（交通运输规划与管理专业论文）快速路出入口管理与控制及仿真研究.pdf

摘要 快速路在缓解城市交通压力中起到了举足轻重的作用，而快速路出入口又是快速路能否畅通运 行的瓶颈。本论文依托国家自然科学基金资助项目( 5 0 3 2 2 2 8 4 ) “适合中国城市的交通拥挤管理系统 研究”进行，对快速路出入口管理与控制及仿真进行了研究。 本论文首先介绍了快速路系统及出入口特性，并且对目前已被接受的出入口管理与控制策略进 行了汇总，分析了其优缺点；在此基础上，重点对快速路入口控制进行了研究，介绍了入口控制系 统的构成及布设，对几种典型的入口控制算法及其优缺点进行了对比分析，利用释放率对入口控制 进行分类，给出了入口控制类型的选择标准，分析了入口控制必须满足的四个基本参数，利用 a a s h t o 标准，结合中国道路、交通流特性为这四个基本参数提供了建议值。 接着分析了交通仿真模型，介绍了微观仿真模型中的基本模型及模型参数的校正概念，深入探 讨了模型校正流程，并且以v i s s i m 微观仿真为例，通过实地采集数据对模型进行标定，并且检验 了模型的有效性 最后选择北京三环路、快速路主路与辅路平行的结合方式下，路段上先入后出式的出入口类型， 对入口控制系统进行设计，运用标定过后的v i s s i m 微观仿真模型和”( 动态控制编程) 模块对无控 制、定时调节、感应调节中的需求- 容量控制和a l i n e a 控制进行仿真评价，对比分析表明对快速路 入口控制是非常必要的，并且a l i n e a 控制对快速路主路及入口交通状况的改善都优于其他控制策 略，随着交通流量的增大，优势越明显；通过仿真手段选取主路通行时间和入口延误为评价指标对 入口控制进行了适用性研究，并且选取主路流量和主路平均速度为指标对基于入口控制的路段先入 后出式出入口最小间距进行了研究，给出了推荐值，为入口控制实施提供了参考。 关键词：城市快速路出入口管理入口控制交通仿真 a b s t r a c t e x p r e s s w a yp l a y sad e c i s i v er o l ef o re a s i n gu r b a nh 刮咂cc o n g e s t i o n , w h i l ee x i ta n de n t r a n c ea r et h e b o t t l e n e c ko fe x p r e s s w a yw h i c hd e c i d e sw h e t h e ri tc a no p e r a t es m o o t h l y b a s e do nt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef u n d p r o j e c t 。r e s e a r c h o ut r a f f i c c o n g e s t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m f u r c i l i n e s ec i t i e s ( n o ：5 0 3 2 2 2 8 4 ) 1 h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o la n ds i m u l a t i o no fe x i ta n de n t r a n c ei ne x p r e s s w a ya r e r e s e a r c h e di nt h ep a p e r a tf i s tt h i st h e s i si n t r o d u c e st h ee x p r e s s w a ys y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fe x i ta n de n t r a n c e ， s u r u m a r i z e st h ee x i ta n de n t r a n c em a n a g e m e n ts t r a t e # c sa c c e p t e d , a n dt h e na n a l y z e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s b a s e dt h a to ni tf o c u s e so l lt h es 乱l d yo fe x p r e s s w a ye l l t r a n c ec o n t r o l ，a n dt h e ni n t r o d u c e s t h ec o m p o n e n ta n dl a y o u to fe n t r a o c oc o n t r o ls y s t e m , a n dm a k e sac o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt h ea l g o r i t h m s o fs e v e r a lt y p i c a le n t r a u c ec o n t r 0 1 i tc l a s s i f i e se n t r a n c ec o n t r o lw i t hr e l e a s em t e ，a n dg i v e st h es e l e c t i n g c r i t e r i ao fe n t r a n c ec o n t r o lt y p e i ta n a l y z e st h ef o u rb a s i cp a r a m e t e r st h a te n t r a n c ec o n t r o lm u s tm e e t , a n d c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o a da n d 恤伍cf l o wi nc h i n a , p r o v i d e sf o rt h ep r o p o s e dv a l u e so f t h e s ef o u rb a s i cp a r a m e t e r sw i t ha a s h t oc r i t e r i a t h e nt h i st h e s i sa n a l y s e st m 砸cs i m u l a t i o nm u d e l , i n t r o d u c e st h eb a s i cm o d do ft h em i c r o - s i m u l a t i o n m o d e l sa n dt h ec o n c e p to fm o d e lc e h ”o r a t i o n , a n dd e e ps t u d i e sap i o c e d u mo fm o d e lc a l i b r a t i o n t a k i n ga s s 蹦a sa l le x a m p l e 。v i s s i mm o d e li sc a l i b r a t e da n dv a l i d a t e c lb yt h ef i e l dd a t a f i n a l l yt h i st h e s i sd e s i g n st h ee n t r a n c ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es e c t i o no fb e i j i n g st h i r dr i n gr o a d w h e r ee x p r e s s w a yp a r a l l e l si t sa u x i l i a r y u s i n gt h ev i s s i mm o d e lc a h b m t e da n dv a pc o n t r o lm o d u l e ，i t e v a l u a t e sn o - c o n t r o l ，p r e t i m ec o n t r o l , d c - c o n t r o la n da l i n e s - c o n t r o lac o m p a r a t i v ea n a l y s i ss h o w st h a t a l i n e a - c o n t r o l i ss u p e r i o r t o o t h e r c o n t r o ls t r a t e g i e s i n t h e i m p r o v e m e n t o f t r a f f i c c o n d i t i o n s o n e x p r e s s w a y a n di t se n t r a n c e a n da st r a f 1 cv o l u m ei n c r e a s e s , i t sa d v a n t a g e sa m 咖eo b v i o u s i tr e s e a r c h e st h e a p p l i c a b i l i t yo fo n t r l u l c ec o n t r o lt h r o u g hs i m u l a t i o nm o d e la n dt h em i n i m u md l s u t u c eb e t w e e i le n h a n c e a n de x i ti nt h es e c l i o nu n d e re n t r a n c ec o n t r o l , a n dt h a ng i v e st h er e c o m m e n d e dv a l u e s , w h i c hp r o v i d e sa r e f e r e n c ef o ri m p l e m e n t a t i o no f a n l r a n c ec o n t r o l k e y w o r d s ：u r b a ne x p r e s s w a y ；e x i ta n de n t r a n c em a n a g e m e n t ；蛐h a n c o n t r o l ；t r a l 五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：拯遣逻日期：2 咝2 ：f 。f2 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：拯逮莲导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 随着城市建设规模不断扩大以及生活节奏的加快，人们对城市道路基础设施建设提出了越来越 高的要求，修建高等级城市道路以提高行车速度和通行能力已经成为缓解城市交通压力，满足人们 高效出行需求的有效手段。城市建设快速路网来提高城市交通运输服务水平的措施，已经被越来越 多城市所采用。全国各地特别是大城市已基本建成了城市快速路网，如北京市城市快速路网已经形 成了五环十五射，上海已经形成了三环十射，天津为三环十四射等。 但是快速路的管理与控制并没有与快速路的建设同步发展，这导致快速路的交通负荷过大，高 峰时间段堵塞严重，平均行驶速度严重低于设计速度。以北京为例，交管局交通中心在2 0 0 2 年指出： 高峰期间南北贯穿市区的交通7 0 集中于东二环和东三环、西二环和西三环，流量最高时达1 6 万 辆小时，是设计饱和流量的1 8 倍，导致二环、三环路在没有任何交通意外发生的情况下依然经常 发生堵塞。快速路出入口是唯一能对快速路流量进行控制的地方。国外的研究表明：对快速路出入 口管理与控制能有效的提高平均速度，减少交通事故的发生率，并且对环境保护有利。我国大城市 快速路已初具规模，为了保证快速路上人和物的有效运营，对快速路出入口进行管理与控制是十分 必要的 快速路在缓解城市交通压力中起到了举足轻重的作用，而快速路出入口又是快速路能否畅通运 行的瓶颈。本论文以国家自然科学基金“适合中国城市的交通拥挤管理系统研究”项目为依托，旨 在确保快速路路交通的安全和畅通，降低交通公害，为解决城市的交通拥挤问题提供支持 快 车流合睨l 拙辅璺盆 nl车流皂舍 速 j 伏述聆八ur 快快 速速 路路 主流交换 路 系集外 统散围 主 车流分 刊快速路出口i 薛流疏散 道道 路路路 快速路系统常规道路系统 快速路系统出入口与常规道路衔接 图1 - 1 快速路、出入口与常规道路形成的交通网络示意图 对快速路出入1 3 管理与控制及仿真进行研究，主要有以下几个方面的目的与意义： 1 、完善快速路出入口管理与控制的概念 我国1 9 9 1 年版的城市道路设计规范的。道路分类与分级”中对快速路进行了界定，除此 之外很少有文献提及快速路系统方面的概念，关于快速路出入口管理与控制方面的研究涉及到的概 念也只有出入口限流和关闭。 本文介绍了快速路出入口管理与控制的四种常用策略，重点分析了入口限流，分别利用控制算 法和释放率对它进行分类。这为快速路的管理者提供了借鉴。 1 东南大学硕士学位论文 2 、提供了快速路出入口管理与控制的基本参数的建议值 我国城市快速路的发展比发达国家晚很多，快速路在2 0 世纪8 0 年代才在中国开始建造，基本 还没有实施快速路出入口管理与控制的措施，因此还没有相应的出入口管理与控制的设计标准。在 我国快速路迅速发展的今天，快速路暴露出许多问题，需要对快速路出入口进行管理与控制，而相 应的设计参数将是成功实施快速路出入口管理与控制的关键。 本文根据我国道路交通特性，结合a a s h t o 标准，为我国实旌快速路出入口管理与控制措施的 基本参数提供了设计参考值，反映在工程实际中，对城市道路的设计、交通组织和管理都具有很重 要的现实意义。 3 、为快速路入口控制的适用性提供参考 快速路入口限流在国外被广泛应用，并且比较多的研究报告也证明其能有效改善快速路的交通 状况。但是我国快速路的设计及交通特性和国外有很大的不同。因此我国实施快速路出入口管理与 控制时，必须先根据我国的设计标准和交通特性研究其适用性，为下一步现场实施提供参考。 本文借用微观仿真模型v i s s i m ，通过现场调查实际数据校正仿真模型，分析了几种单点控制的 经典算法在我国地面快速路入口实施的可适用性，并且对基于入口控制的路段先入后出式出入口最 小间距进行了研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 美国2 0 世纪6 0 年代早期就尝试了管理入口进入高速公路主线的交通量。即1 9 6 3 年在芝加哥的 艾森豪威尔高速公路上实施的入口控制设施，同时也是人们第一次进行出入口管理。几年以后，底 特律和洛杉矶等城市也成功地进行了入口控制系统的试验。1 9 6 7 年，洛杉矶实施了有史以来的第一 次出入口关闭策略。而1 9 _ 7 2 年，明尼阿波利斯市率先在入口处采用巴士优先策略以刺激公交系统的 使用目前美国共有2 6 个都市区实施了入口限流控制系统，而其中的1 2 个至少实施了一处合乘优 先车道。至少有6 个交通管理部门曾经实施了出入口暂时关闭策略。出入口管理策略的使用也逐年 增加，在2 0 0 2 年，全荚共有2 1 6 1 处出入口控制器。1 9 9 5 年美国更新1 9 8 9 年关于北美匝道控制的 报告，该报告介绍了北美匝道控制整个系统，并且对匝道控制要考虑的要点做了分析 美国在2 0 0 6 年出版了匝道管理与控制手册，这本手册详细的介绍了匝道管理与控制策略， 比之前的高速公路交通管理及运营手册第七章更深入地探讨有关匝道管理和控制的概念和问题。 出入口管理与控制在美国的成功实施使得加拿大、法国、日本的一些地方也纷纷应用出入口控制技 术来控制高速公路交通流。 1 2 2 国内研究概况 我国关于出入口控制及快速路出入口方面的研究主要有以下一些： 1 、出入口控制研究 2 0 0 2 年陈德望对国外先进的城市高速道路控制方法进行了回顾与展望，该文章选择了几种应用 比较广泛的入口匝道控制方法进行了探讨，提出了采用分层梯阶智能控制理论和多目标优化的方法 实现城市高速道路与普通路的综合集成控制以取得城市综合交通系统得效益最优的研究方向。 2 0 0 3 年北京交通大学吴建平教授在交通运输系统工程与信息) 发表“南安普敦市高速公路入 口控制方案案例研究”一文中采用了a l i n e 方法研究英国南安普敦市高速公路入口匝道控制的案 例，通过对有无入口匝道控制策略的详细数据分析，认为高速公路入口匝道控制系统对辅路上的车 2 第一章绪论 流、高速公路主干线上的车流、尤其对高速公路右侧车道汇合前的区域存在潜在的影响，并认为入 口匝道控制系统确实能改良高速公路车流汇合区域的交通条件，但同时也会导致高速公路主干道的 车流量和速度的轻微减小。 2 0 0 3 年王如一通过对匝道控制系统的控制形式、必要的技术条件、控制方式和系统构成的剖析， 城市快速公路采用入口匝道控制是较为适用的，并结合上海地区的具体情况，从道路规划和交通管 理方面提出了一些建议。 2 0 0 4 年北方交通大学的王春蔚在国外先进的入口匝道控制方法浅析中介绍了几种国外的入 口匝道控制方法、以及这几种方法的比较与改进方向 2 0 0 4 年北京工业大学石志刚在硕士学位论文城市快速路匝道模糊控制及遗传算法优化采用 遗传算法来优化模糊控制隶属函数参数，使在交通状况发生变化较大的情况下，依旧能产生较好的 控制效果。 2 、出入口控制仿真研究 1 9 9 7 年姜紫峰等人对高速公路入e l 匝道控制进行了仿真研究，该文针对m a r k o sp a p a g e o r g i o u 的 高速公路交通流宏观、动态、确定性交通流模型，从入口匝道流量对高速公路主线交通流影响的实 质出发。通过对入口匝道可汇入量影响因素的分析，提出了入口匝道控制和入口匝道联合控制两种 控制策略，并以高速公路的总行使时间、总服务时问及入口匝道平均等待时间作为入口匝道控制效 果评价的目标函数。将目标函数、交通流模型和入口匝道控制模型转化为求解二个最优问题。最后， 利用计算机仿真方法对上述两种控制策略进行仿真，其结果表明：上述两种入匝道控制策略能够提 高道路的服务水平、减少行程时间、控制效果较好。 1 9 9 9 年谭满春在 高速公路入口匝道控制与仿真 中给出模糊控制在高速公路入口匝道调节中 的应用。并比较了定时控制与模糊控制的计算机仿真结果，仿真结果表明模糊控制策略在行程时间 和总服务流量等性能指标上优于定时控制；2 0 0 0 年在高速公路交通流的建模和入口匝道最优控制 中针对m a r k o sp a p a g e o r g i o u ( 1 9 9 0 ) f ) r 建立的交通流模型在高速公路某路段发生阻塞现象不能反映这 路段交通流真实状态的局限性，给出了一个改进的交通流模型。在新模型基础上构造了入口匝道 最优控制问题，计算机仿真结果表明本文的控制策略在降低入口匝道平均等待时间、提高服务流量 等性能上有较好的控制效果。 2 0 0 5 年吉林大学的张枭雄在其博士学位论文高速公路入口匝道控制算法的仿真评价与优化 中针对已有研究中存在的不足，在对高速公路交通流特性进行研究的基础上建立了用于匝道控制算 法评价的仿真模型。为匝道控制算法最优控制方案选择提供了仿真工具，并进行了长春市绕城高速 公路交通流数据的采集及仿真模型的标定，在仿真数据的基础上针对效率性和公平性原则进行平衡， 应用线性规划方法来协调两方面的指标，对于不同权重比选择出不同交通量条件下的最优控制方案， 以使得入口匝道控制系统和可变限速系统组成的联合控制系统更好的发挥其作用。 3 、快速路出入口研究 北京工业大学的王元生、张静、郭南分别对辅路有附加车道的城市快速路出口、辅路无附加车 道的城市快速路出口和城市快速路菱形立交先入后出式出口的交通特性进行了研究 1 2 3 存在的问题 通过对现有文献的研究，可以总结出以往的匝道管理与控制研究方面仍存在一些不尽完美之处， 主要表现在： 1 、现有的文献资料主要集中于入口限流，对出入口管理与控制的其他方法研究较少，在国内相 关的文献中只有出入口限流研究，出入口关闭只是做了简单的介绍，其他几种管理与控制策略没有 相关的研究。 2 、由于国外出入口控制的研究主要集中于高速公路，目前我国快速路出入口控制的研究往往是 基于高速公路的理论基础，较少考虑快速路和高速路出入e l 控制实施过程中的区别。而国外高速公 3 东南大学硕士学位论文 路和我国城市道路有很大的区别，特别是出入口的间距及交通特性。 3 、国内关于出入口控制的理论主要集中在匝道控制的方法上，没有对出入口控制实施过程中的 关键因素进行过研究，这将影响出入口控制技术在我国的推广 1 3 论文主要内容 本文的主要内容按章节可分为以下六个方面 第一章绪论 首先论述了本文的立题背景，课题研究的目的与意义，然后对国内外出入1 3 控制的基础理论的 研究概况及存在的问题进行了阐述，最后介绍了本文的主要内容。 第二章快速路出入口及其管理与控制策略分析 本章首先介绍了快速路的概念，在国内快速路主要的两种表现形式及与高速公路的异同点，同 时分析了快速路出入口的相关特点。介绍了快速路出入口管理与控制策略的概念，其中不仅介绍了 国内文献中已做过相关研究的入1 3 控制和入1 3 关闭策略，还介绍了特殊使用处理和端点处理两种策 略，分析了它们的优缺点。 第三章快速路出入口控制研究 本章介绍了出入口控制的几种类型，重点研究了入口控制系统，介绍了入口控制系统的构成及 布设，对几种典型的入口控制策略的算法及优缺点进行了对比分析，利用释放率对入口控制进行分 类，给出了入口控制类型的选择标准，重点分析了入口控制必须满足的四个基本参数，利用a a s h t o 标准，结合中国道路、交通流特性为这四个基本参数提供了建议值 第四章基于v i s s i m 的交通仿真模型标定检验 本章首先介绍了道路交通仿真模型及其分类，然后详细分析了微观仿真模型的特点、基本模型、 模型校正概念以及模型校正的流程。接着介绍了v i s s i m 微观仿真模型，并且以v i s s i m 微观仿真 模型为例，通过实地采集数据对模型进行标定，并且检验了模型的有效性 第五章快速路入口控制设计及仿真试验 本章选择北京三环路、快速路主路与辅路平行的结合方式下，路段上先入后出式的出入口类型， 对入口控制系统进行设计，运用标定过后的v i s s i m 微观仿真模型和v a p ( 动态控制编程) 模块对无控 制、定时控制、感应调节中的需求一容量控制和a l i n e a 控制进行仿真评价。并且通过仿真对入口控 制的适用性和基于入口控制的路段先入后出式出入口最小间距进行了研究。 第六章总结与展望 概述了本文的主要结论和创新点，指出将来需要进一步研究的问题，并且为我国快速路实施出 入口管理与控制提出了一些建议 4 第一章绪论 1 4 主要结论 1 ，对几种典型的入口控制算法及其优缺点进行了对比分析，利用释放率对入口控制进行分类， 给出了入口控制类型的选择标准。 2 、分析了入口控制必须满足的四个基本参数，利用a a s h t o 标准，结合中国道路，交通流特 性为这四个基本参数提供了建议值。 3 、选择北京三环路、快速路主路与辅路平行的结合方式下，路段上先入后出式的出入口类型， 对入口控制系统进行设计，运用标定过后的v i s s i m 微观仿真模型和v a p ( 动态控制编程幞块对无控 制、定时调节、感应调节中的需求容量控制和a l i n e a 控制进行仿真评价，对比分析表明对快速路 入口控制是非常必要的，并且a l i n e a 控制对快速路主路及入口交通状况的改善都优于其他控制策 略，随着交通流量的增大。优势越明显。 4 、入口控制有其适用的交通需求范围，本论文通过仿真手段选取主路通行时间和入口延误为评 价指标对入口控制进行了适用性研究，并且选取主路流量和主路平均速度为指标对基于入口控制的 路段先入后出式出入口最小问距进行了研究，给出了推荐值，为入口控制实旆提供了参考。 5 东南大学硕士学位论文 第二章快速路出入口及其管理与控制策略分析 2 1 快速路系统概述 2 1 1 快速路的概念 建设部1 9 9 5 年颁布施行的城市道路交通规划设计规范中规定，“城市道路应分为快速路、 主干路、次干路和支路四类。”其中，快速路是城市道路的最高层次。建设部1 9 9 8 年8 月1 3 日发布 的中华人民共和国国家标准城市规划基本术语标准中对快速路( e x p r e s s w a y ) 进行了界定：快速 路是指“城市道路中设有中央分隔带，具有四条以上机动车道，全部或部分采用立体交叉与控制出 入，供汽车以较高速度行驶的道路。又称汽车专用道。” 2 1 2 快速路的两种表现形式 快速路主要有四种表现形式：低于路面的快速路、高架桥、地面快速路和混合形式唧。在我国 城市中快速路主要有两种表现形式： 1 、高架桥 主要是现有道路不能满足日益增长的交通需求。并且城市中没有足够的地面空间来修建道路。 因此采用高架桥的方式来修建道路，改善现有的交通环境。这种方式能够节约用地，但是造价较高， 并且对城市景观有一定的破坏性。其中上海是通过修建高架桥来改善城市交通状况的一个比较典型 的例子，如表2 - 1 和2 - 2 表2 - 1 上海高架道路系统概况 内环线延安东路延安中路延安西路逸仙路高沪闵路 分类南北高架 高架高架高架 高架架高架 道路性质 快速路主干道主干道快速路快速路 快速路 快速路 1 9 9 2 9 -1 9 9 2 9 -1 9 9 2 9 1 9 9 2 9 1 9 9 么9 1 9 9 2 9 -1 9 9 2 9 - 建成时间 1 9 9 3 1 21 9 9 3 1 21 9 9 3 1 21 9 9 3 1 21 9 9 3 1 2 1 9 9 b 1 2 1 9 9 3 1 2 设计车速 8 06 06 08 08 0 8 08 0 ( k m h ) 道路长度 2 9 28 4 5 3 0 65 j 66 29 22 5 2 ( k m ) 车道数 46 66666 匝道平均间 距( k m ) 1 5 41 2 0 81 1 21 3 2 31 7 单车道通行 1 5 l 伽 1 4 0 01 加o1 5 0 01 5 1 5 能( p c u h ) 上海现在已经建成了。三环十射”。承担了城市道路的主要交通，减少了城市其他道路的交通负 荷。到2 0 0 7 年中等环线建成后，将基本形成“三环十射+ 十字”的路网结构，其中内环及“申” 字型高架是中心区的交通保护壳，交通流以客运为主，对货运进行严格控制；外环是中心城区外围 6 第二章快速路出入口及其管理与控制策略分析 的交通保护壳，承担大部分的过境交通和对外交通，交通流由客运和货运组成；中环具有对内环和 外环分流，减轻中心城区路网交通压力，均衡路网流量的交通功能，交通流以客运为主兼有轻型货 运。上海每天上下高架桥系统的车辆达到6 0 万辆次；市中心高架道路系统每天的车辆行驶车公里数 达到3 2 3 万，如果按照市中心1 0 6 6 万车公里( 根据1 9 9 6 年第二次交通大调查初步报告数据推算) 出行量的话，整个高架桥系统的出行量占了市中心区出行总量的3 0 。 表2 - 2 上海市区高架桥道路作用( 交通特征) 阎 日吸引量 每日车公里数平均出行距离( 高架路段) ( 万辆次) ( 车公里)( 公里) 内环线高架 2 8 1 7 5 万6 2 5 南北高架 1 5 8 1 万5 4 延安路高架 1 7 6 7 万 3 9 2 、地面快速路 这种形式的快速路主要是通过现有道路改造或新建而成的，造价比较少，不会影响城市的景观。 比较典型的例子是北京快速环路。北京快速路路系统是由二、三、四、五环以及1 5 条放射联络线组 成，总长度约3 8 0 公里，是中心城区道路交通主骨架。据2 0 0 1 年统计，北京市已建成的二环、三环 快速路，虽然长度仅占市区路网的4 3 ，却承担了市区路网负荷的5 0 以上l 川。并且预计虽然现有 的快速路网道路长度只占城市路网总长度的8 。但是未来可承担城市日机动车交通量的5 0 以上瞄l 表2 - 3 北京环路概况 二环三环 四环五环六环 长度( k m ) 3 2 74 86 5 99 91 9 2 立交( 座) 3 14 75 11 1 2 0 立交平均间距( k m ) 1 0 51 0 21 2 9o 9 6 1 6 车道数 66866 主线设计车速( k m h )6 蝴 8 01 1 1 建成通车时间 1 9 9 31 9 9 42 0 0 1 62 0 0 3 1 l2 5 1 2 道路性质 快速路快速路快速路高速公路高速公路 2 1 3 快速路与辅路结合方式 快速路与辅路主要有以下三种关系： 1 、快速路与辅路并行的方式 这种方式比较常见。是一种快速路置于中间，两侧设辅路，快速路与辅路间通过绿化带( 或栏 杆) 分隔的方式。北京的快速路系统基本采取这种形式。这种方式快速路与辅路联系比较紧密。快 速路的路段可以开设出入口，两者之间可以通过互通立交和主辅路段开设的出入口完成交通量的转 换。因此能一次性解决道路的“通”与。达”的功能要求，改善沿线街区的交通状况，带动沿线的 开发建设 2 、快速路与辅路分离的方式 这种方式需要主路和辅路分别选线，两者之间的联系通过快速路上的立交来联系。由于快速路 出入e l 较少，受到的干扰小，因此可以提高快速路上的车速。但是主路与辅路的联系较少，辅路建 设需要白成体系，交通量需要由支路汇流进入城市主路和次干道，再通过快速路与城市干道相交的 立交来完成转换。 7 东南大学硕士学位论文 3 、快速路与辅路间采用大面积绿化地分隔的方式 这种方式有利于增加城市的绿化效果，具体形式是将快速路置于中问，两侧设辅道，快速路与 辅路之间通过较宽的绿化带分开。快速路与辅路交通量的转换只能通过快速路与城市干道相交的立 交来实现。 2 1 4 快速路与高速公路的对比分析 快速路与高速公路的最根本区别在于快速路属于城市道路，高速公路属于城际、城市间的道路。 这一界定也相应的决定了快速路与高速公路的相关属性。但是快速路的演变主要有两种方式：一是 “城市干道提级”，如北京市的二环路和三环路就是取消原有道路的红绿灯、将其实旌全封闭全立交 而形成的快速环路。另一种是“高速公路进城”，当高速公路进入城市以后，由于城市环境、建筑条 件、交通要求都与郊野不同，因此道路的服务对象、建设标准、功能结构、设计内容和交通组织都 随之改变。因此快速路具有高速公路和城市主干道双重的特点，与高速公路既有许多相同点又有很 多区别，具体如表2 - 4 。 表2 - 4 快速路与高速公路的异同点 快速路高速公路 相 全线全封闭，立体交叉 同 点 具有强阻隔性，连续流 属于城市道路属于城际、城市问道路 承担市内以及过境交通主要承担城市间的长途运输 出行距离短，对很小的时间损失也敏感出行距离比较长，没有前者那样的时间敏感性 不 大多为环形+ 放射式，有并行的辅路系统 大多为线形，有与之平行的普通公路 同 结点多，面上范围大，而且出入口匝道多，间 点 线上的范围大，匝道间隔大 距短 车种构成复杂，容易发生拥挤 车种构成简单，较少发生自然拥挤 设计速度为6 0 - - 8 0 k m h设计速度为1 2 0 k m h 由于快速路的使用者一般出行距离比较短，所以对出行时间的损失很敏感。快速路出入口控制 也正是基于快速路的这个特点，可以转移一些短途车辆。当对快速路出入口进行控制时，就会产生 排队延误，一些短途旅行者上快速路行驶节约的时间可能正好和在入口、出口处排队等候产生的延 误相抵消，或者出入口处捧队等候产生的延误还要比节约的时间多。如果这样，这部分短途旅行者 就会改变出行路线，选择与快速路平行的主干道或其他常规道路系统从设计理念上，快速路是为 城市中、长距离出行服务的，分流一部分短途车流是符合设计理念的，特别是在有其他替代道路可 以供短途车辆行驶时。不过必须分析替代路径有没有剩余的容量承担这些转移交通量，以及这些转 移交通量对其他道路造成的影响。国外一些城市，如波特兰( p o r t l a n d ) ，对1 5 高速公路的出入口 进行限流，标准是当实施出入口限流的第一年，高速公路附近街道的交通流量增加量不超过2 5 ， 否则就要放弃出入口限流计划，或者调整出入口限流计划使邻近街道的交通量增加低于2 5 。不过 出入口限流项目实施后，附近街道的交通量并没有特别明显的增加。同样其他城市，如洛杉矾( l o s a n g e l e s ) 、丹佛( d e n v e r ) 、西雅图( s e a t t l e ) 、多伦多( d e t r o i t ) ，它们这些城市在实施出入口限流 后的报告中也表明没有发现从高速公路上有大量的交通量转移到地面常规道路上来。 8 第二章快速路出入口及其管理与控制策略分析 2 2 快速路出入口分析 2 2 i 快速路出入口分类 城市快速路出入口是连接城市快速路网和其它城市道路网的纽带，实现道路等级的过渡，对城 市快速路网效益的发挥有直接影响。城市快速路出入口主要有两种分类方法：( 1 ) 按快速路出入口 在常规道路网上所处的位置分；( 2 ) 按快速路出入口不同组合形式分。 按快速路出入1 3 在常规道路网上所处的位置分 2 3 1 ： ( 1 ) 菱形立交 菱形立交是城市快速路立交建设中最为广泛采用的一种立交型式，其出入口连接对象是快速路 的主路与辅路，快速路车流通过辅路上的交叉口与相交道路进行联系在北京市二环、三环快速环 线立交中。菱形立交数量占总立交数量的5 0 以上菱形立交属于全互通立交，可完成各个方向转 向，并有掉头行驶功能。其立交型式简单、构筑物较少、布局紧凑，具有占地少、拆迁少、快速路 直行通畅等优点，主要用于快速路与次干道、支路及少数主干道相交的交叉口。但由于菱形立交最 大的弱点是其与横路及其它常规路网联系时，车辆转向功能需由常规道路灯管路口来完成。因此， 菱形立交功能的完善对常规道路网及其交叉口的服务水平、交通状况等依赖性较强。 ( 2 ) 互通式立交 定向式、苜蓿叶式以及环形立交均属于互通式立交快速路主线可以通过立交出入口或环形交 织区与相交道路进行直接联系。其中环形立交主要用于快速路与主、次干道相交的交叉口，且仅适 用于相交道路流量不大的交叉口。环形立交多数为主线下穿相交道路，主线方向行车基本顺畅，但 由于环形转盘上存在着合流点、分流点、交织点，交通运行复杂。苜蓿叶式立交通行能力大。其主 要用于快速路与主干路相交的交叉口，它的交通拥堵问题是随着交通量的迅速增加而出现的定向 式立交适用于两个流量都比较大的道路相交，能消除主线上的交织区，实现快速路与常规道路之间 的快速交通转换，但其造价昂贵，占地面积大，成了限制其使用的最大缺点。 ( 3 ) 路段独立出入口匝道 为快速路沿线重要交通集散点而独立开设的出入口匝道，其与菱形立交的出入口匝道相似，连 接对象也是快速路的主路与辅路路段独立出入口匝道一般情况下很少用。它主要适用于快速路沿 线有大型交通集散点的路段，此时将出入口匝道设置在路段中是为了满足大型交通集散点的交通需 求，提高车辆出入大型交通集散点的便捷性。但这样设置出入口匝道，由于缺少集散道路，无疑会 增加辅路的交通压力。因此，在设置此类出入口时，一定要慎重考虑，能在交叉口解决的问题尽量 采用交叉口立交出入的形式，避免在路段上直接开口。 按快速路出入口的不同组合形式分：出口一出口、出口人口、人口扒口、人口一出口，见下图。 - - 一- 1 一 图2 - 1 出口出口图2 - 2 出口入口 图2 - 3 入口入口 9 图“入口出口 东南大学硕士学位论文 2 2 2 出入口变速车道 l 、出入口变速车道 在出入口与快速路主线连接的路段，为适应车辆变速行驶的需要，而不致影响快速路主线交通 所设置的附加车道，称为变速车道。变速车道又分为减速车道和加速车道。减速车道是车辆由快速 路主线驶入出i c i 时减速所需的附加车道；加速车道是指车辆从入e l 驶入快速路主路加速所需的附加 车道。出入口变速车道的布设分为两种形式，一种是平行式，另一种是直接式。平行式是在快速路 主路外侧平行增设一条附加车道。原则上加速车道采用平行式，因为加速车道较长，平式容易布置。 当快速路主路交通量较少时，也可以采用直接式。直接式是不设平行路段，由正斜向渐变加宽t 形 成一条与出入口连接的附加车道。原则上减速车道采用直接式，另外加速车道较短或双车道的变速 车道应采用直接式 一一一j 2 + 图2 - 5 平行式减速车道 + - - - - i p 图2 - 7 直接式减速车道 + 加速车道长度 图2 - 6 平行式加速车道 - - t l , + 2 、变速车道的长度 变速车道的长度为加速或减速车道长度与渐变段长度之和。 1 0 图2 - 8 直接式加速车道 第二二章快速路出入口及其管理与控制策略分析 表2 - 5 出入口变速车道长度例 罴 加速车道长度 ( 减速车道长度) 单位：米 6 0 5 04 54 03 5 3 0 2 52 0 2 4 0 2 7 03 0 03 3 0 1 2 0 ( 1 1 0 )( 1 3 0 )( 1 4 0 )( 1 4 5 ) 1 8 02 0 02 1 02 2 02 3 0 8 0 ( 7 0 )( 8 0 )( 8 5 )( 9 0 )( 9 5 ) 1 5 01 1 9 02 2 1 02 2 0 6 0 ( 5 0 )( 6 0 ) ( 6 5 )( 7 0 ) ( 7 5 )( 8 0 ) 8 0 1 0 01 1 01 2 0 5 0 ( 4 5 ) ( 5 0 )( 5 5 )( 6 0 ) 5 06 0 4 0 ( 3 5 )( 4 0 ) 表2 - 6 变速车道长度修正系数例 干道平均纵坡度( ) o j 22 j 33 减少了对下游主线的影响 2 ，缺点 。 出入口端点处理对快速路运营的直接影响比较小，通常有： 在某转向禁行的情况下加大了旅行旅程和旅行时间 一些特殊的信号策略增加了一些交通量的延误 1 4 第二章快速路出入口及其管理与控制策略分析 2 4 本章小结 本章详细分析了快速路系统，其中包括快速路在我国主要的两种表现形式、快速路与辅路常用 的三种结合方式及快速路与高速公路的异同点。在此基础上对快速路出入口的分类、出入口变速车 道的形式及出入口间距的确定进行了深入探讨。同时介绍了快速路出入口管理与控制策略的概念， 其中不仅介绍了国内文献中已做过相关研究的入口控制和入口关闭策略，还介绍了特殊使用处理和 端点处理两种策略，完善了出入口管理与控制的概念 东南大学硕士学位论文 第三章快速路出入口控制研究 3 1 出入口控制概念 出入口控制包括出入口关闭和出入口限流两种形式，其中出入口关闭属于出入口限流的极端情 况。出入口控制又分为入口控制和出口控制，现在使用较多的出入口控制中的入口限流，它已经被 认为是一种最有效的快速路交遥控制手段。 3 1 1 出口控制 出口控制很少作为一种快速路交通控制的手段，主要有两个方面的原因：( 1 ) 适合出口控制的 出口很少，因此出口匝道控制使用的机会很有限，并且在很多情况下，出口使用出口控制这实际上 与安全有效地使用高速公路的目的相互矛盾；( 2 ) 出口控制只能用在通过改变出口之后能够方便到 达目的地的地方。主要的方式是出口调节和出口关闭 1 ，出口限流 底特律是唯一报导使用过出1 3 限流的地方，用在高速公路与高速公路相连的立交上，实际上 是一种出口入口控制形式。不过，使用出口限流存在几个问题。一般说来，出口限流可能减少与高 速公路相接的地面街道上的拥挤状况，但是往往会增加高速公路的行车危险性和拥挤这并不符合 高速公路交通控制的基本目的，而且总的效果可能并不好 2 、出口关闭 如果交通事故和拥挤是由于分布很近的出入口之间有过量的车辆交织及出口上的排队过长所引 起的，那么关闭出口是一种有效减少交通事故发生率和拥挤状况的方法。此外，如果出口附近车道 数减少，可以将其关闭以便鼓励更多的车辆在车道减少以前的出口驶出高速公路。从而减少了高速 公路车道数变少的路段上的交通需求量。但是，关闭出口和关闭入口有相同的问题，由于增加了一 部分司机的行驶距离，他们可能不能接受出口关闭措施。如果使用人工控制的栅栏或某种型式的自 动门，那么，高峰期间关闭出口的费用相当高。关闭出口后，这些区域尾端碰撞事故的可能性增加。 3 1 2 入口控制 入口控制的目的是控制高速公路的交通需求，特别是控制高峰小时期间进入高速公路的车辆数 目。入口控制包括入口限流和入口关闭两种形式。由于入口关闭很少使用，所以入口控制一般指入 口限流。 1 、入口限流 入口限流是设置在高速路入口、出口处的信号控制系统，用以控制车辆进出入高速路，保证高 速路畅通和车辆安全。主要有以下三个主要的目的：(