吳 中， 王凌微， 楊 潔， 方利君， 楊海飛

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210024； 2. 蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 210098)

快速路是城市交通路網(wǎng)骨架的重要構(gòu)成部分，大中城市內(nèi)環(huán)快速路更是承擔了主城區(qū)的大量交通量、是維系城市核心區(qū)域交通暢通的主要交通設(shè)施.城市快速路常見有高架、路堤、路塹、隧道、地面以及混合形式，它們都由獨立單向的快速干線、上下快速路的匝道或輔線和連接干線、匝道的交織區(qū)組成.匝道或輔線連接城市其他道路路網(wǎng)，從而形成不同等級道路組成的城市交通網(wǎng)絡(luò).南京市井字型快速內(nèi)環(huán)主要由城西干道(虎踞路)、城東干道(龍蟠路)、緯三路(模范馬路)、緯七路及其延伸的8條放射性道路等組成.西環(huán)、北環(huán)、東環(huán)主要采用隧道段加地面段的快速通過形式，南環(huán)、鳳臺南路、玄武大道則主要采用高架橋段快速通過形式.內(nèi)環(huán)線以低于10%的道路網(wǎng)里程承擔了40%以上“車·公里”機動車交通量，有效緩解了主城區(qū)地面道路交通壓力[1].根據(jù)交管部門發(fā)布的交通出行狀況數(shù)據(jù)分析[2]，近年來快速內(nèi)環(huán)擁堵狀況不斷加劇(見圖1)，西線直接連接長江北岸與江寧新區(qū)且沿程隧道密集、交織段距離過短，擁堵尤為嚴重.平峰期交通量約為高峰期的45%～55%，尚能夠保持暢通；高峰期主要斷面主線3車道最大流率已經(jīng)達到5 500～7 400 pcu·h-1，擁堵嚴重.交通量呈現(xiàn)出主干路流量大，主輔路之間車流交織頻繁[3](交織比小，為0.25～0.35)，車流速度受影響的特點.西線擁堵主要集中在漢中門隧道和集慶門隧道交織區(qū)，高峰期交織區(qū)已成為內(nèi)環(huán)線的主要瓶頸之一.因此，在現(xiàn)有道路設(shè)施的基礎(chǔ)上，運用新時代5G技術(shù)[3]和其他技術(shù)，進一步加強控制與管理、提高快速路通行能力、改善交織區(qū)服務(wù)水平已經(jīng)成為解決高峰期內(nèi)環(huán)線交通擁堵難點問題的有效方式.

圖1 高峰期內(nèi)環(huán)西線交織區(qū)擁堵狀況

國內(nèi)外學(xué)者從駕駛行為、道路特性、車輛行為特性等方面對交織區(qū)展開研究，取得了一定的成果.SUN S.C.等[4]通過元胞自動機仿真分析了虛線允許換道、實線禁止換道和虛實線部分換道3種換道行為對于交織區(qū)入口和出口匝道交織速度的影響; WANG F.等[5]通過仿真模型對不同城市道路與快速路連接長度進行對比，分析得出合理的匝道長度能夠不同程度減少平均延誤與行程時間等指標；M.S. SURBAKTI等[6]對比了greenberg、greenshields等4種模型對于交織區(qū)下游沖突的代表性，結(jié)果表明greenshields模型適應(yīng)性最高；WANG H.J.等[7]考慮了2種具有顯著差異的駕駛行為，并實證分析了不同駕駛行為下對高速公路出入口匝道的決策順序優(yōu)先級；在智能網(wǎng)聯(lián)汽車迅猛發(fā)展的技術(shù)背景下，LI H.J.等[8]通過精細化車道管理，分別采用引導(dǎo)換道車輛分離主線和引導(dǎo)車輛提前換道2種方案，形成沖突回避區(qū)從而有效降低延誤.

在車輛、駕駛員以及道路3種交通管理對象中，道路靜態(tài)控制措施相對成本最低、可操作性、可復(fù)制性強，在傳統(tǒng)人-車-路模式與車聯(lián)網(wǎng)模式的轉(zhuǎn)換中能夠完全適配駕駛員及人工智能，并能在2種模式中進行過渡與轉(zhuǎn)換.因此，文中擬以南京內(nèi)環(huán)線東西線交織區(qū)為研究對象，深入分析交織區(qū)運行機理，研究高峰期工況下合理優(yōu)化的城市快速路非中斷靜態(tài)控制方法，為緩解城市快速路高峰期交織區(qū)擁堵提供參考，研究成果具有普適性.

1 快速路交織區(qū)控制發(fā)展

1.1 理論研究

以往對交織區(qū)的理論研究主要集中在交織區(qū)通行能力、服務(wù)水平、分流及合流影響范圍等方面，常見有匝道及交織區(qū)布置形式對通行能力的影響[9]、交通流特性對通行能力的影響、通行能力計算模型改進等研究成果[10].而對城市快速路交織區(qū)的管理與控制的成果僅常見于工程實踐中，系統(tǒng)理論研究并不多見.

交織區(qū)的控制分為匝道控制、主線控制和綜合協(xié)同控制.交織區(qū)是連續(xù)交通流設(shè)施，在交織區(qū)和快速路主線上一般只能實施非中斷控制(標志標線、變速協(xié)同等).

1.2 緩解擁堵的工程實踐

1.2.1提 速

為緩解高峰期快速路擁堵程度，2016年杭州市組織相關(guān)專業(yè)咨詢機構(gòu)針對已經(jīng)開通的多條城市快速路甚至主干路隧道進行了限制速度專題評估研究，經(jīng)論證后對這些快速路(包括隧道)的限制車速從60 km·h-1提升到了70～80 km·h-1，取得了較好的成效.

2019年1月底廈門實施3大主干道和“三橋一隧”提速，仙岳高架、成功大道、環(huán)島干道、海滄大橋、杏林大橋、集美大橋以及翔安隧道的道路限速值提高，幅度達10 km·h-1.

2020年南京內(nèi)環(huán)東線與西線實施了分時段提速方案，提速幅度為10 km·h-1，取得了一定的效益.提高車速限制即提升暢行速度，從理論上說可以提高最大通過能力，同時提速還可以提高交織區(qū)的交織與非交織車流速度、緩解高峰交通壓力，但提速需要滿足道路行車安全保障條件.

1.2.2接入控制

對高峰期快速路的管理通過匝道駛?cè)肼收{(diào)節(jié)來實現(xiàn).依據(jù)實測快速路干線上的流量，決策使用信號燈控制入口匝道放行車輛駛?cè)氲牧髀?其理論依據(jù)如下：當主線上車流由較低密度向最佳密度發(fā)展時，要控制匝道上的車輛較快較多地并入主線，使主線車流密度超過最佳密度、主線交通流狀態(tài)進入基本圖擁擠區(qū)，從而降低主線通過能力.接入控制思想是暫緩匝道上的并入主線車流，確保主線暢通.接入控制需要匝道容量保證，以避免外溢效應(yīng)，該控制方法在國外應(yīng)用廣泛.

1.2.3標志標線控制

通過在交織區(qū)設(shè)置具有特殊功能的標志標線，規(guī)范區(qū)內(nèi)各股車流的流線，以期達到交織暢通的目的.此方法在國內(nèi)部分快速路已經(jīng)有所應(yīng)用.

2 非中斷控制方案

2.1 交織區(qū)類型

南京內(nèi)環(huán)線快速路東西線交織區(qū)類似于A型交織區(qū)(稱為類A型，見圖2)，快速路主線為單向3車道.上下游隧道間主線升至地面與地面2車道輔線并列.輔線起到進出匝道與部分加減速道的功能，形成5車道的交織區(qū)(從行車方向計，從左至右車道編號為1至5).輔線2車道出交織區(qū)后擴展成6車道、直達下游信號交叉口，與其他道路相接.輔線擴展前設(shè)有“U”形調(diào)頭車道，方便車輛反向行駛.與高速公路交織區(qū)不同的是，交織區(qū)內(nèi)主線限速60 km·h-1、輔線限速40 km·h-1，輔線的加減速道功能均部分受到限速的限制.

圖2 類A型5車道交織區(qū)構(gòu)造示意圖

內(nèi)環(huán)線路段還設(shè)有第3條輔線，最外側(cè)的第3條輔線(第6車道)部分是斷頭路、部分設(shè)為公交專用道以方便公交車停靠，因此分析中不考慮功能不完整的第6車道，這不影響分析結(jié)論.

2.2 計算理論

經(jīng)典的交織區(qū)通過能力與服務(wù)水平分析主要依據(jù)美國《公路通行能力手冊》，快速路A型交織區(qū)的計算可參考文獻[5].相關(guān)計算公式也表達了影響交織區(qū)運行質(zhì)量各個因素之間的關(guān)系.公式應(yīng)用中應(yīng)考查其適用范圍.下面對交織區(qū)一些參數(shù)作出說明，如表1所示.

表1 交織區(qū)參數(shù)說明

續(xù)表

當Nw>1.4時A型交織區(qū)為約束運行，約束運行重新計算Sw和Snw需選用表2約束運行參數(shù).

表2 A型交織區(qū)a、b、c、d取值

交織強度計算式為

(1)

車速比值計算式為

(2)

交織車輛為達到非約束運行所必須使用的車道數(shù)為

(3)

式中：Wi為交織強度因子，i代表交織或非交織2種狀態(tài)；Smax為交織區(qū)主輔線限速下最大車流速度；a、b、c、d為常數(shù)，取值由交織區(qū)運行狀態(tài)決定.

由于南京內(nèi)環(huán)線交織區(qū)主線與輔線限速不一致，真實的Sw和Snw必然大于主線輔線都按40 km·h-1限速的工況、小于都按60 km·h-1限速的工況.令SFmax、SRmax表示主線、輔線限速，則交織與非交織流速可以用式(4)替代式(2)進行分析估算：

(4)

主輔線限速60 km· h-1，主線限速60 km·h-1、輔線限速40 km·h-1和主輔線限速40 km·h-1這3種情況下的Sw估算值見圖3.Smax由主、輔線不同限速值的中值替代，反映出真實車流車輛在交織過程中跨越車道線后的適應(yīng)性變速對交織與非交織車流速度的影響.

圖3 主輔線不同限速值的Sw估算值(中間曲面)

2.3 3種控制方案

南京內(nèi)環(huán)線是外城進出主城唯一的快速通道，交織區(qū)在高峰期呈現(xiàn)大流量、大交通量比的低速大密度車流特征.車流交織引起的延誤影響了快速路的通過效率，其外溢效應(yīng)甚至?xí)T發(fā)全線擁堵.利用式(1)、(3)、(4)研究發(fā)現(xiàn)，過大的交通量比VR、較短的有效交織長度L會導(dǎo)致交織區(qū)交織與非交織車速下降；交織車輛交織過程占用過多的車道，會引起交織車流約束運行、并伴隨交織秩序的下降，同時降低交織與非交織車流速.交織秩序既影響交織速度、也是誘發(fā)交織車輛無序占用更多車道的原因.利用非中斷控制提高交織車流秩序是改善高峰期交織區(qū)服務(wù)水平的有效方法.

2.3.1現(xiàn)行上下快速流線分離方案

南京交管部門將干線與輔線車道分隔線等份設(shè)置成交織區(qū)上半段僅允許主線-輔線(F-R)交織車流換道通過、不允許輔線-主線(R-F)交織車流通過的單向換道線，交織區(qū)下半段單向換道線正好相反.這個設(shè)置在空間上分離上下快速的車流，降低了兩股沖突車流的相互干擾；交織區(qū)單向換道線先下后上的設(shè)置體現(xiàn)了保障主線交通優(yōu)先的原則(見圖4，圖中F-F表示主線-主線).

圖4 交織空間流線分離控制(現(xiàn)實施方案)

利用式(4)分析進一步發(fā)現(xiàn)，在某些高峰工況時，3主線、2并列輔線的5車道交織區(qū)與3主線、1并列輔線和1獨立輔線的4車道交織區(qū)方式的交織車流速非常接近，這表明在輔線利用和交織流線控制上可能存在可深入挖掘的潛力.

2.3.24.5車道方案

圖5給出了輔線間單向換道的4.5車道交織控制方案.

圖5 輔線間單向換道的4.5車道交織控制

如圖5所示，在輔線入口處控制交織車流R-F與非交織車流R-R分道行駛，非交織車流在外側(cè)第5車道行駛，且在交織區(qū)路段內(nèi)禁止換道.輔線-主線交織車流R-F走內(nèi)側(cè)第4車道，以方便一次變道進入主線.R-F車流車輛可以在交織區(qū)1-4車道內(nèi)運行；主線-輔線的交織車流F-R從主線駛離后，可以沿第4車道行駛，也可以選擇由第4車道換道至外側(cè)第5車道，以平衡兩輔線車輛駛離速率，并充分利用外側(cè)輔線.同時也為處于交織中心位置的第4車道讓出空間，便于后續(xù)交織車輛利用第4車道，F(xiàn)-R車輛在交織區(qū)可以使用1-5車道.上下快速的交織車輛在交織區(qū)分別可以使用4條車道與5條車道，因此稱此控制為4.5車道交織控制.控制方案增加了交織車流秩序性的同時，也給了交織車輛較多可利用車道，更大程度上保證了主線的暢通.為確保行車安全，在兩輔線分隔線的交織區(qū)上下游段還各設(shè)雙黃線，禁止車輛在此路段上換道、影響輔線駛?cè)腭偝鲋刃?

2.3.3交織流線分離的4.5車道方案

為進一步增強交織秩序，將4.5車道方案與交織空間流線分離方案(見圖4)迭加，形成交織流線分離的4.5車道方案.方案中F-R車流流線在交織區(qū)上游半幅區(qū)域，可以使F-R車流在整個交織區(qū)段自由選擇由4車道換道至外側(cè)車道，從第5車道承接第4車道的換道車流角度看，這使迭加的二方案完美結(jié)合(見圖6).

圖6 交織流線分離的4.5車道交織控制

3 分析與仿真

以快速路西線水西門-清涼門段為研究對象，對短交織長度交織區(qū)段不同流量進行仿真結(jié)果的對比分析，驗證各非中斷控制方案的優(yōu)劣.水西-清涼門交織區(qū)長度為151 m，考慮兩端各10 m魚腹線的設(shè)置，有效交織段長度僅為131 m.較短的交織長度是高峰期通過壓力大的典型案例.

3.1 仿真模型

利用VISSIM交通仿真平臺建立水西-清涼門5車道交織區(qū)模型.其中1-3車道為快速路主線、限速60 km· h-1；4-5車道為輔線、限速40 km· h-1，模型中按車道分別進行速度限制設(shè)定.設(shè)置模型主線與輔線入流口距交織區(qū)100 m，以便讓車輛入流后充分行駛調(diào)整至合理的車頭時距.交織區(qū)下游設(shè)100 m路段，末端采用無反射開邊界條件，確保交織區(qū)車流僅受交織區(qū)車流與非中斷控制的影響.

仿真中進行A-D共4個控制方案的比較，同一交織區(qū)各種方案只有對車流控制的不同，道路尺度與車流輸入都完全相同.各方案特殊控制如下：A方案為3主2輔5車道交織區(qū)，車輛在交織區(qū)內(nèi)交織無額外的控制，R-F交織車流與R-R非交織車流自由選擇4、5車道進入交織區(qū)；B方案為控制R-F交織車流走4車道，R-R非交織車流走5車道，在交織區(qū)段輔線僅允許4至5車道換道，交織區(qū)上下游端點處4、5車道分隔線上游向上、下游向下各30 m區(qū)段禁止換道(示意圖見圖5)；C方案為R-F交織車流與R-R非交織車流自由選擇4、5車道進入交織區(qū)，3、4車道分隔線上游半幅僅允許3至4車道換道，下游半幅僅允許4至3車道換道(示意圖見圖4)；D方案為控制R-F交織車流走4車道，R-R非交織車流走5車道，在交織區(qū)段輔線間僅允許4至5車道換道，交織區(qū)上下游端點處4、5車道分隔線上游向上、下游向下各30 m區(qū)段禁止換道，3、4車道分隔線上游半幅僅允許3至4車道換道，下游半幅僅允許4至3車道換道(示意圖見圖6).

仿真工況如下：交通量比VR=0.3；交織比R=0.3；有效交織長度L=131 m；快速路車道限速60 km·h-1；輔線限速40 km·h-1；總流量V分別為1 000、2 000、…、7 000 pcu·h-1.

3.2 仿真結(jié)果分析

由于交織長度短、主輔線限速值不一致，輔線無法充分完成加減速道功能、上下快速路加減速部分功能必然要由主線第3車道完成，從而降低了交織區(qū)車輛通過與交織效率.水西-清涼門交通參數(shù)集中體現(xiàn)了交織區(qū)的不利特征，各車道仿真車速結(jié)果見表3、4.

表3 方案A、B典型工況各車道仿真空間平均車速 km·h-1

表4 方案C、D典型工況各車道仿真空間平均車速 km·h-1

在低速高密度工況下，由于密度再難以增加(可視為常數(shù))，交通流量等于空間平均車速乘以密度，則空間平均車速大小就反映流量的大小.第3車道是快速路最外側(cè)車道，與輔線第4車道并列共同構(gòu)成了交織的中心區(qū)域，所有交織車輛必須跨越第3、4車道的分隔線.這種車輛駛離原車道、跨越分隔線、并入新車道、調(diào)整車速適應(yīng)新車道的過程必然會干擾兩車道正常行駛的車流.干擾越大，車道車流速就越慢.作為快速路車道的第3車道空間平均車速是衡量交織運行質(zhì)量的重要指標(表3、4陰影列)，通常也是快速路3車道中速度最慢的車道.表3、4表明，B方案在大流量區(qū)間有較高的交織質(zhì)量水平.第1車道主要承載F-F非交織車流，表4、5中4個方案第1車道車速都比較接近，第2車道狀態(tài)處于第1和第3車道之間.

4方案主輔線車流速平均結(jié)果表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.交織區(qū)的非中斷控制可以顯著地提高短交織長度交織區(qū)主線上的車速(B、C、D方案好于A方案，見圖7、8)，這也表明交織秩序?qū)Χ探豢梾^(qū)服務(wù)水平影響很大.在所有方案中，R=0.3工況下，B方案提供了主線大流量工況下最大車速，C、D方案雖然比無控的A方案有明顯提升，但仍然低于B方案.輔線上D方案表現(xiàn)最佳，其他方案則差別不大.

圖7 交織比為0.3工況的主、輔線平均車速

R=0.5工況下，上下快速的兩股交織流量相等，含有流線分離控制成分的C、D方案表現(xiàn)好于R=0.3工況.圖8中的總體變化趨勢與圖7基本相同，只是主線大流量工況下，B、C、D方案相差不大、C方案略好.輔線D方案優(yōu)勢更明顯，其他方案對輔線車輛運行速度提升效果較為接近，B方案略好.

圖8 交織比為0.5工況的主、輔線平均車速

圖7、8的對比說明，包含車流線分離控制的C、D方案對交織比R敏感.C、D方案中，上下行3與4車道間的單向換道標線是等長的，它最適合于R=0.5工況.當上下交織流量不等時，必然引起某一方向交織車流擁擠堆集、另一方向換道時空資源相對浪費.D與C方案比較，大流量下主線表現(xiàn)稍差，這表明控制措施過多不一定會完全最佳匹配車流多變的工況，同時也會限制交織車流的自組織能力.D方案在主線的稍差表現(xiàn)，使主線下快速路的車輛通過率略小，同時成就了輔線上較高的平均速度.

4 結(jié) 論

1) 4.5車道交織非中斷控制B方案能夠適當約束交織車流與非交織車流秩序，給交織車流交織過程提供較多車道，同時不過多限制交織車流在較小交織比工況下的自組織能力，適應(yīng)性強.B方案能夠顯著提升快速路平均車速、有較好的控制效果，推薦B方案.

2) 上下快速路流線空間分離控制C方案能夠顯著改進快速路主線的服務(wù)水平，因其存在資源劃分與交織比匹配問題，建議應(yīng)用在有較長交織段的交織區(qū)，或大流量下交織比固定的交織區(qū)(資源劃分需與交織比匹配).

3) 復(fù)合控制D方案控制策略復(fù)雜、限制了車流自組織能力且復(fù)雜控制無法同時在各個細節(jié)上匹配不同工況各股交通流的需求，在服務(wù)主線車流上并無明顯優(yōu)勢，建議謹慎使用.

4) 現(xiàn)行上下快速流線等份分離方案只符合較大駛?cè)胲囁俸蛙嚵鬈囶^時距較大的高速公路常見工況和《公路通行能力手冊》中交織區(qū)通過能力受交通量比影響的計算思想；仿真研究表明，城市快速路在低速高密度工況下，交織區(qū)的通過能力不僅受交通量比影響，還受交織比影響.交織比越小，通過能力越小.4.5車道的交織區(qū)控制方案較好應(yīng)對了低速高密度工況通過能力受交織比影響的現(xiàn)象.

5) 主線與輔線限速不一致的交織區(qū)，交織行為復(fù)雜且受多因素控制，式(4)估算雖然能夠反映交織車流的變化趨勢，但不夠精確，仍需要深入研究.