0 引言

交织是指两个或者多个方向交通流，在一定长度路段不借助交通控制设施(除引导标志)向同一方向行驶形成车流交叉运行的现象，当合流区后面紧跟着分流区就会形成交织区，“紧跟”是指在合流区与分流区之间没有足够的距离使其独立行驶。由于交织车辆在交织区及其影响范围内存在大量不同流向车辆的换道行为，交通流的交织运行容易形成周期性拥堵瓶颈，甚至影响至交织区上游或下游更远范围。运行分析目的是分析交织区交通流特性以及评价交织区集散能力和运行状态，受交织区几何特性、交通流特性、驾驶行为以及道路交通管理方式等多方面的影响，准确分析交织区交通运行状态是一个非常复杂的问题，促使各国学者进行了广泛、深入的研究，主要研究成果纳入各自的手册或规程中。交织区运行分析研究最早从美国第一版《道路通行能力手册》(HCM1950)开始，历经HCM1965，HCM1985，HCM2000和HCM2010共4次大的调整，从数据的样本量和采集方式、交织区几何特征定义、影响因素识别、运行分析模型建立、评价指标选取等方面进行了不断的调整与优化，研究成果最具代表性和广泛适用性；Draw和Ponlathep Lertworawanich等人先后应用间隙接受理论建立交织区通行能力数学优化模型；《交通分析工具第三卷：微观交通仿真软件应用指南》(FHWA)^[1]针对不同设施提出了不同的微观仿真标准校正流程及需校正参数，为应用微观交通仿真方法进行交织区运行分析研究提供了依据。其他各国针对各自的道路交通条件形成了相应的交织区运行分析方法，如德国的《公路通行能力手册》(HBS)、瑞典的《瑞典通行能力手册》、日本的《公路技术标准》等。中国对交织区运行分析的研究主要借鉴和吸收美国HCM方法，从20世纪90年代陆续开展了一系列专题研究，研究成果有《交通工程手册》、陈金川的《道路交织区通行能力研究》、九五攻关课题《公路通行能力研究》、李文权的《道路互通立交系统通行能力分析方法》、周荣贵的《公路通行能力手册》(2017)等。各国手册或规程中交织区运行分析方法主要包括回归分析法、理论解析法和微观交通仿真法，如表 1所示。

本研究在收集国内外大量研究文献的基础上，归纳各国交织区运行分析所采用的方法，以各种方法的相关研究为主线，详细介绍其研究历史、现状及其历史演变，探讨各种方法的特点和适用性，指出我国在高速公路交织区研究中存在的主要问题，结合我国交织区运行分析现状和交通领域研究热点，对高速公路交织区研究的发展方向进行展望。

1 交织区运行分析研究方法 1.1 回归分析法

(1) 美国《道路通行能力手册》(HCM)

HCM1950^[2]：交织区的分析方法以1947年收集到Washington D.C和Arlinginia地区6个交织点现场数据为基础，给出了一个诺模图和交织宽度计算公式。交织车道通行能力通过查询该诺模图获得，该图绘制了3个运行速度的通行能力曲线。HCM1950存在以下问题：数据量少且较分散，主要来自于多车道公路，交织区诺模图拟合精度较差，交织区车道数计算公式缺少依据和解释，允许交织交通量达3 500 veh/h与实际情况不符，对于较复杂交织区分析具有局限性。

HCM1965^[3]：1953年由公路道路局(Bureau Of Public Road)重新收集数据，数据主要来自于高速公路交织区，对HCM1950交织区分析方法进行了校核、验证和改进，建立交织区分析新方法(即HCM1965方法)。该方法首次引入服务水平概念和等级的划分，将服务水平根据交织交通量换分为Ⅰ~Ⅴ共5个等级，并明确了交织区长度的测量标准，优化了交织区运行诺模图，给出了不同服务水平条件的交织交通量和交织区长度关系图，交织区车道数通过交织交通量、非交织交通量和服务交通量来计算确定。该方法认为非交织车辆运行状态与基本路段相同，只受交织区宽度的影响，而交织车辆的运行受交织区长度和宽度的共同影响。但该方法分析参数复杂，分析步骤繁琐，难以应用，有时分析结果与实测数据不符。

HCM1985^[4]：1969年由纽约理工学院主持，对全美公路合作研究计划NCHRP 3-15方法进行了修订和校准，深入研究了交织构造对交织运行的影响，重新定义了交织区服务水平标准，形成了PINY方法，其后收录了Jack Leisch，Assiociaes独立开发出新的交织区运行分析Leisch方法(诺模图方法)和JHK，Assiates主持完成的JHK方法，即HCM1985方法。该方法在交织区车辆的速度计算方法和交织结构的分类上进行了改进，将交织区划分为简单交织区和多重交织区。使用2组各6个方程进行交织路段和非交织路段的速度估计，这6个方程的应用取决于3种不同的交织构造(A，B和C型)和2种交通运行状态(不受约束和约束状态)，根据交织速度和非交织速度将服务水平划分为A~F共6个等级。该方法仅适用于实测数据所覆盖范围内交织区运行分析，限制条件包括各交织类型的最大交织能力、最大交织比、交织车道数和交织区长度等。

HCM2000^[5]：重新收集大量实测数据，交织区分析方法基本保持HCM1994和HCM1997修订版形式，与HCM1985最重要的变化是：(1)利用交织和非交织车辆的速度来计算交织区内车流密度，交织区服务水平评价指标采用“密度”代替之前版本的“行车速度”, 根据密度将服务水平划分为A~F共6个等级；(2)对预测交织强度系数的4个常数值重新标定，计算出了各种构型的交织区在不同的自由流速度、车道数、交织区长度和交织流量比情况下的通行能力值，采用试算的方法计算通行能力值，该计算是以假设高速公路上的交通流服务水平E/F界限密度27 pcu/km/ln为基础；(3)估计车速的方法是基于Pignataro，Mcshane和Roess的研究成果，对HCM1985速度方程校准系数进行了修正。该方法的限制条件包括各种交织构型的最大交织流量比和交织区最大长度(750 m)。

HCM-2010^[6]：加入了自HCM2000出版以来所完成研究项目中提取出的研究成果，并对研究成果进行了重组，HCM2010中高速公路交织区包含了美国国家高速公路合作研究计划NCHRP3-75项目中建立的方法，虽然分析交织区的基本流程与HCM2000相似，但是HCM2010模型以最新的交织区实测数据为数据库，与HCM2000相比主要存在以下4处变化：(1)重新定义交织区长度，其中交织区短长度能够提供更加合理的预测结果，并建立了不受交织运行影响的最大交织区长度预测模型，以此判断是否作为交织区进行运行分析；(2)将交织区的换道行为划分为交织车辆的必要变道、交织车辆的选择性变道和非交织车道的选择性变道3种类型，并建立了相应变道率模型，以此作为建立交织区速度模型的基础；(3)建立了交织区通行能力模型，通行能力由交织区的平均密度27 pcu/km/ln或交织区最大需求流率决定；(4)交织区服务水平E/F密度指标值发生改变。HCM2010分析方法和计算流程通俗易懂，更具实际意义。该方法不适用于组成部分交织区的进口匝道、过饱和交通流、交织区限速、交织区应用智能交通系统、主干道或者其他城市道路交织区、下游堵塞或下游需求匮乏、多重交织区等。

(2) 德国《公路通行能力手册》(HBS)^[7-8]

HBS2001将交织区划分为V1型和VR1型，均为同侧匝道交织区，主线或集散车道数不大于2条，且入口、出口匝道均为单车道。建立了合流区和交织区服务水平模型，即入口匝道流量是入口主线流量的线性函数，模型参数通过实测数据进行校准。该手册对分流区通行能力计算因缺少经验数据而被忽略，出口匝道上的驶离车流以默认值处理，因此计算较为模糊。高速公路合流区、分流区和交织区的交通质量是通过分别计算区域上游基本路段流量、下游基本路段流量、入口匝道流量、出口匝道流量与通行能力之比确定，根据饱和度将服务水平划分为A~F共6个等级。

HBS2015对交织区的划分与HBS2001相同。HBS2015根据概率论和排队论，建立了合流区、分流区和交织区的组合车流与通行能力之比的统一模型，交织区作为合流与分流的结合区，交织区内的组合车流与通行能力之比看做是合流或者分流车流与通行能力之比的叠加，模型参数通过实测数据进行校准。服务水平评价指标及其水平同HBS2001。

(3) 日本《公路技术标准》(1970年320号政令)^[9]

日本对交织区运行分析研究基于美国HCM1965方法，影响交织运行的主要因素是交织路段的长度和交织交通量，一般用影响系数表示影响程度。为了与其他一般路段采用同样的方法进行分析，将交通总量换成按比例增加的交通量，并以此来考虑对交织的影响，并绘制出交织路段长度与全部交织交通量的关系图。在交织区设计中，先估计交织路段所需的车流状态和运用速度，计算必须的交织长度，然后再计算相应的K值和车道数。日本道路规划设计和运营管理采用不同的服务水平评价体系，划分时采用的特征指标是V/C(交通量/通行能力)，2种体系都将服务水平划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ共3个等级^[10]。

(4) 瑞典《道路通行能力手册》^[11]

TV131模型：瑞典对交织区通行能力的研究最早开始于20世纪70年代，基本模型来自HCM 1965，Gator och Vägars kapacitet，HMSO和RAL。该模型基于交织区总交织流量的经验数据模型，入口匝道流量与出口匝道流量几乎相等，适用于交织区长度范围为60~500 m，且出入口匝道由辅助车辆相连的同侧交织区。该模型存在如下缺陷：基本路段未考虑坡度、车道宽度等对通行能力的影响，交织段出口、入口交通量的变化对交织区通行能力影响不具有敏感性。

METKAP模型：为了获得实测数据，瑞典于1994年至2000年对高速公路通行能力进行了系统的研究，随后数十年根据实测数据建立了交织区通行能力模型，即通行能力是入口匝道交通量、出口匝道交通量和交织区长度的函数。该模型对出口、入口交通量的变化更加敏感，但不适用于高入口匝道交通量和零出口匝道交通量的交织区通行能力计算。

瑞典TV131模型和METKAP模型对交织区服务水平的评价指标采用饱和度和平均运行速度，将服务水平划分为好、不好和差3个等级。

(5) 中国《公路通行能力手册》

美国HCM是我国进行交织区研究的重要参考文献。我国对高速公路交织区的运行分析方法最早出现在《交通工程手册》^[12](1997版)中，该手册采用美国HCM1994分析方法和模型系数，根据相邻合流点和分流点的数量划分为简单交织区和多重交织区，简单交织区根据交织运行车辆所必须进行的最少车道变换次数划分为A型、B型和C型。交织区服务水平评价指标采用交织车辆平均行驶速度和非交织车辆行驶速度，将服务水平划分为1~4共4个等级。

国家“九五”攻关课题“公路通行能力研究”专项研究提出了符合我国国情的公路通行能力分析方法，针对我国的交通组成、车辆动力特性以及驾驶人行驶特性，对各类公路设施的通行能力进行了较全面、深入的研究，编写了我国首部《公路通行能力手册》。该手册对高速公路交织区研究主要借鉴美国HCM2000的研究成果，在分析步骤、交织区构型划分、交织区长度和宽度的定义、通行能力和服务水平计算方法等方面均与HCM2000相关内容一致，服务水平采用“密度”作为评价指标，将服务水平划分为1~4共4个等级。项目的成果纳入到《公路工程技术标准》(2003版)^[13]中。

我国从2011年开始对《公路工程技术标准》(2003版)进行修订，对26个省市自治区进行了系统性调研，梳理出国家科技支撑计划项目和交通运输部西部交通建设科技项目研究成果，调研掌握国内相关技术规范，参考美国AASHTO新版《公路与城市道路几何设计》、美国HCM2010、日本《道路构造令》及欧洲等技术标准和规范，开展了两期13个专题研究，修订形成了《公路工程技术标准》(2014版)^[14]。该标准借鉴和总结以往研究成果，对服务水平的分级和评价指标进行了重新规定，采用饱和度(V/C)值来衡量拥挤程度，同时采用小客车实际行驶速度与自由流速度之差作为次要服务水平评价指标，将服务水平分为1~6共6个等级。

2017年周荣贵、钟连德等人总结多年通行能力研究及实践，依据国内相关技术规范，借鉴和吸收国外最新通行能力分析方法，在专项研究的基础上出版了《公路通行能力手册》^[15]。该手册对高速公路交织区运行分析方法主要借鉴美国HCM2010相关规定，研究对象主要为城市快速路交织区，利用实测数据对美国HCM2010的最大交织区长度模型、通行能力模型、变道率模型、交织和非交织车辆速度模型等进行重新标定、公式的验证和修正，其中通行能力模型增加了汇出流量比指标，未考虑由最大交织流量决定的通行能力。采用《公路工程技术标准》(2014版)中服务水平评价指标，并细化了标准分级，其中将1~5级服务水平细分为3种状态，基本能够全面反映交织区的交通运行质量。但是，由于交织区交织运行车辆具有强制性变道和选择性变道、非交织运行车辆具有选择性变道的特点，变道率高于基本路段，当交织流率达到一定比例，交织区的通行能力应由最大交织流率决定。

1.2 理论解析法

一些学者将理论解析法应用于交织区交织运行分析，主要包括可能转移矩阵法、间隙接受理论、线性规划理论和神经网络技术等。

(1) 可能转移矩阵法

由Worral等学者利用可能转移矩阵法分析交织构型对交织区交通运行的影响，将交织区长度L划分为N个可供车道变换的小区，并定义该小区车辆进行车道变换的可能性，然后采用矩形分析方法对其进行分析^[16]。

(2) 间隙接受理论和线性规划技术

Ponlathep Lertworawanich和Lily Elefteriadou于2001^[17]年和2003^[18]年应用间隙接受理论和线性规划理论计算匝道交织区(A型和B型)通行能力，该方法提供了在可能的交织区和非交织流量范围内通行能力的预测结果，同时对这个方法里的假设影响进行了敏感性分析，最后计算结果与HCM(2000)计算所得通行能力进行比较分析。陈金川以交织区通行能力为研究目标，收集国内外大量交织区研究文献，评析交织区研究方法，应用统计学和间隙接受理论推导出交织区通行能力结果，但该方法是一种宏观的计算方法，对于车辆的运行状态、车道变化和速度变化等因素并没有充分考虑^[19]。Ponlathep Lertworawanich于2003年在其博士论文中归纳总结以往研究成果，建立了基于可接受间隙理论和线性优化的交织区所有交织构型的通行能力预测方法，建立的交织区通行能力模型是关于高速公路基本路段和匝道交通需求比例、交织区长度和自由流车速的函数，应用现场观测数据对交织区的CORSIM仿真模型进行校准，并将通行能力预测结果与HCM(2000)中交织区通行能力计算结果进行了对比^[20]。孟祥燕于2006年在其硕士论文中把交织区长度作为通行能力的主要影响因素建立交织区通行能力的线性优化模型，并计算出不同交织区长度时所对应的通行能力值^[21]。钟连德于2005年以可穿插间隙理论和非线性最优化理论为基础建立了快速路交织区通行能力的理论模型，并用Matlab编写的程序，给出了交织区的理想通行能力值，利用CORSIM建立了求解交织区实际通行能力的程序和方法，对仿真结果和实测数据进行对比^[22]。徐大伟、裴玉龙等于2007年应用可接受间隙理论和车道变换理论提出快速路交织区通行能力计算方法，利用相对密度和交织比进行服务水平评价指标，提出了我国快速路交织区类型划分方法，对交织区长度最大值和最小值进行了重新定义，对快速路交织区交织速度、非交织速度模型参数进行了修正，利用调查数据，提出基于美国HCM回归分析的通行能力计算方法^[23]。李文权于2009年在《道路互通立交系统通行能力分析方法》书中应用间隙接受理论和数学规划方法建立了交织区通行能力优化模型^[24]。Wang Xu等于2014年基于车辆变道模型预测交织区通行能力，文中应用线形规划技术研究交织通行能力，建立了车道变换模型，该模型通行能力估算值和HCM2010模型计算值相符，并与实地观测数据相符合，且交织流量比对交织区通行能力十分敏感，最后应用该方法对实时最大瞬时流量进行估计，得出的结果与实测数据吻合^[25]。

(3) 神经网络技术

Wa'el H'Awad于2004年应用神经网络技术估计交织区通行能力。利用线性回归和神经网络技术提出了2个交织区通行能力模型，基于HCM2000表24-8建立起通行能力与一系列相关变量的线形回归(LR)模型，通过该模型可预测给定条件下的交织区通行能力；同时，考虑到交织区的运行效率与此路段的变道行为高度相关，而影响运行效率的相关变量对于交通运行的影响具有不确定性和复杂性，采用人工智能技术(神经网络NNT)来预测交织区的通行能力。在预测交织区通行能力中，对多层前馈神经网络和线性回归的应用进行了对比研究，结果表明，线性回归技术虽然表现出令人满意的结果，但因交织构型的不同而有差异；而神经网络技术在预测通行能力时不用考虑交织构型，且结果更加理想^[26]。

1.3 微观交通仿真法

由于交织区具有特定的几何构型和交通特性，在交织区运行分析时，交通流跟驰行为、换道行为和路径选择行为需要精确地表达才能真实反映交织区交通运行状况，微观交通仿真能够对交通系统中各要素及其行为精确表达。因此，国内外学者利用微观仿真方法对交织区进行了深入的研究，并推出了一批具有代表性的微观交通仿真软件，适用交织区运行分析仿真软件如表 2所示。

荷兰公路通行能力手册(荷兰HCM)由Rijkswaterstaat负责出版，相继于1999年、2002年、2011年和2015年共发行4个版本^[27]。从第3版开始收集交织区的实测数据用于交织区通行能力研究，将交织区划分为对称交织区和不对称交织区，影响因素包括交织区构型、入口和出口匝道车道数、交织区长度和交织流量比和重型车比例等。由于影响交织区运行的影响因素较多，实测数据不能完全反映各影响因素对通行能力的影响，所以使用微观仿真软件FOSIM来模拟分析交织区运行状况，该版本实测数据较少且数据收集方式单一，实测数据不能直接用来验证FOSIM模拟获得的通行能力值。荷兰HCM的第4版丰富了数据采集点和数据收集方式，FOSIM确定了荷兰HCM交织区通行能力值，列出了许多具有不同构型(例如2+1，2+2，3+1等)、交织区长度、卡车的百分比(5%，15%和25%)和不同交织流量比的交织区的通行能力值，采用实测数据对FOSIM模拟通行能力值进行了常规的验证，用于指导交织区设计和通行能力分析。该版本手册采用饱和度作为服务水平评价指标，根据饱和度的不同，将服务水平划分为5个等级，并详细地解释了饱和度的使用。

Eil Kwon于2000年采用视频观测和线圈采集信息，分析了交织区的运行特性；2003年对单交织区和多重交织区进行分析，从车道变化特征统计中得出，车道变换是自由选择的。在不同时间段，简单交织区最大交通量取决于交通流特征和交织区几何条件，并编制了计算机程序，计算出一定时间间隔内最大交织交通量^[28]。Srinivas Jillella等于2001年应用TRANSIMS建立匝道交织区(A型)模型，对仿真结果进行了评价，并与HCM通行能力分析方法做了对比分析^[29]。Alexander Skabardonis于2002年利用CORSIM软件对加利福尼亚的8个交织区进行仿真研究，结果表明，采用默认模型参数的CORSIM仿真结果往往低估了高速公路车道减少和交织段的交通性能。车辆灵敏性、车道变化强烈程度等因素对仿真结果影响较大，仿真的速度值与实测值误差小于3 km/h，模型具有较好的相关性^[30]。Thomas Dijker于2003年通过仿真分析，计算非对称性交织区通行能力值。通过敏感性分析，比较对称型交织区和非对称型交织区，给出不同的通行能力建议值。Zhang YiHua于2005年利用INTEGRATION估计高速公路交织区通行能力，首先系统分析影响高速交织区通行能力的影响因素，验证了INTEGRATION微观仿真模型在交织区分析中的有效性，提出交织区通行能力估计模型(ANN模型)，并与HCM2000通行能力计算结果进行比较，结果表明，ANN模型在模型估计误差上表现更好^[31]。钟连德等于2006年利用CORSIM仿真求解快速路交织区通行能力，比较仿真结果与实测值，结果表明CORSIM仿真模型求解交织区通行能力方法可行、具有很好的适用价值^[32]。雷丽等人于2006年采用NaSch元胞自动机模型对高架桥上主干道为单车道的A型交织区路段进行了数值模拟和分析，结果表明，交通流量的大小和交织区长度对车辆交织行为影响显著^[33]。徐大伟等于2007年利用VISSM仿真软件搭接了交织区仿真模型，对参数进行了合理的标定，对交织区不同车道位置的交织速度、非交织速度、交通量进行了仿真研究，并对仿真结果、调查数据与HCM法计算结果进行了对比分析。胡婷于2010年对快速路交织区微观交通仿真模型进行了标定，确定了需标定的模型参数及其阈值，构建了多目标规划仿真参数标定模型，验证了交通仿真模型标定方法的可行性^[34]。Jia Bin等人于2010年采用细化的NaSch模型对主干道A型交织区进行数值模拟，分析了交织区长度和交织区合流分流行为对系统的影响^[35]。江金胜等人于2012年采用NaSch元胞自动机模型对C型交织区交通流特性进行分析，分析了进车概率、交织区长度对系统的影响，结果表明，交织区长度的增加可以提高出现拥堵交通流时C型交织区道路通行能力，进一步研究了在主路畅通，而交织流量较大情况下的车辆密度、速度以及换道频率的空间分布，发现在合流区和分流区附近会出现集中的换道，并进而导致局部的拥堵和车速的明显降低^[36]。任荔娜于2012年分析快速路车辆的动态运行规律，基于元胞自动机建立了城市快速路交织区跟驰模型和换道模型，并以NS模型为基础，对快速路交织区的交通流模型进行了微观仿真^[37]。刘立英等人于2013年采用NaSch元胞自动机模型对A型交织区通行能力特性分析，分析了VR和WR对交织区通行能力的影响，结果表明出匝道车辆对交织区通行能力的影响明显比入匝道车辆的影响严重^[38]。胡雨林于2016年采用元胞自动机改进模型进行仿真研究，对交织区通行能力折减系数模型重新标定，建立了交织区通行能力计算模型，并确定了交织区通行能力与其影响因素之间的关系^[39]。

2 交织区运行分析方法综述 2.1 回归分析法

各国手册或规程中高速公路交织区运行分析主要采用回归分析法，以美国HCM最具代表性和广泛性^[40]，其他国家主要以美国HCM为蓝本，针对各国实际逐步形成了各自交织区运行分析方法。采用回归分析法首先需要明确研究对象属性，包括交织区构型、交织区长度和宽度等，在此基础上，采集已运营交织区交通流和道路设施等有关数据，并进行统计分析，建立交织区效率度量指标与相关影响因素关系模型。部分学者利用实测数据对现有模型进行重新标定或公式的验证与修正^[41-49]。从各国手册的历史演变可以看出：

(1) 交织区构型的分类方式不同，但对交织运行的认知基本相同。以美国HCM各阶段交织区分类为例，HCM1950根据是否提供额外的非交织车道将交织区划分为基本交织区和双用途交织区；HCM1985根据交织车辆的换道次数将交织区划分为A，B，C共3种类型；HCM2010根据入口、出入匝道与主线的相对位置关系将交织区划分为同侧型和异侧型，同侧交织区根据2种交织行为的变道次数不同划分为匝道型和主线型。从美国HCM对交织区划分的发展历程来看，交织区分类趋向于单一化，主要是为了避免因交织构型不同需搭建不同数据库带来的不便。其他各国根据本国实际和研究需要借鉴吸收美国HCM各阶段交织区分类方法，如德国将交织区划分为V1型VR1型，实际上是美国HCM2010同侧匝道交织区。通过对我国高速公路交织区构型的调查发现：我国高速公路交织构型主要为同侧匝道交织区，主要设置在互通式立交内或近距离互通式立交之间，上游入口匝道与下游出口匝道之间由一条连续的辅助车道相连；部分交织区的辅助车道在其上游或下游设置了变速车道，或交织区辅助车道延伸至上游或下游相邻出入口。因此，高速公路交织区构型的分类应尽量简化，以提高运行分析相关模型的普适性。

(2) 对交织区长度和宽度理解有所变化。以美国HCM各阶段交织区长度为例，从HCM1965首次提出交织区长度的测量标准，将交织区长度定义为距主线入口行车道边缘外侧0.6 m处至主线出口行车道外侧3.6 m处之间的距离，数据库中交织区长度可延伸至2 438 m；HCM1985所收集的数据库包含了交织区长度超过1 219 m的实测数据，很好地应用于B型和C型交织区运行分析；HCM2000将交织区长度限定在152~762 m范围内，超过762 m视为孤立的合流区和分流区；HCM2010对交织区长度进行了重新定义，包括基线长度和短长度2个测量标准，其中基线长度指合流三角区终点至分流三角区起点之间的距离，短长度是指合流三角区下游禁止变换车道线终点至分流三角区上游禁止变换车道线起点之间的距离，分析结果表明短长度能够提供更加合理的预测结果，并建立了交织运行影响范围的最大交织区长度预测模型，以此判断是否采用交织区运行分析方法进行研究，这是交织区运行分析思路的一次重大突破。包括中国在内的其他国家基本沿用美国HCM交织区长度的测量标准，未就交织区的测量标准进行深入的研究。美国HCM对交织区宽度的理解发生了较大的变化，HCM1950开始就给出了交织段最小宽度的算法；HCM1965对HCM1950的交织段最小宽度公式进行了进一步的优化，将交织密度系数作为变量引入公式；HCM1985首次提出交织车辆占用的车道数概念，并给出了不同构型交织车辆可以占用的最大车道数计算公式，以此作为运行状态检验的标准，此方法一直沿用至HCM2000；HCM2010引入换道次数不大于一次的车道数作为描述交织区特点的关键参数，将其作为一个关键变量纳入最大交织区长度预测模型和通行能力预测模型。通过对我国高速公路交织区交通流的调查，交织行为随OD流量的变化可能在交织区的所有车道发生。

(3) 交织区影响因素选择和相关模型差异性较大。从美国HCM的运行分析历程可以看出，对交织区运行分析思路、影响因素的选择和有关模型的建立依据最新数据库进行了不断的调整与优化。就通行能力模型而言，HCM1950通过查询诺模图获取最大交织交通量，影响因素仅考虑交织区长度、交织区宽度和运行速度；HCM2000建立了通行能力表格，采用试算的方法计算通行能力值，影响因素包括自由流速度、交织构型、流量比、交织区长度和交织区车道数；HCM2010通过最大交织区长度模型判断是否采用交织区运行分析方法，并建立了交织区通行能力模型，其值由密度和最大交织流率共同决定，影响因素包括交织流量比、交织区长度和交织车道数。周荣贵《公路通行能力手册》中交织区运行分析方法主要借鉴HCM2010方法，以城市快速路交织区为研究对象，利用实测数据对HCM2010的最大交织区长度模型、通行能力模型、变道率模型、交织和非交织车辆速度模型等进行重新标定，并对公式进行验证和修正，其中通行能力模型增加了汇出比影响因素。HBS2015根据概率论和排队论，建立了交织区服务水平模型是关于各出入口流量与其通行能力的函数，由于德国交织区几何尺寸采用标准化设计，模型未明确交织区长度、交织流量比等指标对交织区运行的影响，再者该方法仅适用于主线或集散道车道数为1条或2条的同侧匝道交织区，且入口、出口匝道车道数均为1条。通过对我国高速公路交织区运行状态的调查，结合国内外研究现状，笔者认为在现有相关运行分析模型的基础上，需要重新梳理运行分析思路，影响因素的选择方面还需要考虑出入口匝道通行能力(或自由流速度和车道数)、大型车比例、交织比(汇入比和汇出比较大者)等影响因素。

(4) 各国各个阶段服务水平评价指标和分级不同。从表 1可以看出现行手册或规程中服务水平评价指标主要采用密度和饱和度，大多数国家将服务水平划分为6级，笔者认为评价指标的选取及其水平应用于高速公路基本路段比较合理，但是交织区具有交织运行的特点，出行者对交织区运行服务质量的感知还与交织运行引起的紊乱程度有关。

2.2 理论解析法

本研究以应用较为广泛的间隙接受理论法为例，阐述理论解析法的特点。应用间隙接受理论计算交织区通行能力主要步骤如下：理想安全间隙的估计，交织车辆可接受的换车道车辆数计算、通行能力模型的建立等。首先，理想安全间隙的估计基于动力学方程，可间隙接受以相邻车辆的车头时距表征，由于车头时距受道路设施条件、交通运行环境和驾驶行为差异性的影响，随断面流量动态变化，具有一定的不确定性，所服从的分布函数不尽相同，每个车头时距值需要采用实测数据校准，而这些值又不易获取；其次，最大换车道车辆数的确定基于间隙接受理论，一般适用于同侧匝道型交织区，仅考虑主线外侧车道与辅助车道之间的车辆换道行为，实际上交织换道行为可能在交织区所有车道上进行；再次，间隙接受理论未考虑交织区各方向交通流的通行优先权。其他理论解析法与间隙接受理论具有类似的特点。因此，理论解析法由于假设条件较多、计算复杂，很难反映交织区的交通流运行特性，因此理论模型难以应用。

2.3 微观交通仿真法

交织区微观仿真分析一般包括以下步骤：研究对象分析、数据收集、模型搭建、错误检查、模型参数校正和有效性评价等^[50]。在研究对象分析中首先需要根据研究目标选择适合于交织区运行分析的微观仿真软件。微观仿真模型参数校正和有效性评价是进行微观仿真分析的关键步骤，也是交织区运行分析的难点，直接影响到所建立的仿真模型能否真实表达实际交通现状，以及进行一系列的交通运行状况分析、评价和趋势预测分析等工作。模型参数校正和有效性评价相互交织，相互影响，是不断重复的过程。模型参数校正侧重模型参数的估计，反映实际的交通状况和驾驶行为；有效性评价侧重确定最终被接受的关键评价指标和科学合理的评价结论。

微观交通仿真模型采用了大量的独立参数描述交通流运行特征和驾驶员行为，并提供了适合本国实际的参数缺省值，这些缺省值不一定适合我国的交通运行环境。因此，根据运行分析需要通过参数校正找到最佳再现本地交通状况的模型参数值，校正参数一般采用单因素和多因素敏感性分析确定初选校正参数及其取值范围，然后通常选择基于试验优化法和基于启发式算法进行仿真试验方案设计并进行反复仿真试验，快速找出与实测评价指标重合度较高的校正参数及其水平组合。校正后的微观仿真模型一般用于交通运行状况分析与评价，以及未来需求预测、替代方案建模、评价指标选择等多方案分析。

2.4 存在的问题

通过对现阶段3种方法历史演变及其研究成果的综述，本研究认为, 回归分析法由于其简单、直观的特点应用较为广泛，微观交通仿真法具有经济性、安全性、可重复性、可拓展性、可操作性、直观性和较强的独立性等优点，根据各自特点发挥两者的优势，将回归分析法同微观交通仿真法联立起来对交织区进行研究是现阶段采取的主要研究方法，也是今后发展的主要方向。具体来讲，回归分析法能够很好地分析实测数据范围内交织区运行状态，校验后的微观仿真模型用于交织区的交通需求预测、多方案设计评价和交通安全系统分析等方面。理论解析法简化了交通运行规则，不能反映实际交通流特性，且计算模型复杂，因此，该方法是理想状态下理论计算方法，实用性不强。我国在高速公路交织区研究中主要存在以下问题。

(1) 我国对交织区的研究主要集中在城市快速路交织区，针对高速公路交织区的研究较少，由于高速公路的道路设施设计、交通流特性、交通运行环境和驾驶行为与城市快速路均有较大差异，因此，城市快速路交织区的研究成果不能直接应用于高速公路交织区运行分析。

(2) 针对高速公路交织区现有研究成果依据的样本量较少，且样本数据采集方式单一，精度不足，主要通过在交织区域内布设检测设备收集断面交通流数据，设备布设及所采集的数据不能精确并实时地采集车辆换道和跟驰行为，因此，现有方式采集的数据不能完全真实反映交织区真实交通流特征。

(3) 交织区的通行能力与出入口匝道通行能力(或自由流速度和车道数)、大型车比例、交织比(汇入比和汇出比较大者)等有直接的关系，而现有回归通行能力模型未考虑上述影响因素。

(4) 现有交织区服务水平主要以饱和度和速度差为评价指标，未考虑因交织运行引起的紊乱程度。

(5) 利用微观交通仿真法对交织区进行研究主要采用国外成熟仿真软件，软件缺省值不一定适合我国的交通运行环境，在进行仿真运行分析时需要大量的试验进行参数校正和有效性评价，缺少仿真模型标准化参数校正及使用手册。

(6) 我国缺少针对较高交织比、较低运行速度和恶劣天气条件等特殊交通运行环境下的高速公路交织区研究。

(7) 通过调查发现，高速公路交织区标志和标线布设、交织区出入口匝道长度及匝道收费站布设对交织区的通行效率及交通安全影响显著，我国缺少相关方面研究。

3 研究发展方向展望

当前各国学者应用不同的分析方法从各角度对交织区进行了深入研究，由于道路设施、交通流特性、交通运行环境和驾驶行为的不同，各个学者对交织区的运行分析思路、研究方法选择、交织构型划分、运行分析模型建立、影响因素识别、服务水平评价指标与分级等方面有所不同，各种运行分析方法的适用性不同，模型的可移植性不强。随着智慧交通和车辆技术的不断革新，交织区作为高速公路的瓶颈路段仍然是一个研究热点，今后研究方向可能从以下几个方面进行：

(1) 交织区数据采集。实测数据是建立或校验回归模型和微观仿真模型参数校正的基础，数据库的大小及其精度影响统计回归模型和仿真模型的可信度，智慧交通能够实时采集交织区域的交通流参数、车辆跟驰行为、换道行为等数据，也可实现海量数据的处理及深度挖掘，是今后交织区运行分析数据采集方式的一个重要发展方向。

(2) 通行能力模型研究。首先调查分析我国高速公路交织区的几何特征和交通流特性，然后对交织区通行能力的影响因素进行敏感性分析，合理选择影响因素，建立通行能力模型并用实测数据进行校验。通行能力模型研究不局限于以下2种思路进行：①借鉴吸收HCM2010通行能力模型基本形式，增加交织区出入口匝道的车道数和自由流速度、交织比和大型车比例等影响因素对通行能力的敏感性分析，根据分析结果将敏感性较大的影响因素纳入模型。②借鉴德国HBS2015服务水平模型研究思路，选择基本路段自由流通行能力、出入口匝道自由流通行能力、交织区长度等作为通行能力主要影响因素并进行敏感性分析。该思路将交织区作为整体进行研究，无需考虑交织构型、自由流速度和车道数等影响因素。当然，也可以利用大数据、云计算实现海量数据的深度挖掘，寻求各影响因素之间以及与效率度量指标之间的相互关联性，建立交织区运行分析相关模型。

(3) 服务水平研究。我国采用饱和度作为高速公路服务水平评价指标，由于交织区具有交织运行的独特性，交织区的换道行为高于基本路段，交织运行因此产生交通紊乱现象，驾驶员和乘客对交织区运行服务质量的感知不仅由饱和度确定，还与交织区因交织运行引起的紊乱程度有关。因此，交织区的服务水平指标及分级有待进一步研究。

(4) 交织区微观交通仿真研究。交织区微观交通仿真研究应采用以下2种思路：①通过消化吸收已有仿真系统，提供标准化参数校正及使用手册；②根据我国道路设施、交通流特性和驾驶行为等特点研发具有完全自主知识产权的仿真系统。仿真系统应重点关注瓶颈路段(包括合流区、分流区、交织区)的交通流仿真，仿真系统应同时具备评价交通效率指标和交通安全指标的功能。

(5) 特殊交通运行环境下交织区运行分析研究，如在较高交织比、较低运行速度和恶劣天气条件等交通运行环境下对车辆行驶性能、驾驶行为产生直接的影响，因此，特殊交通运行环境下交通流特性、通行能力变化机理和驾驶行为研究也是一个交织区运行分析的重要方向。

(6) 交织区运行分析应用研究。根据我国驾驶员的驾驶行为特性，在不同的流量比、出入口匝道半径及其车道数等条件下，应用不同交织区运行分析方法，以通行能力作为交织区效率指标，用于研究交织运行长度(交织区长度、互通式立交最小间距、集散车道设置条件、高速公路共线段长度等)、标志和标线布设、匝道控制和主动应急管理等方面，因此，应用研究也是交织区运行分析的重要方向。

4 结论

通过对国内外研究文献的分析，归纳出交织区运行分析方法主要包括回归分析法、理论解析法和微观交通仿真法，详细介绍了交织区相关研究历史、现状及其历史演变，探讨了各种方法的特点和适用性，指出了我国在高速公路交织区研究中存在的主要问题，结合我国交织区运行分析现状和交通领域研究热点，对高速公路交织区研究发展方向进行了展望。