互通式立交匝道的服務水平分析

董長坤，岳紹興，張 媛，劉晏榮

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

服務水平是道路設施能給駕駛員和乘客提供的服務質量好壞的定性指標，也是設計人員對道路預期達到的服務質量的一個評價標準。通過對道路的服務水平分析能有效地解決日益突出的道路通行能力和使用者需求之間的矛盾。

進入21世紀以來，隨著人民生活水平的提高，汽車保有量大幅增長，人們出行對道路的服務質量要求越來越高，道路阻塞問題日益突出，給社會經濟帶了重大的損失。對此，國內外專家、學者對公路主線的服務水平及評價指標進行了大量的分析與研究[1-4]，《公路路線設計規范》（JTG D20—2006）（以下簡稱“規范”）[5]也做了相應的規定，但對互通式立交匝道的服務水平分析還是空白。互通式立交是高等級道路的主要組成部分，互通式立交匝道的服務質量會影響整個高等級道路的服務質量，因此通過對匝道服務水平的分析，確保互通式立交匝道與主線保持一致的運行服務水平，為道路使用者提供統一良好的服務質量具有重要的意義，同時也為進一步規范互通式立交匝道設計指標奠定了基礎。本文從互通式立交匝道基本路段上車流特性及服務水平影響因素分析出發，來探討互通式立交匝道的服務水平。

1 服務水平和服務交通量的概念

服務水平（LOS）是衡量道路交通設施所提供的運行質量好壞和交通流運行狀況的一種定性質量指標，因道路交通安全與諸多因素有關，服務水平通常用行車速度、行程時間、交通中斷、行駛自由度、舒適和方便等服務指標來描述，而沒有考慮安全因素[6]。因自身的國情和資源條件的限制，各個國家對服務水平等級的劃分標準各不相同，我國參照前蘇聯對道路服務水平等級劃分的做法，將服務水平劃分為四級，如圖1和圖2所示。

圖1 一級、二級、三級服務水平（自由流、穩定流中間范圍、穩定流下限）

圖2 四級服務水平（非穩定流及強制流）

服務交通量是在通常的道路、交通和管制條件下，給定時間段內保持規定服務水平時，車輛通過道路一條車道或道路某一斷面或均勻路段單位時間的最大小時交通量[7]。不同服務水平下，單位時間的服務交通量是不同的，服務交通量越小，道路上車輛行駛的自由度就越大，舒適性和安全性就越好，服務水平就越高；反之，服務交通量越大，道路的服務水平就越低。另外，服務交通量不是一個系列值，而是在既定的不同服務水平下道路上所能允許通過的最大交通量值，它是劃分不同服務水平之間的交通流量界限。

2 服務水平的影響因素分析

服務水平是道路處在理想條件下，運用的一定計算公式和方法確定的既有道路交通設施能給駕駛員和乘客所提供的服務質量的好壞。在實際車流運行過程中道路的通行能力和服務水平受諸多因素的影響，一般可分為道路、交通、管制、安全和環境五個方面。

2.1 道路因素

道路因素包括道路的幾何線形和道路質量狀況兩方面。其中幾何線形因素包括道路的設計速度、平縱面線形、視距、車道數、車道寬度、橫斷面組成、路肩寬度和側向凈空、匝道出入口設置等；道路質量狀況包括路面的平整度、損壞狀況、抗滑能力、結構強度及路面外觀等方面。

2.2 交通因素

交通因素主要包括車輛類型、車道分布、道路交通容量三方面。在交通車流運行中，大型車對交通運行的影響一方面在于其幾何尺寸較大，占用道路的空間較大；另一方面就在于大中型車輛的動力性能要較小客車差，在加速、減速及爬坡制動方面均與小型車特性差距較大，影響整個車流的運行效率。車道分布對于多車道道路來說影響較大，一般最外側車道較其他車道承擔的交通量要小。道路交通容量表明了道路整個系統可能承受的交通車輛數，道路交通容量越大，同一服務水平等級下，道路上的交通量數就越大。

2.3 管理因素

管理因素主要包括管理水平、監控系統、救援系統、服務設施、收費系統等道路附屬設施等對道路服務水平的影響。良好的道路管理系統對道路交通服務質量的保障具有重要作用，它能為道路提供一個良好的運行環境，充分發揮道路的功能，保證車輛的有效運行，對保證道路某一服務水平下車輛的安全運行具有極其重要的意義。

2.4 安全因素

安全因素主要在于道路交通安全設施的設置。雖然在服務水平的定義及等級劃分上沒有考慮車輛運行的安全性這一因素，但是完善的交通安全設施是確保車輛能有序運行的基礎，對保證道路服務水平具有重要的意義。交通安全設施的設置主要包括交通標志標線設置、中央分隔帶設置、防護和防眩設施設置、視線誘導標志、隔離柵及道路照明等。

2.5 環境因素

環境因素包括車輛運行的道路環境、自然環境。道路環境是指道路設計中對道路沿線景觀的設計，良好的道路環境能給駕駛員和乘客提供一個心情舒暢、舒適性較好的運行環境，從駕駛員和乘客的角度對道路服務水平的評價等級就越高。自然環境是指大氣、噪聲、震動、天氣等對車輛運行的影響，隨著機動車的增多，空氣污染嚴重、交通噪聲來源廣泛且持續時間長等現象嚴重影響了駕駛員的駕駛環境和出行的心情，另外自然環境的好壞影響駕駛員對前方道路的能見度，道路服務水平隨之變化。

3 匝道服務水平評價指標的確定

因不同道路交通設施服務功能和服務對象的不同，車輛運行質量的評價指標也有所不同，目前主要有密度（pcu/h/ln）、平均行程車速（km/h）、V/C（飽和度）、時間延誤百分率（%）、平均延誤（s/輛）等。

互通式立交是供車輛出入高速公路的交通轉換設施，是一個空間分離的交叉口，匝道是連接不同轉向車輛行駛構成互通式立交小型路網的紐帶，互通式立交匝道服務水平評價指標的確定應綜合考慮車輛在互通式立交匝道上運行的各種特性。不同出行目的駕駛員和乘客對道路設施服務滿意度的要求不同，高速公路是解決長距離出行的交通設施，主要供車輛安全、快速、經濟的長距離出行，互通式立交是高速公路上的關鍵節點，高速公路的運行狀況與互通式立交匝道上車輛的運行應保持一致。

有學者通過詢問法對互通式立交匝道服務滿意度指標進行調查，指出駕駛員和乘客對城市快速路上互通式立交運行的關注點主要是匝道的暢通性，其次為運行的速度、安全和交通量，對道路環境的要求不是很高[8]。因城市快速路與高速公路車輛出行目的不同及車輛在高速公路上快速運行的特點，選取車輛的運行速度作為評價互通式立交匝道服務水平的評價標準，運行速度越高，服務水平就越高，運行速度下降則服務水平降低。另外，運行速度的大小也從另一個側面反映了匝道上的交通量和密度指標，因為運行速度越快，匝道上的車輛密度和車流量就越小，車輛運行就越順暢，駕駛員和乘客感知的道路服務水平就越高，因此運行速度可作為對互通式立交匝道綜合服務質量的衡量指標。

運行速度本身是一個定量的指標，反映了車輛在互通式立交匝道上運行時的暢通程度和服務質量。不同車輛因動力特性、機動性等差異，運行速度各不相同，互通式立交單車道匝道不允許超車行駛，車輛運行速度之間的差異在匝道上不能完全得以體現，大型車的運行對小型車有很大的限制作用，造成不同車輛之間排隊行駛，相互干擾，車輛運行延誤，運行的通暢性受阻，運行速度下降。因此可通過行車延誤率指標來量化互通式立交匝道的服務水平。

行車延誤是車輛在行駛過程中，由于交通摩阻與交通管制引起的行駛時間損失，以s或min計[9]。根據行車延誤產生的原因可分為固定延誤、停車延誤、行駛延誤、排隊延誤、引導延誤。互通式立交匝道上沒有交通信號燈等交通管制設施，行車延誤主要來自于交通流內部的干擾。根據延誤的概念，車輛在互通式立交匝道上發生的行車延誤主要是發生延誤時車輛在匝道上的運行的時間與暢行時運行時間的差值。然而為了比較不同類型匝道，采用單純的延誤作為評價指標缺乏可比性，為了評價標準更為確切，采用相對延誤率作為互通式立交匝道服務水平的量化標準，其計算公式如下：

式中：td為車輛在互通式立交匝道上的實際行駛時間（s）；ta為自由流狀態下車輛在匝道上的行駛時間（s）。

4 基于相對延誤率的匝道服務水平分析

4.1 基于理論的相對延誤率計算分析法

4.1.1 自由流狀態下車輛行駛時間的確定

自由流狀態下車輛的運行速度保持在自由流速度附近，設第i輛車在自由流狀態下的運行速度為v0i，匝道上車輛自由行駛持續的時間tai的計算公式為：

式中： ld為匝道基本路段實際長度（m）。

4.1.2 匝道上實際行駛時間的確定

實際狀態下，因受匝道不能超車限制的影響，在交通流密度較大的情況下，車輛運行受前車運行狀態的影響較為嚴重，設第i輛車的實際運行速度為vi，車輛在匝道上的實際運行時間tdi的計算公式為：

4.1.3 相對延誤率的計算

由式（2）和式（3）計算得到自由流運行持續時間與實際運行持續時間，進而匝道上車輛i運行的相對延誤率計算公式為：

由式（4）知，相對延誤率的計算回歸到不同狀態下車輛在匝道運行速度之間的相對比值，充分反映了匝道上車輛的運行服務質量，車輛i的自由流運行速度v0i隨不同匝道幾何線形的影響而改變，同一匝道不同車輛的實際運行速度vdi隨著匝道上車輛跟馳運行狀態的不同而改變，單向單車道匝道上車輛跟馳行駛，在交通流密度較大時，前引車的運行狀態決定著跟隨車的運行行車狀態。設跟馳狀態用 j表示， j=1,2,3,…,n，用q

表示不同跟馳狀態下的車流量，則不同跟車狀態下匝道上車輛的平均相對延誤率Dˉ計算公式為：

應用式（5）計算得同一匝道在不同運行狀態下的平均相對延誤率，能充分反映匝道上車輛的運行速度、運行的通暢度及車輛之間相互干擾程度的大小，相對延誤率越高，車輛之間相互影響程度就越高；反之，則匝道車輛之間自由運行的程度就越高，匝道設施給駕駛員和乘客提供的服務質量也越高。

4.2 基于實際調查的相對延誤率計算分析法

由理論分析知，相對延誤率要通過車輛在匝道上的行駛速度來計算得到，因匝道上車輛變速行駛的特征，確定車輛不同跟車狀態下的行駛速度較為困難，而且車輛實際運行速度的確定較為復雜，所受的影響因素較多，精度較低。

在實際運用分析中，匝道設施給駕駛員和乘客提供的運行服務質量，可通過車牌號對照法，測定某一時段內跟馳狀態和自由流狀態下同一車輛通過匝道入口的時間td入、ta入和出口的時間td出、ta出，二者相減便可得跟馳狀態下車輛的實際運行時間td=td出-td入，自由流狀態下車輛的運行時間ta=ta出-ta入，應用式（1）便可計算得到匝道車輛的相對延誤率，分析該時段內匝道運行環境給駕駛員和乘客提供的服務質量。這種運用實測數據的分析方法，需要耗費大量的人力物力來測量高速公路互通式立交匝道上車輛的運行過程，但是計算結果能真實地反應匝道上車輛運行狀況和匝道不同跟車狀態下的相對延誤率，即給駕駛員和乘客提供的服務質量。

另外，有學者將道路上車輛之間的車頭時距作為評價延誤率的指標。《規范》中采用車頭時距小于或等于5s的車輛數占總交通量的百分比作為延誤率指標的參考值；美國《HCM2000》用跟車時間百分比作為雙車道公路服務水平等級劃分的評價指標，其以車頭時距小于3s行進的時間百分比來代替。由此可見，匝道服務水平等級劃分的量化指標還可通過測量車輛之間的車頭時距作為分析匝道上車輛運行的延誤率指標。

5 互通式立交匝道服務水平評價標準確定

互通式立交匝道是供車輛轉換行駛方向的專用車道，其作為連接兩條高速公路或高速公路與地方公路的特殊道路設施，必須與高速公路主線或地方道路的服務水平保持一致。結合前文分析，從互通式立交匝道車流運行特性及匝道幾何特征出發，采用相對延誤率作為匝道服務水平評價標準，參考《規范》中對二、三級公路服務水平評價量化指標，本文建議匝道服務水平劃分為四個等級（見表1）。

表1 互通式立交匝道基本路段各級服務水平的相對延誤率指標

一級服務水平代表互通式立交匝道上交通流量小，駕駛員能自由或較為自由地按照自己期望的運行速度行駛，車輛的運行速度較高，行駛車輛之間不受或基本不受其他車輛的影響，車輛在運行過程中因交通流內部干擾所引起的延誤較少，能為駕駛員和乘客提供舒適、便利的交通運行環境。

二級服務水平代表互通式立交匝道上隨著交通流量的增加，車輛的運行速度降低，駕駛員在根據自己的意愿選擇運行速度時，需要關注交通流內其他車輛的運行狀況，并有可能影響到對期望速度的選擇，車輛行駛的自由度下降，交通流處于穩定流狀態，并逐步趨向擁擠，造成車輛運行延誤，為駕駛員和乘客提供的舒適、便利程度下降。

三級服務水平代表互通式立交匝道上車輛行駛的自由度受到很大的限制，車輛的運行明顯受到交通流內部其他車輛的干擾和影響，運行速度受限狀態嚴重，交通流狀態處于穩定流的下半部分，逐漸接近不穩定流范圍。交通流稍有增長就可能會出現交通擁堵，服務水平顯著下降，在延誤率達到80%時，匝道提供給駕駛員和乘客的服務所受的限制達到臨界值，但是可通行的交通量還尚未達到通行能力值。

四級服務水平代表匝道上車輛的運行已經嚴重受到干擾，所有車流的運行速度降到很低，并趨向于一致，行車的自由度受到限制，交通流處于不穩定強制狀態，在靠近下限時每小時交通量接近于匝道的通行能力。此時，交通量稍有增加或交通流內部出現小的擾動便會出現交通擁堵，給駕駛員和乘客的服務質量明顯下降，車輛排隊行駛，出現走走停停的現象。

通過上述互通式立交匝道服務水平等級的劃分及劃分標準的確定，對互通式立交匝道在規劃、設計時選用合適的服務水平，科學地確定互通式立交匝道技術指標，合理地控制互通式立交規模具有重要意義。結合高速公路互通式立交設計的功能及高速公路設計服務水平的選取，本文建議高速公路互通式立交匝道基本路段采用二級服務水平進行設計，而一級公路互通式立交匝道基本路段可按三級服務水平設計。

6 結論

（1）對服務水平和服務交通量的含義及各等級劃分的車流運行狀態進行了分析說明；從道路、交通、管制、安全、環境五個方面對服務水平的影響因素進行了分析。

（2）從匝道上車輛的運行特性及駕駛員和乘客在互通式立交匝道上運行的目的及期望兩個角度出發，提出以相對延誤率作為匝道服務水平的評價指標。

（3）從行車延誤理論計算和實際調查分析兩個方面分析了相對延誤率的計算方法，根據匝道設計服務的功能與目的，用相對延誤率指標確定了匝道的服務水平等級劃分的標準和各服務水平等級下匝道車流的運行狀態。

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