快速路交織區(qū)交通換道行為特性研究分析

梁春巖　谷成澤

摘 要：為探索城市快速路交織區(qū)交通運行特性，實現交織區(qū)交通的快速高效運行，以快速路匝道出口交織區(qū)作為對象，以長春市的調查數據為基礎，分析了交通換道特性，建立了交織區(qū)交通換道數與流量和交通密度的關系模型。研究結果表明，換道次數隨著交通量的增加而增加，而隨著密度的增加，呈現先增加后減小的趨勢。本文研究成果可以為城市快速路匝道出口交織區(qū)的理論研究提供方法參考，位對交織區(qū)的管理與控制提供理論基礎。

關鍵詞：城市快速路 交織區(qū) 交通換道 交通流量 交通密度

Research and Analysis of Traffic Lane Changing Behavior Characteristics in Expressway Interweaving Area

Liang Chunyan Gu Chengze

Abstract：To explore the traffic operation characteristics of the interweaving area of urban expressways and realize the fast and efficient operation of the interweaving area， the interweaving area of the expressway ramp exit is taken as the object， and the traffic changing characteristics are analyzed based on the survey data of Changchun City， and the model of the relationship between the number of traffic lane changes and the flow and traffic density in the interweaving area is established. The research results show that the number of lane changes increase with the increase of traffic volume， and with the increase of density， and it shows a trend of first increasing and then decreasing. The research results can provide a method reference for the theoretical study of the interweaving area of urban expressway ramp exits， and provide a theoretical basis for the management and control of the interweaving area.

Key words：urban expressway， weaving area， traffic lane change， traffic flow， traffic density

1 引言

隨著經濟的迅速發(fā)展，城市化建設步伐的加速，其中最為首要的就是城市快速路的建設。另一方面，隨著汽車保有量在逐漸增加，致使城市內的交通日益擁堵。為了緩解城市交通擁堵，提高城市內部運輸效率，充分發(fā)揮城市快速路作用，對快速路交織區(qū)的交通特性進行研究，掌握其運行規(guī)律，對提高交織區(qū)交通運行效率有深遠意義。國內外學者對交織區(qū)進行了多方面的研究。臧曉冬等[1]研究在快速路互通立交交織區(qū)的不足，提出車道變換次數的預測方法，建立了城市快速路互通立交交織區(qū)交織速度和非交織速度預測模型。鄭弘等[2]建立了基于需求產生的判斷性換道模型與常規(guī)強制性換道結合，形成完整的交織區(qū)換道模型。柳雪麗等[3]基于感應控制理論和方法，對快速路與常規(guī)道路銜接區(qū)域的協(xié)調控制方法進行優(yōu)化，使快速路系統(tǒng)的運行效率最優(yōu)。車輛換道是交織區(qū)的最基本運行特性之一，本文以實測數據為基礎，分析交通換道特性，建立了換道次數與交通流量及交通密度模型。研究成果可以為城市快速路交織區(qū)交通換道行為特性研究提供參考，為城市快速路交通運行效率提供理論研究借鑒。

車道的變換分類中主要分為兩個方面，Eeik[4]按照駕駛員意圖，將車道變換分為強制車道變換和自由車道變換兩類。Dangazo[5]認為換道會在交通流中形成可插入間隙，影響其他車輛的運行，最終導致流量下降;Tanaka等[6]發(fā)現道路上的車輛換道行為可能導致交通流出現高流量和低流量兩種情況。王榮本[7]分析換道時車輛的運動關系研究了車輛碰撞的條件，給出了換道最小安全距離。通過研究學者們的研究，目前換道模型的研究雖然取得了一定的成果，但也存在一些局限性;并且模型過于復雜，提取數據較為困難，對于研究定量的換道模型較少。

2 交織區(qū)換道

2.1 換道行為

換道行為是駕駛員根據自身駕特性，根據道路交通流狀態(tài)、車輛行駛速度、位置以及交通管理狀況等環(huán)境信息，調整并完成自身駕駛目標策略的綜合過程。道路交通發(fā)生車輛排隊、交通擁堵、車流變化等過程時常伴有換道行為的發(fā)生。換道行為的產生主要集中在兩方面：一是道路本身的性質，例如車輛的匯入、匯出等，想要達到自身駕駛的目的必須采取換道行為;二是由于駕駛員主觀意愿的原因，即現狀交通情況滿足不了自身駕駛的期望。即在交織區(qū)范圍內存在大量以換道為目的的交織車輛，所以很容易形成交通擁堵，進而影響交織區(qū)其他車道車輛的正常行駛。

2.2 交織區(qū)換道特性

由于交織車流要在交織區(qū)長度范圍內完成車道變換，由各自的行駛車道變換到期望的運行方向車道上去行駛，所以交織區(qū)內的車流運行具有很強的紊動性。匯入或匯出匝道的車輛為影響城市快速路匝道分合流區(qū)主線交通流運行狀態(tài)的主要因素。在這個區(qū)域，車輛之間存在頻繁的交互行為，運行車輛為達到自身駕駛目標策略的期望而發(fā)生換道。在整個運行過程中，換道行為不斷影響運行車輛的行駛速度，進而對相鄰車道的運行狀態(tài)產生影響，主線上的交通運行狀態(tài)也會因該行為由平順、穩(wěn)定運行轉換為紊流。研究車輛之間的交互特性，對于更好的解析交通流失穩(wěn)現象以及如何采取有效措施減少匝道出入口的車輛對主線車流的影響有重要意義。

成功變換車道的關鍵因素包括三個方面： 一是目標車道必須有足夠的變換車道空間，避免車輛在變道時發(fā)生刮蹭，追尾等現象，關鍵取決于換道車輛與目標車道上的可換道間隙距離;二是換道車輛必須要有足夠的換道時間，這需要駕駛員能夠對周圍駕駛環(huán)境有良好的預測，主要取決于駕駛員的自身條件和駕駛經驗;三是換道車輛還需控制駕駛車輛的車速，在觀察好周圍車輛及環(huán)境的條件下完成換道。

3 數據采集

以長春市南部快速路衛(wèi)明街匝道出口和東部快速路仙臺大街匝道出口為調查地點，采用錄像法。調查時間選擇晴朗的工作日，時間由7：00-19：00。東部快速路仙臺大街匝道出口下游150m為平面交叉口，南部快速路匝道出口與下游的快速路入口距離約150m，兩快速路匝道駛出主線的車流與輔路的直行車流和駛入快速路的車流之間均有交叉沖突，是快速路進匝道出口交織區(qū)中的典型代表。

參考現有的研究成果，結合路段調查的實際情況，取交通流參數統(tǒng)計間隔為5min，即分別統(tǒng)計5min以內的交通密度和交通流量。通過對收集到的資料進行整理和分析，得出匝道出口交織區(qū)兩條車道上車輛換道次數與交通量和交通密度的關系。

4 換道特性分析

4.1 交通量-車輛換道次數

通過對數據的處理分析，擬合得到南部快速路匝道出口交通量與換道次數之間的關系如圖1所示?？梢钥闯?，交通量與交通換道呈明顯的線性關系。換道次數隨著交通量的逐漸增加而增大，擬合關系式為：y=1.1116x。

復相關系數R2=0.9957，復相關系數越接近1，精度滿足要求。

同時，選擇東部快速路的數據進行擬合，如圖2所示。東部快速路匝道出口交通量明顯大于南部快速路，換道次數隨著交通量的增加而逐漸增大，交通量與交通換道次數呈正相關變化，換道次數隨著交通量的增加而逐漸增加，擬合關系式為：y=1.1502x。

復相關系數R2=0.9918，復相關系數接近1，精度滿足要求。

4.2 交通密度-交通換道次數

換道行為的產生，是駕駛員為了達到駕駛目的的過程，滿足其駕駛意圖而采取的離開當前行駛的車道，進入相鄰車道或車流量相對較少車道的行為。在這期間，車輛發(fā)生大量的位移，換道車輛在發(fā)生換道時普遍有加速或減速的行為，在開始變換車道時，車輛同時有加速度上的變化。在實際調查中發(fā)現，在整體車流量較少時，駕駛員并不會出現頻繁的換道行為，但隨著交通量的逐漸增加，車流密度相應變大，逐漸影響駕駛員的架勢意圖，會出現變道超車，插隊等現象。駕駛員的駕駛經驗不同，換道的用時也不同，隨著交通密度的持續(xù)增加，交織車輛之間的影響較大，產生交通擁堵，換道幾率大大降低。交通密度-交通換道次數的擬合關系如圖3和圖4所示。

由圖3可得，南部快速路交通密度和交通換道次數的擬合關系式為：

y=-0.0288x2+6.3451x

復相關系數R2=0.8057，達到精度要求。從圖中可以看出，當交通密度達到105輛/km，時，換道次數達到最大。交通密度小于105輛/km時，換道次數隨著交通密度的增加而增加，交通密度大于105輛/km時，車輛之間相互制約性增強，交通換道較為困難，導致換道次數降低。當交通密度達到阻塞密度220輛/km時，車輛處于阻塞狀態(tài)，換道次數為零。

由圖4統(tǒng)計結果可知，交通密度-交通換道次數關系擬合曲線關系式為：

y=-0.0256x2+6.1366x

復相關系數R2=0.8235，達到精度要求，擬合度較高。從圖中不難看出，當交通密度為零時，交通換道次數也為零。當交通密度達到115輛/km時，車輛換道次數最大;交通密度小于115輛/km時，交通換道隨著交通密度的增加而逐漸增加;當交通密度大于115輛/km時，道路交通會出現阻塞現象，車輛間相互制約，大大降低了變道的可能性。當交通密度達到阻塞密度240輛/km時，車輛處于停滯狀態(tài)，換道數為零。

5 結論

本文以城市快速路匝道出口交織區(qū)為研究對象，研究了交織區(qū)車輛換道特性，基于長春市實際調查數據，建立了車輛換道次數與交通量、交通密度之間的關系模型，數據擬合的復相關系數均在0.8以上，達到精度要求，擬合度較高。研究結果表明，在城市快速路匝道出口織區(qū)上的車輛換道數隨著交通流量的增加而逐漸增加，呈單調遞增的線性關系。

而車輛換道數隨著密度的增加，呈現先增加后減小的趨勢。在交通密度較少，滿足駕駛要求時換道次數相對較少，但當密度、流量逐漸增加時，不能滿足駕駛員對駕駛目的的期望，換道次數會明顯增加，進而影響交通的正常通行，當交通密度達到某臨界值，交通流變?yōu)閺娭屏饕院螅囕v之間相互制約，道路交通會出現阻塞現象，交通換道會隨著交通密度的增加而逐漸減少，直到交通密度達到阻塞密度，車輛均處于停滯狀態(tài)，換道數為零。以長春市實際調查數據為例，南部和東部快速路的密度臨界值分別為105輛/km/2ln和115輛/km/2ln，阻塞密度分別是220輛/km/2ln和240輛/km/2ln，該研究結果，可以為交織區(qū)制定交通管理與控制措施提供理論依據和參考。

參考文獻：

[1]臧曉冬，周偉. 城市快速路互通立交合流區(qū)車頭時距分布特性[J]. 北京工業(yè)大學學報，2010，36（7）：961-965.

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[4]周成虎，孫戰(zhàn)利，謝一春.地理元胞自動機研究.北京：科學出版社，1999.

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[8]王榮本，游峰，崔高健等.車輛安全換道分析[J].吉林大學學報：工學版，2005，35（2）：179-182.