城鄉(xiāng)結(jié)合部一級(jí)公路接入口評(píng)價(jià)

許 諾， 龍科軍， 楊 進(jìn)， 朱全軍

(1.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015)

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市邊界不斷向外延展，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市與鄉(xiāng)村的邊界越來越模糊，形成了兼具城市和鄉(xiāng)村雙重土地利用性質(zhì)的城鄉(xiāng)結(jié)合部過渡區(qū)域。在城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的過程中，城郊公路發(fā)揮著重要的作用，但是由于城郊公路交通復(fù)雜，其設(shè)計(jì)和管理相對(duì)滯后，無法滿足城郊公路的快速建設(shè)與發(fā)展的需求，導(dǎo)致城鄉(xiāng)結(jié)合部交通安全問題突出，交通秩序混亂，交通擁堵日益嚴(yán)峻，交通事故頻發(fā)。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]表明：一級(jí)公路交通事故率高居不下且運(yùn)行效率低下的原因之一是接入口的設(shè)計(jì)不合理。目前，關(guān)于一級(jí)公路接入口的設(shè)計(jì)沒有明確的規(guī)范，道路沿線接入口的無序建設(shè)對(duì)運(yùn)行效率會(huì)產(chǎn)生影響。因此，有必要針對(duì)一級(jí)公路沿線接入口的設(shè)置進(jìn)行研究，既滿足規(guī)范[2]規(guī)定的間距要求，又能方便群眾出行。

學(xué)者們的研究集中在城鄉(xiāng)結(jié)合部一級(jí)公路的安全和高效。Gluck[3]發(fā)現(xiàn)：在中央帶寬超過12 m的道路上，遠(yuǎn)引掉頭(U-Turn)設(shè)計(jì)可以將事故率降低22%。Zhou[4]等人發(fā)現(xiàn)：使用遠(yuǎn)引掉頭車輛的平均等候延誤小于直接左轉(zhuǎn)的，特別是在交通量增加的情況下。他還發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)引掉頭的沖突率遠(yuǎn)低于直接左轉(zhuǎn)的。遠(yuǎn)引掉頭的道路安全性會(huì)大幅提高，但也會(huì)導(dǎo)致行車距離的增加。過秀成[5]等人基于事故率、停車視距及接入口功能分區(qū)等，對(duì)一級(jí)公路最小接入間距進(jìn)行了研究，最終確定了接入間距的推薦值。盧光明[6]等人發(fā)現(xiàn)：一級(jí)公路對(duì)接入口的管理較為缺失，易造成接入口處事故頻發(fā)。唐[7]等人在調(diào)研大量雙車道公路數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)：接入口密度是影響雙車道公路交通安全的重要因素。因此，作者擬對(duì)3種典型且常見的接入口形式進(jìn)行研究。應(yīng)用VISSIM仿真平臺(tái)，構(gòu)建一級(jí)公路接入口交通流運(yùn)行仿真模型，并對(duì)比3種接入口方式的運(yùn)行效率。應(yīng)用安全間接分析模型[8]，對(duì)其進(jìn)行交通沖突評(píng)價(jià)、效率評(píng)價(jià)及安全評(píng)價(jià)。該研究結(jié)果可為一級(jí)公路接入口布局、選型及設(shè)計(jì)提供參考。

1 接入口形式

本研究選擇城鄉(xiāng)結(jié)合部一級(jí)公路的3種典型接入口設(shè)計(jì)[9]，包括：十字平面交叉、右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭及通道/天橋輔助的右進(jìn)右出，如圖1～3所示。

圖1 十字平面交叉示意Fig.1 Two-way stop-controlled intersection design

從圖1中可以看出，在十字平面交叉設(shè)計(jì)中，主干道(郊區(qū)一級(jí)公路)的中間開口允許被交道路的交通流在十字路口交叉或轉(zhuǎn)彎。無信號(hào)控制的十字平面交叉口要求車輛停在十字路口，等待安全的間隙進(jìn)入十字路口。當(dāng)主干道的交通量很大時(shí)，被交道路中的車輛難以找到穿越的安全車距，可能會(huì)永遠(yuǎn)在十字路口等待，這將造成跨街交通的延誤。如果來自十字路口的駕駛員進(jìn)攻性強(qiáng)，對(duì)于任意進(jìn)、出路口，主干道的交通將受到影響，可能造成交通沖突，引起主干道高速運(yùn)行車輛的運(yùn)營效率和造成安全隱患[10-11]。Campbell[12]分析了13 627起涉及中小型車輛人員死亡的交通事故，發(fā)現(xiàn)21%的致命車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員不按標(biāo)志停車造成的，23%的致命車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員未選擇正確路線引起的。

從圖2中可以看出，右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式能改善無信號(hào)控制交叉口的安全性和效率。通過在下游中央分隔帶開口(本研究取交叉點(diǎn)下游200 m[13])處掉頭變道的方式，消除了從被交道路進(jìn)入主干道的左轉(zhuǎn)或直行車輛與主干道左轉(zhuǎn)或直行車輛之間的交通沖突。該模式進(jìn)一步消除了主干道中的左轉(zhuǎn)沖突。當(dāng)主干道交通流量達(dá)到一定范圍時(shí)，右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式交叉口可以全面降低碰撞嚴(yán)重程度，顯著提高交通的安全性和效率[14]。

從圖3中可以看出，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式是利用通道或天橋來實(shí)現(xiàn)穿越主線交通的。而合流接入主線車輛則通過右進(jìn)右出接入口來完成。右進(jìn)右出接入口與通道/天橋在局部區(qū)域形成“微循環(huán)”，車輛利用該“微循環(huán)”方便地完成掉頭或左轉(zhuǎn)，能極大地減少平面交叉、中央分隔帶開口對(duì)主線交通安全和效率的影響。

圖2 右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭示意Fig.2 U-turn design with right-in right-out

圖3 通道/天橋輔助的右進(jìn)右出示意Fig.3 Interchange design with right-in right-out

接入口設(shè)計(jì)的控制性因素包括：所在區(qū)域內(nèi)被交道路的具體情況、通道/天橋和中央分隔帶開口情況及主線平縱面情況等方面。不同的控制因素對(duì)接入口的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。

2 接入口通行效率評(píng)價(jià)

以湖南省婁底至雙峰(婁雙)一級(jí)公路為例進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)。婁雙公路位于平原微丘區(qū)，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，雙向4車道公路，單車道寬為3.75 m，設(shè)計(jì)單向交通量為1 800 pcu/h。由于使用VISSIM軟件進(jìn)行仿真時(shí)的通行能力均比實(shí)際的通行

能力要大，因此，模擬交通量設(shè)為2 000 pcu/h，交通流中的貨車和小車比例根據(jù)婁雙一級(jí)公路近1年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)設(shè)為4∶6，施工圖設(shè)計(jì)方案K0+000～K10+160路段共設(shè)置出、入口6處：被交道路K0+597處為省道、被交道路K2+915處為縣道、被交道路K5+041處為鄉(xiāng)道、被交道路K6+582處為鄉(xiāng)道、被交道路K7+461處為縣道及被交道路K9+780處為鄉(xiāng)道。

使用VISSIM軟件，分別對(duì)十字平面交叉、右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭及通道/天橋輔助的右進(jìn)右出3種形式進(jìn)行仿真分析。

2.1 仿真分析

采用控制單一變量的方法，對(duì)3種不同接入口形式進(jìn)行仿真對(duì)比分析與評(píng)價(jià)。即假設(shè)婁雙公路K0+000～K10+160路段上的接入口全部按照一種方式繪制得到，構(gòu)建3個(gè)VISSIM仿真模型。選擇行程時(shí)間、延誤、排隊(duì)車輛的平均停車延誤及平均停車次數(shù)作為效率評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些指標(biāo)的有效標(biāo)定能極大地保證仿真的準(zhǔn)確性，本研究參考了文獻(xiàn)[4]中的標(biāo)定參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，得到3種接入口方式下婁雙公路的效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表1。

表1 效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the efficiency evaluation index

2.2 結(jié)果分析

行程車速是評(píng)價(jià)道路服務(wù)水平的主要指標(biāo)，是衡量車輛運(yùn)營效率的重要參數(shù)。根據(jù)婁雙大道公路的設(shè)計(jì)車速為80 km/h和所選路段的長度10.16 km，在理想狀態(tài)下，車輛通過該仿真路段所需時(shí)間為457 s。從表1中可以看出，3種接入口方式對(duì)應(yīng)的行程時(shí)間與理想行程時(shí)間十分接近，路段車輛交通運(yùn)行效率整體較高。相應(yīng)地，十字平面交叉、右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭及通道/天橋輔助的右進(jìn)右出3種形式所對(duì)應(yīng)的行程車速分別為69.84,71.34和74.22 km/h，其中，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的行程車速最高，比十字平面交叉的行程車速提高了6.27%；右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭的行程車速比十字平面交叉的行程車速提高了2.14%。

從表1中還可以看出，十字平面交叉、右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭及通道/天橋輔助的右進(jìn)右出3種形式對(duì)應(yīng)的延誤分別為60.1,54.2和35.7 s。在該仿真分析中，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的總延誤比十字平面交叉形式的總延誤減少了68.3%，比右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式的總延誤減少了51.8%；十字平面交叉形式的平均停車延誤和右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式的平均停車延誤分別是通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的平均停車延誤的15倍和13倍。

十字平面交叉、右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭及通道/天橋輔助的右進(jìn)右出的平均停車次數(shù)分別為0.17,0.15和0.03次。表明：十字平面交叉和右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭2種接入口形式的停車次數(shù)相當(dāng)，是通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的5倍。因此，當(dāng)城鄉(xiāng)結(jié)合部一級(jí)公路的交通量接近其設(shè)計(jì)交通量時(shí)，被交道路和主路交通量比例為1∶15。當(dāng)未發(fā)生擁堵時(shí)，3種接入口形式中，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的行程車速高于十字平面交叉和右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭2種形式的。通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的延誤水平低于十字平面交叉和右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭2種形式的。因此，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出接入口形式的通行效率最高，十字平面交叉和右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭2種接入口形式的通行效率相近。

3 交通安全評(píng)價(jià)

安全評(píng)價(jià)方法分為直接評(píng)價(jià)和間接評(píng)價(jià)。直接評(píng)價(jià)法基于交通事故數(shù)據(jù)，具有評(píng)價(jià)周期長，樣本數(shù)量少及隨機(jī)性較大等特點(diǎn)；以交通沖突技術(shù)為代表的間接評(píng)價(jià)方法具有數(shù)據(jù)采集周期短和可觀測(cè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[15]。美國高速公路管理局(Federal Highway Administration,簡稱為FHWA)開發(fā)了基于仿真軟件的安全間接分析模型(Surrogate Safety Assessment Model，簡稱為SSAM)。通過對(duì)交通流進(jìn)行仿真分析，可以方便、快速地獲取交通沖突數(shù)據(jù)[16]。本研究基于VISSIM仿真軟件輸出的軌跡數(shù)據(jù)，采用SSAM模型，對(duì)3種接入口模式的沖突特性進(jìn)行分析。

3.1 SSAM模型簡介

SSAM模型是一種基于網(wǎng)格的沖突識(shí)別分析模型，分析指標(biāo)有：距離沖突碰撞發(fā)生的時(shí)間(time to collision，簡稱為TTC)、發(fā)生沖突時(shí)前(后)2車的車頭時(shí)距(post—encroachment time，簡稱為PET)、沖突過程中兩車速度的最大值Smax及發(fā)生沖突時(shí)兩車采取避險(xiǎn)措施瞬間的相對(duì)速度SDelta等[17]。對(duì)交通仿真軟件(VISSIM和AIMSUN等)所輸出的車輛軌跡進(jìn)行處理，結(jié)合各項(xiàng)沖突分析指標(biāo)閾值，判斷交通沖突狀態(tài)[18]。在SSAM模型中，根據(jù)車輛沖突時(shí)的相對(duì)角度，將交通沖突分為穿越?jīng)_突、追尾沖突和換道沖突，如圖4所示。當(dāng)兩車頭夾角85°≤θ<180°時(shí)，稱為穿越?jīng)_突；30°≤θ<85°時(shí)，稱為換道沖突；0°≤θ<30°時(shí)，稱為追尾沖突。交通沖突的嚴(yán)重程度以角度劃分，3種沖突中穿越?jīng)_突的危害最大。

圖4 交通沖突類型示意Fig.4 Traffic conflict types

3.2 模型建立與數(shù)據(jù)獲取

為獲取交通沖突分析所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在設(shè)置的輸出中勾選“車輛軌跡記錄文件”，在VISSIM仿真文件運(yùn)行后生成的.trj文件即為SSAM模型交通沖突分析所需的車輛軌跡數(shù)據(jù)。

應(yīng)用本研究所建立的VISSIM仿真模型，運(yùn)行3種接入口形式對(duì)應(yīng)的仿真模型，將生成的.trj文件分別導(dǎo)入到SSAM軟件中，設(shè)定模型分析的閾值TTC∈[0，1.5] s，PET∈[0，5] s，得到3種接入口形式婁雙公路交通安全評(píng)價(jià)(沖突分析)的分析結(jié)果，見表2。

3.3 結(jié)果分析

從表2中可以看出：① 十字平面交叉形式的穿越?jīng)_突最為嚴(yán)重，為右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式的1倍，為通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的近30倍。其原因是接入口處車輛需要交叉通過，而右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭和通道/天橋輔助的右進(jìn)右出2種方式直接通過右進(jìn)右出即可完成，避免了交叉沖突。同時(shí)，右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式的穿越?jīng)_突也很多。其原因是中央分隔帶開口會(huì)造成的掉頭車輛與直行車輛發(fā)生沖突。② 在追尾沖突中，右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式的沖突個(gè)數(shù)最多，約為十字平面交叉形式的4倍，為通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的8倍。其原因是右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式下，車輛掉頭時(shí)需要先變道至路中，再急減速掉頭，最后進(jìn)入對(duì)向車道。在該過程中，由于車輛在最里側(cè)快速車道繞中央分隔帶完成掉頭，與雙向快速車道存在2次追尾風(fēng)險(xiǎn)，加之里側(cè)車道車速快，因此，追尾沖突嚴(yán)重，影響了后面車輛的運(yùn)行，具有很大的交通安全隱患。③ 在換道沖突中，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式和右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式的沖突個(gè)數(shù)最多。其原因是干道上的車輛如果有出、入被交道路需求時(shí)，均需要變換車道。④ 在十字平面交叉形式中，車輛沖突大多為主線直行、支路穿越和左轉(zhuǎn)車輛之間的沖突，還有左轉(zhuǎn)車輛與對(duì)向直行車輛之間的沖突，車輛的速度大、相對(duì)速度也大，距離沖突碰撞發(fā)生的時(shí)間偏??；而在右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式中，車輛沖突大多為掉頭和右轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生的追尾沖突和變道沖突，車輛的相對(duì)速度不大，距離沖突碰撞發(fā)生的時(shí)間相對(duì)偏長；在通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式中，車輛沖突大多為右轉(zhuǎn)彎所產(chǎn)生的追尾沖突和變道沖突，它們的相對(duì)速度小， 距離沖突碰撞發(fā)生的時(shí)間長，且發(fā)生沖突時(shí)的車頭時(shí)距大，駕駛員有較多的反應(yīng)和制動(dòng)時(shí)間。因此，在3種接入口形式中，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的沖突總數(shù)量最少，影響最小，反應(yīng)時(shí)間最長，安全性最高。

表2 交通沖突的分析結(jié)果Table 2 Analysis results of the traffic conflicts

4 結(jié)論

針對(duì)城鄉(xiāng)一級(jí)公路接入口的車輛運(yùn)行效率和交通安全評(píng)價(jià)開展研究，選擇十字平面交叉、右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭及通道/天橋輔助的右進(jìn)右出3種典型接入口形式，并以湖南省婁雙一級(jí)公路為例，分別運(yùn)用VISSIM仿真軟件和SSAM模型，對(duì)3種接入口形式進(jìn)行安全效率分析評(píng)估。得到的結(jié)論為：

1) 在運(yùn)行效率方面，右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式略優(yōu)于傳統(tǒng)的無信號(hào)控制十字平面交叉形式，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的無信號(hào)控制十字平面交叉形式。

2) 在安全性能方面，與傳統(tǒng)的無信號(hào)控制十字平面交叉形式相比，右進(jìn)右出遠(yuǎn)引掉頭形式和通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式中最嚴(yán)重沖突類型的穿越?jīng)_突數(shù)顯著減少。其中，通道/天橋輔助的右進(jìn)右出形式的沖突數(shù)最少。

但是，本研究所建立的仿真模型得到的結(jié)論適用于道路服務(wù)水平較高、路段通暢性良好的一級(jí)城郊公路。在構(gòu)造仿真模型時(shí)，忽略了慢行交通(行人、非機(jī)動(dòng)車及摩托車等)這一重要因素對(duì)主線通行交通的影響，基于車輛軌跡數(shù)據(jù)的SSAM模型分析準(zhǔn)確率亦有下降。雖然通道/天橋輔助的右進(jìn)右出是3種形式中安全性和效率最高的，但建造通道和天橋均會(huì)增加工程造價(jià)。除此之外，在全封閉的路段中，為滿足沿線村民的過街需求，還要在適當(dāng)位置建造行人過街天橋。因此，在實(shí)際的接入口建設(shè)中，需要因地制宜，盡可能發(fā)揮通道和天橋功能。