仍沿用“叠加法”的思路，取 匝道交织区、匝道端部和匝道基本路段三者中通行能力的最小值。 7 2 主要相关成果回顾主要相关成果回顾 2.1 highway capacity manual 2000（hcm2000） 2.1.1 交织区交织区 交织是指行驶方向相同的两股或多股交通流，沿着相当长的路段，不借助交通 控制设施进行的交叉。当合流点后紧接分流点，或者当进口匝道后紧接出口匝道且 两者被辅助车道连接时，就形成了交织段。hcm2000 将交织分为简单交织和多重 交织。一个单独的合流点后接一个单独的分流点所形成的交织称为简单交织。一个 合流点后接两个分流点， 或者两个合流点后接一个分流点形成的交织称为多重交织。 多重交织的评估计算是以简单交织为基础的，所以 hcm2000 主要研究的是简单交 织。 对于简单交织，根据交织车流完成交织所需交换的车道数，hcm2000 又将其 分为 a、b、c 三类。a 类交织最显著的特点是所有交织车辆都必须要经历一次车 道变换；b 类交织的特点是一股交织车流不需要变换车道，另一股交织车流则要经 历至多一次的车道变换；c 类交织的特点是一股交织车流不需要变换车道，另一股 交织车流则要经历两次或两次以上的车道变换。交织分类见表 2-1，交织示意图见 图 2-1。 表 2-1 交织分类表 一股交织车流完成交织所需变换的车道数 0 1 2 0 b 类 b 类 c 类 1 b 类 a 类 / 另一股交织车流 完成交织所需变 换的车道数 2 c 类 / / a 类交织 8 b 类交织 c 类交织 图 2-1 交织示意图 hcm2000 交织区服务水平评价主要依据的是交织区平均密度指标，主要思路 为“交织构型、几何条件及交通组成交织车流平均车速和非交织车流平均车速 交织区所有车辆的平均车速交织区平均密度交织区服务水平” ， 具体步 骤如下： 1. 按式2-1将以veh/h为单位的小时交通量v化成以pcu/h为单位的高峰15min 流率v； 2. 假设交织运行形式为非约束，查表 2-2 得到非约束运行下的常数 a、b、c、 d，将其代入式 2-2 计算交织车辆平均车速 w s 和非交织车辆平均车速 nw s； 3. 按式 2-3（a 类） 、2-4（b 类）或 2-5（c 类）检验交织运行形式：若 w n w n （max）则为约束运 行，上述假设不成立，需要重新查表 2-2 得约束运行下的常数 a、b、c、d， 再将其代入式 2-2 计算 w s 和 nw s，再将此 w s 和 nw s代入式 2-6 求取交织区 所有车辆平均车速s； 4. 按式 2-7 求交织区的平均密度d，查表 2-3 得交织区服务水平。 9 phv ffphf v v * = 式 2-1 cbd d ff w n v vral ls ss )()1 ( )10( 15)( nw + += 式2-2 438. 0 234. 0571. 0 )(74. 0 w w s lvrn n= 式2-3 )(018. 0 8 .234 )(703. 0085. 0 wnww ss l vrnn+= 式2-4 )(005. 000011. 0)(047. 0761. 0 wnww sslvrnn+= 式2-5 + = nw nw w w s v s v v s 式2-6 s n v d = 式2-7 式中， v-交织区小时交通量，veh/h； vr-流量比，vvvr w /=； v-交织区高峰15min流率， nww vv+=v，pcu/h； ff s-驶入、驶出交织区的路段的自由流车速 的平均值，mi/h； w v -交织流率，pcu/h； l-交织区段的长度，mi； nw v-非交织流率，pcu/h； n-交织区段的车道数； phf -高峰小时系数； dcb、a-常数，查表2-2； hv f-重型车调整系数； w n -交织车辆所用的车道数（不一定是整 数） ； 10 p f-驾驶员修正系数； s-交织区所有车辆的平均车速，mi/h； w s-交织区交织车辆的平均车 速，mi/h； d-交织区的平均密度pcu/mi/ln。 nw s-交织区非交织车辆的平均车速，mi/h； (max) w n-各种交织类型交织车辆所能使用的最大车道数，a、b、c三类交织 的(max) w n分别为1.4、3.5、3.0； 表2-2 （非）交织运行车速中常数a、b、c、d取值表 交织车速 w s 非交织车速 nw s a b c d a b c d a类交织 非约束运行 0.15 2.2 0.970.800.00354.0 1.3 0.75 约束运行 0.35 2.2 0.970.800.00204.0 1.3 0.75 b类交织 非约束运行 0.08 2.2 0.700.500.00206.0 1.0 0.50 约束运行 0.15 2.2 0.700.500.00106.0 1.0 0.50 c类交织 非约束运行 0.08 2.3 0.800.600.00206.0 1.1 0.60 约束运行 0.14 2.3 0.800.600.00106.0 1.1 0.60 对于交织区通行能力，hcm2000将其定义为：使交织区平均车辆密度达到e 级服务水平下限（高速公路为43.0 pcu/mi/ln，多车道公路或集散道路为40.0 pcu/mi/ln）的任何流量组合。影响交织区通行能力的因素有很多，主要有交织类型、 交织车道数n、交织长度l、自由流车速 ff s 和交织比vr。 hcm2000并没有给出交织区通行能力详细的计算方法，仅给出了各种不同组 合情况下交织区设计通行能力 b c的经验值，实际应用时可直接查取，再经过修正得 到交织区的实际通行能力。 11 表2-3 交织区服务水平列表 交织区密度（pcu/mi/ln） los 高速公路 多车道公路或集散道 a 10.0 12.0 b 10.020.0 12.024.0 c 20.028.0 24.032.0 d 28.035.0 32.036.0 e 35.043.0 36.040.0 f 43.0 40.0 交织区以veh/h为单位的高峰15min实际通行能力： phv ff*cc b = 式2-8 交织区以veh/h为单位的实际小时通行能力： phf*cch= 式2-9 式中， b c -交织区高峰15min设计通行能力，pcu/h； c-交织区高峰15min实际通行能力，veh/h； h c-交织区实际小时通行能力，veh/h。 2.1.2 匝道基本路段匝道基本路段 由于匝道基本路段很少会是立交运行的瓶颈所在，所以关于匝道基本路段的研 究就稍微少一些。虽然到目前为止，美国也出现过有关匝道基本路段设计的若干标 准（如aashto等） ，但这些标准大多是针对匝道几何线形的，并不能直接用于匝 道车流的运行分析。所以，以下内容也仅能对匝道基本路段的设计起指导作用。 匝道基本路段与高等级道路基本路段的区别在于： 1. 匝道基本路段的长度和宽度（常为单车道）是受限的； 2. 匝道基本路段的自由流车速要比与其相连的道路，特别是高等级道路基本 路段的低； 3. 单车道匝道限制了超车，所以大货车等低速行驶的车辆对匝道上其他车辆 的影响也就较主线更大； 12 4. 在匝道与低等级道路相交所形成的匝道平交口处，特别是灯控匝道平交口 处，匝道上常常会出现车辆排队现象。 表2-4给出了匝道基本路段通行能力的近似值， 这些经验值主要是在1970年调 查数据的基础上调整得来的。 表2-4 匝道基本路段通行能力近似值 通行能力（pcu/h） 匝道自由流车速 fr s （mi/h） 单车道匝道 双车道匝道 50 2200 4400 4050 2100 4100 3040 2000 3800 2030 1900 3500 35 f 控制点交通需求超过通行能力时 2.1.4 高速公路基本路段高速公路基本路段 基本路段即除匝道或交织区影响范围以外的路段，如图2-3所示。 图2-3 基本路段示意图 对基本路段进行运行分析的步骤大致如下1314： 1. 根据式2-26及式2-27确定自由流车速及高峰15min流率； 2. 根据自由流车速和高峰15min流率，查速度流量曲线图2-4即可得到基 本路段的平均车速s； 3. 根据式2-28计算基本路段的密度，查服务水平列表2-6可得服务水平。 主要计算公式如下： 自由流车速 idnlclw ffffbffsffs= 式2-26 16 高峰15min流率 phv p ffnphf v v * = 式2-27 密度 s v d p = 式2-28 式中， ffs-自由流车速，mi/h； p v -15min流率，pcu/h/ln； bffs-基本自由流车速，市区为70mi/h，乡 村为75mi/h； v-小时交通量，veh/h； lw f-车道宽度校正系数； phf -高峰小时系数； lc f-右侧路肩侧向余宽校正系数； n-路段车道数； n f -车道数调整系数； hv f-重型车调整系数； id f-立交密度调整系数； p f -驾驶员修正系数； 图2-4 速度流量曲线图 同样，hcm2000没有提出高速公路基本路段通行能力的计算方法。但设计中， 可以根据图2-4，求出给定自由流车速的路段在某一服务水平下所对应的最大服务 17 交通量。 表2-6 高速公路基本路段服务水平列表 los 密度（pcu/mi/ln） a 011 b 1118 c 1826 d 2635 e 3545 f 45 2.2 indonesia highway capacity manual（ihcm） 2.2.1 交织区交织区 由于不同国家具有不同的交通流特性，所以直接引入西方国家通行能力手册中 的计算方法显得很不切实际，为此，印度尼西亚以英国的wardrop理论为基础，建 立了适合本国交通特性的一套理论，即印度尼西亚道路通行能力手册 （ihcm） 。 ihcm将交织分为单一交织和环交交织两类， 如图2-5， 环交交织是指环形交叉 口内的交织。给定几何线形、环境因素、交通条件，可用ihcm所给方法计算两类 交织的相应指标，见表2-7。 单一交织 环交交织 图2-5 交织示意图 18 表2-7 交织计算指标列表 交织类型 指标 单一交织 环交交织 通行能力 饱和度 延误 排队概率 行程车速 行程时间 主要计算公式如下： 通行能力 8 . 1 5 . 05 . 13 . 1 )1 ( )300%1 ()1 (135 lw ffwwww c rfcse + + = 式2-29 饱和度 c q ds p = 式2-30 环交交织的延误d及排队概率%qp都与饱和度ds有关， 可直接查取d-ds及 %qp-ds经验曲线，如图2-6和图2-7。 单一交织的行程车速)1 (1 (5 . 0 5 . 0 0 dsvv+= )300%1 ()100%1 (2 .45 8 . 2 0 whvv+= 式2-31 单一交织行程时间 v l tt 6 . 3 = 式2-32 式中， c-交织区通行能力；pcu/h； ds-交织区饱和度； w-交织区宽度，m； p q -交织区总交通量，pcu/h； l-交织区长度，m； d-环交交织区延误，sec/pcu； e w-进口道平均宽，m； %qp-环交交织区排队概率，； %w-交织交通量百分比，； v-单一交织区的行程车速，km/h； cs f-城市规模修正系数； 0 v -单一交织区的自由流车速，km/h； 19 rf f-道路环境及侧向干扰修正系数； %hv-重型车百分比，； 图2-6 d-ds曲线图 图2-7 %qp-ds曲线图 验证表明，利用上述公式计算所得交织区的通行能力值与实际观测值之间的误 差大致在15以内。注意，当交通需求较大时，车辆之间可能会为了争夺有限的空 间而引起交织区的拥堵，所以本方法只适用于饱和度小于0.8的交织区。 20 2.2.2 机动车专用路机动车专用路 ihcm给出了市区机动车专用路可承担的最大流量及相应行程时间的计算方 法。首先，我们看看什么是标准机动车专用路？ 满足以下条件的道路即为标准机动车专用路： 1. 双向四车道，每车道宽3.6m（即单向车行道宽为7.2m） ； 2. 左侧路肩有效宽为2.0m； 3. 特大型城市，即人口3.0m； 4. 无侧向干扰（严格限制出入口） ； 5. 路段上交叉全部为立体交叉； 6. 交通流中无摩托车和非机动车； 7. 地势平坦； 8. 线形顺直。 其它类型机动车专用路的运行评价是以上述标准机动车专用路为基础的。主要 计算公式如下： 给定车速下单向车行道最大流量 wii fcqq)(4600 0 = 式2-33 行程时间 v l tt3600= 式2-34 式中， i q -车速 i v下单向车行道的最大流量，pcu/h； i cq)( 0 -车速 i v对应的流量容量最大比，见表2-8，h/pcu4600 0 =c； w f -车道宽及有效路肩宽修正系数； tt -平均行程时间，sec； l-路段长速，m； v-行程车速，km/h。 当 i cq)( 0 1.0时，求出的流量 i q即为路段通行能力。 由于本方法的支撑数据来自印尼市内高速公路， 其修正系数也是依据美国hcm （trb，1985）调整得来的，所以计算精度较低。 21 表2-8 车速 i v与流量容量最大比 i cq)( 0 对应列表 车速 i v（km/h） 流量容量最大比 i cq)( 0 75 0.40 70 0.61 65 0.75 58 0.89 45 1.00 2.3 交通工程学 （王炜）交通工程学 （王炜） 2.3.1 交织区交织区 交通工程学对交织区的分类及运行评价的思路基本与hcm2000相同，唯 一的不同在于， 交通工程学 中交织区的服务水平是直接依据交织车辆及非交织车 辆的平均车速建立的，见表2-9。其中，一级服务水平相当于hcm2000的a、b级， 二、三级服务水平分别相当于hcm2000的c级和d级，四级相当于hcm2000的 e、f级。 表2-9 交织区服务水平标准 服务水平等级 最小平均交织速度 （km/h） 最小平均非交织速度 （km/h） 一 80 86 二 72 77 三 64 67 四 56ab 56ab 注 a.四级服务水平下半部系强制流状态， 车速很不稳定， 变化于 056km/h 之间； b.56km/h 系计算时使用，与实地测速相比有一些误差。 根据交通工程学 ，若已知交织区自由流车速、流量比、交织长度和交织车道 数，则可采用逆向思维的方式（暂称之为“逆推法” ）来计算各级服务水平对应的交 织区最大交通量，即设计通行能力。 22 2.3.2 匝道基本路段匝道基本路段 匝道基本路段分为单车道匝道基本路段和双车道匝道基本路段。单车道匝道基 本路段的设计通行能力当匝道设计车速50km/h时，为1200pcu/h；当匝道设计车速 60km/h时，为1500pcu/h。双车道匝道基本路段的设计通行能力只有在驶入或驶出 匝道端部的车辆能以两列并行的方式驶入或驶出主线时，才能取单车道匝道基本路 段设计通行能力的两倍。 2.3.3 匝道端部匝道端部 交通工程学将匝道分为孤立匝道和非孤立匝道。不论驶入匝道还是驶出匝 道，当其与相邻匝道之间的间距大于对其产生交通影响的间距时，此匝道就是孤立 匝道，反之就是非孤立匝道。对孤立匝道可单独进行通行能力和服务水平的分析计 算，而对非孤立匝道，则需考虑相邻匝道的交通影响。 匝道端部服务水平分析计算的步骤如下： 1. 建立匝道的几何构造与交通量，几何构造包括匝道的型式和位置，交通量 是指匝道以及匝道附近的交通量； 2. 计算合（分）流上游与匝道相邻近的主线最外侧车道，即车道1上的交通 量 1 v，计算公式见图2-8； 3. 将所有交通量（veh/h）换算成每小时小客车交通量（pcu/h） ； 4. 计算检验点交通量，检验点包括驶入匝道汇合交通量 m v、驶出匝道分离交 通量 d v、主线交通量 f v，见图2-9； 5. 据表2-10确定各检验点的服务水平，一般情况下，上述三个检验点在运行 质量上是不平衡的，此时，服务水平最差者是控制因素。 同hcm2000一样， 交通工程学也没有给出关于匝道端部通行能力的计算方 法或是经验值。 23 24 图2-8 交通量 1 v的计算图示 25 图2-9 检验点交通量示意图 上图中， m v -驶入匝道汇合交通量， m v = 1 v+ r v，veh/h； d v -驶出匝道分离交通量， d v = 1 v，veh/h； r v-匝道交通量，veh/h； f v -主线单向交通量，veh/h； u d -与相邻上游匝道之间的距离，m； 1 v-主线最外侧车道交通量，veh/h； u v -相邻上游匝道的交通量，veh/h； 表2-10 匝道与主线连接处检验点服务水平标准 以下计算行车速度（km/h）下的主线单向交通量 f v（pcu/h）a 120 100 80 60 服务 水平 等级 汇合交 通量 m v （pcu/h） 分离交通 量 d v （pcu/h） 四车道 六车道四车道六车道四车道六车道 四车道 六车 道 一 1000 1050 2200 330020003000-b -b -b -b 26 二 1450 1500 3200 46002600420026003900 23003450 三 1750 1800 3800 57003400510032004800 29004350 四 2000c 2000c 4000c 6000c4000c6000c3800c5700c 3600c5400c 注：a.驶出匝道上游或驶入匝道下游主线一个行驶方向的总交通量； b.由于计算行车速度的限制，不能达到该级服务水平； c.由于交通流处于强制流状态，交通量在低于四级上半部情况下变化高度不稳定； d.三个检验点交通量换算成每小时小客车数。 2.3.4 高速公路基本路段高速公路基本路段 高速公路基本路段的理想条件为： 1. 3.75m车道宽度4.50m； 2. 侧向净宽1.75m； 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。 最大服务交通量即在上述理想条件下各级服务水平允许通行的最大交通量，计 算公式见式2-35。i级服务水平下的最大服务交通量经过车道宽、重型车及驾驶员 特性修正后即为该级服务水平下的设计通行能力，见式2-36。 高速公路基本路段最大服务交通量 ibsv cvcm i )(*= 式2-35 单向车行道的设计通行能力 phvwsvd fffnmc i *= 式2-36 式中， i svi m-第i级服务水平下的最大服务交通量，pcu/h/ln； b c -设计通行能力， 即理想条件下一车道所能通行的最大交通量， 设计车速为120、 100、80、和60km/h时，对应的 b c分别为2000、2000、1900和1800 pcu/h/ln； i cv)(-第i级服务水平下的最大服务交通量与设计通行能力的比值； d c-单向车行道设计通行能力，即在具体条件下，采用i级服务水平时所能通行 的最大交通量，veh/h； 27 n-单向车行道的车道数； hv f-重型车修正系数； w f -车道宽度和侧向净宽修正系数； p f -驾驶员特性修正系数。 2.4 成果总结成果总结 2.4.1 交织区通行能力的计算方法交织区通行能力的计算方法 hcm2000根据交织车辆完成交织所需变换的车道数将交织分为三种类型，a 类、b类和c类，并认为，交织区达到e级服务水平下限时所承担的交通量即为交 织区的通行能力，影响交织区通行能力的因素是多方面的，主要因素有交织类型、 交织长度、 交织车道数、 自由流车速和交织交通量比。 在此认知的基础上，hcm2000 给出了不同类型的交织区在不同自由流车速、不同交织长度、不同交织车道数以及 不同交织比下设计通行能力的经验值，应用时，可直接查取。设计通行能力经重型 车、驾驶员特性、高峰小时系数等参数修正后即可得到交织区的实际通行能力。 ihcm将交织分为单一交织和环交交织两类，认为影响交织区通行能力的主要 因素有交织长度、交织宽度、进口道宽度、交织交通量比、城市规模、道路环境及 侧向干扰。在对实际调查数据进行分析模拟的基础上，ihcm给出了交织区实际通 行能力的经验计算公式。 在hcm2000交织区服务水平评价方法的基础上， 交通工程学提出了交织区 通行能力的计算方法“逆推法” ，即“假定交织区的服务水平交织车流平均 车速和非交织车流平均车速交织区的最大流量” ， 该最大流量即为通行能力。 值 得提出的是，hcm2000对交织区服务水平评价的思路为“交织车流平均车速和非 交织车流平均车速交织区所有车辆的平均车速交织区平均密度交织区 服务水平” ，该过程是“二推一”模式的，是不可逆的，所以为了使反推得以实现， 交通工程学直接依据交织车流平均车速和非交织车流平均车速建立了自己的服 务水平评价方法。 综上所述，三种方法最大的区别在于：hcm2000和ihcm都认为交织区通行 能力与服务水平无关，是个定值；而交通工程学 “逆推法”则变相的认为交织区 28 通行能力是与交织区服务水平直接相关的，不同服务水平对应不同的通行能力，这 也与本论文的观点是相一致的。 2.4.2 匝道基本路段通行能力的计算方法匝道基本路段通行能力的计算方法 目前，国内外普遍认为，匝道基本路段很少会是立交运行的瓶颈，所以有关匝 道基本路段的研究就较少了。其中hcm2000给出了不同自由流车速下单车道匝道 和双车道匝道基本路段通行能力的近似经验值。 2.4.3 匝道端部通行能力的计算方法匝道端部通行能力的计算方法 hcm2000将匝道端部影响区划定为长度为自合（分）流点向后（前）1500ft， 宽度为加、减速车道以及主线上最外侧两条车道之间的范围。认为匝道会对主线最 外侧两条车道上的交通造成影响。 匝道端部服务水平评价的基本思路为： “计算主线 最外侧两条车道上的交通量计算各控制点的通行能力值并验证其饱和度计 算合（分）流区的平均密度得出端部的服务水平” 。 ihcm中缺少与匝道端部服务水平评价或是通行能力计算相关的内容。 交通工程学将匝道分为孤立匝道和非孤立匝道，对非孤立匝道，还需考虑 相邻匝道的影响。匝道端部服务水平评价时仅考虑到了匝道对主线上