大城市绕环立交一体化布局模型研究

大城市绕环立交一体化布局模型研究

由于集体大城市的特点，大多数情况下，道路呈分散的特点，形成连接内外交通的界面。绕城高速公路地处城市的城乡结合部，是城市与乡村的交界面，而互通式立交正是这一界面上公路与城市道路相互转换的重要节点。绕城高速公路在内侧与城市快速路和主干道衔接，在外侧则与城市对外公路相通，绕城高速公路上互通式立交自然成为公路与城市道路两个系统的转换界面为合理规划布置大城市绕城高速公路互通式立交工程，不少学者和公路工作者进行了一定的研究工作。如孙家驷绕城高速公路互通立交的设置应从系统的角度，从总体布局上来统筹考虑，应结合规划路网结构，处理好交通需求、城市远期规划及周边路网的关系，做到既能够提升出入境交通的可达性和便利性，又不影响过境交通及城市内部交通系统的运行效率。基于以上思路，本文在分析组团型大城市绕城高速公路互通立交特性的基础上，从定量的角度构建绕城高速公路互通立交一体化布局模型，为大城市绕城高速公路互通立交的规划设计提供技术参考。1次枢纽立交和一般型立交根据我国公路设计的相关规范、技术标准，以及相关学者的研究其中，枢纽立交是绕城高速公路与放射线高速公路、城市快速路相交处设置的立体交叉，其主要功能是联接起放射状高速公路、城市快速路和环状的绕城高速公路，通过绕城高速公路实现各条放射状高速公路之间的过境交通转换，实现放射状高速公路、城市快速路之间的出入境转换。次枢纽立交设置在绕城高速公路与干线公路相交处，其主要功能是实现干线公路交通和高速公路交通之间的转换，包括将干线公路上的过境交通（主要是货运车辆）引导至绕城高速公路过境，将绕城高速公路上的出入境交通通过干线公路引导而进出城市道路系统。一般型立交指绕城高速公路与连接线、次干道及次要公路相交形成的互通式立交，该类立交多为绕城高速公路为发展城市及地方经济开设的进出口，主要服务于城市组团或片区的出入境交通。绕城高速公路上三类互通式立交中的枢纽立交和次枢纽立交的设置是由相交道路的性质和功能所决定，客观存在着较大的交通转换需求，是必须设置互通式立交的交叉区位。因此在路网规划时，首先应根据各相交道路的特性，确定枢纽立交和次枢纽立交的设置。绕城高速公路上一般型立交则主要是为了服务于城市及组团的出入境交通而设置的，其设置数量和设置区位需要根据组团的规模、出入境交通组织需求的分析来确定。一般型立交主要通过连接线实现绕城高速公路和组团内部出入境交通的沟通，也有部分设置在次要公路、城市主、次干道与绕城高速公路交叉处。2道路交叉口的互联结构模型本文采用系统工程的思想来研究绕城高速公路一般型立交的设置数量和设置地点，构建绕城高速公路互通式立交一体化布局模型。2.1．面向终身法的互通式立交于公司至城首先给出城市组团与绕城高速公路相对位置关系的两个定义。定义1若城市组团与绕城高速公路的空间位置贴近，绕城高速公路从组团的边缘经过，则称这类组团为绕城高速公路的近邻组团；反之，若组团与绕城高速公路的空间不直接贴近，中间有其他组团相隔离，称此类组团为绕城高速公路的远邻组团。如图1所示，除了中心组团M与绕城高速公路为远邻关系外，其他组团与绕城高速公路均为近邻关系。定义2对于近邻组团，将其两侧边缘向绕城高速公路投影，形成的投影范围定义为该近邻组团与绕城高速公路的接触面。图1中示意了边缘组团B在绕城高速公路上的接触面范围。根据组团型大城市出入境交通组织的要求和提高路网运行效率的原则对于近邻组团，来自于高速公路的出入境交通，应通过绕城高速公路引导至接触面后，通过设置在接触面范围的互通式立交就近出入组团。来自于干线公路的出入境交通可以分为3种情形。(1）情形一，干线公路与绕城高速公路交叉处位于该近邻组团与绕城高速公路的接触面范围以内，如图1中1号干线公路与组团A之间的关系即属于这种情形。这种情形下，干线公路的出入境交通直接通过与之对接的城市干道进出组团。(2）情形二，干线公路与绕城高速公路交叉处不在该近邻组团与绕城高速公路的接触面范围以内，并且该干线公路没有直接与快速路系统连接。如图1中2号、3号干线公路与组团C之间的关系即属于这种情形。这种情况下干线公路的出入境交通先通过绕城高速公路引导至接触面范围后，通过接触面范围的互通式立交出入组团。(3）情形三，干线公路与绕城高速公路交叉处不在该近邻组团与绕城高速公路的接触面范围以内，并且该干线公路直接接入快速路系统。如图1中4号干线公路与组团B之间的关系即属于这种情形。这种情形下干线公路出入境交通直接通过快速路系统引导进入组团，不再经由绕城高速公路组织。2.2般型立交的设置条件及要点一般型立交的布局，需要解决两个问题：一是立交设置的数量；二是立交设置的位置。一般来说，一般型立交设置得越多，组团出入境交通可达性越好；但是立交设置得越多，对绕城高速公路的直行交通的干扰越严重，会影响绕城高速公路的运行效率，因此也需要控制绕城高速公路立交设置的最小间距。(1）近邻组团新增一般型立交设置数量估算。以每个近邻组团为分析单元，按照通行能力匹配的原则，估算每个组团最少需要新增连接线的数量，从而确定一般型立交的最少设置数量。式中：N关于连接线出入境交通分担率λ，由于绕城高速公路连接线两侧一般为城市内部开发区域，两侧会有大量的短途交通进入连接线，因此考虑用连接线的部分容量来组织出入境交通，λ一般可取0.4～0.6。各组团最多可增设的服务型立交的数量按绕城高速公路互通式立交的最小间距来控制，由下式计算。式中：N(2）一般型立交选址条件分析。适合设置一般型立交的地点，一般可以分为两种情况。一种情况是绕城高速公路与次要公路交叉处。这类公路自身交通量不大，设置互通式立交后，能同时起到绕城高速公路连接线的作用，疏导绕城高速公路上部分的出入境交通（如图1中的1号公路、2号公路与绕城高速公路交叉处的立交）。另一种设置情况是通过专门的连接线来实现，连接线的一端与绕城高速公路交叉设置互通式立交，连接线另一端连接组团内的主、次干道（如图1中的组团C、D均是通过连接线与绕城高速公路相连）。适合与连接线相连的道路应从路网等级指数、通行能力、负荷度、路网连接度、在对外交通中的地位、社会及环境影响等方面综合分析来确定2.3双层规划模型初步估算了一般型立交的设置数量的备选地点后，需要从城市路网整体运行效率最优的角度，进行互通式立交一体化布局分析，从而确定最佳的互通式立交设置数量和设置地点。本文采用交通网络设计的双层规划模型来研究组团型大城市绕城高速公路互通式立交一体化布局问题，并在上层问题的目标函数中引入出入境交通可达性的指标。即互通式立交一体化布局的目标，是在备选的若干个可以设置互通式立交的位置中，选择最优的立交设置区位和数量，在满足资金等相关约束条件下，使城市交通系统总出行时间最小、各对外交通分区与各组团之间的出入境交通可达性最好。考虑交通网络节点集合N和路段集合A假设有第i个组团有K互通式立交一体化布局规划的目标就是从2由以上定义和假设，采用双层规划的方法对互通式立交一体化布局问题进行如下描述。上层问题：上层问题的目标函数为系统的总效应，它等于两项之和，第一项为网络总出行时间，第二项为各个组团出入境交通可达性的倒数。处于上层的路网规划者通过选择在路网添加若干连接线（互通式立交）的最优决策使系统总阻抗和组团出入境交通可达性倒数的加权之和最小。其他参数及表达式的说明如下。xtφ为综合了多目标之间权重与不同度量单位匹配等信息的比例系数。ecωNgB为预算总投资额的上限。λ下层问题：下层问题为标准形式的用户平衡配流模型，相关参数的说明如下。δ求解交通网络设计双层规划模型的方法主要有灵敏度分析算法(1）逐一分析规划特征年各个近邻组团需要增设的一般型互通数目的最小值N(2）根据各个近邻组团需要增加互通的数目，选定N(3）列出K个备选地点的2(4）选择目标函数值最小的方案作为互通式立交一体化布局的最优方案。3互通立交方案建议按上文提出的绕城高速公路互通式立交一体化布局模型及其求解方法的步骤来进行某城市绕城高速公路互通式立交一体化布局规划。根据相关规划，规划年该城市绕城高速公路由扬溧高速、沪宁高速、镇泰高速、江宜高速等4条高速公路合围而形成半环状，如图2所示。规划区划分为7个相对独立的组团或片区，即Ⅰ：老城区，Ⅱ：南徐片区，Ⅲ：丁卯片区，Ⅳ：谷阳新城，Ⅴ：谏壁港区，Ⅵ：大港港区，Ⅶ：高资港区。根据各组团与绕城高速公路的相对关系，易知除老城区、丁卯片区为远邻组团外，其余片区均为绕城高速公路的近邻组团。(1）枢纽型互通、次枢纽型互通的布设。首先根据快速路、干线公路的规划布局，确定枢纽型互通和次枢纽型互通的设置区位。一般来说，规划快速路与绕城高速公路相交处应布设枢纽型立交，通道型干线公路、城际型干线公路与绕城高速公路交叉处应布设次枢纽型立交。(2）近邻组团增设一般型立交数量的估算及备选区位选择。根据规划年城市出入境交通组织需求，按式（1）、式（2）依次对南徐片区、谷阳新城、谏壁港区、大港港区、高资港区等5个近邻组团需要增设的一般型立交数量进行计算。计算结果表明，在设置了枢纽立交、次枢纽立交前提下，仅谷阳新城、大港港区2个片区各至少需要增设约1座一般型立交。根据路网条件分析，在谷阳新城选定A、B两处备选区位，大港港区选定C、D两处备选区位。(3）立交添加备选方案。将谷阳新城、大港港区各2处的立交设置区位进行组合，并根据立交一体化布局模型上层问题中的部分约束条件对组合方案进行初步筛选，形成立交添加的备选方案（表1）。(4）路网配流及目标函数值计算。首先设置模型式（3）～式（11）中的有关参数：式（4）可达性函数中反映阻抗影响程度的指数参数β取2在TransCAD中针对4个备选方案，建立包含高速公路、快速路、骨干道路及其他主要干道的路网模型，根据规划年城市交通OD分布矩阵，运用UE平衡配流，得到各个备选方案下路网中各条路段的交通量、走行时间，返回上层问题，计算各个备选方案的目标函数值，如表1所示。可见方案四目标函数值最小，将方案四下各个路段的V/C按上层问题的约束条件进行进一步检验，均能满足要求。最终确定方案四为最优方案。4应用案例及启示绕城高速公路上互通式立交是公路与城市道路两个系统的转换界面，绕城高速公路上互通式立交设置的数量、位置及形式合理与否，直接关系到绕城高速公路功能的发挥。布设不合理，易造成车辆绕行或相互干扰，直接影响城市内外交通系统衔接转换的效率，降低城市交通系统的整体服务水平。本文分析了组团型大城市绕城高速公路互通式立交的分类及其特征，在