第24章高速公路交织分析.docx
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第24章高速公路交织分析
第24章高速公路交织分析
24.1引言
24.1.1方法的适用范围
本章详细地介绍了高速公路交织区运行的分析方法。
同时,对这些方法在多车道公路交织区分析中的应用也给予说明。
在第十三章《高速公路特性》中对高速公路交织区的基本概念和定义曾作过论述。
该章完整地阐述交织区内约束、非约束车流运行的定义和A、B、C三种
交织构型。
理解这些概念与定义是正确应用本章方法以及充分解读分析结果的标准。
本章方法汇集了大量原始资料和研究成果。
预测车速的计算公式是在二十世纪80年代的一个研究项目中的研究成果
(1)。
构造型式与运行类型的概念是二十世纪70年代早期研究中
(2)建立的,并于1979(3)年发表的高速公路通行能力计算方法的另一项研究中(3)得到更新。
同时也收录了1997年版HCM(4)中的交织分析方法。
另外,其它几部文献也描述过交织区的分析方法(5-7)。
24.1.2方法的限制条件本章方法不专门用于分析下列问题(在分析者不做任何修改的情况下):
1.交织区内的特殊车道,如高乘载率车辆专用车道;
2.交织区入口匝道的匝道测量段;
3.发生超饱和时的特殊运行情况;
4.速度限制或执法措施对交织区运行的影响;
5.智能交通系统技术对交织区运行的影响;
6.集散道(C-DRoad)路的交织区;
7.城市街道上的交织区;
8.多重交织区。
在本手册以前的版本中对最后一项曾做过论述,这里删去了。
现在,把多重交织区合理拆分为合流、分流和简单交织进行分析。
24.2方法
本章论述的方法具有五个明显的组成部分:
1•预测交织区内交织车辆与非交织车辆的区间平均车速(平均行驶车速)的模型(对于每种构型以及约束型与非约束型运行有特定的模型);
2.描述交织车辆与非交织车辆各自占用车道比例的模型,用于确定约束或非约束运行的类型;
3.将预测车速换算为交织区内平均车流密度的方法;
4.根据交织区内车流密度确定服务水平(LOS)的划分标准;
5.确定交织区通行能力的模型。
图表24-1是高速公路交织区分析流程。
图表24-1高速公路交织分析流程
24.2.1服务水平
通过比较计算的车流密度与图表24-2中的标准确定交织区的服务水平。
虽然在某些情况(尤其是约束型运行条件)下,非交织车辆的运行质量会比交织车辆高,但这里只用单一的服务水平值描述交织区内总体交通流的特性。
图表24-2交织区服务水平标准
一般地,这些标准比高速公路基本路段和多车道公路路段相应服务水平等级下的车流密度稍高。
这是符合逻辑的:
司机在交织区内有思想准备接受比高速公路基本路段和多车道公路路段更高的车流密度。
但E/F级服务水平的边界值不遵从上述规律。
实际上,它们比高速公路基本路段和多车道公路路段上确定的值稍低。
由于交织区内有更多的交通扰动,可以相信,在比高速公路基本路段和多车道公路路段稍低的车流密度时,交织区就会发生交通中断。
24.2.2交织区参数
图表24-3中是用于交织区分析的变量和变量的定义,计算使用的这些变量都分散在分析方法中
当应用本方法时,必须确定现有的和待建的道路与交通条件。
道路条件包括交织区的长度、交织区内车道数、交织区构型以及地形或坡度条件等。
如果不知道高速公路自由流车速,可用第二章或第二十三章的方法确定高速公路基本路段或多车道公路的有关特性。
2423计算交通流率
本章所有模型与公式都以高峰15分钟流率为据,单位是pc/h。
因此,须使用公式24-1将小时流量进行转换。
(24-1)
V
PHF*fHV*fp
式中:
V——一小时中高峰15分钟的流率(pc/h);
V小时流量(辆/h);
fHV——(根据高速公路基本路段或者多车道公路方法计算的)重型车修正系数;
征修正系数
24.2.4交织区示意图
将交通量转换为流率后,建立如图表24-4所示的交织区示意图通常很有帮助。
所有交通流都表示成每小时当量小客车流率,并且图中也标出了关键的分析变量。
示意图作为应用本方法时需要输入信息的参考。
图表24-3影响交织区运行的参数
符号
含义
L
交织区长度(m)
N
交织区内总车道数
Nw
非约束运行状态时的交织车辆占用的车道数
Nwmax
某构型交织区中交织车辆可以占用的最大车道数
Nnw
非交织车辆占用的车道数
V
交织区内总流率(pc/h)
V01
交织区外侧两股交通流中的大者或非交织流率(pc/h)
V02
交织区外侧两股交通流中的小者或非交织流率(pc/h)
vw1
交织区交织流率中较大者(pc/h)
vw2
交织区交织流率中较小者(pc/h)
Vw
父织区内父织总流率(pc/h)(VwVwiVw2)
vnw
交织区内非交织总流率(pc/h)(VnwV01V02)
VR
流量比,交织区内交织流量和总流量的比(VRvw/v)
R
交织比,交织区内较小的交织流量和交织总流量的比(Rvw1/vw)
Sw
交织区内的交织车速(km/h)
Snw
交织区内的非交织车速(km/h)
S
交织区内的所有车辆车速(km/h)
D
父织区内所有车辆的车流密度(pc/km/ln)
Ww
预测交织车速的交织强度系数
Wnw
预测非交织车速的交织强度系数
图表24-4交织区示意图
2425交织区构造型式
在第十三章中,对这
根据每次交织所需变换车道次数确定交织区构造型式<一概念做过详细论述。
图表24-5可以用来确定构造型式
图表24-5确定交织构型标准
注:
N/A表示实际中不存在。
三种构造型式定义如下:
1.A型——为完成交织运行,两个交织方向的所有车辆都必须进行一次变换车道;
2.B型一一一个方向的交织车辆不需要变换车道即可完成交织运行,但另一方向的交织车辆,必须变换一次车道才能完成交织运行;
3.C型一一一个方向的交织车辆不需要变换车道即可完成交织运行,而另一方向的交织车辆,必须两次或两次以上变换车道才能完成交织运行。
2426确定交织与非交织速度
交织区分析方法的核心内容就是预测交织区内交织车辆与非交织车辆的区间平均速度。
分析者必须知道,由于在某些条件下,交织速度与非交织速度可能会差异很大,所以应该分别进行计算。
用公式24-2预测交织和非交织的平均速度:
SS
maxmin/、
SiSm^1W、("2)
式中:
Si——平均交织速度(当iw时)或平均非交织速度(当inw时)(km/h);
Smin――交织区内预期的最小速度(km/h);
Smax――交织区内预期的最大速度(km/h);
Wi——交织车流(当iw时)和非交织车流(当inw时)的交织强度系数。
本方法中,最小速度Smin取为24km/h。
最大速度Smax取进入和离开交织区处高速公路基本路段上自由流的平均速度加上8km/h。
在自由流速度上加8km/h是
为了调整本方法对高速度具有的低估倾向。
将最大与最小速度做如上处理,可以
使计算结果处于一个合理范围。
根据这些假设,速度计算方法可以表示为公式24-3。
式中Sff是进入和离开交织区处高速公路基本路段的平均自由流速度
(km/h)。
一开始,通常按假设为非约束型的运行进行车速计算。
随后检验该假设,若
结果是约束型运行,则需要重新计算速度。
公式24-2与公式24-3表达的敏感度与对交织区的实际观测很一致:
1当交织区长度增加时,速度也增大,变换车道强度下降;
2当总交通流中交织车辆比例(VR)增大时,速度降低,反映出因交通流中交织比例大而产生的车辆扰动程度增大;
3当平均每车道总流量(vN)增加时,车速降低,反映出较大的交通需
求;
4约束型运行比非约束型运行的交织速度低,非交织速度高。
这反映了交织车辆被限制在比均衡运行条件下所需要的还少的空间内,但非交织车辆却相应地占用了比其在均衡运行时能占用多得多的空间。
用图表24-6中的
常量a反映这种状况。
图表24-6计算交织强度系数时的常量
5B型交织区对于疏导大交织流最有效。
以相同长度与宽度的交织区而
言,B型构造的车流交织速度比A型与C型的高;
6A型交织区的速度对交织区长度的敏感度最高。
因为交织车辆在通过交
织区时往往要加速或减速;
7B型与C型交织区,非交织流速度对流量比VR最敏感。
因为这类构型为一股交织车流提供一条直达车道,能处理较大比例的交织车辆,非交织车辆比在分离可能性较大的A型交织区更容易与交织车辆共用车道。
最后一点很重要,能最本质地区分A型交织区(尤其是匝道交织区)与其他型式(B型和C型)构造的不同。
在A型交织区内所有交织车辆必须跨越冠线,交织车辆趋于集中与冠线近侧的两条车道,而非交织车辆向外侧分离。
所以,
A型构造中交织与非交织车辆的分离趋势较显著。
这种差异也导致了A型交织区的运行与其他型式交织区有某些不同。
对于相同的交织区长度、宽度和需求流量,A型交织区的速度显得比B型和C型高。
但是,这并不表示对于相同的交织区长度、宽度和需求流量,A型交织区的运行
状况总比B型和C型交织区好。
A型交织区对总交织交通量的限制比其他型式的交织区大。
24.2.6.1计算交织强度
交织强度系数(Ww与Wnw)是度量交织行为对交织与非交织车辆平均速度的影响。
该系数可用公式24-4计算。
c
bv
a(1VR)b
N/、
Wd(24—4)
3.28Ld
式中:
Wi——交织车流(当iw时)和非交织车流(当inw时)的交织强度系数;
VR——流量比;
v——交织区内总流率(pc/h);
N——交织区内总车道数;
L——交织区长度(m);
a,b,c,d——标定的常数。
24.2.6.2计算交织强度系数时所需常量
图表24-6中给出了计算交织强度系数时所需要的常量。
这些常量的取值根据以下三个因素:
针对交织车辆还是针对非交织车辆的预测速度;交织区构造型式(A、B或C型);约束型还是非约束型运行。
24.2.7确定运行类型
通过比较第十三章中定义的两个变量的大小来确定给定交织区是约束型运行还是非约束型运行:
Nw——达到均衡运行或非约束型运行时,交织车辆须占用的车道数;
Nwmax——对给定交织区型式,交织车辆可以占用的最多车道数。
由于交织车辆与非交织车辆共用某些车道,所以交织车辆需要占用的车道数可能出现小数的情况。
当Nw 当Nw>=Nwmax时,由于交织车辆受限于最多可用车道数,不能占用均衡运行所要求的道路空间,所以为约束型。 图表24-7给出了计算Nw的公式和Nwmax值,这些在第十三章做过阐述。 图表24-7确定约束或非约束型运行的标准 注: a对于双侧交织区,交织车辆可以占用高速公路的所有车道。 图表24-7中的公式依赖于非约束型运行的交织与非交织预测速度。 这些公式使用了速度的预测结果并预测达到非约束型运行速度时交织车辆需要占用的车道数。 如果结果表明为约束型运行,则需要重新用约束型公式计算车速。 交织车道数最大值Nwmax的限制,对A型交织区约束最大,反映出交织车辆为了实现交织需要聚集到冠线相邻的两条车道上。 B型和C型交织区中的直达交织车道使交织车辆可以占用较多的车道。 A型交织区还有一个特别的,但可以理解的特征。 随着A型交织区长度的 增加,约束型运行的可能性也增大。 因为随着交织区长度的增加,交织车辆的车速也会增大,于是,随着交织区长度的增加,交织车辆占用更大的空间,所以,需要使用大于均衡运行所需的最大车道数1.4条的可能性也增大。 B型和C型交织区表现出相反的特征。 交织区长度增加,对交织速度的影响较A型交织区小。 首先,对于B型和C型的主要交织区来说,从低速匝道上加速和减速没什么问题。 其次,交织车辆和非交织车辆在同一条车道上大量混行,使速度对交织区长度不敏感。 对于B型和C型交织区,随着交织区长度的增大,交织车辆达到非约束型运行所需要的车道数会减少。 分析者要注意到,在极端的条件下(高VR、短交织区),B型交织区的公式可能会得出Nw>N的值。 虽然这是不现实的,反映了研究工作数据库中部分区域的数据短缺,但常用来表明在约束型状态下运行。 2428计算交织区速度 一旦计算出了速度和确定了运行状态(有可能需要重新计算速度),就可以 用公式24-5计算交织区内所有车辆的区间平均速度。 V S Vv(24-5) nw ss nw 式中: S――交织区内所有车辆的区间平均速度(km/h); Sw——交织区内交织车辆的区间平均速度(km/h); snw——交织区内非交织车辆的区间平均速度(km/h); V——交织区内总流率(pc/h); Vw——交织区内交织流率(pc/h); Vnw——交织区内非交织流率(pC/h)。 2429计算车流密度 用所有车辆的平均速度计算交织区内所有车辆的车流密度,如式24-6 (24-6) 式中,D是交织区内所有车辆的平均车流密度(pc/km/ln) 24.2.10确定交织区通行能力 能够导致车流密度值达到E/F级服务水平分界值的任意组合交通流量就是交织区通行能力值,对于高速公路,该分界值为27pc/km/ln,而对于多车道公路则为25pc/km/ln。 所以,影响通行能力值随着下列因素的不同而变化: 交织区构 造型式、车道数、高速公路或多车道公路的自由流速度、交织区长度以及流量比。 由于预测公式的原因,给定变量后不可能仅仅通过简单计算就得到通行能力值。 实际上,必须使用试算方法。 图表24-8给出了不同条件下交织区通行能力的数值。 对于中间点,可以粗略使用直线内插的方法求得。 表中的通行能力值也反映了对交织区现场观测的运行状况的有关限制: (1)交织区通行能力不可能超过高速公路基本路段通行能力和多车道公路通行能力; (2)现场观测表明,交织流率不能超过的值为: 对于A型交织区为2800pc/h,对于B型交织区为4000pc/h,对于C型交织区为3500pc/h。 虽然曾经观测能通过更大的交织流量,但那时用本手册方法分析的结果,可能导致错误; (3)现场观测还表明,对于各种构造型式的交织区交织流量比也有限制: 对具有两条、三条、四条和五条车道的A型交织区分别为1.00、0.45、0.35和0.20;对B型交织区为0.80;对C型交织区为0.50。 在流量比大的条件下,仍可能会稳定运行,但也会出现比本分析方法结果要坏的运行状态,也可 能会产生错误; (4)对于C型交织区,当在直达交织车道上的交织流量较大时,交织比R不能超过0.40。 在直达交织车道上,交织比大,或交织流量不突出时,可能仍 会得到稳定运行,但也会是比本方法分析的运行状态更差。 有些时候也可能会产生交通中断; (5)对所有构造型式的交织区而言,分析所能使用的最大交织区长度为750米。 超过该长度时,就应使用第二十五章《匝道与匝道连接点》中的方法按合流点和分流点分别分析。 如前所述,交织区通行能力是任何使平均车流密度达到(高速公路)27pc/km/ln和(多车道公路)25pc/km/ln条件下的组合流量。 所以通行能力根据交织区构造型式、交织区长度与宽度、流量比VR和高速公路自由流速度等条件的不同变化。 对于任何假设条件,使用这里论述的方法求解通行能力,都需要反复计算通行能力值。 图表24-8交织区的通行能力 注: 见图表24-8的最后一页。 注: 见图表24-8的最后一页。 注: 见图表24-8的最后一页。 注: a长度超过750m的交织区,看作单独的合流区和分流区,使用第25章《匝道和匝道连接点》中的方法来分析; b通行能力受高速公路基本路段通行能力的限制; c约束运行状态下出现的通行能力; d在流量比大于0.45的条件下,三车道A型交织区不能很好运行,这时可能会出现低效率的运行和一些局部车辆排队; e在流量比大于0.35的条件下,四车道A型交织区不能很好运行,这时可能会出现低效率的运行和一些局部车辆排队; f受最大允许交织流率限制的通行能力: A型为2,800pc/h、B型为4,000pc/h、C型为3,500pc/h; g在流量比大于0.20的条件下,五车道A型交织区不能很好运行,这时可能会出现低效率的运行和一些局部车辆排队; h在流量比大于0.80的条件下,B型交织区不能很好运行,这时可能会出现低效率的运行和一些局部车辆排队; i在流量比大于0.50的条件下,C型交织区不能很好运行,这时可能会出现低效率的运行和一些局部车辆排队。 可以使用设计好的计算表格重复计算。 计算高速公路设施的通行能力并记入图表24-8中。 这些通行能力是在相当基本条件下的最大15分钟流率,并取整到最近的10pc/h。 使用公式24-7计算给定的通常条件下的通行能力值。 ccb*fHV*fp(24-7) 式中: c——表述为高峰15分钟小时流率的通常条件下的通行能力(辆/小时);cb——图表24-8中表述为高峰15分钟小时流率的基本条件下的通行能力值 (pc/h); fHV——(高速公路基本路段或多车道公路的)重型车修正系数; 高速公路基本路段或多车道公路的)驾驶员总体特征修正系数。 如果想得到用小时流量表示的通行能力,可以使用公式24-8计算。 chc*PHF(24-8) 式中: Ch――表述为小时流量的通常条件下的通行能力(辆/h); PHF——高峰小时系数。 24.2.11多重交织区 当一组相距很近的合流和分流区形成几层(合流区和分流区之间的)交织运行共用同一段道路时,就构成了一个多重交织区。 本手册早期的版本中,给出了分析涉及两个重叠交织运行的双重交织区的方法。 这是一种逻辑方法,不能分析三重或更多重叠交织运行时的情况,并且也没有用现场数据做进一步研究说明。 建议将这些多重交织情况合理拆分为合流区、分流区和简单交织区,并对每部分进行分析。 第二十二章中有关于这种方法的内容。 24.2.12集散道路 设计工作中常常出这种情况,在高速公路或多车道公路立交的集散道上形成交织区。 由于许多这样的路段在低速度和高密度状态下运行,可能在超出这里确定的存在稳定运行的最大车流密度。 所以,虽然本章方法可以用于这种情况下的交织分析(使用合适的自由流速度),但是这里确定的服务水平划分标准是否适用却不清楚。 24.3应用 本章方法可以用来分析高速公路交织区的通行能力和服务水平。 首先,分析者应确定基本输出参数。 对于各种不同的应用,典型的基本输出参数包括服务水平、需要的车道数N、需要的交织区长度L和交织区构造型式。 也可以得到与度量运行特征有关的车速及车流密度,但认为是次级的输出参数。 第二,分析者应确定分析中使用的缺省值或预测值。 基本上,分析者要使用三种输入数据: (1)本手册中的缺省值; (2)分析者选定的预测值或采用本地的缺省值;(3)现场观测到的值。 对每一个输入变量必须赋值,以计算基本的和次级的输出参数。 本方法的一种通常应用是计算现有或改建路段近期或远期的服务水平。 这种应用属于运行分析,输出参数为服务水平,次级输出参数是车流密度和车速。 另一种应用是给定流率大小、服务水平目标,然后检查交织区长度和车道数是否够用,或者是交织构型是否合理。 由于这种应用的输出参数为交织区几何要素,故称之为设计应用,其他输出参数有车速和车流密度。 另外有一种分析类型叫规划应用。 这种应用使用估计值、本手册缺省值以及当地缺省值作为计算输入。 服务水平或交织区几何要素以及车速、车流密度等参数作为输出。 规划分析与运行分析或设计分析的区别在于规划分析中,大部分或者全部的输入参数都使用估计值或缺省值,而设计分析与运行分析则使用现场观测值或已知条件值。 需要注意的是,对每一种分析应用,都需要使用或者观测的、或者估计的自由流车速作为计算的输入变量。 24.3.1计算步骤 图表24-9所示为高速公路交织分析的作业单。 该作业单还可在附录A中找到。 对于所有的应用,分析者都要提供一般信息和地点信息。 对于运行(服务水平)分析应用,输入所有需要的输入参数,把流量转换为流率后,使用非约束型交织强度系数计算交织与非交织速度。 计算为达到非约束型运行交织车辆所需占用的车道数。 如果该车道数小于交织构型所能提供的最大车道数,则认为确实是非约束型运行,前面计算的速度可用来进行分析。 如果非约束型运行所需占用的车道数多于或等于交织构型所能提供的最大车道数,则必须计算约束型运行状态下的交织与非交织速度。 于是可以计算整个交织区内所有车辆的区间平均车速,随后计算车流密度。 最后,根据交织区内的车流密度确定服务水平。 设计(N、L、构造型式)分析的目的是在给定流量和自由流车速的条件下,计算交织区长度、车道数或交织区构造型式。 规定希望达到的服务水平并记入作业单。 假设交织区长度、车道数和交织区构型,相继做运行(LOS)分析。 将在假设参数下计算得到的服务水平与希望的服务水平进行比较。 如果没有达到希望的服务水平,则重新假设一套参数,重新计算。 该过程一直重复到得到希望的服务水平。 2432规划应用 规划应用有两种,规划服务水平和规划车道数、交织区长度和构造型式,所用方法对应于运行分析和设计分析方法。 使用估计值、本手册缺省值或当地缺省值作为计算的输入,是界定规划应用的第一个标准。 另一个界定为规划应用的标准是用参数年平均日交通量(AADT) 计算某方向的设计小时交通量(DDHV)。 第八章中给出了计算DDHV的方法。 分析者几乎没有做规划分析需要的输入参数。 第十三章给出了如何使用缺省值的更多内容。 24.3.3分析工具 图表24-9以及附录A中给出的作业单用来做运行(LOS)分析、设计(N、L与构型)分析以及针对服务水平与针对N、L与构型的规划分析。 图表24-9高速公路交织分析作业单 24.4算例 例题序号 问题描述 应用类型 1 确定一个主要交织区的服务水平 运行(服务水平)分析 2 确定一个匝道交织区的服务水平 运行(服务水平)分析 3 确定一个主要交织区在约束型状态下的服务水平 运行(服务水平)分析 4 设计一个运行于希望服务水平下的主要交织区 设计N、L与构造型式 5 用敏感性分析设计一个交织区 规划N、L与构造型式 24.4.1算例1 交织区: 城区高速公路上的主要交织区,见作业单。 问题: 交织区的服务水平是何等级? 通行能力有多大? 已知条件: 平原地形 驾驶员熟悉地理 高速公路自由流速度FFS=110km/h 交织区长度L=450m 提示: 用第二十二章《咼速公路基本路段》中的公式确定fHV与fp 解答提示: 已知所有输入参数,无需采用缺省值。 将需求流量转换为流率,确定交织区的构型。 计算交
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- 24 高速公路 交织 分析