城市高架道路匝道设置的交通影响分析方法研究.doc

城市高架匝道设置对地面道路（路网）的交通影响评估方法

0 引言
城市高架道路是用地密集型大都市实现路网空中扩容的重大交通设施，其具有通行能力大、在城市内实现连续交通、提供快速通道等优点。上海市高架道路的建设实践证明，高架道路不仅可以有效地缓解市区的交通拥挤、而且对于促进城市用地模式和总体布局的转变起着十分重要的作用。而城市高架道路系统的车流来源于地面路网，最终还将返回地面路网，其与地面道路系统的车流交换是通过高架道路的匝道完成的，故高架匝道设置是否合理将直接影响到高架道路的利用率及其使用效果。从近期的调查与分析看[1]，上海高架系统一半以上的匝道高峰小时流量都超过了1000pcu/h，其中最大流量的上、下匝道分别达到2543 pcu/h和 2504 pcu/h，如此密集的车流集散将对地面局部路网造成非常大的冲击，并且上下匝道流量的高峰也正是地面路网交通的高峰，因此在高峰期间容易出现地面局部路网超负荷的状况，这不仅使车流上下高架困难，而且也增加了地面车流的延误，降低了局部路网的服务水平。因此，在以往分析单一匝道设施的基础上，从高架匝道对地面路网交通影响层面解析高架道路匝道定位的合理性问题具有重要的理论和现实意义。
1 评估指标的确定
1.1 影响特征分析
高架道路为连续流设施，其上运行的车流一般不会受到交通流外部的固定元素影响而中断，交通流状况取决于交通流内部车辆之间以及车辆与道路线形、道路环境的相互作用；而城市道路一般为间断流设施，其交通流外部存在着引起交通流周期性间断的固定元素，这些元素包括交通信号、停车标志和其它类型的交通管制设备。高架匝道则是连续流设施与间断流设施的衔接设备，因而下匝车流一般表现为从连续流到间断流的变化，反之，上匝车流一般表现为从间断流到连续流的变化（因交叉口黄灯时间相对较短，所以其影响可忽略）。
若将匝道看成是车流产生点或到达点（即车流的O点是在局域路网之内，而D点大多在局域路网之外），其对局域路网的影响是从内到外扩散的，由于下匝道车流在交叉口不断分流，因此一般来说，距离下匝道越远的地方受到的影响将越小。
1.2 评估指标的确定
路段的影响度Is：指有、无匝道车流的情况下局部路网各路段基于V/C的服务水平等级的变化值。比如，不设置匝道某路段服务水平为B级，设置匝道后其服务水平为C级，则匝道对该路段的影响度为1。
交叉口的影响度Ic：指有、无匝道车流的情况下局部路网各交叉口基于延误的服务水平等级的变化值。对于一个交叉口的进口道不同流向（左转、直行、右转）的延误一般是不同的，所以在详细分析时，应按各交叉口进口道流向分别计算。对于四肢交叉口流向可按左、直、右区分，而对于三肢或多于四肢的交叉口，可将每个流向按从左至右顺时针编号区分。
局部路网的影响度In：是指高架匝道设置给地面局部路网交通状况带来变化的程度。其较准确地反映了由于匝道设置对地面局部路网造成的冲击。
2 评估指标的计算
2.1 路段影响度的计算
由前述路段的影响度定义可知，若计算路段的影响度首先要确定路段的服务水平。对于城市道路的路段来说，衡量服务水平的主要指标为拥挤程度（即V/C）和平均车速，并且二者是相关的，文献⑵将V/C与车速之间的关系可描述为：

式中：U0：交通量为零时的运行车速（km/h），其确定方法详见文献⑵和《城市道路交通规划设计规范》，这里不再赘述。
由公式(1)见，在V/C小于0.9，即正常车流的情况下，车速基本上与V/C成线性相关关系；而V/C大于0.9的情况下，车速与V/C呈非线性关系。因城市道路受交叉口通行能力的限制，路段的V/C一般不大于0.9，所以，用V/C或平均车速来评价路段服务水平效果基本上是相同的，因此，可采用表1的评价标准评价路段服务水平，为了论文叙述方便，将表中第2列称为服务水平对应值。
则路段影响度的计算公式为：

式中，：路段的影响度；
：局部路网有匝道车流情况下路段服务水平对应值，由表1查得；
：局部路网无匝道车流情况下路段服务水平对应值，由表1查得；
表1 路段服务水平
服务水平
对应值
V/C
描 述
A
1
＜0.4
畅通车流，基本无延误
B
2
0.4~0.6
稳定车流，有少量延误
C
3
0.6~0.75
稳定车流，用一定延误
D
4
0.75~0.9
接近不稳定车流，有较大延误
E
5
0.9~1.0
不稳定车流，交通拥挤，延误很大
F
6
＞1.0
强制车流，交通严重阻塞
2.2 交叉口影响度的计算
同理，计算交叉口的影响度也需要确定交叉口的服务水平，衡量交叉口服务水平的指标为拥挤程度（即V/C）和平均延误，而且二者也非独立，HCM提供的车均延误与V/C之间的计算公式为[3]：

上式中，d：一条车道的每辆车平均停车延误；
T：交叉口信号周期时长；
g/T：交叉口的绿信比；
X：车道V/C；
C：交叉口进口一条车道的通行能力，C=S×g/T。
其中，S是交叉口进口道的饱和流率。
交叉口是城市道路网的节点，其要疏解不同方向的车流，所以在高峰时段的拥挤路网，交叉口的V/C一般大于路段的V/C，而且易达到饱和，路网的总行车延误中，交叉口延误所占比例一般都在80%以上，所以应对交叉口的服务水平给予特别的重视。由公式(2)易知，交叉口的延误与V/C的关系在整个V/C定义区间内都是非线性的，而且当V/C达到一定的水平以后，交通量很小增加便会使车辆延误明显增大。文献⑷采用模拟实验的方法得出了不同信号周期条件下的流量—延误关系，如图1所示，其中，干线绿信比为0.55，干线道路为三车道，外侧为右转专用道。由上面分析得，若要提高服务水平识别的灵敏度，需采用平均延误作为交叉口服务水平的判断依据。根据文献⑸的研究，服务水平划分标准如表2。
表2 中国的交叉口服务水平划分标准
服务水平
对应值
平均延误/s
交通状态描述
A
1
≤5.0
车流畅通，基本无阻
B
2
5.0～15.0
车流基本畅通，略有阻力
C
3
15.1～30.0
车流运行正常，有一定延误
D
4
30.1～50.0
车流尚能正常运行，但延误已较大
E
5
50.1～80.0
车流处于拥挤状态，延误很大
F
6
＞80.0
车流已超饱和，常处于阻塞状态

我们课题组在对上海市内环高架四平路、广中路和逸先高架曲阳路等下匝道 调研过程中发现，下匝道交叉口下匝方向进口道一般平均延误很大，在高峰期左转车辆需经过两次以上排队才能经过交叉口，严重时车辆排队一直延伸到匝道乃至高架主线，这主要是由于前文所述的下匝道交叉口是连续车流与间断车流的变化点，没有上游交叉口“拦截”所至。因而，如果按表2将80s以上的延误划分为一个等级可能对这类交叉口的影响度计算带来较大的误差。当然，在饱和流的情况下，增大信号控制周期可以在一定程度上减少平均延误，但对于城市主干道交叉口来说，为提高通过能力，基本都采用较大的控制周期，所以用增大周期的方法减少主干道交叉口的延误已“余力不足”，因此，为了较准确地反映匝道对交叉口的影响度，论文参照以往的划分方法，并结合我国公安部关于交通堵塞行业标准之规定[6]，对延误较大的交叉口进口道流向（比如下匝道交叉口下匝方向进口道左转）基于延误的“服务水平”进行了重新界定，各级“服务水平”的建议分隔限值如表3，为了与其它交叉口一致，仍分为六级。但需要说明，这种界定只是为了比较合理地计算交叉口影响度，并不作为评价交叉口服务水平的依据，而对于路网交叉口服务水平的评价应按统一标准（表2）实施。
表3 大延误交叉口进口道流向“服务水平”界定
服务水平
对应值
平均延误/s
交通状态描述
A
1
≤10
车流畅通，有时略有阻力
B
2
10.1～30
车流运行正常，延误较小
C
3
30.1～65
车流尚能正常运行，延误已较大
D
4
65.1～110
车流处于拥挤状态，延误很大
E
5
110.1～180
车流已超饱和，常处于阻塞状态
F
6
＞180.0
车流严重超饱和，处于堵塞或严重堵塞状态
在具体的计算中，若某交叉口在有匝道车流的情况下某进口道流向延误大于120s，就应按表3计算其在有、无匝道车流情况下的服务水平对应值，并以此作为计算影响度的依据。
如前述，交叉口不同进口道延误是不同的，同一进口道不同流向的延误也是不同的，而且相差可能较大，所以首先需计算各进口道流向的影响度，再用流量加权得到交叉口影响度，交叉口进口道流向影响度的体计算公式为：

式中，：交叉口第i个进口道第j个流向的影响度；
：延误小于120s时，有、无匝道车流交叉口第i个进口道第j个流向服务水平对应值，由表2查得；
：延误大于120s时，有、无匝道车流交叉口第i个进口道第j个流向服务水平对应值，由表3查得；
交叉口第i个进口道影响度的计算公式为：

交叉口道影响度的计算公式为：

两式中，：交叉口第i个进口道第j个流向的流量，其它符号意义同前。
2.3 局部路网影响度的计算
匝道对局部路网影响度的计算，可采用以下两种方法。
方法一：用局部路网的评价方法分别评价出有、无匝道车流情况下局部路网的服务水平，两种情况下服务水平的差异就是局部路网的影响度。但对于局部路网特别是由不同等级道路组成的局部路网的评价，目前还没有像路段、交叉口服务水平评价那样有比较统一的认识，文献⑺给出了一种方法，供参考。
方法二：用上述设施级的影响度计算匝道对局部路网的影响度，这种方法不但概念明确，而且可以得出路网内各设施影响度的变化梯度及其对路网影响度的贡献。下面给出计算方法：

式中：：匝道对局部路网的影响度；
：第i个路段的影响度，i∈[0，m]，m为局部路网路段数；
：第j个交叉口的影响度，j∈[0，n]，n为局部路网交叉口数；
：权重，可由下面方程得出：

式中：为局部路网路段平均V/C与交叉口平均V/C的比值，简要计算可采用代表性路段和交叉口V/C的比值或以往的调查值。
2.4 影响度范围的划定
高架匝道的交通量使路段和交叉口原有交通运行状况改变到一定程度之后,才认为该路段的交通受到了开发设施的显著影响，这就涉及到阈值的问题，必须根据交通工程的基本理论来确定一个恰当的阈值指标，以判断开发设施是否影响了某一路段或交叉口的交通运行状况。按前文论述的路段和交叉口服务水平的分析方法，论文考虑，路段或交叉口的服务水平变化了一个等级就认为该路段或交叉口受到了影响，应该划在影响范围内，这样，就确定了匝道影响的局部路网范围，当然，该影响范围网络结构有可能不是连通图。

1.3 影响度的含义
路段的影响度Is：指有、无匝道局部路网各路段基于V/C的服务水平等级的变化值。比如，不设置匝道某路段服务水平为B级，设置匝道后其服务水平为C级，则匝道对该路段的影响度为1。
交叉口的影响度Ic：指有、无匝道局部路网各交叉口基于延误的服务水平等级的变化值。对于一个交叉口的进口道不同流向（左转、直行、右转）的延误一般是不同的，所以，在计算交叉口的影响度应按不同的流向分别计算，对于四肢交叉口可按左、直、右区分，而对于三肢或多于四肢的交叉口，可将每个流向按从左至右顺时针编号区分。
局部路网的影响度In：是指高架匝道设置给地面局部路网交通状况带来变化的程度。其较准确地反映了由于匝道设置对地面局部路网造成的冲击。

1.4 影响度的计算

匝道对局部路网影响度的计算可采用两种模式：
方法一：分别计算有、无匝道

其值可按下式计算：

易知Is、Ic∈[0，5]。

若确定高架匝道对地面路网的影响范围，首先应分析高架匝道对地面路网的冲击机理。
高架匝道对地面路网的冲击可用影响度来定义：
高架匝道对地面路网的冲击会引起地面路网的路段和交叉口饱和度（V/C）变化，这种变化的直观表现为路段平均行驶车数的降低和交叉口延误的增加。

2 高架匝道设置交通影响分析指标的选取
高架匝道设置的交通影响分析主要

3 高架匝道影响范围的确定方法
高架匝道对地面局部路网的影响范围的确定方法
有了各路段均摊的新增交通量，根据各路段的交通服务水平变化情况，就可以确定交通影响的范围。但这里涉及到新增交通量是增加到多少才被认为对原有道路交通的运行产生了显著影响，因此在确定交通影响范围之前，首先须确定交通影响的阈值。超过阈值的路段即在影响范围之内，而低于阈值的路段不在交通影响范围之内。
（1）路段交通影响的阈值
开发设施吸引的交通量使路段上原有交通运行状况改变到一定程度之后,才认为该路段的交通受到了开发设施的显著影响。这就涉及到阈值的问题，必须根据交通工程的基本理论来确定一个恰当的阈值指标，以判断开发设施是否影响了某一路段的交通运行状况。
路段的交通运行水平变化可由服务水平的变化来衡量，HCM (1985)使用道路的平均行程速度来确定城市道路的服务水平。对于某一路段来说，其长度不变，车辆的行程速度由行程时间决定。则路段新增交通量对服务水平变化(即行程速度的变化)的影响也可通过路段行程时间的变化来表征。
路段交通量的增减导致行驶时间的变化，可以广泛引用的BPR函数来表示：
t = t0×[1+α（V/C）β] (这里取α＝0.15,β＝0.4)
一般认为BPR函数能够反映道路上车辆的行驶时间与交通流量的关系，但对于国内机机动车与非机动车混行的交通条件并不十分适宜。就本案例所涉及的浦东新区道路条件而言，多数道路均有机非分隔，因此可以考虑在交通影响分析中使用该公式来确定阈值。
路段交通量V的变化，会改变路段上的V/C。交通设施的通行能力与服务水平分析中常用V/C这一指标，这里也用该指标来反映路段延误时间。
路段上V/C改变所致延误时间的变化，可以借用经济学分析中使用十分广泛的弹性指标来反映。路段延误时间对V/C的弹性E为：
E＝
选取V/C在0～1中的某些点，计算其延误时间对V/C的点弹性E，由这些点弹性来划分V/C对t有不同影响的区段。所选点的V/C为0，0.05,0.1,……,0.95，其点弹性值也如图和表所示。根据计算结果，可划分出点弹性不同的区段。

E的区段
V/C
E值的含义
0～0.1
0~0.35
弹性极小
0.1~0.5
0.35~0.55
弹性很小
0.5~1.0
0.55~0.64
单位弹性
1.0~2.0
0.64~0.77
有弹性
2.0~3.0
0.77~0.85
弹性很大
≥3.0
≥0.85
弹性极大

在某一区段内，弹性变化不明显；不同区段间，弹性差异很大。
此外，王炜等[8]提出国内城市道路与交叉口的服务水平如下：
服务水平
V/C
A
＜0.4
B
0.4~0.6
C
0.6~0.75
D
0.75~0.9
E
0.9~1.0
F
＞1.0

参考一些专家的意见，结合分析结果，将城市道路路段的服务水平确定如下：
服务水平
V/C
A
＜0.35
B
0.35~0.64
C
0.64~0.77
D
0.77~0.9
E
0.9~1.0
F
＞1.0

将V/C划分为以上六个区段，若开发设施诱增的交通量叠加到路段上后，使路段现有的服务水平从一个区段变化到另一个区段，即服务水平变化了一个字母等级时，则认为该路段的交通运行受到了显著影响。

2．确定交通影响程度
开发设施对已有交通的影响主要反映在出行时间、交通安全及公共交通的影响等方面，而在开发设施邻近的交叉口，也应着重分析开发设施诱增交通量的影响。这里就上述四方面的影响进行分析。
(1) 对交叉口交通运行的影响
由于在城市中心区，交叉口间距一般都是小于500米。，车辆通过交叉口的时间在其出行中，已占了相当的比例。出行者对交叉口延误时间的增加要较路段敏感得多。因此很有必要分析交通量增加给交叉口延误带来的影响。
交叉口的交通运行状况可由服务水平来反映，一般使用交叉口的V/C或停车延误时间来表征服务水平。这里使用美国通行能力手册(HCM1985)的方法[4]来确定信号交叉口的服务水平，其规定的信号交叉口服务水平如下：

服 务 水 平 等 级
A
B
C
D
E
F
每辆车的停车延误(s)
≤5.0
5.1~15.0
15.1~25.0
25.1~40.0
40.1~60.0
＞60.0

如果延误时间的增加使得交叉口该方向的原有服务水平变化了一个等级，则该交叉口的交通运行就受到了显著影响。
HCM (1985)提供了[4]计算交叉口每辆车的平均延误时间公式：
d =
上式中，d：一条车道的每辆车平均停车延误；
T：交叉口信号周期时长；
g/T：交叉口的绿信比；
X：车道V/C；
C：交叉口进口一条车道的通行能力，C=S×g/T。
其中，S是交叉口进口道的饱和流率。经调查，交叉口进口道直行车道的饱和流率为2086P.C.U./h；左转车道的饱和流率为1344P.C.U./h。

城市高架匝道与地面路网衔接的评估方法研究
涵盖两个问题：
一、 地面路网集散能力的评估——可达性指标（等距线可达性）
二、 高架匝道对地面路网的冲击评估——匝道设置对路网的影响度
1、 确定影响范围（阀值的选取，V/C变化、延误的变化）
2、 影响值的计算
A、 可用各路段、交叉口的下匝流量加权
B、 对于路口由于左、直、右延误不同，应分别计算。
C、 影响值范围的识别，影响度的确定。（可以考虑用模糊识别）
三、 衔接评估
在相同的道路和交通条件下同时分析可达性和影响度
影响度是可用路段行驶时间和交叉口延误的变化来表示，而可达性（基于等距线）即为两者之和，所以说可达性是“状态”，影响度是“变化过程”。其逻辑关系应为：
不设置匝道可达性（不设置匝道的可达性是指匝道接地截面地面道路车辆的可达性，即虚拟匝道可达性）+影响值=设置匝道的可达性
这样若统一权重和变量，已知等式中的两个值就可求出第三个值。

可达性是地面局部路网对高架匝道的服务水平的表征，也是地面局部路网集散能力的体现；而影响度是高架匝道的设置给地面局部路网的交通状况带来变化。影响度小不一定可达性就好，反之，可达性差也不一定是因为影响度大。可达性能够较好地应用于匝道定位的评估，而影响度则较准确地反映了由于匝道设置对地面局部路网的冲击。

基于对地面路网交通影响的高架匝道定位评估方法
城市高架匝道设置对地面路网的交通影响评估方法

参考文献
⑴ 上海市建委科学技术委员会，同济大学等. 上海市高架系统缓解堵塞、完善功能、提高效益综合研究（总报告），2000，10.
⑵ 王炜，徐吉谦，杨涛，李旭宏等著. 城市交通规划理论极其应用. 南京：东南大学出版社，1998.
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⑷ 陈洪仁，裴玉龙，隽海民. 信号控制干线道路系统交通容量研究. 哈尔滨建筑大学学报，2000(5).
⑸ 王炜. 道路平面交叉口通行能力的延误分析法. 中国公路学报，1998(11) .
⑹ 周晶. 城市交通系统分析与优化. 南京：东南大学出版社，2001.
⑺ 苏永云. 基于GIS的路网交通仿真分析方法研究. 同济大学博士学位论文，2001.

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