高速公路出口匝道影響區(qū)分級限速方案適用性研究

■周麗娟 茹小磊 朱 宏

（1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司西寶高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目管理處，咸陽 712011；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；3.溫州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，溫州 325000）

0 引言

駕駛?cè)嗽诟咚俟分骶€和出口匝道的連接部分行駛時(shí)，其駕駛操作行為比較復(fù)雜多變，同時(shí)行駛車輛間的速度離散程度比較大，導(dǎo)致這部分路段的交通沖突數(shù)量較多、交通流混亂，交通效率和交通安全受到了嚴(yán)重的影響。為了避免運(yùn)行速度突變現(xiàn)象發(fā)生，減小連續(xù)路段之間的速度差值，使車輛的運(yùn)行速度可以逐步減小到匝道限速值，在出口匝道影響區(qū)采用分級限速方案的方法被提出。

目前國內(nèi)外對在出口匝道影響區(qū)交通安全的研究大多數(shù)主要集中于對其限速標(biāo)志位置的設(shè)置、限速值的計(jì)算模型、限速標(biāo)志的設(shè)計(jì)、限速分級標(biāo)準(zhǔn)等方面，但對在出口匝道影響區(qū)車輛的運(yùn)行速度降到匝道限速值過程中，究竟選取幾級限速方案的效果最佳這方面卻涉及很少。因?yàn)槌隹谠训烙绊憛^(qū)的交通組織環(huán)境較為復(fù)雜，所以在車輛降速過程中采用不同的分級限速方案，其效果是不同的。故本文以提高出口匝道區(qū)域交通安全和交通效率的效果最佳為目標(biāo)，對分級限速方案在高速公路出口匝道影響區(qū)的適用性進(jìn)行研究。

1 分級限速方案控制方法

1.1 出口匝道選取及其影響區(qū)域劃分

本文選取最具代表性的直接式單匝道（其中主線車道數(shù)為兩車道）作為研究對象。根據(jù)高速公路出口匝道交通特性，利用出口匝道漸變段起點(diǎn)和出口匝道分流鼻端，將高速公路出口匝道影響區(qū)劃分為4個(gè)部分，即主線上游區(qū)、“主線—匝道”分流區(qū)、主線下游區(qū)、出口匝道區(qū)，如圖1所示。

圖1 出口匝道影響區(qū)的劃分

（1）主線上游區(qū)是指第三塊出口匝道預(yù)告標(biāo)志至出口匝道漸變段起點(diǎn)的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，準(zhǔn)備駛?cè)氤隹谠训赖拇蟛糠周囕v均已由內(nèi)側(cè)車道變換到外側(cè)車道并且做好進(jìn)入減速車道的準(zhǔn)備；（2）“主線—匝道”分流區(qū)是指從出口匝道漸變段起點(diǎn)至出口匝道分流鼻端的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，準(zhǔn)備駛?cè)氤隹谠训赖能囕v從主線交通流中分離出來，并駛?cè)氤隹谠训?；?）主線下游區(qū)是指從出口匝道分流鼻端向下游延伸300m的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，受出口匝道影響的車輛將會恢復(fù)正常行駛狀態(tài)；（4）出口匝道區(qū)是指從出口匝道分流鼻端向匝道下游延伸400m的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，行駛車輛將會以不高于匝道鼻端限速值的車速行駛并逐漸穩(wěn)定下來。

1.2 分級限速方案種類

在高速公路出口匝道影響區(qū)設(shè)置分級限速方案的限速值及其種類時(shí)主要考慮的因素為：①考慮到布設(shè)限速標(biāo)志的可操作性，分級限速標(biāo)志不應(yīng)過多；②限速值不應(yīng)過低，否則將會影響出口匝道影響區(qū)的交通效率；③限速值變化不宜過于頻繁，以免駕駛員產(chǎn)生煩躁心理。分級限速標(biāo)志值間的遞減量一般為10km/h~20km/h。通過相關(guān)交通數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，界定高速公路正常路段上小型車的平均運(yùn)行車速為100km/h~120km/h，大型車的平均運(yùn)行車速為90km/h~110km/h。故本文將研究一級、二級及三級分級限速方案，并根據(jù)在出口匝道影響區(qū)采取的限速遞減量和遞減次數(shù)確定各分級限速方案的限速值及其種類，如表1所示。

表1 分級限速方案的限速值及其種類

根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》及GoogleEarth觀測，我國出口匝道鼻端處的限速值大多為40km/h，所以本文將研究40、60～40、80～60～40這3種常見分級限速方案在出口匝道影響區(qū)不同交通組織環(huán)境下的適用性情況。

2 分級限速方案適用性評估方法

2.1 評估指標(biāo)體系構(gòu)建

本文根據(jù)相關(guān)研究資料，并考慮評估指標(biāo)之間的相對重要性、計(jì)算評估指標(biāo)的復(fù)雜度，運(yùn)用專家分析法，構(gòu)建分級限速方案適用性的評估指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 高速公路出口匝道分級限速方案適用性評估指標(biāo)體系

2.1.1 交通安全評估指標(biāo)

基于非事故統(tǒng)計(jì)的間接評估方法，選取速度離散性評估指標(biāo)——速度偏差的變化系數(shù)（theCoefficientof VariationoftheSpeedDeviation,CVSD）和交通沖突評估指標(biāo)——交通沖突率f，從這兩個(gè)交通安全指標(biāo)來對高速公路出口匝道影響區(qū)的交通安全進(jìn)行評估。

（1）速度離散性評估指標(biāo)——速度偏差的變化系數(shù)CVSD

在出口匝道影響區(qū)的影響下，導(dǎo)致高速公路的連續(xù)車流受到干擾、車速離散程度變大、車頭時(shí)距變小，隨之造成交通擁擠、車輛排隊(duì)長度變長等。如果把出口匝道影響區(qū)看作一個(gè)系統(tǒng)，則該系統(tǒng)內(nèi)要素之間具有很強(qiáng)的制約關(guān)系，該系統(tǒng)是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)。通過分析相關(guān)研究成果可知，交通安全和車速的離散程度存在著非常密切的關(guān)系，即交通安全性和車速的離散程度呈反比。而在高速公路出口匝道影響區(qū)中，由于不同斷面的平均運(yùn)行車速都不一樣，為避免受到不同運(yùn)行車速的干擾，本文選用速度離散性評估指標(biāo)CVSD來評估各斷面的交通安全性。其中速度偏差的變化系數(shù)CVSD的計(jì)算公式為：

（2）交通沖突評估指標(biāo)——交通沖突率f

在出口匝道影響區(qū)中，由于駛?cè)氤隹谠训赖能囕v要實(shí)現(xiàn)減速、變換車道、尋找插入空隙等駕駛行為，從而對出口匝道影響區(qū)內(nèi)的交通流產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致同一車道的車輛之間發(fā)生縱向沖突、相鄰車道的車輛發(fā)生橫向沖突，極易發(fā)生交通事故，導(dǎo)致出口匝道影響區(qū)安全性較差。另外，專家研究表明交通沖突和交通事故存在緊密的關(guān)系，則交通沖突率和事故率也存在緊密的關(guān)系，即交通沖突數(shù)越高，交通沖突率就會越高，事故率也就會越高。所以，本文選用交通沖突評估指標(biāo)——交通沖突率f，來對出口匝道影響區(qū)分級限速方案的適用性進(jìn)行研究。其中，交通沖突率f 的計(jì)算公式為：

式中，f 為交通沖突率，次/veh·km；TC 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側(cè)車道至出口匝道車道的時(shí)均沖突數(shù)，次；Q 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側(cè)車道至出口匝道車道的路段交通量，pcu/h；d 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側(cè)車道至出口匝道車道的路段長度，km。

2.1.2 交通效率評估指標(biāo)

由于出口匝道影響區(qū)擁擠現(xiàn)象較為突出，交通影響區(qū)中分級限速標(biāo)志不同的設(shè)置方案必然會對其交通效率引起較大影響，若分級限速標(biāo)志設(shè)置的不合理，交通影響區(qū)的交通效率必會下降。所以，本文從“時(shí)間”和“空間”兩個(gè)角度選取交通效率評估指標(biāo)，即時(shí)間占用性指標(biāo)和空間占用性指標(biāo)。

（1）時(shí)間占用性指標(biāo)——車均延誤時(shí)間D

出口匝道影響區(qū)由于行駛車輛經(jīng)常會出現(xiàn)減速、變換車道等操作行為，其車輛在通過出口匝道影響區(qū)的平均行程時(shí)間必然會增大，占用的時(shí)間較長，尤其在交通量較大時(shí)甚為嚴(yán)重。本文從“時(shí)間”角度考慮評估交通效率，選取時(shí)間占用性指標(biāo)，即車均延誤時(shí)間。其中車均延誤時(shí)間D的計(jì)算公式為：

式中，D為出口匝道影響區(qū)車均延誤時(shí)間，s；Tm為車輛通過出口匝道影響區(qū)的實(shí)際平均行程時(shí)間，s；Tn為車輛通過出口匝道影響區(qū)的理論平均行程時(shí)間，s。

（2）空間占用性指標(biāo)——平均排隊(duì)長度q

出口匝道影響區(qū)由于交通環(huán)境復(fù)雜、交通流較為紊亂，交通擁堵時(shí)有發(fā)生，尤其交通量較大時(shí)，從出口匝道鼻端向主線上游延伸的路段甚為嚴(yán)重，經(jīng)常發(fā)生車輛排隊(duì)現(xiàn)象。在出口匝道影響區(qū)，如果分級限速方案的適用性較強(qiáng)，則產(chǎn)生對出口匝道影響區(qū)交通效率的干擾就較小，其平均排隊(duì)長度就較短，占用的道路空間就較??；如果分級限速方案的適用性較弱，則產(chǎn)生對出口匝道影響區(qū)交通效率的干擾就較大，其平均排隊(duì)長度就較長，占用的道路空間就較大。本文從“空間”角度考慮評估交通效率，選取空間占用性指標(biāo)，即從出口匝道鼻端向主線上游延伸所產(chǎn)生的平均排隊(duì)長度q。

2.2 加權(quán)加法平均法綜合評估

本文采用加權(quán)加法平均法來評估高速公路出口匝道影響區(qū)分級限速方案的適用性，其流程如下。

2.2.1 評估指標(biāo)建立

不同交通組織環(huán)境下分級限速方案的適用性是不同的，基于此，在高速公路出口匝道影響區(qū)的某種交通組織環(huán)境下，要對在這個(gè)交通組織環(huán)境下“40、60～40、80～60～40”這3種不同的分級限速方案適用性情況進(jìn)行評估，而CVSD、f、D、q則為分級限速方案的評估指標(biāo)。假設(shè)第i(i=1,2,3)個(gè)分級限速方案在第j(j=1,2,3,4)個(gè)指標(biāo)得到的標(biāo)值為，第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為。

2.2.2 評估指標(biāo)值無量綱化

由于加權(quán)加法平均法要把各評估指標(biāo)值進(jìn)行相加計(jì)算，所以就要求所有評估指標(biāo)標(biāo)值必須具有相同的量綱。本文選用直線型閾值法對定量指標(biāo)無量綱化，其計(jì)算公式為：

2.2.3 評估指標(biāo)權(quán)重分配

本文選用特征向量法確定評估指標(biāo)權(quán)重。特征向量法的實(shí)施步驟為：（1）列出基于評估指標(biāo)重要性的4×4的判斷方陣A；（2）求判斷方陣A的特征根λ；（3）判斷方陣A的一致性檢驗(yàn)；（4）求出判斷方陣A的最大特征根λmax的特征向量。步驟詳見文獻(xiàn)[3]。

2.2.4 加權(quán)加法平均法綜合評估值計(jì)算

加權(quán)加法平均法綜合評估的計(jì)算模型為：

分級限速方案適用性加權(quán)加法平均法綜合評估值的計(jì)算原理如表2所示。

表2 分級限速方案適用性加權(quán)加法平均法綜合評估值的計(jì)算原理

分級限速方案適用性加權(quán)加法平均法綜合評估值越高，則該分級限速方案的適用性就越強(qiáng)，反之，就越弱。

3 分級限速方案適用性評估

3.1 基于VISSIM 的分級限速方案仿真

3.1.1 交通組織仿真環(huán)境

確定分級限速仿真方案，關(guān)鍵在于交通組織環(huán)境仿真方案的確定，交通組織環(huán)境的組成因素主要包括主線上游交通量、車型比例、出口匝道駛出率和減速車道長度。由于這四個(gè)因素涉及的數(shù)據(jù)組合較多，先將不同出口匝道駛出率和不同減速車道長度進(jìn)行組合,得aj/bj(j=1,2,3)，共6種，如表3所示。

表3 出口匝道駛出率和減速車道長度的交通組成

然后在交通組成aj/bj(j=1,2,3)條件下，對不同的主線上游交通量和車型比例進(jìn)行組合ci/di/ei（i=1,2,3,4），得交通組織環(huán)境仿真方案共有72種，如表4所示。

表4 交通組織環(huán)境仿真方案

3.1.2 仿真流程

基于VISSIM 的分級限速方案的適用性評估仿真流程如圖3所示。流程詳見文獻(xiàn)[3]。

圖3 分級限速方案的適用性評估仿真流程

3.2 分級限速方案的適用性評估綜合分析

對仿真得到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用章節(jié)2.2中介紹的方法，綜合評估3種分級限速方案在72種交通組織環(huán)境仿真方案下的適用性，分析結(jié)果如圖4～圖9所示。

（1）出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為20%左右時(shí)分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

圖4 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境a1+ci/di/ei下的適用性綜合評估

從圖4可得出：（1）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越小時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當(dāng)3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：60≤40>40>80≤60≤40。

(2)出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為35%左右時(shí)分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況。

從圖5可得出：（1）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越小時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當(dāng)2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：60~40>40>80~60~40。

(3)出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為50%左右時(shí)分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖6可得出：（1）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量≤2400pcu/h且大車比率越小時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：40>60～40>80～60～40；（2）當(dāng)2400pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：60～40>40>80～60～40;（3）當(dāng)2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：60～40>80～60～40>40；（4）當(dāng)3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：80～60～40>60～40>40。

圖6 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境a3+ci/di/ei下的適用性綜合評估

（4）出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為20%左右時(shí)分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖7可得出：當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量≤出口匝道影響區(qū)通行能力且大車比率越小時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：40>60～40>80～60～40。

圖7 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b1+ci/di/ei下的適用性綜合評估

（5）出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為35%左右時(shí)分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖8可得出：（1）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越小時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當(dāng)3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：60~40>40>80~60~40。

圖8 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b2+ci/di/ei下的適用性綜合評估

(6)出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為50%左右時(shí)分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況

從圖9可得出：（1）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越小時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：40>60~40>80~60~40；（2）當(dāng)2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：60~40>80~60~40>40;（3）當(dāng)3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時(shí)，分級限速方案的適用性強(qiáng)弱情況為：80~60~40>60~40>40。

圖9 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b3+ci/di/ei下的適用性綜合評估

4 結(jié)論

本文對出口匝道影響區(qū)分級限速方案適用性研究具有一定的合理性，分級限速方案在不同交通組織環(huán)境下的適用性都是不同的。對于分級較多限速方案，雖然速度變化的連續(xù)性較好，在一定程度上保障了交通安全性，但是考慮到駕駛員的駕駛特性，其實(shí)這種限速方案對交通安全性的幫助并不大。因?yàn)轳{駛員在道路上行駛時(shí)，需要注意各種交通情況，所以設(shè)置過多的限速標(biāo)志時(shí)，駕駛員就有可能會一直注意這些標(biāo)志，從而忽視了自己的駕駛行為，這樣是非常容易發(fā)生交通事故的。所以，出口匝道影響區(qū)采用幾級限速方案應(yīng)根據(jù)交通組織環(huán)境而定，具體如下：

（1）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量較小、出口匝道駛出率較小且大車率較小時(shí)，可考慮采用一級限速方案；

（2）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量較大、出口匝道駛出率較大且大車率較大時(shí)，可考慮采用二級限速方案；

（3）當(dāng)出口匝道影響區(qū)交通量很大（接近出口匝道影響區(qū)通行能力）、出口匝道駛出率很大且大車率很大時(shí)，方可考慮采用三級限速方案。

這樣才能使分級限速方案的作用達(dá)到最佳，更有效地保障出口匝道影響區(qū)交通安全和提高其交通效率。

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