摘 要

长期以来，高速公路作为我国重要的基础设施，承担了大量的交通输送任务，近年来更呈现高速发展的趋势。然而，随着国民经济的增长，我国机动车保有量逐年屡创新高，现有的道路供给形式已经不能满足交通运输的需求。为此，各个骨干高速公路已经开始改扩建工作，但是城市迅速扩张，传统“改扩建”会受到土地资源不足、割裂城市分区、原有道路功能不易替代等诸多问题的现实制约。有鉴于此，本文试图革新现有道路形式，以双层复合式的高速公路改扩建方式解决上述问题。

由于复合式高速公路研究在我国尚属首次，驾驶人缺乏在此完全陌生环境中的相关驾驶经验，可能会导致因不适应、犹豫、视错而造成的安全问题。因此研究复合式高速公路交通流运行规律，设计科学的建设方案并予以综合评价至关重要。基于上述逻辑，首先本文在双层复合式断面的基础上提出两种匝道连接形式和一种节点布设方法；其次借助Vissim仿真平台，仿真模拟差异性交通环境，对比两种连接形式的交通运行状况，并对匝道试验结果予以断面速度分析、驾驶行为分析，之后借助SSAM进行安全评价；此外，以正交试验的方法对节点进行仿真模拟，对正交试验结果进行效率、稳定性评价，对比灰色关联度分析与极差法，选取各自最优组合；最后，以综合评分法获取综合评价指标，通过灰色关联度分析法选取最优运行组合，以此为我国当前高速公路改扩建方式提供新的路径选择，为缓解我国交通运输压力做出新的探索。

关键词：复合式高速公路；匝道；Vissim仿真；综合评价

Abstract

For a long time, expressway, as an important infrastructure in China, has undertaken a large number of transportation tasks，it has developed rapidly since the construction. However, with the growth of national economy, the number of motor vehicles in China has reached new highs year by year, and the existing road supply forms can no longer meet the demand of transportation. For this reason, the backbone of the highway has already begun to carry out the reconstruction work, but under the condition of rapid expansion of the city, the traditional "reconstruction and expansion work" will be restricted by many problems, such as insufficient land resources, partition of the city, and the existing road functions are not easy to replace. In view of this, this paper attempts to renovate the existing road form and solve the above problems by the way of upgrading and expanding the double-deck compound expressway.

As the research on compound expressway is the first time in China, the lack of relevant driving experience in this completely unfamiliar environment may lead to safety problems caused by inadaptability, hesitation and wrong perception. Therefore, it is very important to study the traffic flow rules of the complex expressway, design scientific construction scheme and give comprehensive evaluation. Based on the above logic, this paper proposes two kinds of ramp connection forms and a node layout method based on the double-layer composite section. Second, Vissim simulation platform was used to simulate the different traffic environment and compare the traffic operation conditions of the two connecting forms. The ramp test results were analyzed for section speed and driving behavior, and then safety evaluation was conducted by SSAM. In addition, the node was simulated by means of orthogonal test, and the efficiency and stability of the orthogonal test results were evaluated. The optimal combination was selected by comparing the grey relational analysis and range method. Finally, the comprehensive evaluation index is obtained by the comprehensive scoring method, and the optimal operation combination is selected by the grey relational analysis method, so as to provide a new path choice for the current highway reconstruction and expansion mode in China, and make a new exploration for easing the traffic and transportation pressure in China.

Keywords: compound expressway;Ramp;Vissim simulation; comprehensive evaluation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 关于车道断面设置形式 1

1.2.2 关于匝道连接形式设置 2

1.2.3 关于交通安全、效率、稳定性评价 3

1.3研究内容、研究方法及技术路线 5

1.3.1研究内容 5

1.3.2研究方法 6

1.3.3研究难点 7

1.3.4研究技术路线 7

第二章 复合式高速路匝道设计 9

2.1复合式高速路断面形式 9

2.2复合式高速互通通道设计 9

2.2.1半直连式半互通形式 10

2.2.2环道式半互通形式 10

2.2.3小结 11

2.3本章小结 12

第三章 复合式高速公路上下交通转换微观仿真试验 13

3.1交通运行影响因素分析 13

3.1.1几何因素 13

3.1.2交通流因素 14

3.2匝道对比仿真 15

3.2.1模型建立 15

3.2.2试验设计 21

3.2.3试验结果 23

3.3节点仿真 25

3.3.1仿真模型建立 25

3.3.2试验设计 29

3.3.3试验结果 30

3.4本章小结 31

第四章 复合式高速公路综合评价 32

4.1匝道对比仿真结果分析 32

4.1.1断面速度分析 32

4.1.2驾驶行为分析 38

4.1.2交通安全分析 39

4.2正交试验分析 44

4.2.1效率评价 44

4.2.2稳定性评价 45

4.2.3灰色关联度分析 46

4.2.4综合评价 47

4.3结论 48

4.4本章小结 48

第五章 结论与展望 50

5.1主要研究内容及结论 50

5.2展望 51

参考文献 52

致谢 62

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

高速路作为道路基础设施承担着大部分的快速、长距离交通，自建设以来，我国高速公路网飞速发展，但形式大多是双向四车道，随着社会经济发展、城市规模扩张，原有高速公路存在交通量大，且沿线城镇化特征突出的情况，为了满足交通需求，许多骨干高速路相继开始改扩建，现有的高速路扩建模式有两种：一是在原有的道路断面上向两侧扩建至六车道、八车道甚至十车道等多车道来提高道路服务水平，但在城市规模迅速扩张、高速路周围城镇化发展的情形下，这种方案将面临用地不足的问题；二是新在通道附近新增平行通道或利用距离较近的平行通道分担交通量。若采用前者，将面临工程造价大、破坏周围城市发展且无法替代现有高速公路交通功能等问题；若采用后者，考虑原有的通道社会经济点已经形成，对交通压力的分担效果甚微，因此亟待寻找新的改扩建方案。

在上述背景下，惠盐高速公路深圳段拟利用现有的惠盐高速深圳段改扩建的契机，充分发挥现有走廊的宝贵资源，提出长途过境交通与中、短途交通分离并采用分离式多车道断面形式的高速路的设计思路，完成对通行能力的扩容和细分。机荷-惠盐作为沿海高速网的重要组成部分，既承担着过境交通和对外交通又承担着深圳市中长距离出行，分离过境交通与城市交通是解决拥堵、满足交通需求的良好解决方式。

但开展复合高速公路设计在我国大陆地区尚属首次，国内目前并无相关工程案例值得借鉴，且大陆地区驾驶员基本没有在复合高速上的驾驶经验，对复合高速中上下匝道以及高速公路节点枢纽的利用会存在不适应。因此，为避免复合高速开通后上下匝道和叠加立交区可能出现的驾驶员视认判断不及，驾驶犹豫、错行等问题，针对复合高速的交通安全性展开研究，发现复合高速设计方案中的安全问题并提出对策措施，对于完善复合高速设计、开创城市化高度发达地区高速公路扩建新形式、提升复合高速运营安全性具有重要意义。

综上所述，本论文期望设计出合理的上下通行匝道，对其各种形式进行安全性和适用性评价，提出合理的方案和政策建议。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 关于车道断面设置形式

多车道道路形式在国外起步较早，美国的I95号公路采用客货分离的分离式断面方式，中间用护栏或其他设施隔离。加拿大401公路多伦多段则采用主线加辅线的分离式断面形式，主线供过境交通使用，辅线则为城市交通服务。国内较典型的则为深圳水官高速，设置行车速度为80km/h，中间用标线分离客车和货车，2011年改建为国内首条双向10车道高速公路，扩建工程采用设计速度为80km/h的内侧双向六车道高速公路 外侧双向四车道辅道设计标准，2013年速度提高到100km/h。

姚宏伟^[1]（2018）深入调研多车道高速路交通流特性，分析高速公路基本路段车道数对其通行能力的影响，依托绥沈高速工程，分析分离式与整体式断面下高速路的技术标准，并且首次提出以重载车为标准车的通行能力。

李国春^[2]（2013）分析了多车道高速公路发生事故的主要原因，并且据此提出了合理的改善设计方法：在多车道整体式断面情况下，设置2.5-3米的左侧硬路肩，加宽右侧路肩至3米-3.5米。路段借鉴美国的方法，设置门架式标志，并且增设4000米3000米预告标志。对于互通立交则采用分车道分车型设置加减速车道。还提出中央分隔带活动护栏防撞设计，提高多车道高速路驾驶安全性。

综上所述，高速路作为车辆快速通行的基础设施，增加车道数的扩建方法需要因地制宜。以上研究者提出的不论是整体式断面还是分离式（客货分离、主辅分离）断面只是提出了基于平行增加车道的方法，而忽略了高速路周围用地情况，要在不破坏周围发展的前提下实现功能的继起则需要寻找更优的方法。本文拟采用双层复合式高速公路断面形式，不同于以上的客货分离式，上下分层设计，城市快速交通和国家高速分离，更好实现空间利用和功能分离。

1.2.2 关于匝道连接形式设置

美国95号公路采用内外侧车道均设置匝道上下高速；而加拿大401公路则采用外侧车道直接相连，内侧车辆通过右出右入或者右出左入的方式连接到外侧车道从而实现互通。国内水官高速则与现有的四车道互通形式一样，只是在距离出口一段距离处设置标志引导内侧车辆换道。

夏雪、郭唐仪、潘姝^[3]（2018）将出口匝道分为四种类型：平行式可选单车道匝道、半直连式单车道匝道、平行式可选双车道匝道、半直连式双车道匝道。建立事故数、事故严重程度与匝道类型结构的关系模型，分析对四种匝道安全性能进行排序：1gt;3gt;4gt;2（好到差）。

房瑞伟、张谢东^[4]（2017）采用层次分析法建立立交匝道评价体系和评价模型，并进行评价的灵敏度分析，结果表明：枢纽互通立交宜根据实际情况采用半直连或半直连形式左转匝道。

李国春^[5]（2016） 通过对国内外现有的多车道高速公路的调研，着重研究分离式断面几种不同形式的互通方式，如：只连接一侧车道另一侧采用左入右出或左出右入方式、内外车道均连接的互通立交。并依托交通流理论和微观仿真，从车辆运行、冲突、安全几个方面对其进行分析评估，发现左侧驶出方式较右侧驶出方式更容易发生交通事故且严重程度更高。对于分离式多车道高速路建议采用内外均连接的互通立交。

王亚^[6]（2013）针对杭州市滨江二路、上海市徐泾中路等四座立交实例，从道路等级、节点功能、用地条件等方面综合考虑分析了如何选择合适的立交方案。

刘斌、白玉、杨晓光^[7]（2010）以城市立交左转匝道为研究对象，借助VISSIM仿真平台，比较分析半定向以及环形左转匝道的适用性，运用数学规划理论建立一般立交通行能力计算模型，作者建议匝道形式应根据交通量大小和服务水平高低依次选用定向型、半定向型、环形。

卢川^[8]（2009）等人根据主线上下游车道数是否变化、匝道车道划分、匝道车道是否分流等将我国高速公路出口匝道划分为四个等级，以车辆运行速度作为评价指标，通过TISI仿真，分析了大型车比例、转向率、交通量等对通行效率的影响，最后定量分析四种匝道的优劣，发现上下游车道数不变的出口匝道类型相较之下可以适应更大的交通量需求，并且对四种匝道的适用条件进行了说明。

赵发科^[9]（2006）等人运用聚类分析法选取立交设计车速、占地面积、复杂程度、通行能力和造价作为聚类分析变量，将25种典型立交分为不同的等级，提出高速路与高速路或高等级道路相交，多路相交，用地不受限制条件下宜采用全互通形式立交，对规划互通选型有重大参考意义。

Hongyun Chen等人^[10]（2009）通过搜集弗罗里达州343条高速公路撞车数据，对四种匝道的碰撞类型、碰撞频率以及严重性进行了横向比较，建立事故预测模型，研究发现，匝道与高速公路AADT、高速公路限速、减速车道长度、右肩宽和出口匝道类型对高速公路分流区安全性能有显著影响。该研究证明了使用车道平衡出口匝道的安全性和益处。

之前的研究大都是对匝道布设的典型方式或半直连、或迂回、或环形或者进口形式进行评价，鲜有人将匝道设置与整个高速路的功能实现联系在一起，本文将根据实际情况设计出两种上下连接的匝道形式和节点布设形式，采用上下游车道平衡，匝道形状设置成迂回式和半直连式，为之后评价对比做好工作，另外，考虑不同位置的上下需求，将在路段不同位置设置不同组合的上下通道，实现高速路通行效率的提高。

1.2.3 关于交通安全、效率、稳定性评价

交通安全评价技术无论在国内外都发展相对成熟，一般的评价方法有事故率法和系统分析法以及交通冲突法，另外周志刚等人^[11]（2009）采用相邻断面单车运行速度差的85％位作为安全评价指标，发现相邻断面运行速度差的85％位越大安全性越差，然后运用模糊集合理论对交通安全进行等级划分。

李光、李志勇等人^[12]（2012）通过采用两种与运行速度相关的安全评价方法：《指南》和汽车行驶动力学方法对实际工程案例进行评价，对比发现现行《评价指南》在适用性方面存在局限，宜结合两种方法评价。

孙璐等[^13]（2013）使用微观仿真模拟一定交通环境下的交织区交通流运行状况，得到轨迹运行文件，再借助交通安全评价模型SSAM分析车辆轨迹文件，以交织区交通冲突数与交通量、交织区长度比值作为安全评价指标，结果表明，交织区交通冲突率与服务水平负相关，与交织区交通量成正相关，与交织区长度车道数呈负相关。

杜胜品、马永锋^[14]（2013）以城市快速路和高速公路交织区为研究对象，采用数形结合的方法，分析冲突点形成机理，构建了交织区复杂度和车道复杂度的静态模型，值越大，越复杂，模型结果与统计结果有良好的契合，且交织区复杂度和车道复杂度相一致。

高丽梅 宋文静^[15]（2014）将出口分流区的交通冲突分为三类：换道、合流、交叉。量化分析了与交通冲突存在直接关系的驾驶员行为，采用统计方法为每种驾驶行为确定不同的权重。并且通过实际调查，分析了表征分流区交通运行特征的三个指标：总流量、分流比、驾驶行为与交通冲突的关系。为制定高速路出口分流区改善方案提供依据。

戴骏晨^[16]（2016）基于对马群枢纽的调查，使用Tracker追踪获取大量的交通冲突样本，形成了适合于高速路的交通冲突危险综合表征方法，并且通过VISSIM仿真模拟和正交实验分析各影响因素与综合交通冲突指标RI和RIS的相关性 ，建立了“道路交通条件-变道次数-RIS”两步模型，拟合效果良好，最后对交通安全进行了分级分为四个等级提出基于交通冲突技术的交通安全评价方法。

刘红^[17]（2016）构建交通冲突环境下驾驶员心理场物理模型，模拟五种参数不同的仿真实验，分析不同影响因素（驾驶员特性、交通量大小、车辆速度、冲突角度）与表征驾驶员心理场的加速度的关系，总结冲突演变规律。

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