城市快速路交織區(qū)通行能力分析與改善策略研究

包家爍

(1. 中交遠洲交通科技集團有限公司，石家莊 050035；2. 中交遠洲(北京)研究院，北京 100010)

交織區(qū)是城市快速路的瓶頸路段.快速路交織區(qū)存在大量的換道交織行為，這是導(dǎo)致交通狀態(tài)紊亂、運行質(zhì)量下降的主要原因，同時也相應(yīng)地增加了交通安全隱患.交織區(qū)的瓶頸特點會在很大程度上影響快速路的運行情況，且在多個交織區(qū)的共同作用下，會對整條快速路的運行造成不利的影響，極易引發(fā)交通擁堵和交通事故.因此，對快速路交織區(qū)的通行能力進行分析，得到影響交織區(qū)通行能力的關(guān)鍵因素，對于改善交織區(qū)的運行狀況具有重要意義.

國內(nèi)外學(xué)者對城市快速路交織區(qū)的交通運行與通行能力展開了廣泛的研究.美國HCM 手冊根據(jù)大量實驗與調(diào)查結(jié)果，提供了交織區(qū)的交織速度、交織比等基本參數(shù)的計算方法，并將交織區(qū)進行了分類，同時還提供了服務(wù)水平等相關(guān)評價指標的計算方法[1]；Lertworawnich 等[2]提出了一種B 型交織區(qū)通行能力的估算方法；Awad[3]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了快速路交織區(qū)通行能力的估計模型.

在國內(nèi)的研究中，孫劍等[4]提出了一種更加符合城市快速路交織區(qū)運行特征的交織區(qū)通行能力計算模型；陳亮等[5]基于元胞自動機建立了多車道交織區(qū)離散模型，仿真模擬飽和狀態(tài)下多車道交織區(qū)交通流的演變過程，解釋了交織區(qū)產(chǎn)生擁堵的原因與機制；龍科軍等[6]提出了城市高架下匝道與地面交織區(qū)的通行能力的計算模型.然而，現(xiàn)有的研究缺少從運行現(xiàn)狀分析到仿真優(yōu)化的一個完整流程.因此，本文擬對城市快速路交織區(qū)的通行能力進行分析，從現(xiàn)狀調(diào)查入手，剖析快速路交織區(qū)的運行特性，并在此基礎(chǔ)上建立快速路交織區(qū)的微觀仿真模型，得到快速路交織區(qū)的運行規(guī)律，以期為交通管理部門對交織區(qū)這一瓶頸路段進行優(yōu)化與改善提供參考和依據(jù).

1 快速路交織區(qū)交通運行特性分析

1.1 交通調(diào)查

本文以長沙市萬家麗快速路交織區(qū)為例進行研究，具體研究對象為位于萬家麗中路，緊鄰長沙大道立交的南部高架交織區(qū)，其全長共450 m，主線為3 車道，車道寬度為3.75 m，另加1 附加車道，具體位置如圖1 所示.

圖1 交織區(qū)位置示意

調(diào)查以視頻的方式對晚高峰期間交織區(qū)的運行特性與相關(guān)參數(shù)進行采集，其具體內(nèi)容包括由交織區(qū)構(gòu)型、交織區(qū)長度、交織區(qū)內(nèi)車道數(shù)和車道寬度組成的幾何參數(shù)，以及由總交通量、交織交通量與交織車速、非交織交通量與非交織車輛速度、車型比例與各交通量的車道分布等組成的交通參數(shù).調(diào)查錄像截屏如圖2 所示.

圖2 交織區(qū)調(diào)查錄像視頻截圖

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，得到了該交織區(qū)的幾何特性與交通運行特性，發(fā)現(xiàn)該交織區(qū)為A 型交織區(qū)，即僅需要換1 次道便能完成交織.

1.2 交織區(qū)交通流特性分析

該交織區(qū)高峰時段各車道流量的變化情況如圖3 所示.

圖3 交織區(qū)高峰時段各車道流量

由圖3 可以看出，在時間分布上，交織區(qū)5組車道的車流量隨著時間變化較小，且相對穩(wěn)定，這說明其整個高峰時段的車流量變化不大；在空間分布上，由于交織行為主要發(fā)生在外側(cè)，通行車輛為了避免互相干擾，會往內(nèi)側(cè)靠攏，故內(nèi)側(cè)車道車輛數(shù)要大于外側(cè)車道，其空間占有強度更大.通過對車流量統(tǒng)計分析得知，主線至主線的車流量為4 282 pcu/h，主線至匝道出口的車流量為983 pcu/h，入口匝道至主線的車流量為852 pcu/h；高峰小時總流量為6 117 pcu/h；交織流量比為0.30；交織比為0.464.根據(jù)道路通行能力手冊[1]中在不同條件下的交織區(qū)通行能力經(jīng)驗參考值，在長度為450 m、自由流速度為80 km/h 和交織流量比為0.3 的條件下，交織區(qū)的通行能力約為5 900 pcu/h.由此可知，萬家麗快速路交織區(qū)高峰小時流量略大于其通行能力，且其運行現(xiàn)狀比較紊亂、服務(wù)水平較低，在高峰時段不能滿足交通需求，需要進行相應(yīng)的改善.

該交織區(qū)通行車輛可分為交織車輛與非交織車輛，其速度變化情況如圖4 所示.

圖4 交織與非交織車輛速度時變圖

由圖4 可以看出，交織車輛速度在35 km/h上下波動，其變化程度不大；非交織車輛速度在55 km/h 上下波動，與前者的速度變化趨勢基本相同.這說明兩者在交織區(qū)內(nèi)存在著相互影響，即交織行為會對非交織車輛造成干擾，非交織車輛也會占用相應(yīng)空間對交織車輛造成干擾；交織車輛為了安全地完成交織換道行為，會以較低的速度通過交織區(qū)，非交織車輛因受其干擾，速度也會有所下降.

1.3 交織區(qū)換道特性分析

本文分別按主線直行、主線駛出與駛?cè)胫骶€3 種流向的車輛來分析其換道的特性，并將交織區(qū)劃分為交織區(qū)上游、交織區(qū)前半段和交織區(qū)后半段3 段.主線直行車輛在各區(qū)域的換道頻率分布如圖5 所示.

圖5 主線直行車輛各區(qū)域換道頻率分布

由圖5 可以看出，主線直行車輛大部分在交織區(qū)上游與交織區(qū)后半段進行換道.前者是因為車輛為了避免前方交織區(qū)的干擾，選擇往內(nèi)側(cè)變換車道；后者是因為交織行為主要發(fā)生在前半段的外側(cè)車道，隨著后半段交織行為的減少，交織車輛干擾也減小，車輛換道空間較為充足，為達到更高的行車速度，司機選擇在此往外側(cè)換道.

主線駛出和駛?cè)胫骶€的車輛在各區(qū)域的換道頻率分布分別如圖6～圖7 所示.

圖6 主線駛出車輛各區(qū)域換道頻率分布

由圖6～圖7 可以看出，在高峰時段，主線駛出和駛?cè)胫骶€的車輛大多數(shù)均在前半段發(fā)生換道行為，這是因為駕駛員必須要在交織區(qū)內(nèi)完成換道，具有較高的強制性.

圖7 駛?cè)胫骶€車輛各區(qū)域換道頻率分布

1.4 交織區(qū)跟馳特性分析

根據(jù)視頻調(diào)查的結(jié)果，該交織區(qū)在晚高峰期處于比較擁堵的狀態(tài)，其交織程度較高，因此所反映的交織區(qū)的跟馳特點也更加明顯.非交織車輛的跟馳特點與基本路段相似，為了盡量保證最大的行駛速度，均只與前車保持最小的安全車頭間距；交織車輛由于其主要目的是換道，在未完成換道之前，其跟馳特點為當與前車車頭間距增大時也并不會緊跟.由于此時交織流量大，可換道的機會較少，車輛會出現(xiàn)減速等待的情況，因此影響到了其他車輛的正常通行，給交織區(qū)的交通流帶來了干擾.

2 快速路交織區(qū)微觀仿真模型

2.1 微觀仿真模型概述與建模流程

微觀仿真模型是交通仿真模型的一種，它能利用計算機技術(shù)較為真實地將道路的運行狀態(tài)模擬出來，可克服現(xiàn)場實驗實施不易、成本高的缺點，是目前交通流研究、分析與評價領(lǐng)域應(yīng)用較廣的實驗平臺[7].其主要構(gòu)成為：1)屬于靜態(tài)模型的路網(wǎng)模型，關(guān)鍵參數(shù)有車道、路段、周圍環(huán)境等；2)由各種車輛與行人組成的交通對象；3)車輛產(chǎn)生模型，即針對交通流的輸入情況；4)還原真實駕駛行為的交通規(guī)則模型；5)最短路徑選擇模型.

為保證仿真的真實性，交織區(qū)微觀仿真模型應(yīng)與實際的交通情況相匹配，因此需要對仿真模型進行參數(shù)標定[8-9].首先，將調(diào)查得到的該交織區(qū)交通數(shù)據(jù)作為仿真模型的構(gòu)建基礎(chǔ)；其次，利用VISSIM 交通仿真平臺對交織區(qū)進行建模、參數(shù)標定和校驗，以確保所建立的模型與實際情況相符.具體的建模流程如圖8 所示.

圖8 微觀交通仿真模型建立流程

2.2 模型構(gòu)建與參數(shù)標定

1)建立路網(wǎng)模型.首先，結(jié)合調(diào)查所得交織區(qū)的幾何參數(shù)，在CAD 軟件中繪制出該交織區(qū)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖(包括交織區(qū)長度、車道數(shù)、車道寬度等幾何拓撲結(jié)構(gòu))，并將其導(dǎo)入VISSIM 仿真平臺；其次，輸入交通調(diào)查得到的交織區(qū)的各分車道流量，同時，還可以通過該仿真平臺中的禁止車道變換功能滿足交織區(qū)的分段禁止車道變換的規(guī)則.所建立的路網(wǎng)模型如圖9 所示.

圖9 萬家麗快速路交織區(qū)路網(wǎng)示意

2)標定期望車速.將交通調(diào)查所得的車輛速度累計分布作為期望車速，并根據(jù)該數(shù)據(jù)，選取幾個累計的百分比速度值.本文選取30%、50%、70%和80%對應(yīng)的速度值，即非交織車輛速度為45～70 km/h，交織車輛速度為25～40 km/h.

3)標定決策路徑.根據(jù)實際情況，分車道按流向進行路徑設(shè)置，即主線至主線(包括車道1 至主線、車道2 至主線和車道3 至主線)；主線至匝道出口(車道3 至匝道出口)；入口匝道至主線.

4)標定駕駛行為參數(shù).根據(jù)交織區(qū)的交通運行特點，采用Wiedmann 74 模型作為跟車模型，其余參數(shù)均采用默認值.

2.3 仿真模型校驗

對建好的模型進行仿真并輸出交通參數(shù)，再將所得參數(shù)與實地調(diào)查的數(shù)據(jù)進行對比檢驗.如果檢驗結(jié)果相等，則證明模型具有有效性，可以進行下一步仿真實驗；如果檢驗結(jié)果不相等，則重新校驗.通過VISSIM 平臺中布設(shè)在車道上的數(shù)據(jù)檢測器，分別統(tǒng)計匝道駛?cè)胫骶€、從主線駛出和從出口匝道駛出的車輛，結(jié)果分別如圖10～圖12 所示.由圖10～圖12 可以看出，3 種車流的調(diào)查流量與仿真流量相差不大，即仿真效果良好，這初步說明了仿真模型的可靠性.

圖10 匝道駛?cè)胫骶€的車流量對比

圖11 從主線駛出的車流量對比

圖12 從出口匝道駛出的車流量對比

為了更加嚴謹?shù)刈C明模型的有效性，本文還采用了統(tǒng)計學(xué)上的校驗方法進行驗證，即分別對3 組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計檢驗，采用95%置信度水平下的雙樣本F檢驗，判斷其方差是否相等，其結(jié)果見表1.

表1 95%置信度水平下F 檢驗結(jié)果

由表1 可以看出，從主線通過、從入口匝道駛?cè)牒蛷某隹谠训礼偝? 種情形下對應(yīng)的調(diào)查數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的方差并不相等，需要進行異方差T檢驗，判斷其均值是否相等，結(jié)果見表2.

表2 95%置信度水平下T 檢驗結(jié)果

由表2 可看出，所有T值均在拒絕域內(nèi)，且均值相近，這表明模型具有有效性，能較好地反映實際交通運行情況，可以用于仿真實驗分析.

3 快速路交織區(qū)微觀仿真分析及其改善策略

利用在VISSIM 平臺中建立的交織區(qū)模型進行仿真實驗，如圖13 所示.由于交織區(qū)的根本問題是大量的交織換道行為導(dǎo)致了其通行能力下降，因此提高交織區(qū)的通行能力是優(yōu)化交織區(qū)的首要目的.影響交織區(qū)通行能力的主要因素有交織區(qū)長度、交織流量比和交織區(qū)寬度.其中，交織區(qū)長度是需要被重點考慮的因素；交織流量比作為交通參數(shù)具有一定的隨機性，隨著交織流量比的改變，交織區(qū)的通行能力也會隨之發(fā)生變化.因此，本文主要探究在不同交織流量比下，交織區(qū)長度與通行能力的關(guān)系，以期為改善交織區(qū)的交通運行狀況提供依據(jù).

圖13 交織區(qū)仿真結(jié)果

3.1 實驗方法和步驟

1)確定實驗參數(shù).為使結(jié)果更加清晰和探究在大交織流量比下的交織區(qū)合理長度設(shè)置，在已構(gòu)建的VISSIM 模型基礎(chǔ)上改變交織區(qū)長度，將其設(shè)為150～850 m 共15 個不同長度值，交織流量比設(shè)為0.1～0.5 共5 個不同的值，其余幾何參數(shù)如交織區(qū)寬度保持不變，仍為4 車道，車道寬度均為3.75 m.

2)求解通行能力.利用VISSIM 求解通行能力的實驗方法為：在一定交織區(qū)長度下，保證所輸入車流量的交織流量比不變，持續(xù)地增加從主線和入口匝道駛?cè)氲能嚵髁?，當流量大于其通行能力時，交織區(qū)的流量便會出現(xiàn)“溢出”現(xiàn)象，此時通過的最大流量便是該交織區(qū)長度和交織流量比下交織區(qū)的通行能力.

3)調(diào)節(jié)仿真參數(shù).采用控制變量法進行仿真實驗，即在一定交織流量比下僅改變交織區(qū)長度，探究此時交織區(qū)長度與通行能力之間的關(guān)系.

3.2 結(jié)果分析

按照上述方法和步驟，共計得到了15×5=75個不一樣的通行能力值，如圖14 所示.

圖14 交織區(qū)長度與交織流量比對其通行能力的影響

由圖14 可知，快速路交織區(qū)通行能力的變化規(guī)律如下：

1)交織區(qū)的通行能力與其長度呈正相關(guān).在固定交織流量比下，當交織區(qū)的長度增加時，其通行能力也會隨之增加，但是會出現(xiàn)一個臨界值，使得當交織區(qū)長度的繼續(xù)增加時其通行能力幾乎不再增加，而是趨于一個穩(wěn)定的值.根據(jù)交織區(qū)運行的特點與規(guī)律分析，其原因是交織區(qū)長度的增加會使車輛更容易進行換道交匯.隨著交織區(qū)長度的不斷增加，車輛換道頻率也隨之下降，車輛換道所受到的限制也越來越少，當交織區(qū)長度足夠長時，車輛就有了充足的時間與空間來完成交織換道行為，由其所造成的紊亂程度也降到最低，此時便大致等同于基本路段的車道變換，通行能力達到了穩(wěn)定的最大值，即使再增加交織區(qū)長度也并不能提高通行能力.

2)在一定交織流量比下，當交織區(qū)長度在150～400 m 范圍增加時，交織區(qū)通行能力上升較快；當交織區(qū)長度在400～850 m 范圍增加時，交織區(qū)通行能力上升較慢.這主要是因為，在一定交織流量比下，當交織區(qū)長度較小時，由于時間與空間有限，交織區(qū)車輛的車道變換處于較為頻繁的狀態(tài)，此時增加交織區(qū)長度，能大幅緩解交織區(qū)的緊張運行情況，對其通行能力的提升程度會更大.

3)交織區(qū)通行能力與交織流量比呈負相關(guān).在一定交織區(qū)長度下，當交織流量比為較小的0.1～0.3 時，隨著交織流量比的增大，交織區(qū)通行能力下降較慢；當交織流量比為較大的0.3～0.5時，隨著交織流量比的增大，其通行能力下降較快.這是因為，在交織流量比較大時，交織區(qū)的交匯換道行為已經(jīng)處于相對較為頻繁的狀態(tài)，此時增加交織流量比，更易使交織區(qū)交通擁堵，紊亂趨勢會更明顯，其通行能力下降會更快.

3.3 改善策略

根據(jù)快速路交織區(qū)通行能力變化規(guī)律的仿真結(jié)果，可為萬家麗快速路交織區(qū)的交通運行提出相應(yīng)的改善策略，并為今后快速路交織區(qū)的工程設(shè)計提供一些建議，具體如下：

1)增加交織區(qū)長度至600 m.根據(jù)仿真實驗得知，當交織區(qū)的長度為550 m 時，其通行能力為6 127 pcu/h，大于現(xiàn)狀高峰小時流量6 117 pcu/h，能夠滿足其交通需求并提高服務(wù)水平，但不應(yīng)超過臨界長度650 m，因為超過臨界長度時通行能力基本不再增加，會導(dǎo)致資源浪費.

2)若上述實施條件不允許，可以通過入口匝道控制的方式進行調(diào)節(jié)，具體方法為：在入口匝道上布設(shè)紅綠燈，在高峰時段通過定周期的紅燈信號來禁止入口匝道車輛駛?cè)?，即通過限制匝道駛?cè)肓髁縼硐拗平豢椓髁勘龋瑥亩岣咄ㄐ行?，?yōu)化交織區(qū)運行狀況，如圖15 所示.

圖15 入口匝道信號控制示意

3)根據(jù)交織區(qū)通行能力的變化規(guī)律，在進行交織區(qū)工程設(shè)計時，可依據(jù)交通流預(yù)測數(shù)據(jù)，計算出交織流量比，得出交織區(qū)的臨界長度，使得交織區(qū)通行能力達到理想的最大值，這樣既能保證交織區(qū)的正常運行，也能降低施工難度和減少施工成本.

4 結(jié)論

1)本文以長沙市萬家麗快速路交織區(qū)為研究對象，基于交通調(diào)查的結(jié)果對快速路交織區(qū)的運行特性進行了分析，并在VISSIM 交通仿真平臺建立了快速路交織區(qū)微觀仿真模型，得到了快速路交織區(qū)通行能力的變化規(guī)律.

2)交織區(qū)長度與交織流量比均對交織區(qū)的通行能力有著顯著的影響.其中，交織區(qū)長度與通行能力呈正相關(guān)；交織流量比與通行能力呈負相關(guān)；當交織區(qū)的長度到達一個臨界值之后，其通行能力會趨于穩(wěn)定.

3)根據(jù)交織區(qū)通行能力的變化規(guī)律，本文提出了快速路交織區(qū)優(yōu)化運行的改善策略和工程設(shè)計建議，可為城市快速路交織區(qū)的運行改善和工程設(shè)計提供參考.