高速公路改擴(kuò)建路段合流處瓶頸致因分析

文／交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 李凱倫

1 高速公路改擴(kuò)建合流處瓶頸形成影響因素

1.1 不同限速下道路容量影響分析

當(dāng)高速公路路段沒(méi)有限速限制時(shí)，交通流處于自由行駛狀態(tài)，速度較低時(shí)，車流以自由流方式運(yùn)行，隨著交通流量的增加，自由流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓴_流，當(dāng)交通流接近道路路段通行能力后，交通流通過(guò)量會(huì)逐步減小。通過(guò)已有的交通流密度與交通流速度關(guān)系可知[1]，當(dāng)設(shè)置有限速條件時(shí)，兩者之間的關(guān)系可由下式表示。

1.2 合流車輛行為影響分析

高速公路改擴(kuò)建合流處車輛匯入情況常常伴隨強(qiáng)制性，因此合流車輛多處于非理想?yún)R入狀態(tài)。影響主線交通流量的主要合流行為有：①單車強(qiáng)行匯入。合流車輛靠近合流點(diǎn)而未提前合流，因此合流車輛會(huì)選擇在某個(gè)小于可穿越間隙的車頭間距間強(qiáng)行匯入，這種情況主要常見(jiàn)于合流車輛較少，被合流車道交通流量大，駕駛員駕駛行為激進(jìn)的情況。②車隊(duì)強(qiáng)制匯入。合流車輛靠近合流點(diǎn)時(shí)，需合流車道上仍有大量車輛等待匯入，因此匯入車輛會(huì)以車隊(duì)方式跟隨頭車完成匯入，常見(jiàn)于合流路段全車道交通量較大的情況。③超低速匯入。合流車輛遵守規(guī)則等待可穿越間隙，但機(jī)會(huì)較少只能以開(kāi)始降速，常見(jiàn)于被匯入車道交通流量較大，駕駛員駕駛行為保守的情況。

2 高速公路改擴(kuò)建合流處瓶頸形成原因分析

2.1 新增匯入

匯入車輛并入被匯入車道，造成車道數(shù)縮減，交通密度增加是導(dǎo)致該路段會(huì)產(chǎn)生瓶頸現(xiàn)象的根本原因。當(dāng)車道斷面整體交通流量較小時(shí)，匯入不會(huì)造成較大影響，但當(dāng)車道斷面整體交通流量較大時(shí)，匯入會(huì)導(dǎo)致被匯入車道更快到達(dá)通行能力“驟降”水平，甚至更快達(dá)到擁堵水平。且被匯入車輛在臨近合流點(diǎn)處也會(huì)選擇向影響更小的車道并入，也是造成接近合流處易產(chǎn)生瓶頸路段的原因。更多的換道行為會(huì)造成駕駛員心理壓迫，影響交通流穩(wěn)定性。

2.2 匯入沖突

當(dāng)匯入車輛不能在可穿越間隙匯入時(shí)，就會(huì)形成匯入沖突，為了量化這種影響，提出匯入車輛的期望延誤：

圖1 三種交通流狀態(tài)下不同長(zhǎng)度車隊(duì)匯入期望延誤圖

3 高速公路改擴(kuò)建合流處瓶頸影響范圍

高速公路改擴(kuò)建合流處交通流狀態(tài)變化傳遞符合跟馳理論[4]及車流波基本理論[5]，將交通流狀態(tài)劃分為穩(wěn)定狀態(tài)（j=1）、失穩(wěn)狀態(tài)（j=2）、新平衡狀態(tài)（j=3），sij表示第i輛車與前車在三種狀態(tài)的車頭間距，hij、vij表示第i輛車在不同狀態(tài)下車頭時(shí)距和速度，Ai、Bi、did、dia、i,d、i,a分別表示聚集波或消散波到達(dá)第i輛車的時(shí)空位置、第i-1和i輛車的距離差、第i-1和i輛車的時(shí)間差，Di、Ti為第i輛車受到的空間干擾長(zhǎng)度和時(shí)間干擾長(zhǎng)度。tz、tj,d分別為自由行駛時(shí)間及減速時(shí)間，T0為匯入車輛匯入至加速完成時(shí)間。因此減速波傳遞時(shí)間為i,d=tz+tj,d，加速波傳遞時(shí)間i,a=tj,a，因此，合流處瓶頸現(xiàn)象消失的位置為加速波與減速波迭代的位置，當(dāng)瓶頸現(xiàn)象傳遞至第k輛車消失時(shí)，需滿足下式條件

通過(guò)上式分析可知，初始干擾T0長(zhǎng)度影響顯著，當(dāng)干擾消失后瓶頸路段會(huì)逐步達(dá)到平衡，因此初始干擾持續(xù)長(zhǎng)度即匯入車隊(duì)長(zhǎng)度是影響瓶頸路段長(zhǎng)度的重要因素。在hn,1、hn,3、n,d、n,a固定前提下，T0結(jié)束后會(huì)形成新穩(wěn)態(tài)，新穩(wěn)態(tài)vn,3固定，因此另一關(guān)鍵因素為原穩(wěn)態(tài)車速vn,1，即原穩(wěn)態(tài)車速，該因素由限速條件影響。

4 結(jié)論

高速公路改擴(kuò)建路段合流處是高速公路瓶頸路段的高發(fā)區(qū)，因此明確其瓶頸形成機(jī)理至關(guān)重要，通過(guò)定性及定量分析，可得限速條件和車輛匯入行為是影響高速公路合流路段運(yùn)行狀態(tài)的重要因素，新增匯入的產(chǎn)生和匯入沖突是瓶頸路段行程的主要原因，匯入車隊(duì)長(zhǎng)度和原穩(wěn)態(tài)車速即限速條件是影響瓶頸路段長(zhǎng)度的重要因素，這為后續(xù)改擴(kuò)建合流路段運(yùn)行保暢措施的制定提供了依據(jù)。