加速車道幾何參數(shù)對合流區(qū)交通狀況的影響分析*

張 鑫，張衛(wèi)華，宋軍軍，郭永樂

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重點工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230001；3.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

合流區(qū)因位置特殊交通狀況比較復(fù)雜，車流運行不穩(wěn)定、易發(fā)生交通沖突，嚴(yán)重時甚至引發(fā)交通事故，影響車輛運行安全，產(chǎn)生交通“瓶頸”，降低合流區(qū)通行效率。

目前，針對合流區(qū)交通安全和通行效率，部分學(xué)者開展研究：溫惠英等[1]建立沖突概率與沖突嚴(yán)重性的融合模型，以評估合流區(qū)交通安全性；Wang等[2]建立多級泊松對數(shù)正態(tài)分布事故模型，以實時預(yù)測事故風(fēng)險；魏中華等[3]基于實測數(shù)據(jù)分析合流區(qū)匯入角對通行能力的影響；薛行健等[4]發(fā)現(xiàn)車道平衡設(shè)計有利于提升匝道合流區(qū)通行能力；Dabbour等[5]建立1種考慮駕駛員實際行為和車輛加速能力的加速車道長度確定方法；李宗平等[6]結(jié)合合流區(qū)交通流breakdown發(fā)生概率，構(gòu)建加速車道長度計算模型；李霞等[7]構(gòu)建考慮車輛安全合流的加速車道長度計算模型，以此確定加速車道安全長度；羅京等[8]結(jié)合交通仿真和服務(wù)水平，得出快速路合流區(qū)加速車道最小長度推薦值；唐宗鑫等[9]構(gòu)建1種基于可靠度概率方法的加速車道長度計算模型，確定的加速車道長度更接近車輛實際運行特性；李文權(quán)等[10]建立了1種平行式加速車道長度計算方法，該方法考慮期望初始速度和主線交通水平等因素。

但目前關(guān)于加速車道幾何參數(shù)的研究存在一定局限性，現(xiàn)有研究以加速車道長度為主要對象，缺乏加速車道寬度因素影響研究，沒有綜合考慮加速車道長度和寬度對合流區(qū)交通狀況的影響。因此，本文基于交通狀況綜合評價指標(biāo)，設(shè)計合理的實驗方案并構(gòu)建有效實驗平臺，結(jié)合控制變量法和仿真實驗，分析加速車道長度、寬度對合流區(qū)交通狀況的影響。

1 實驗方案設(shè)計

1.1 道路交通參數(shù)及實驗方案

為便于分析，根據(jù)《城市快速路設(shè)計規(guī)程》(CJJ 129—2009)[11]選取平行式1車道的加速車道為對象，如圖1所示。其中合流區(qū)主線為單向3車道，入口匝道為1車道，且車道寬度均設(shè)置為3.5 m，而加速車道車道長度l和寬度w是待研究的2個幾何參數(shù)，且l以60，260 m為上下限，20 m為間隔，設(shè)置11種取值水平，w以2.5，4 m為上下限，0.3 m為間隔，設(shè)置6種取值水平。此外，車輛組成主要為小汽車。

圖1 平行式加速車道幾何構(gòu)成Fig.1 Geometric composition of parallel acceleration lane

交通參數(shù)主要包括設(shè)計速度和服務(wù)交通量。由文獻[12]可知，合流區(qū)主線速度v主選取60，80 km/h，入口匝道速度v匝道保持40 km/h不變；對于服務(wù)交通量，結(jié)合實際道路交通流狀況及規(guī)范要求，主線交通量q主選取1 800，5 400 pcu/h為上下限，400 pcu/h為間隔，設(shè)置10種取值水平，入口匝道交通量q匝道保持800 pcu/h不變。

本文主要目的是綜合分析加速車道長度和寬度對快速路合流區(qū)交通狀況的影響，結(jié)合上述參數(shù)分析，確定實驗方案及對應(yīng)參數(shù)值，見表1。實驗共需開展1 320次。

表1 實驗方案及參數(shù)Table 1 Experimental scheme and parameters

1.2 綜合評價指標(biāo)確定

通行效率Etra為合流區(qū)下游駛出交通量qout與總駛?cè)虢煌縬的比值，體現(xiàn)合流區(qū)實際通行效果，在一定程度上改善通行能力因條件過于理想化而難以真實反映道路實際通行狀況的不足，且該值越大，表明合流區(qū)通行效果越好。結(jié)合文獻[13]可知，交通沖突率fTC為在長度l、交通量q的合流區(qū)內(nèi)，有效時間內(nèi)發(fā)生的交通沖突數(shù)FTC，在一定程度改善交通事故因隨機性和不可預(yù)測性而短時間內(nèi)無法大量獲取的不足，且該值越大，表明合流區(qū)交通安全性越低。

為綜合考慮合流區(qū)交通安全和通行效率，結(jié)合文獻[14]定義通行效率與交通沖突率的差值為效率-沖突率差Dvalue，以其作為綜合評價指標(biāo)，如式(1)所示：

(1)

Dvalue僅為Etra與fTC的數(shù)值差，反映合流區(qū)綜合交通狀況。Dvalue越大，合流區(qū)通行效率越大且交通安全性越高，合流區(qū)整體交通狀況越好；反之，合流區(qū)通行效率越小且交通安全性越低，合流區(qū)整體交通狀況越差。

1.3 實驗平臺構(gòu)建

VISSIM包含跟弛和換道2種微觀駕駛模型，可較好地模擬真實的駕駛環(huán)境，且輸出的評價文件可用于評價交通流內(nèi)部運行特征。SSAM主要依賴Time To Collision(簡稱TTC)和Post Encroachment Time(簡稱PET)2個指標(biāo)從沖突軌跡特征文件中提取交通沖突數(shù)。2者可共同用于分析合流區(qū)交通狀況。

駕駛行為主要包括跟弛與換道，其中跟弛包括自由行駛、跟弛以及緊急剎車3種狀態(tài)，換道受同車道前車以及相鄰車道車輛制約，主要依賴換道間隙。結(jié)合文獻[15]確定駕駛行為參數(shù)的校正值，對于SSAM中的參數(shù)TTC和PET，可結(jié)合已有文獻[16-17]依次確定為1.5，5.0 s，其它參數(shù)選用默認(rèn)值，道路交通參數(shù)直接依據(jù)表1進行標(biāo)定，此處不展開詳細敘述。

2 加速車道幾何參數(shù)對合流區(qū)的影響分析

2.1 實驗平臺有效性分析

為使結(jié)果更具合理性，需先驗證實驗平臺的有效性。首先，結(jié)合文獻[18]選用速度偏差E和交通沖突相關(guān)系數(shù)r2個指標(biāo)，其中僅當(dāng)E<0.05且r>0.8時，實驗平臺有效，數(shù)學(xué)表達如式(2)～(3)所示，其次以合肥快速路為研究對象，采集不同實際場景交通數(shù)據(jù)標(biāo)定實驗平臺并開展實驗，同時為降低實驗誤差，每種場景均開展3次，取平均值作為最終分析數(shù)據(jù)。提取各場景下斷面速度和交通沖突數(shù)實際值與仿真值，計算出E和r，最后從最大/小偏差(Emax/Emin)、平均/標(biāo)準(zhǔn)偏差(Eaverage/Estandard)以及r5個方面展開分析，E表達式如式(2)所示：

(2)

式中：νsim表示仿真斷面速度，km/h；νact表示實際斷面速度，km/h。

r如式(3)所示：

(3)

計算可得Emax=4.782%，Emin=0.863%，Eaverage=2.394%，Estandard=4.782%，均小于5%且r=88.905%>80%，結(jié)果符合要求，驗證實驗平臺有效性。

2.2 加速車道幾何參數(shù)對合流區(qū)影響分析

實驗過程中統(tǒng)計對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)，采用控制變量法依次分析v主為60，80 km/h時加速車道長度l和寬度w對合流區(qū)交通狀況的影響。以Dvalue作為分析指標(biāo)，選取1 800，2 600，3 400，4 200，5 000 pcu/h 5種主線交通流，得到2種v主下Dvalue隨加速車道長度l、寬度w的變化而變化，如圖2～3所示。

1)車道長度l對合流區(qū)的影響

①由圖2可知，對于v主=60 km/h，當(dāng)q主=1 800 pcu/h時，當(dāng)l由60 m增大至160 m，Dvalue先逐步增大后保持不變；當(dāng)l由160 m增大至260 m，Dvalue出現(xiàn)略微減小，表明當(dāng)q主較小時，適當(dāng)?shù)卦龃蠹铀佘嚨篱L度有利于改善合流區(qū)交通狀況；在2 600 ≤q主≤3 400 pcu/h時，當(dāng)l由60 m增大至100 m，Dvalue均逐漸增大，當(dāng)l由100 m增大至260 m，Dvalue均基本保持不變，表明當(dāng)q主進一步增大時，所需l會增大，同時合流區(qū)交通狀況變好，且在l不低于100 m時，合流區(qū)交通狀況基本處于最好程度。

圖2 Dvalue隨l的變化Fig.2 Change of Dvalue with l

②對于v主=80 km/h，在q主≤3 400 pcu/h時，無論w取何值，當(dāng)l由60 m增大至100 m，Dvalue均先逐步增大后保持不變，表明無論q主較低或較高時，適當(dāng)增大l將改善合流區(qū)交通狀況。

③對于2種v主，當(dāng)q主=4 200 pcu/h，w≤3.1 m時，Dvalue在l=120 m時降至最低，當(dāng)3.4 ≤w≤4.0 m，Dvalue在l=140 m時降至最低，而在l=160 m后達到最大值且保持不變，表明當(dāng)q主繼續(xù)增大，l也繼續(xù)增大且當(dāng)l達到160 m時，合流區(qū)交通狀況基本處于相對最優(yōu)程度。當(dāng)q主=5 000 pcu/h，w≤3.1 m時，Dvalue在l=120 m時降至最低，當(dāng)3.4 ≤w≤4.0 m，Dvalue在l=140 m時降至最低，而在l=220 m后達到最大值且保持不變，表明當(dāng)q主繼續(xù)增大，l也繼續(xù)增大，且l達到220 m時合流區(qū)交通狀況基本處于相對最好程度。

2)w對合流區(qū)的影響

①由圖3可知，在v主=60 km/h，q主=1 800 pcu/h時，無論l取何值,Dvalue隨w增大保持不變，表明當(dāng)q主較小時，w對合流區(qū)交通狀況幾乎無影響；當(dāng)q主=2 600 pcu/h，l=60 m時，Dvalue隨w的增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢，且在w=3.1 m處Dvalue達到最大，當(dāng)l>60 m后，Dvalue隨w增大保持不變，表明當(dāng)q主略微增大時，增大w至3.1 m有利于改善合流區(qū)交通狀況；在q主=3 400 pcu/h，當(dāng)l=60 m時，Dvalue隨w增大略有降低，當(dāng)l>60 m時，Dvalue隨w增大保持較大值不變，表明當(dāng)q主繼續(xù)增大時，適當(dāng)增大l后，w對合流區(qū)交通狀況的影響較小；在q主=4 200 pcu/h，當(dāng)l=60 m時，Dvalue隨w的增大波動較大，當(dāng)l=140 m且w>3.1 m時，Dvalue隨w增大而減小，表明進一步增大q主時，l增大至140 m且w增大至3.1 m，合流區(qū)交通狀況達到最好；在q主=5 000 pcu/h，l=60 m時，Dvalue隨w增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢，當(dāng)l=140 m且w>3.1 m時，Dvalue隨w增大而減小，表明當(dāng)l增大至140 m且w增大至3.1 m后，增大q主，合流區(qū)交通狀況仍處于最優(yōu)狀態(tài)。

圖3 Dvalue隨w的變化Fig.3 Change of Dvalue with w

②對于v主=80 km/h，當(dāng)q主=1 800 pcu/h，僅當(dāng)l=60 m且w>3.1 m時，Dvalue隨w的增大而減小，其余均保持不變，表明在q主較小時，過度增大w將使合流區(qū)交通狀況變差；在q主=2 600 pcu/h，l=60 m時，Dvalue隨w增大逐漸減小，當(dāng)l>60 m時，Dvalue隨w增大保持不變，表明當(dāng)q主略微增大，適當(dāng)增大l，w對合流區(qū)交通狀況幾乎無影響；當(dāng)q主=3 400 pcu/h，l=60 m時，Dvalue隨w的增大逐漸減小，當(dāng)l>60 m時，Dvalue隨w增大保持較大值不變，表明在q主繼續(xù)增大時，適當(dāng)增大l，w對合流區(qū)交通狀況影響較小；當(dāng)q主=4 200 pcu/h，l=60 m時，Dvalue隨w增大頻繁變化，當(dāng)l=140 m，w>3.1 m時，Dvalue隨w的增大而減小，表明進一步增大q主，并增大l至140 m，w增大至3.1 m，合流區(qū)交通狀況達到最優(yōu)；當(dāng)q主=5 000 pcu/h，l=60 m時，Dvalue隨w的增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢，當(dāng)l=140 m，w>3.1 m時，Dvalue隨w的增大而減小，表明當(dāng)l增大至140 m，w增大至3.1 m后，增大q主，合流區(qū)交通狀況仍處于最優(yōu)狀態(tài)。

3 結(jié)論

1)基于交通狀況綜合指標(biāo)及仿真技術(shù)，分析加速車道幾何參數(shù)對合流區(qū)交通狀況的影響。

2)針對v主為60,80 km/h 2種情形，隨主線交通量的變化，加速車道長度l對合流區(qū)的影響相對較大，而加速車道寬度w對合流區(qū)的影響相對較小。 適當(dāng)增加加速車道長度有利于改善合流區(qū)交通狀況。