高速公路道路通行能力(匝道、匝道结合部).ppt

高速公路通行能力分析 l基本路段（Basic Freeway Segments）通 行能力 l交织区（Weaving）通行能力 l匝道（Ramp）通行能力 l匝道交叉口（Ramp Junctions）通行能力 高速公路（Freeway）通行能力分析是 道路通行能力分析的一大领域。 第一节 匝道及其连接点概述 匝道及其形式 车辆运行特征 匝道及其形式 l匝道指起连系作用的一 种特殊路段，多位于立 交及封闭公路进出口。 l匝道的作用是联系位于 不同高程上的主线与交 叉线，便于各冲突方向 的车流顺利通行。 l匝道（一般形式）有一 个入口、一个出口，长 度较短，线形变化比较 大，有的纵坡也较大。 匝道及其形式 l匝道指起连系作用的一 种特殊路段，多位于立 交及封闭公路进出口。 l匝道的作用是联系位于 不同高程上的主线与交 叉线，便于各冲突方向 的车流顺利通行。 l匝道（一般形式）有一 个入口、一个出口，长 度较短，线形变化比较 大，有的纵坡也较大。 匝道形式 l就匝道的设计目的及功能而言，无非是使进入立体 交叉的车辆能完成左转或右转。因此匝道有左转和 右转两种最常用形式。由于具体条件的限制，左转 匝道又常采用一些特殊形式。因此匝道可分为两大 类：基本形式和特殊形式。 l基本形式 右转匝道 左转匝道 l特殊形式（左转匝道） 定向匝道 对角匝道 右转匝道 l车辆从交叉线的右 侧分流，直接从另 一交叉线的右侧进 入。此种匝道的特 点是，车辆右出右 进，方向明确，出 入直接，线形顺适 ，车辆需转弯90度 左右，匝道曲率半 径可采用较大值， 所以车辆可获得较 高车速，且行程最 短 。 左转匝道 l车辆在驶过立交中另一 交叉线后，从右侧分流 ，右转270度（左右）之 后，再从另一交叉线的 右侧进入。此种匝道的 特点是，车辆右进右出 ，符合人们驾驶习惯， 如果线形能合理设计， 使曲率半径适应车速变 化，车辆就可以行驶顺 适。但右转270度使车辆 行驶距离较长，为了减 少占地，设计匝道曲率 半径一般较小，所以车 速较低，其通行能力也 较小。 定向匝道 l左出左进式：车辆在立交 前从左侧分流跨过对向车 道，从左侧进入交叉线。 此种形式线形简洁，车辆 行驶距离短，曲线半径较 大，适应较高车速。而且 定向匝道几乎和右转匝道 并行，布线紧凑，占地相 对较少。 左出左进式 右出右进式：交叉线右侧分流，再从右侧进入。此种 形式符合驾驶员的习惯，但桥跨结构物较多，线形变 化大且曲线半径小，对车速有一定限制 。 右出右进式 对角匝道 l对角匝道从交叉线上立交桥前（ 或后）右（或左）侧分流，向右 （或左）转弯后直接从主线右侧 进入主线。其特点是交叉线上出 口采用平面交叉往返车辆都可从 此出口进入匝道通向主线。其优 点是：匝道较为贴近主线，布线 紧凑，占地较少，仅一座跨线桥 ，工程费用较省，线形简单，进 入主线处曲线半径较大，便于车 辆加速进入高速公路。其缺点是 ：交叉线上左转车流出口为平面 交叉，且匝道转弯半径很小，严 重限制车速。在高速公路和交通 量较小的交叉线立交，可采用此 形式。 车辆运行特征 l匝道车辆运行方 式包括车辆在匝 道出入口的运行 及车辆在匝道上 的行驶。 l合流 l分流 车辆运行特征 l车辆在匝道上的行驶状态与匝道所连系的道路 情况、匝道线形以及交通情况有关。如相交道 路等级、驶出道路上的交通量、驶入道路上的 交通量、车型比例、匝道出入口的加减速辅助 车道情况、驶出驶入道路的线形、匝道线形、 匝道宽度等因素都影响着匝道上车辆的运行。 由于匝道上各个组成部分线形、视距、纵坡等 不同，车辆在匝道上的行驶也不是一个匀速的 过程。例如，如果匝道入口处曲线曲率半径较 大，匝道车辆就能以较高车速进入匝道，但随 着曲率半径的变小，车辆的行驶速度相应会变 慢。 第二节 匝道通行能力 l一、分析目的 l二、分析步骤 l三、调查数据获取与分析 l四、通行能力计算 l五、运行状况分析评价 一、分析目的与方法 l匝道是立体交叉及高速公路出入口不可缺少的 组成部分，又是道路交通体系中车辆通过的瓶 颈地段。 l匝道的通行能力计算与分析对立体交叉、公路 路段以及收费站等交通设施的运行分析及规划 设计均有重要意义。 l匝道的通行能力在某种意义上制约着立体交叉 和公路路段的通行能力。 l匝道本身长度较短，且线形复杂多变，通行能 力比等宽的路段要小得多，一旦它不能满足车 辆通行要求，排队很可能会延伸到匝道外的公 路上或立体交叉的主线上，严重干扰正常的交 通运行。 一、分析目的与方法 l匝道从本质上来说属于路段的一种，匝道 通行能力研究不可避免地要类似路段通行 能力研究。 l从几何特征来看，匝道不同于路段主要特 点在于匝道线形多变，有的纵坡较大，并 且匝道一般长度较短，因此匝道上车辆运 行有其自己的特点。 l从交通功能上看，匝道作为立体交叉的重 要组成部分，主要起联系作用，匝道服务 水平的确定标准和路段也有差异。 二、分析步骤 l基本通行能力分析计算 l可能通行能力分析计算 l设计通行能力分析计算 三、调查数据获取与分析 l实测数据是理论研究的基础，由于匝道通 行能力研究在整个通行能力研究中的地位 和匝道的复杂交通特点，匝道研究的数据 采集也有自己独特之处。 l数据采集 选点原则 数据采集方法 仪器选择 l数据处理分析 数据采集 l选点原则 匝道调查选点要遵循典型性 原则 。 选点要注意匝道设计要素选 择的全面性。 l匝道纵坡：要求备选匝道有各 种不同纵坡 l匝道行车道：要求备选匝道行 车道宽度有一定变化 l匝道视距：要求备选匝道视距 不同 选点应选便于进行通行能力 研究分析的匝道。 数据采集 l仪器选择 用 仪器为美国 的NC-97数据 采集仪。 数据采集 l数据采集方法 车辆在匝道上的行驶速度不是 恒定的，而且不同形式、不同线型的匝道车 辆行驶特点也不同。从匝道通行能力研究的 目的出发，我们最关心的是车辆在匝道上行 驶的最小速度。因为车辆在匝道上行驶的最 小速度就局限了匝道的通行能力。 匝道通行能力实验采用断面观 测法。为了简化测量，匝道上实验仪器的位 置放在匝道的中部，靠近匝道曲率半径最小 处车道上。 数据处理与分析 l数据处理 HDM是和NC-97配套的调查数据管理 软件。它是用VISUAL C+程序设计语言编制的处 理NC-97特有数据结构的应用软件。它能把调查数 据格式转化为ACCESS数据库，并进行各种分析处 理，具有强大的数据处理功能和很强的图表显示功 能。 l数据分析 ANALYSYS是处理交通部公路科研所 开发的交通量数据采集仪的应用软件。它是以 VISUAL C+编写的WIN98应用程序，能够完成单 车信息、速度信息、流量信息、车头时距和区间信 息等全部统计工作，为通行能力后期数据分析、处 理工作提供了简洁、快速的手段。 四、通行能力计算分析 l匝道在本质上是一种特殊的路段，匝道通行能力研 究类似路段通行能力研究。从匝道几何特征来看， 匝道不同于路段主要特点在于匝道线形多变，有的 纵坡较大，并且匝道一般长度较短。从交通功能上 看，匝道作为立体交叉的重要组成部分，主要起联 系作用。这些差别决定了匝道的通行能力研究在某 些方面有自己的特点。 l匝道通行能力分析内容 （1)匝道车流到达特征 （2)自由流速度（FV） （3)通行能力（C） （4)服务水平饱和度（Q/C） （1)匝道车流到达特征 l匝道作为立体交叉的一部分，主要起联系作 用，因此匝道上的车辆到达分布很大程度地 受其相临交通设施的影响。 例如全封闭的高速公路车辆进出都 要经过收费站，收费站的设置及收费服务水平直 接影响着匝道的车辆到达率； 如果匝道的入口端是高速公路，则 匝道上的车辆到达就是高速公路的下路车辆的到 达分布。 l从简化研究的思想出发，我们可近似的认为 匝道的车辆到达服从泊松分布，并且不受收 费口和相临交叉线的影响，即把匝道作为一 个独立的交通设施来研究。 （2）自由流速度（FV） l车辆在匝道上的自由流速度反映了在可比条 件下（如同样的长度、转角等）匝道的线形 是否流畅，以及在相同的行驶速度下，乘客 的乘坐舒适度。 l匝道自由流速度在理论上定义为驾驶员在特 定匝道上不受其它车辆干扰时所采取的行车 速度。由于匝道线形复杂多变，车辆在匝道 上的自由流速度也不是恒定的。这里的匝道 自由流速度指车辆在匝道上行驶时的最小速 度，我们认为这个最小速度出现在匝道的最 不利行驶处，即曲率半径最小处 。 （2）自由流速度（FV） l车辆在匝道上行驶的自由流速度与匝道的最 小转弯半径、最小转弯半径处的超高横坡、 行车道宽度、视距、匝道最大纵坡等因素有 关。 l由于匝道形式、线形组合、纵坡等变化很大 且组合方式非常多，选择具有代表性的匝道 进行观测又很困难，因此对匝道上车辆行驶 自由流速的影响因素的分析计算主要采用结 合路段已有成果和匝道实地观测进行综合分 析的方法。 l经过对各种影响因素进行研究和比选，确定 匝道半径、行车道宽度、视距、纵坡、分隔匝道半径、行车道宽度、视距、纵坡、分隔 带、驶入道路带、驶入道路等六个修正系数。 （2）自由流速度（FV） FV：自由流速度（公里/小时） FV0：根据匝道转弯半径计算出来的 基本自由流速度（公里/小时） FFVW：行车道宽度修正系数（公里/ 小时） FFVV：视距修正系数（公里/小时） FFVSL：纵坡修正系数（公里/小时 ） FFVUD：驶入道路修正系数（公里/ 小时） FFVS：分隔带修正系（对双向匝道 ，是否有分隔带） A：自由流速度 R：匝道最小曲率半径（米）； i：匝道平曲线内最大超高横坡度； ：最大横向力系数（取值在0.100.15之间,建 议采用0.12）。 匝道计算车速（ 公里/小时） 806050403530 圆曲线 最小半 径(米) 一般值280150100604030 极限值23012080453525 B：行车道宽度修正FFVW 匝道通行能力研究将小型车的自由流速作为衡 量交通运行状况的一个重要指标。故行车道宽 度修正系数FFw主要是对小型车自由流速的修 正。参考路段通行能力研究中有关行车道宽度 对自由流速的修正值，考虑到匝道的布设形式 及行车特点，确定匝道的（FFw）取值如下表 匝道 宽度 8.00 修正 系数 -8-3025 C：视距修正FFVV 联系高等级公路的匝道必须保证一定的视距， 否则由于车辆进出主线车速过快，很容易发生 事故。匝道的最小停车视距规定如下表 计算车速( 公里/小时) 8060504035 30 视距(米) 110(135 ) 75(100 ) 65(70) 45(45 ) 35 30 C：视距修正FFVV 建议单向单车道匝道 的视据修正值（FFVv ）取值如右上表： 双向双车道匝道，满 足分隔条件的采用停 车视距，否则采用行 车视距，行车视距为 停车视距的2倍，修正 如右下表 视距S（米 ） 速度折减值（公里 /小时） S1350 75S135-3 S2700 150S2 70 -3 S150-5 D：纵坡修正FFVSL 匝道连接不同方向的主线，其所连接的主线之间往往 存在高差，这在立体交叉中尤为突出。因此，势必造 成某些匝道纵坡较大。纵坡大，使车辆上坡时不得不 挂低档，因而使整个交通流速下降，降低了匝道的通 行能力；反之，车辆下坡时为安全起见，也要控制车 速，这对自由流速也产生影响。 从小半径弯道匝道本身来看，曲线半径越小，纵坡增 加越大。 从汽车在曲线上行驶的受力情况看，汽车在超高与纵 坡的合成的斜面上，由于受到离心力的作用，爬坡能 力有一定的损失。 D：纵坡修正FFVSL 由于纵坡及圆曲线的影响，汽车的牵引力损失掉一部 份，因此汽车为保持爬坡能力就必须增大牵引力，换 用低档，从而降低了车行速度。参考印尼道路通行 能力手册中对纵坡度的研究结果，得出纵坡速度修 正值（FFVSL）如下表 坡长（米 ） 上坡坡度（%）下坡坡度（%） 3 3 4 5 63 3 4 5 6 5000 0 -2.3 -5.4 -8.50 0 0 0 -0.3 500- 1000 0 -0.3 -3.7 -7.7 -12.00 0 0 -0.3 -3.7 10000 -0.4 -4.6 -9.1 -13.70 0 0 -0.4 -4.6 E：分隔带修正FFVS 绝大多数匝道均为单向单车道，不存在分隔带。一般 来讲，出入高速公路主线的匝道路口往往相隔有一定 的距离，以消散出入车流对主线车流的影响。但是， 如果由于有收费站或特殊地形等客观因素的限制，不 得不将出、入两条匝道合二为一时，就产生了双向匝 道。为了减少对向车流的横向干扰，就必须设置分隔 带。分隔带的设置大大提高了双向匝道的车流速度， 从而提高了双向匝道的自由流速。 有分隔带时：在其它条件为理想时，分隔带的设置会 使车辆以近于自由流速的速度行驶，故FFVs取值为 1.00； 。 F：驶入道路修正FFVUD 当车辆由高等级公路驶入匝道时，由于驾驶员 的惯性操作，一开始仍会保持较高车速，逐渐 过渡到与匝道相适应的速度。如果车辆连续由 高等级公路驶入匝道，则势必会提高整个匝道 上的车流速度。 高等级公路技术等级FFVUD 高速公路5 一级公路3 （3）通行能力（C） l匝道通行能力分为基本通行能力；可能通 行能力；设计通行能力。 l通行能力是指公路设施疏导交通流的能力 。匝道通行能力定义为在一定的道路交通 状态和环境下，单位时间内（良好的天气 情况下），匝道的一条行车道上能够通过 的最大车辆数量，以辆/小时为单位。 l影响匝道通行能力的主要因素有两个：行 车道宽度和大车混入率 。 基本通行能力（CB） lt：司机的最小反应时间（秒），取为1.2秒 lV：车速（米/秒） ll0：安全距离（米），取为5米 ll：车身长度（米），取5米（小型车） lS：汽车的制动距离 汽车的制动距离 （ S ） l其中： lV1：制动初速度（公里/小时） l：路面与轮胎之间的附着系数 l：道路阻力系数， = f + i lf 为路面滚动阻力系数，i为坡度 l不同速度和坡度下的匝道基本通行能力 速度（公里/小 时时） 坡度（%） +9+6+30-3-6-9 10720719717716714712710 15923920917913909905900 201059105410481041103410271018 251147113911301120111011001087 301200118911791166115411401124 351230121712031188116511561138 401242122712111194117611571136 451242122512081188116811471124 可能通行能力（C可能） l其中： lC可能：匝道一条车道的可能通行能力（辆/小 时） lCB：基本通行能力（辆/小时） lfW：行车道修正系数 lfH：大车混入率修正系数 大车混入率修正系数（fHV） l其中： lpHV：大车混入百分率 lpMHV：特大型车混入百分率 lEHV：大型车车辆换算系数 lEMHV：大型车车辆换算系数 行车道修正系数（fW） 匝道横断面类型匝道横断面总宽（米） 匝道行车道宽度 修正系数 单向单车道 （含有分隔的 双向双车道） 5.500.79 6.000.88 6.500.95 7.001.00 7.501.03 单向双车道 8.000.95 8.501.00 9.001.05 9.501.12 10.001.20 （4）服务水平饱和度（Q/C） l一级服务水平：代表不受限制或受限较小的 交通流，车流密度很小，车辆在通畅的条件 下行驶，不存在或有较少的相互干扰，车流 状态基本为自由通畅，车辆以近于自由流速 的速度行驶； l二级服务水平：随着交通量的增大，汽车成 队行驶，但相互间的车头时距比较大，车流 状态为部分连续，但排队比率较小，车辆行 驶速度仍很快，匝道上车辆对加减速车道及 高速公路主线上的交通运行基本无影响； （4）服务水平饱和度（Q/C） l三级服务水平：基本上处于平稳状态，但已接近流 量上的小变化导致运行质量的巨变的边缘，车辆间 的车头时距进一步减小，如果车队中有慢车，后继 车辆会受很大影响。车流状态为连续不断，车辆行 驶速度明显下降，匝道上车辆对加减速车道及高速 公路主线上的交通运行有一定的影响； l四级服务水平：车辆行驶速度进一步降低，排队长 度超出了匝道的范围，交通量接近或达到通行能力 。流量小的变化将严重影响整个匝道的运行质量， 相互间车头时距处于连续流的临界值，车流状态为 饱和，匝道上车辆对加减速车道及高速公路主线上 的交通运行有较大的影响，主线上行车速度有较大 降低 。 （4）服务水平饱和度（Q/C） 服务水 平等 级 饱和度 DS(Q /C) 一0.20 二0.20- 0.50 三0.50- 0.80 四0.80- 1.00 匝道设计通行能力 式中：C设计单向车行道设计通行能力 ，即在具体条件下，采用i级服务水平 时所能通行的最大交通量(veh/h)； 高速公路通行能力分析 l基本路段（Basic Freeway Segments）通 行能力 l交织区（Weaving）通行能力 l匝道（Ramp）通行能力 l匝道交叉口（Ramp Junctions）通行能力 高速公路（Freeway）通行能力分析是 道路通行能力分析的一大领域。 第一节 上匝道连接点通行能力 l一、分析目的 l二、分析步骤 l三、调查数据获取与分析 l四、通行能力计算 l五、运行状况分析评价 第二节 下匝道连接点通行能力 l一、分析目的 l二、分析步骤 l三、调查数据获取与分析 l四、通行能力计算 l五、运行状况分析评价 城市匝道交叉口交通需求城市匝道交叉口交通需求 与通行能力的不匹配问题与通行能力的不匹配问题 匝道交叉口通行能力 l上匝道交叉口（On-ramp Junction） l下匝道交叉口（Off-ramp Junction） 上匝道交叉口（On-ramp Junction） 上匝道交叉口车辆运行模式 当主路交通量较小，有足够间隙，匝道车辆到 达合流端时可直接汇入主路车流。 当主路交通量较大，接近或超过高速公路的实 际通行能力，匝道车辆在给定长度的加速车道上 根本无法进入主路。 当主路交通量界于上述两者之间，车辆到达合 流端时主路暂无可汇入间隙，汇入车辆在加速车 道上一边加速一边等候主路车流出现可汇入间隙 ，至多运行到加速车道的末端汇入主路的情况。 车流运行模式示意图 主路 匝道 高速公路上匝道车流动画模拟 下匝道交叉口（Off-ramp Junction） 下匝道交叉口车辆运行模式 当减速车道有足够长度，下匝道车辆到达分流 端时驶入减速车道，再进入匝道而驶出。 当减速车道长度不足，下匝道车辆到达分流端 前先在主路外车道减速，再驶入减速车道，最后 进入匝道而驶出。 当减速车道长度界于上述两者之间，根据司机 的不同特点，会有以上两种情况出现。 高速公路下匝道交叉口车流运行模式 主路 匝道 高速公路下匝道交通流动画模拟 上匝道交叉口（On-ramp Junction）的通行能力 主路通过交通量（外车道交通量） 上匝道汇入交通量 主路外车道（1车道）车头时距 匝道车辆随地点汇入概率 匝道车辆临界间隙 匝道车辆随车时距 加速车道长度 高速公路上匝道交叉口匝道车 辆汇入特征模型 l汇入行为分析 l研究思路 l实验方法 l研究结论 l实例分析 上匝道交叉口车辆的汇入行为分析 l当主路交通量较小，有足够间隙，匝道 车辆到达合流端时，即可直接汇入主路 车流； l当主路交通量较大，接近或超过高速公 路的实际通行能力，匝道车辆在加速车 道上根本无法进入主路； l当车辆到达合流端时主路暂无可汇入间 隙，待汇入车辆在加速车道上一边加速 一边等候主路车流出现可汇入间隙汇入 主路。 车辆的汇入行为研究思路 l观测车辆汇入行为特征 l得到经验规律 l实证经验关系 观测仪器及调查方法 l利用摄像机于2000年在江苏、山西、河 北、北京、天津、广东等地对上述3种情 况进行了调查； l运用AutoScope2004图像处理系统对大 量调查数据进行分析处理； 调查方法及调查仪器的布置 观测调查研究结论 经过对大量调查数据的处理分析，可以 得到： l车辆汇入点主要分布于加速车道的中间 部分，并且车辆很少利用加速车道尾部 合流； l车辆在加速车道上行驶的分布概率随行 驶距离的增加而减少； 在加速车道上车辆分布概率曲线 车辆汇入特征实证研究 l 以北京大羊坊北京开发区北京方向入口 平行式加速车道为例进行具体分析。 l平行式加速车道。 l加速车道长度250m（从鼻端到渐变段终点 ）。 l观测时间为2000年7月6日。 l观测加速车道上样本车辆为470个 。 加速车道的位置编号 其中匝道车辆 最早可能汇入 主路的位置视 为加速车道上 长度始点（0 m ），始点与鼻 端一段距离视 为鼻端区间。 加速车道上车辆分布表 表 2 加速车道上车辆分布图 车辆汇入模型和行驶距离模型 匝道车辆在加速车道上的汇入行为示意图： l合流速度 (m/s)（ ） ； l匝道车辆达到合流区鼻端相应位置的初 速度为u(m/s) ； l达到合流速度，车辆在加速车道上行驶 一段距离l，其中加速度a（m/s2,设为恒 定不变） l那么，匝道车辆在加速车道上行驶到 时 还没有合流成功的概率，即匝道车辆在加速车 道上行驶距离为l的概率为： l如果按传统的记法合流区鼻端为0(m)，加速车 道末端为L(m)，匝道车辆在加速车道上行驶距 离的概率为： l该模型可以对表2调查结果作出满意的解释。 模型的拟合检验 在表2所示470辆车辆数据中去掉鼻端区 间内（30 m长）的数据，以其余加速车 道上区间右端点对应行驶距离概率做散 点图如下图所示，用指数模型进行回归 后得到模型： 值为0.9718 。 车辆汇入概率 模型的进一步分析研究 讨论不同主路车道交通量情况下的合流 区加速车道上匝道车辆的汇入模型 。 如果高速公路外侧车道交通量取美国85 年版的HCM推荐计算公式： = 136+0.345 0.115 为主路上游进入交通量 。 为匝道交通量 。 合流区主线外侧车道车头时距分布为 负指数分布，其分布模型为： 匝道车辆的临界间隙取定值 。 可以得到匝道车辆在加速车道上行 驶距离的具体概率模型为： 其中： 该模型可以讨论主路交通量对匝道车 辆汇入模型、行驶距离模型的具体影 响。 模型示例 l主路交通量分别为3000、2500、2000当量辆 /h， l匝道交通量为1000当量辆/h l主路设计车速为120公里/h l匝道设计车速为80公里/h l匝道车辆合流车速为100公里/h l加速度取1.2 m/s2 l匝道临界间隙取3 s时 l得到对应于主路三种交通量下匝道车辆在加 速车道上行驶距离的三条概率分布曲线图 高速公路上匝道交叉口1车道车 头时距分布特征 l研究思路 l实验方法 l研究结论 典型的车头时距分布模型 l车流量很低，车辆之间基本上是相 互独立的，其概率一般服从负指数 分布或移位负指数分布 l车流量很大，接近于通行能力，这 时车头时距的值基本上可以认为是 恒定的值t=3600/Q。 l交通量介于两者之间的情况如何？ 对京津高速天津北京方向杨村入口加速 车道合流区设置5列传感器，主路1车道设 置的5个软传感器编号为：102，104，109 ，145，114，它们的具