互通式立交匝道的服務(wù)水平分析

董長坤，岳紹興，張 媛，劉晏榮

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

服務(wù)水平是道路設(shè)施能給駕駛員和乘客提供的服務(wù)質(zhì)量好壞的定性指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)人員對道路預(yù)期達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過對道路的服務(wù)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(jìn)入21世紀(jì)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(wù)質(zhì)量要求越來越高，道路阻塞問題日益突出，給社會經(jīng)濟(jì)帶了重大的損失。對此，國內(nèi)外專家、學(xué)者對公路主線的服務(wù)水平及評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了大量的分析與研究[1-4]，《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2006）（以下簡稱“規(guī)范”）[5]也做了相應(yīng)的規(guī)定，但對互通式立交匝道的服務(wù)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(wù)質(zhì)量會影響整個(gè)高等級道路的服務(wù)質(zhì)量，因此通過對匝道服務(wù)水平的分析，確保互通式立交匝道與主線保持一致的運(yùn)行服務(wù)水平，為道路使用者提供統(tǒng)一良好的服務(wù)質(zhì)量具有重要的意義，同時(shí)也為進(jìn)一步規(guī)范互通式立交匝道設(shè)計(jì)指標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。本文從互通式立交匝道基本路段上車流特性及服務(wù)水平影響因素分析出發(fā)，來探討互通式立交匝道的服務(wù)水平。

1 服務(wù)水平和服務(wù)交通量的概念

服務(wù)水平（LOS）是衡量道路交通設(shè)施所提供的運(yùn)行質(zhì)量好壞和交通流運(yùn)行狀況的一種定性質(zhì)量指標(biāo)，因道路交通安全與諸多因素有關(guān)，服務(wù)水平通常用行車速度、行程時(shí)間、交通中斷、行駛自由度、舒適和方便等服務(wù)指標(biāo)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(gè)國家對服務(wù)水平等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)各不相同，我國參照前蘇聯(lián)對道路服務(wù)水平等級劃分的做法，將服務(wù)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(wù)水平（自由流、穩(wěn)定流中間范圍、穩(wěn)定流下限）

圖2 四級服務(wù)水平（非穩(wěn)定流及強(qiáng)制流）

服務(wù)交通量是在通常的道路、交通和管制條件下，給定時(shí)間段內(nèi)保持規(guī)定服務(wù)水平時(shí)，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(shí)間的最大小時(shí)交通量[7]。不同服務(wù)水平下，單位時(shí)間的服務(wù)交通量是不同的，服務(wù)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(wù)水平就越高；反之，服務(wù)交通量越大，道路的服務(wù)水平就越低。另外，服務(wù)交通量不是一個(gè)系列值，而是在既定的不同服務(wù)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(wù)水平之間的交通流量界限。

2 服務(wù)水平的影響因素分析

服務(wù)水平是道路處在理想條件下，運(yùn)用的一定計(jì)算公式和方法確定的既有道路交通設(shè)施能給駕駛員和乘客所提供的服務(wù)質(zhì)量的好壞。在實(shí)際車流運(yùn)行過程中道路的通行能力和服務(wù)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(huán)境五個(gè)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(zhì)量狀況兩方面。其中幾何線形因素包括道路的設(shè)計(jì)速度、平縱面線形、視距、車道數(shù)、車道寬度、橫斷面組成、路肩寬度和側(cè)向凈空、匝道出入口設(shè)置等；道路質(zhì)量狀況包括路面的平整度、損壞狀況、抗滑能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yùn)行中，大型車對交通運(yùn)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(gè)車流的運(yùn)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(cè)車道較其他車道承擔(dān)的交通量要小。道路交通容量表明了道路整個(gè)系統(tǒng)可能承受的交通車輛數(shù)，道路交通容量越大，同一服務(wù)水平等級下，道路上的交通量數(shù)就越大。

2.3 管理因素

管理因素主要包括管理水平、監(jiān)控系統(tǒng)、救援系統(tǒng)、服務(wù)設(shè)施、收費(fèi)系統(tǒng)等道路附屬設(shè)施等對道路服務(wù)水平的影響。良好的道路管理系統(tǒng)對道路交通服務(wù)質(zhì)量的保障具有重要作用，它能為道路提供一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境，充分發(fā)揮道路的功能，保證車輛的有效運(yùn)行，對保證道路某一服務(wù)水平下車輛的安全運(yùn)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(shè)施的設(shè)置。雖然在服務(wù)水平的定義及等級劃分上沒有考慮車輛運(yùn)行的安全性這一因素，但是完善的交通安全設(shè)施是確保車輛能有序運(yùn)行的基礎(chǔ)，對保證道路服務(wù)水平具有重要的意義。交通安全設(shè)施的設(shè)置主要包括交通標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置、中央分隔帶設(shè)置、防護(hù)和防眩設(shè)施設(shè)置、視線誘導(dǎo)標(biāo)志、隔離柵及道路照明等。

2.5 環(huán)境因素

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

3 匝道服務(wù)水平評價(jià)指標(biāo)的確定

因不同道路交通設(shè)施服務(wù)功能和服務(wù)對象的不同，車輛運(yùn)行質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)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(shí)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(zhuǎn)換設(shè)施，是一個(gè)空間分離的交叉口，匝道是連接不同轉(zhuǎn)向車輛行駛構(gòu)成互通式立交小型路網(wǎng)的紐帶，互通式立交匝道服務(wù)水平評價(jià)指標(biāo)的確定應(yīng)綜合考慮車輛在互通式立交匝道上運(yùn)行的各種特性。不同出行目的駕駛員和乘客對道路設(shè)施服務(wù)滿意度的要求不同，高速公路是解決長距離出行的交通設(shè)施，主要供車輛安全、快速、經(jīng)濟(jì)的長距離出行，互通式立交是高速公路上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，高速公路的運(yùn)行狀況與互通式立交匝道上車輛的運(yùn)行應(yīng)保持一致。

有學(xué)者通過詢問法對互通式立交匝道服務(wù)滿意度指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查，指出駕駛員和乘客對城市快速路上互通式立交運(yùn)行的關(guān)注點(diǎn)主要是匝道的暢通性，其次為運(yùn)行的速度、安全和交通量，對道路環(huán)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(yùn)行的特點(diǎn)，選取車輛的運(yùn)行速度作為評價(jià)互通式立交匝道服務(wù)水平的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行速度越高，服務(wù)水平就越高，運(yùn)行速度下降則服務(wù)水平降低。另外，運(yùn)行速度的大小也從另一個(gè)側(cè)面反映了匝道上的交通量和密度指標(biāo)，因?yàn)檫\(yùn)行速度越快，匝道上的車輛密度和車流量就越小，車輛運(yùn)行就越順暢，駕駛員和乘客感知的道路服務(wù)水平就越高，因此運(yùn)行速度可作為對互通式立交匝道綜合服務(wù)質(zhì)量的衡量指標(biāo)。

運(yùn)行速度本身是一個(gè)定量的指標(biāo)，反映了車輛在互通式立交匝道上運(yùn)行時(shí)的暢通程度和服務(wù)質(zhì)量。不同車輛因動力特性、機(jī)動性等差異，運(yùn)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(yùn)行速度之間的差異在匝道上不能完全得以體現(xiàn)，大型車的運(yùn)行對小型車有很大的限制作用，造成不同車輛之間排隊(duì)行駛，相互干擾，車輛運(yùn)行延誤，運(yùn)行的通暢性受阻，運(yùn)行速度下降。因此可通過行車延誤率指標(biāo)來量化互通式立交匝道的服務(wù)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(shí)間損失，以s或min計(jì)[9]。根據(jù)行車延誤產(chǎn)生的原因可分為固定延誤、停車延誤、行駛延誤、排隊(duì)延誤、引導(dǎo)延誤。互通式立交匝道上沒有交通信號燈等交通管制設(shè)施，行車延誤主要來自于交通流內(nèi)部的干擾。根據(jù)延誤的概念，車輛在互通式立交匝道上發(fā)生的行車延誤主要是發(fā)生延誤時(shí)車輛在匝道上的運(yùn)行的時(shí)間與暢行時(shí)運(yùn)行時(shí)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(jià)指標(biāo)缺乏可比性，為了評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更為確切，采用相對延誤率作為互通式立交匝道服務(wù)水平的量化標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式如下：

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

4 基于相對延誤率的匝道服務(wù)水平分析

4.1 基于理論的相對延誤率計(jì)算分析法

4.1.1 自由流狀態(tài)下車輛行駛時(shí)間的確定

自由流狀態(tài)下車輛的運(yùn)行速度保持在自由流速度附近，設(shè)第i輛車在自由流狀態(tài)下的運(yùn)行速度為v0i，匝道上車輛自由行駛持續(xù)的時(shí)間tai的計(jì)算公式為：

式中： ld為匝道基本路段實(shí)際長度（m）。

4.1.2 匝道上實(shí)際行駛時(shí)間的確定

實(shí)際狀態(tài)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(yùn)行受前車運(yùn)行狀態(tài)的影響較為嚴(yán)重，設(shè)第i輛車的實(shí)際運(yùn)行速度為vi，車輛在匝道上的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間tdi的計(jì)算公式為：

4.1.3 相對延誤率的計(jì)算

由式（2）和式（3）計(jì)算得到自由流運(yùn)行持續(xù)時(shí)間與實(shí)際運(yùn)行持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而匝道上車輛i運(yùn)行的相對延誤率計(jì)算公式為：

由式（4）知，相對延誤率的計(jì)算回歸到不同狀態(tài)下車輛在匝道運(yùn)行速度之間的相對比值，充分反映了匝道上車輛的運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量，車輛i的自由流運(yùn)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(shí)際運(yùn)行速度vdi隨著匝道上車輛跟馳運(yùn)行狀態(tài)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(shí)，前引車的運(yùn)行狀態(tài)決定著跟隨車的運(yùn)行行車狀態(tài)。設(shè)跟馳狀態(tài)用 j表示， j=1,2,3,…,n，用q

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

應(yīng)用式（5）計(jì)算得同一匝道在不同運(yùn)行狀態(tài)下的平均相對延誤率，能充分反映匝道上車輛的運(yùn)行速度、運(yùn)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(yùn)行的程度就越高，匝道設(shè)施給駕駛員和乘客提供的服務(wù)質(zhì)量也越高。

4.2 基于實(shí)際調(diào)查的相對延誤率計(jì)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(jì)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(tài)下的行駛速度較為困難，而且車輛實(shí)際運(yùn)行速度的確定較為復(fù)雜，所受的影響因素較多，精度較低。

在實(shí)際運(yùn)用分析中，匝道設(shè)施給駕駛員和乘客提供的運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量，可通過車牌號對照法，測定某一時(shí)段內(nèi)跟馳狀態(tài)和自由流狀態(tài)下同一車輛通過匝道入口的時(shí)間td入、ta入和出口的時(shí)間td出、ta出，二者相減便可得跟馳狀態(tài)下車輛的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間td=td出-td入，自由流狀態(tài)下車輛的運(yùn)行時(shí)間ta=ta出-ta入，應(yīng)用式（1）便可計(jì)算得到匝道車輛的相對延誤率，分析該時(shí)段內(nèi)匝道運(yùn)行環(huán)境給駕駛員和乘客提供的服務(wù)質(zhì)量。這種運(yùn)用實(shí)測數(shù)據(jù)的分析方法，需要耗費(fèi)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(yùn)行過程，但是計(jì)算結(jié)果能真實(shí)地反應(yīng)匝道上車輛運(yùn)行狀況和匝道不同跟車狀態(tài)下的相對延誤率，即給駕駛員和乘客提供的服務(wù)質(zhì)量。

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

5 互通式立交匝道服務(wù)水平評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

互通式立交匝道是供車輛轉(zhuǎn)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(shè)施，必須與高速公路主線或地方道路的服務(wù)水平保持一致。結(jié)合前文分析，從互通式立交匝道車流運(yùn)行特性及匝道幾何特征出發(fā)，采用相對延誤率作為匝道服務(wù)水平評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，參考《規(guī)范》中對二、三級公路服務(wù)水平評價(jià)量化指標(biāo)，本文建議匝道服務(wù)水平劃分為四個(gè)等級（見表1）。

表1 互通式立交匝道基本路段各級服務(wù)水平的相對延誤率指標(biāo)

一級服務(wù)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(yùn)行速度行駛，車輛的運(yùn)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(yùn)行過程中因交通流內(nèi)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(yùn)行環(huán)境。

二級服務(wù)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(yùn)行速度降低，駕駛員在根據(jù)自己的意愿選擇運(yùn)行速度時(shí)，需要關(guān)注交通流內(nèi)其他車輛的運(yùn)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(wěn)定流狀態(tài)，并逐步趨向擁擠，造成車輛運(yùn)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(wù)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(yùn)行明顯受到交通流內(nèi)部其他車輛的干擾和影響，運(yùn)行速度受限狀態(tài)嚴(yán)重，交通流狀態(tài)處于穩(wěn)定流的下半部分，逐漸接近不穩(wěn)定流范圍。交通流稍有增長就可能會出現(xiàn)交通擁堵，服務(wù)水平顯著下降，在延誤率達(dá)到80%時(shí)，匝道提供給駕駛員和乘客的服務(wù)所受的限制達(dá)到臨界值，但是可通行的交通量還尚未達(dá)到通行能力值。

四級服務(wù)水平代表匝道上車輛的運(yùn)行已經(jīng)嚴(yán)重受到干擾，所有車流的運(yùn)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(wěn)定強(qiáng)制狀態(tài)，在靠近下限時(shí)每小時(shí)交通量接近于匝道的通行能力。此時(shí)，交通量稍有增加或交通流內(nèi)部出現(xiàn)小的擾動便會出現(xiàn)交通擁堵，給駕駛員和乘客的服務(wù)質(zhì)量明顯下降，車輛排隊(duì)行駛，出現(xiàn)走走停停的現(xiàn)象。

通過上述互通式立交匝道服務(wù)水平等級的劃分及劃分標(biāo)準(zhǔn)的確定，對互通式立交匝道在規(guī)劃、設(shè)計(jì)時(shí)選用合適的服務(wù)水平，科學(xué)地確定互通式立交匝道技術(shù)指標(biāo)，合理地控制互通式立交規(guī)模具有重要意義。結(jié)合高速公路互通式立交設(shè)計(jì)的功能及高速公路設(shè)計(jì)服務(wù)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(wù)水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，而一級公路互通式立交匝道基本路段可按三級服務(wù)水平設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論

（1）對服務(wù)水平和服務(wù)交通量的含義及各等級劃分的車流運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析說明；從道路、交通、管制、安全、環(huán)境五個(gè)方面對服務(wù)水平的影響因素進(jìn)行了分析。

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

（3）從行車延誤理論計(jì)算和實(shí)際調(diào)查分析兩個(gè)方面分析了相對延誤率的計(jì)算方法，根據(jù)匝道設(shè)計(jì)服務(wù)的功能與目的，用相對延誤率指標(biāo)確定了匝道的服務(wù)水平等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)和各服務(wù)水平等級下匝道車流的運(yùn)行狀態(tài)。

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