快速路先入后出型出入口合理間距研究

葛婷， 陸奇， 周源

(1.蘇州科技大學土木工程學院， 蘇州 215011； 2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

快速路作為城市道路的主動脈，其出入口設置既要考慮道路的可達性和機動性，又要考慮出入口接入對快速路通行效率和行車安全的影響。出入口區域內車輛會存在分流、合流、交織、變換車道等行為，引起車輛在空間上的變換和重新分布，導致一系列的交通沖突和交通紊流現象，從而降低了整體設施的功能。研究發現事故率隨出入口密度的增加而增加，而相應的速度和運行效率呈明顯下降趨勢[1-2]。

目前關于出入口設計的相關研究方法主要分為：一是基于車輛運行過程劃分的理論計算，如王進等[3]對加、減速車道、過渡段、交織段、標線渠化帶等長度進行了分析，確定了不同平面式快速路出入口組合下的間距；潘兵宏等[4]、王靈利等[5]、邵陽等[6]根據車頭時距分布、變換車道特性、服務水平等，建立了高速公路主線連續入口、連續出口最小間距模型；李濤等[7]界定了高速公路主線同側相鄰入口與出口間距，構建了滿足合、分流區服務水平的主線同側相鄰單車道匝道入口與出口最小間距模型。二是基于交通仿真軟件或駕駛模擬方法展開，交通仿真模擬不同場景，得到了廣泛應用，如Zhou等[8]利用Corsim對高速公路立交鄰近區域出入口設置影響進行了安全效益分析；魏代梅等[9]采用TSIS仿真軟件對先入后出型匝道組合對交織區的影響進行了研究，構建了不同主線設計下的匝道間距理論計算模型；張東明等[10]利用VISSIM對立交節點處同時布置快速路入口匝道的幾何設計進行了研究；劉韶新等[11]借助駕駛模擬實驗構建了交織區運行風險評價指標。

目前，現有前人研究多集中在高速公路或快速路立交匝道間距及交織區段上，而關于快速路出入口布設及其對車輛運行影響的研究較少。尤其是先入后出型出入口組合，現行設計規范存在一定差異。因此，首先對中外出入口相關設計規范進行了對比；以快速路先入后出型出入口為研究對象，對不同入口-出口間距對車輛運行影響開展深入研究。以此為基礎，針對性地提出快速路先入后出型合理間距設計界限值，以期為快速路出入口設計及組織管理提供參考依據。

1 出入口設置規范對比

當相鄰出、入口距離較近時，常將其作為一個組合進行研究分析。根據組合順序不同，有以下4種形式：連續出口、連續入口、先出后入、先入后出。以美國為代表，綜合考慮了交織長度和標志標線設置所需的距離需求，確定了不同功能道路出入口匝道間距要求，如表1[12-13]所示。

出入口間距設置在保證主線交通不受進出交通干擾的情況下，應為出入口分、合流交通的加、減速及變換車道提供安全、可靠的條件。中國關于出入口間距的設置除了考慮出入口組合形式外，還考慮了主線不同設計速度差異性的影響，如表2[14-16]所示。對比可知，中、美關于連續出口和連續入口的設計基本保持了一致，即連續出/入口間距的界限值是統一的；先出后入組合的取值也較為接近，但在先入后出組合形式上存在較大差異。《公路路線設計規范》(JTG D20—2017)并未明確限定先入后出組合下的間距；而現行的城市道路相關設計規程對于先入后出的組合取值存在明顯的差異性，《城市快速路設計規程》(CJJ 129—2009)中的取值明顯高于《城市道路交叉口設計規程》(CJJ 152—2010)及美國相關規范中的取值規定。因此，有必要對先入后出型出入口組合設計間距取值進行詳細研究。

表1 美國公路和城市道路出入口匝道最小間距[12-13]Table 1 Minimum ramp spacing of the American highways and streets[12-13]

表2 我國公路和城市快速路出入口最小間距[14-16]Table 2 Minimum access spacing of highways and streets in China[14-16]

2 仿真參數設置及標定

本次研究分析時以雙向六車道城市快速路為背景，以主線和匝道設計速度、出入口間距等作為仿真時可變參量進行動態調整。主線車道寬度為3.75 m；各匝道均為單車道，車道寬度均為3.75 m；仿真時長為4 200 s，考慮到仿真初期初始交通流的穩定性，將仿真前600 s作為預熱期。根據相關文獻研究成果，數據采集范圍控制在入口上游和出口下游300 m范圍，在主線車道上間隔100 m設置數據檢測器采集相應指標數據，如圖1所示。先入后出型出入口間距是指入口匝道合流鼻端至出口匝道分流鼻端間的距離。仿真時相關參數設置如表3所示。

在使用VISSIM前，利用兩臺無人機同時航拍了北環快速路、中環快速路出入口實際運營情況，利用圖像處理軟件提取了部分車輛速度、加減速性能、駕駛行為等參數。在此基礎上，對平均停車間距(CC0)、期望車頭時距(CC1)、跟車隨機振蕩距離(CC2)、跟車狀態閾值(CC4)、最大減速度(MaxCD)等VISSIM仿真參數進行了標定，具體標定參數如表4所示。

表4 仿真參數標定Table 4 Traffic simulation parameters calibration

3 先入后出型出入口對主線車輛運行影響

3.1 對主線速度影響

車速能夠直接反映道路的運行效率，其動態變化也可以綜合反映車輛行駛的安全水平，故選擇主線車輛各采集點的速度作為判定指標進行仿真輸出。由圖2結合仿真過程可知，當主線交通量輸入為2 000 pcu/h時，入口匝道匯入交通量較小，此時主線車輛能自由行駛；入口-出口間距過小，會對主線與出入口設計速度差較大的快速路產生較大影響；隨著入口-出口間距增大至300 m時，入口-出口間距變化對主線車輛的速度影響明顯減弱，主線車輛維持在較高速度行駛。

當主線交通量為3 000 pcu/h時(圖3)，車輛運行呈現穩定流狀態。隨著間距增加，不同設計速度下主線速度隨出入口間距的增大呈明顯增大的趨勢。主線車輛可以維持在設計速度大小運行，但最外側車道車輛受合流和分流影響較大。此時主線車速不僅受入口-出口間距影響，還與主線和匝道的設計速度有關。主線設計速度60 km/h時，間距400 m主線速度趨于穩定；主線設計速度80 km/h時，間距500 m主線速度趨于穩定；主線設計速度100 km/h時，間距700 m主線速度趨于穩定。

圖1 快速路先入后出示意圖Fig.1 An entrance followed by an exit on expressways

表3 快速路交通仿真參數Table 3 Traffic simulation parameters of expressway

圖2 主線交通量為2 000 pcu/h， 匝道設計速度40 km/h時的速度Fig.2 Vehicle speed when mainline volume is 2 000 pcu/h and the design speed of ramp is 40 km/h

圖3 主線交通量為3 000 pcu/h， 匝道設計速度40 km/h時的速度Fig.3 Vehicle speed when mainline volume is 3 000 pcu/h and the design speed of ramp is 40 km/h

當主線交通量為4 000 pcu/h時(圖4)，仿真過程中出現了明顯的排隊和擁堵現象，主線的速度出現明顯的波動變化，主線車速受入口-出口間距影響較小，均位于匝道匯入車輛速度40 km/h附近。

3.2 對行車風險影響

速度離散程度是衡量道路行車安全的重要指標，其與事故率呈正相關[17]。由于不同間距下的數據采集器數量存在差異，采用路段車速變異系數對速度離散程度進行進一步對比分析。不同設計速度下的先入后出型快速路車速變異系數匯總如圖5所示。路段車速變異系數計算公式為

(1)

式(1)中：σ為車速標準差，km/h；μ為車速均值，km/h。

可以看出，隨著間距的增加，車速變異系數總體呈現下降的趨勢；且主線與出入口設計速度差越大，車速變異系數越大；隨交通量增加，車速變異系數急劇增加。已有學者采用K均值聚類建立了交織區運行風險等級劃分[18]。采用SPSS軟件對 225組不同組合條件下得到的車速變異系數值進行K均值聚類，最終得到2個聚類中心值，分別為 0.086 7、0.356 2，以此作為安全和臨界安全的劃分依據。

圖4 主線交通量為4 000 pcu/h，匝道 設計速度40 km/h時的速度Fig.4 Vehicle speed when mainline volume is 4 000 pcu/h and the design speed of ramp is 40 km/h

4 先入后出型出入口合理間距

當主線交通量輸入為2 000 pcu/h時，因交通量較小，出入口間距超過300 m對車速變異系數影響不明顯。當主線交通量輸入為3 000 pcu/h和 4 000 pcu/h 時，車輛處于穩定流和紊流狀態，對不同設計速度下的車速變異系數與入口-出口間距進行擬合，擬合結果匯總如表5所示。擬合結果顯示車速變異系數與間距的對數呈現線性變化關系。結合上文安全劃分依據，以變異系數變化逼近0.086 7、0.356 2 為依據確定不同設計速度下的先入后出型快速路出入口合理間距推薦值(圖6)。表5、表2中相關規范的規定存在一定差異。

Q為主線交通量，pcu/h；V為主線和匝道設計速度，km/h；圖例中，以 Q2000-V60-40為例，表示主線交通量為2 000 pcu/h，主線設計速度 60 km/h，匝道設計速度40 km/h圖5 車速變異系數分布Fig.5 Distribution of speed variation coefficient

表5 先入后出型出入口最小間距推薦值Table 5 Recommended minimum spacing of an entrance followed by an exit

圖例中，以Q3000-V60-40為例，表示主線交通量為3 000 pcu/h，主線設計速度60 km/h，匝道設計速度40 km/h圖6 車速變異系數與間距關系Fig.6 Relationship between speed variation coefficient and the spacing between an entrance and an exit

5 結論

在對比中外出入口設置規范的基礎上，明確我國先入后出型出入口布設間距缺乏統一標準。采用VISSIM仿真，分別考慮交通流特性、設計速度及出入口間距，對快速路先入后出型出入口設計對車輛運行特性的影響進行了研究和分析，得出如下結論。

(1)自由行駛狀態下，入口-出口間距超過300 m時，主線車輛維持在較高速度行駛；采用小間距設置時，主線與出入口設計速度差對車輛運行影響較大。隨著交通量不斷增加，車速離散性明顯增大。

(2)采用車速變異系數作為行車風險的表征指標，通過K均值聚類確定2個聚類中心0.086 7、0.356 2，以此作為安全和臨界安全的劃分依據。

(3)借助對數回歸構建車速變異系數與先入后出型出入口間距之間的關系模型，基于安全和臨界安全劃分依據確定了先入后出型出入口間距的一般值和極限值。

(4)由于本次研究是基于VISSIM仿真展開的，后續還需結合實際數據對研究結果進行進一步確認，為快速路出入口優化設計提供理論參考。