基于跟馳模型、換道模型的快速路立交微改善研究
——以竹葉山立交為例

杜建坤，李 瑞，鄭 猛

(1.武漢市交通發展戰略研究院，湖北 武漢 430000：2.武漢市規劃設計有限公司，湖北 武漢 430000)

1 立交擁堵成因分析

1.1 宏觀層面

(1)機動車擁有量持續發展

汽車使用率增加是導致城市交通堵塞的主要原因。2019年底，全國機動車保有量達3.5億輛，較2018年增加約2 100萬輛。現有道路交通資源難以承受日益增長的交通流需求，導致交通擁堵常發。

(2)城市職住不平衡

現階段，我國城市職住不平衡現象越發嚴重，這種不平衡的職住帶來了較為明顯的潮汐交通現象，進一步加劇了早晚高峰城市的擁堵問題。

(3)城市快速路容量與需求不匹配

城市快速路作為過境交通的主要使用道路，其道路容量與承擔交通量不匹配亦為造成擁堵的因素。上海市快速路面積占總道路面積的5%左右，而承擔交通流量30%左右，每天有250萬輛次使用快速路。

1.2 中觀層面

(1)路網級配不合理

目前大部分城市存在路網級配不合理的問題，往往是注重快速路、主干路等高快速通道的建設，忽視了次干路、支路等疏解性道路，導致高快速通道上的交通流難以得到快速疏解，由此帶來不必要的交通擁堵問題。

(2)匝道設計不合理

目前大部分城市的快速路均存在匝道上不去，下不來的問題，其中很大的原因就是匝道設計不合理，一方面受建設條件影響，另一方面受建設成本影響，銜接距離這一關鍵要素往往取的是極限值，很容易影響道路的通行效率。

1.3 微觀層面

(1)下匝道不暢導致主線擁堵

下匝道不暢主要表現在兩個方面，一方面是由于主線和匝道的速度差較大，下匝道通行能力與快速路下匝道流量需求不匹配，導致下匝道口擁堵頻發；另一方面是下匝道銜接道路和鄰近交叉口設計不合理，銜接道路的通行能力無法容納從快速路上下來的大流量車流，導致形成路段和交叉口瓶頸。

(2)上匝道合流瓶頸區擁堵

上匝道車流必須在加速車道范圍內換道，完成與快速路主線車流的強制并線，在并線過程中行車秩序難以保證，尤其是當主線車流量較大時，這種并道帶來的行車干擾將會在很大程度上降低主線的通行能力，進而產生交通瓶頸。

(3)交織段距離過短

非常規立交上下匝道車流在交織區內存在頻繁變道行為，尤其是當交織段距離過短時，越容易在該區域發生沖突，導致該段道路通行能力大大降低，進而產生交通擁堵。

2 交通治理微改善措施

2.1 空間轉移

立交交通秩序亂很大程度上制約了整個立交的通行效率，同時也極易引發交通事故。非常規立交由于上下匝道距離過近或車道連續變化，普遍存在車流交織嚴重區域，空間轉移主要通過設置隔離欄、實線段等改變道路渠化方式來引導車流按理想方向行駛，優化車流組織，減少空間沖突。

2.2 時間轉移

時間轉移主要采取信號控制的方式，保障在交通高峰時段(交通需求大于交通供給)快速路能以最高效率運行，具體表現為車流以最佳速度和最佳流量運行。

要達到這樣的控制效果，要求在各出口匝道對輔路車流加以控制并與下游信號交叉口協調來保證出口匝道車輛排隊不至于到達快速路交織區；各入口匝道放入車輛要與快速路交通流狀態相適應，其放入量和放入時間既不至于使快速路形成交通瓶頸又不能浪費快速路的時空資源。與此同時，應協調輔路上游交叉口控制信號、匝道控制信號和輔路下游交叉口控制信號，從而盡量減小輔路的車輛排隊和延誤。

具體控制策略包括以下兩點。

(1)分層優先

高快速路匝道控制應該遵循以下優先級，首先是主線車流通行最優先，再是駛出下匝道車流通行次優先，短距離借路行駛通行處于最低優先級。

(2)輔路及路網協調控制

城市快速路有時候為主輔路的形式，在主線產生交通擁堵時，輔線可在一定程度上起到分流的作用。在進行交通組織時，統籌考慮快速路輔路及鄰近路網，可以有效緩解和預防主路阻塞帶來的擁堵問題。

2.3 綜合保障

通過VIS等發布道路實時信息，協助駕駛員合理地規劃行駛路線和選擇適當上下匝道口，誘導車輛合理分配城市路網。

3 仿真建模與評價指標體系

3.1 跟馳模型

跟馳模型可分析相同車道、相鄰車間的相互作用。考慮到復雜立交匝道合流、分流、交織區可能出現的車輛加速、減塞停再起步等現象以及模型準確性和復雜性，借助IDM(智能駕駛)模型描述匝道合流區車輛跟馳行為。IDM模型由自狀態下的加速項和考慮與前車碰撞的減速項兩部分構成，能夠較好地描述車輛的跟馳行為，公式如下

(1)

(2)

3.2 換道模型

在各類快速路瓶頸中,匝道合流區瓶頸在典型性和數量比例方面占有重要地位，匝道合流區瓶頸內存在大量的強制換道行為,是誘發瓶頸的重要原因，換道動機的不同也是立交與普通路段的不同之處。

Gipps提出了首個換道行為模型框架，該框架著眼于多車道城市路網，但其基本原理也可應用于構建快速路模型框架。Hidas等針對Gipps模型進行優化，提出了自由換道、協同換道、強制換道三類不同的換道行為，后兩種換道，為了提供充足的換道空間，目標車道后車需要主動或被迫降低車速。

對于自由換道行為，駕駛員在車輛行駛過程中始終追求更自由的駕駛環境(更快的速度、更大的車輛間距)，存在著向左換道、不換道、向右換道的心理博弈，當換道后的駕駛環境相比于當前駕駛環境更加優越時，駕駛員產生換道動機。

對于自由換道行為，考慮到模型的準確度與復雜度，采用車輛加速度描述換道環境的優劣。借助IDM模型分別計算不換道ac與向左換道al、向右換道ar的加速度大小，當加速度差值達到一定值(記為閾值at)，則認為車輛有足夠的動機向該車道換道，即

(3)

對于強制換道行為，為了與自由換道行為統一，可以將匝道終點處看作存在靜止障礙物，匝道車輛受到前方障礙物的影響會產生換道需求。如果主路和匝道行車條件相近或主路行車條件更好，主路車輛一般保持在主路車道行駛，匝道車輛嘗試匯入主路車道;如果主路行車條件明顯差于匝道，可能有靠近匝道的主路車輛換道進入匝道，快速行駛一段距離后再匯入主路，這一情況與實地觀測情況相符。

3.3 仿真流程

仿真流程分為四個階段，資料準備數據采集、模型建立、參數標定及仿真評價。

3.4 評價指標選取

仿真根據所使用的路網對象得出大量數據，例如包含關于車輛、路段、節點、狀態、綠燈時間分布、公交的等待時間或面域等信息。

科學地選擇評價指標可精準分析交通擁堵的原因，進而有效指導交通擁堵疏解，本次研究選取的評價指標有平均延誤、平均停車次數、平均速度以及平均停車延誤。

4 實例分析

4.1 項目概況

竹葉山立交是武漢市二環線漢口段一重要節點，也是后湖片區上下二環線的必經轉換點。該立交是一個多層互通立交，涉及多個互通出入口，由于各交織道路規劃和建設周期不在同一時期，使得該互通立交建設過程中存在一定的現實條件約束，導致互通不同出入口間車流干擾大，同時，由于該互通承載的兩條主要快速路，現狀立交無法容納兩大快速路的疊加交通量，導致該節點擁堵常發。

4.2 改善措施

(1)空間轉移

針對交織嚴重路段，重新劃分交織段車道，采用實線段控制，減少車輛換道沖突，提升運行車速，提升通行能力。

(2)時間轉移

優化發展大道(竹葉山轉盤至唐家墩路)8處信號配時，并精細化設計路口相位，提高不同路口的協調性。

工作日早高峰7∶30～8∶30，啟用匝道控制，控制匝道主要為以下三處：發展大道二七路(東向西)的上高架匝道；發展大道三眼橋(西向東)的上高架匝道；金橋大道興業路(北向南)的上高架匝道。

(3)綜合保障

通過匝道管控保證主線交通暢通，地面層交通信號控制給與主線流量方向一定的優先權。

縮窄發展大道黃孝河路口車道，增加車道數量；合理設置道路標線，防止路口溢出車輛排隊；金橋大道(和諧大道至竹葉山立交)、發展大道(竹葉山立交至唐家墩)路段，允許社會車輛在早晚高峰時段借用地面層公交專用道通行。

八古墩東一巷取消路邊停車泊位，由單向通行恢復至雙向通行，增加繞行選路選擇。

4.3 仿真結果

本文選取延誤時間、停車次數、停車延誤、平均速度四個指標來評價改善前后的路網運行效率。其中路網流量輸入現狀調查流量，評價的指標通過仿真檢測器獲得，檢測范圍包括：研究立交幾何型心為中心，800 m范圍內所有路段。

表1 仿真結果

改善措施實施后，該立交平均延誤時間減少51.6%，平均停車次數減少59.3%，平均速度提升29.8%，平均停車延誤時間減少53.7%。可見，路網改善后整體運行效率提升。

5 結 論

城市快速路立交擁堵問題是限制城市道路運行的整體效率重要節點，本文從宏觀、中觀、微觀三個方面分析了城市快速立交擁堵的主要成因，從空間轉移、時間轉移、綜合保障三個方面提出交通微治理措施，同時對快速路駕駛行為模型及評價指標選取進行了研究。利用仿真模型針對武漢市竹葉山立交進行實例仿真分析，結果顯示改善措施有效，路網改善后整體運行效率提升。可為類似立交提供治理參考。