應(yīng)急車道開放條件下高速公路交通運(yùn)行特性分析

劉強(qiáng)， 丁璠， 張志祥， 楊陽

(1.南京航空航天大學(xué)， 江蘇 南京 211106； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司， 江蘇 南京 211008； 3.東南大學(xué)， 江蘇 南京 211189)

中國經(jīng)濟(jì)的高速增長帶動(dòng)了高速公路流量的劇增，長三角、珠三角、京津冀等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)高速公路擁堵已呈現(xiàn)常態(tài)化特征，嚴(yán)重影響了社會(huì)運(yùn)行效率和公眾出行，尤其是在節(jié)假日免費(fèi)通行政策下交通擁堵已成為一種社會(huì)現(xiàn)象。

應(yīng)對(duì)交通擁堵更多需要依賴基礎(chǔ)設(shè)施和交通管理，傳統(tǒng)的匝道控制、可變限速等措施只能在常規(guī)擁堵條件下釋放一定的交通壓力[1-3]，然而面向極限超大流量情況其幅度有限。緩解擁堵壓力的最直接途徑是擴(kuò)容增加車道數(shù)，但受土地、經(jīng)濟(jì)等根本因素制約。開放應(yīng)急車道開拓了擴(kuò)容方式的思路。

高速公路的應(yīng)急車道，是指與右側(cè)行車道相臨，包括硬路肩在內(nèi)的寬度3 m以上，有效長度大于等于30 m，可以滿足機(jī)動(dòng)車?？啃枰穆访娌糠?。在緊急情況下，車輛可以在應(yīng)急車道上行駛或者停車[4]。

歐美等國已有利用應(yīng)急車道來提升通行效率的先例，但應(yīng)用效果不一，部分案例也有負(fù)面效應(yīng)[5-7]，由于國情、公眾駕駛行為、交管政策等方面的差異，中國在該方面的研究與實(shí)踐一直處于空白。該文基于G42滬寧高速公路無錫段通行效率提升需求，進(jìn)行應(yīng)急車道開放試驗(yàn)測(cè)試，采集分析斷面交通運(yùn)行參數(shù)，總結(jié)評(píng)估開發(fā)試驗(yàn)效果，探討應(yīng)對(duì)交通擁堵的應(yīng)急車道開放的可行性，以便為同類大流量高速公路交通管理提供重要參考借鑒。

1 應(yīng)急車道開放試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)景

滬寧高速公路無錫段為G42滬蓉高速公路和G2京滬高速公路的共線段，雙向八車道，年平均斷面交通

[10] 溫長鵬，周磊，潘兵宏.基于交通流穩(wěn)定距離的匝道連續(xù)入口最小間距研究[J].中外公路,2021,41(3) :392-397.

[11] 呂紀(jì)云，徐宇峰，熊威.基于視距需求的互通范圍內(nèi)主線圓曲線半徑指標(biāo)研究[J].中外公路,2021,41(6):309-313.

[12] 白浩晨，柳銀芳.互通式立交出口匝道運(yùn)行速度過渡段長度研究[J].中外公路,2020,40(1) :262-267.

[13] 鐘偉斌，曹駿駒，張江洪，等.互通式立交主線同側(cè)相鄰入口最小間距研究[J].公路交通科技,2021,38(9):149-158.

[14] 中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司.公路立體交叉設(shè)計(jì)細(xì)則:JTG/T D21—2014 [S]. 北京:人民交通出版社股份有限公司,2014.

[15] 劉子劍.互通式立體交叉設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M]. 北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.

[16] 孫家駟.道路勘測(cè)設(shè)計(jì) [M].3版.北京:人民交通出版社,2012.

量超過16萬veh/d，交通擁堵已呈常態(tài)化。

試驗(yàn)選擇該路段范圍內(nèi)碩放—東橋樞紐區(qū)間雙向約7 km路段進(jìn)行，區(qū)間無任何匝道互通，如圖1所示。單向常規(guī)通行4條車道分為2條小型客車車道和2條客貨車車道，內(nèi)側(cè)2條車道僅供小型客車通行，限速120 km/h；外側(cè)2條車道允許所有車輛通行，大型客貨車輛限速100 km/h，常規(guī)行車道道寬均為3.75 m。上海至南京方向，應(yīng)急車道在K1121+200～K1114+200區(qū)間開通，在上游K1123+500和K1124+500兩個(gè)位置通過門架情報(bào)板發(fā)出應(yīng)急車道允許通行提示；南京至上海方向，應(yīng)急車道在K1116+200～K1123+000區(qū)間開通，在K1112+930和K1114+400處有應(yīng)急車道開放通行信息提示。為更好體現(xiàn)超大流量環(huán)境，應(yīng)急車道開放試驗(yàn)時(shí)間選擇2019年“五一”小長假。

圖1 試驗(yàn)路段特征(單位：m)

1.2 試驗(yàn)方案

(1) 交通參數(shù)監(jiān)測(cè)

為獲得精確的斷面分車道交通流數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)路段K1116+530、K1120+600位置分別設(shè)置兩臺(tái)毫米波雷達(dá)[8]，獲取特定車道的車流量、車型、速度、占有率等交通流參數(shù)，如圖2所示。其中對(duì)于車型判定數(shù)據(jù)按車輛長度分為4.8和8.4 m兩類，分別表征小客車和貨車(含大客車)。

圖2 毫米波雷達(dá)原理及其測(cè)試參數(shù)要求

(2) 測(cè)試方案

試驗(yàn)時(shí)間為2019年4月29日至5月4日，為期6 d，其中應(yīng)急車道開放時(shí)間為5月1日08:20—19:05、5月2日08:50—21:05、5月3日09:20—22:45。4條常規(guī)車道在試驗(yàn)期間每天24 h不間斷采集交通數(shù)據(jù)，而應(yīng)急車道僅在其開放期間采集累計(jì)37 h的交通流數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)為中國第一次，其目的是為長期開放應(yīng)急車道進(jìn)行探索與嘗試。

2 理論分析方法

為研究交通流密度與速度關(guān)系，需將原始時(shí)間占有率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成密度參數(shù)。理論上，占用率o是指所有車輛通過某一路段所需的累計(jì)時(shí)間和某一時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)時(shí)間的百分比，見式(1)：

o=(t1+t2+…tn)/T

(1)

式中：ti為車輛i通過檢測(cè)器的時(shí)間；T為觀察時(shí)間的長度。對(duì)于單個(gè)車輛i，時(shí)間ti與車輛長度、速度ui和探測(cè)器長度d有關(guān)。在該文中，d取0.5 m。同時(shí)，密度表示在給定時(shí)間內(nèi)單位截面長度內(nèi)出現(xiàn)的車輛數(shù)量。通過對(duì)已有大數(shù)據(jù)離散擬合分析可知，占有率與密度的關(guān)系基本成比例。該文依據(jù)車型分類基礎(chǔ)，從理論上推導(dǎo)了車輛占用率和密度之間的轉(zhuǎn)換方程，占有率通過車輛通過檢測(cè)器的時(shí)間與總時(shí)間來確定，其中車輛通過檢測(cè)器的時(shí)間等于車輛長度與車檢器長度除以單個(gè)目標(biāo)的速度求得，見式(2)：

(2)

式中：N為探測(cè)周期內(nèi)所探測(cè)的所有目標(biāo)數(shù)；l為目標(biāo)物長度。

(3)

其中D表示特定截面的長度。然后，將區(qū)間平均速度代入占有率，可以將其簡化為式(4)：

(4)

(5)

(6)

將α、流量、密度和速度之間的關(guān)系代入式(6)即可得占有率計(jì)算公式：

天津石化在進(jìn)出公司、部際間設(shè)置了86臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)，用于原油、成品油、液化氣、石腦油等管輸物料產(chǎn)品的交接與監(jiān)督計(jì)量，同時(shí)應(yīng)用iFix采集軟件實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量流量計(jì)流量、溫度、壓力等常規(guī)參數(shù)的采集與監(jiān)測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

o=

(7)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 流量與速度分布

為了更好地對(duì)比應(yīng)急車道關(guān)閉與開放兩種工況試驗(yàn)斷面交通流特性，選擇上游斷面總體流量相當(dāng)時(shí)段下的交通流監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，探析應(yīng)急車道開放條件下交通流特征。

3.1.1 應(yīng)急車道關(guān)閉條件下交通特征

一般情況下，第1、2車道為小客車車道，第3、4車道存在客貨混行狀態(tài)。下文分析常規(guī)狀態(tài)下(應(yīng)急車道關(guān)閉)的車流和速度分布情況，如圖3所示。

圖3 常規(guī)狀態(tài)下(應(yīng)急車道關(guān)閉)車流與速度分布情況

由圖3可得：

(1) 2019年4月30日至5月3日期間斷面平均交通流量較平時(shí)增長約34%，受高速公路小長假免費(fèi)放行政策及公眾出行習(xí)慣的影響，5月1日至3日較4月30日有一定程度的增長；同一天內(nèi)，出行高峰主要分布在10:00—18:00，不同時(shí)段流量呈現(xiàn)出的顯著差異符合公眾出行的習(xí)慣。

(3) 4個(gè)車道的速度分布與車道流量分布非常相似，第1、2車道基本相同，第3車道速度介于第2車道和第4車道之間；宏觀流速以天為單位總體上呈現(xiàn)出可復(fù)制性，而同一天內(nèi)不同時(shí)段速度波動(dòng)性明顯，速度低谷與流量高峰時(shí)段相匹配。

3.1.2 應(yīng)急車道開放條件下交通特征

根據(jù)應(yīng)急車道開放試驗(yàn)方案和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析其斷面交通特征，如圖4所示，相關(guān)參數(shù)與常規(guī)條件下存在顯著的差異。

圖4 應(yīng)急車道開放時(shí)交通特征

由圖4可知：

(1) 與圖3相比，應(yīng)急車道的運(yùn)行分散了部分?jǐn)嗝娼煌?，不論是車道流量分布還是速度分布都對(duì)第1～4車道造成了影響。

(2) 內(nèi)側(cè)3條車道在較高的流量下保持穩(wěn)定，車道流量排名為：第2車道>第1車道>第3車道；從第3車道流量來看，其變化影響最大，小客車比例比應(yīng)急車道開放前顯著提高，應(yīng)急車道開放時(shí)對(duì)不同車型產(chǎn)生了新的車道劃分心理效應(yīng)；與應(yīng)急車道開放前相比，第4車道流量受應(yīng)急車道影響，出現(xiàn)頻繁的車輛變道降低了其平均流速，同時(shí)從現(xiàn)場(chǎng)視頻來看，第4車道車輛具備了向應(yīng)急車道變道的機(jī)動(dòng)性，其與第3車道車輛橫向間距也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；對(duì)于應(yīng)急車道，受中國高速公路交通管理政策法規(guī)影響，盡管試驗(yàn)路段有信息指引，但該試驗(yàn)是中國首次計(jì)劃性開放應(yīng)急車道，所以從視頻觀測(cè)來看，駕駛員對(duì)于應(yīng)急車道占用的心理決策出現(xiàn)猶豫與跟從現(xiàn)象，其流量占比始終在15%左右，根據(jù)3 d應(yīng)急車道開放試驗(yàn)觀察，隨著相關(guān)新聞媒體的宣傳，應(yīng)急車道流量也呈現(xiàn)增長的趨勢(shì)，同時(shí)應(yīng)急車道的流量也受制于3.25 m車道寬度影響。

(3) 與車道流量分布相似，第3車道速度逐漸向第2車道速度逼近，第4車道由于貨車比提高，與其他3條車道的速度差異更加明顯，其速度分布線與應(yīng)急車道的速度分布線基本一致。分析認(rèn)為：應(yīng)急車道開放后第4車道更加傾向于單獨(dú)的貨車車道，部分原第3、4車道的小車逐漸向應(yīng)急車道變道，但受限于應(yīng)急車道3.25 m的寬度，其速度始終無法得到大幅提升。

3.1.3 兩種工況絕對(duì)數(shù)分析

根據(jù)毫米波雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇試驗(yàn)路段相鄰互通前某一段斷面作為對(duì)比路段，開放應(yīng)急車道的條件下，試驗(yàn)路段高峰小時(shí)斷面通行絕對(duì)數(shù)較開放前提升約11.24%。

3.2 交通流參數(shù)分析

為了進(jìn)一步探討應(yīng)急車道與常規(guī)車道在通行能力、臨界密度等特性上的差異，以及其對(duì)整個(gè)斷面的影響，通過對(duì)交通基本圖的擬合，探討該路段的車流密度關(guān)系。對(duì)于第1～4車道，5 d內(nèi)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)均可用于繪制基本圖，應(yīng)急車道僅采用開放的37 h原始數(shù)據(jù)。將每5 min的流量和密度單位轉(zhuǎn)換為每小時(shí)每車道的車輛數(shù)和每公里每車道的車輛數(shù)，分別繪制散點(diǎn)圖如圖5所示。

(a) 第1車道

從圖5可以看出：交通基本圖被分割成兩部分，以接近最大流量的點(diǎn)表示兩種不同的交通狀態(tài)。左半部分處于自由流動(dòng)狀態(tài)，流量與密度成正比關(guān)系，其速度即為自由流速度；右半部分表示不同擁擠程度下的交通流狀態(tài)，流量隨著密度的增加而減小，直至達(dá)到0，而通行能力即指散點(diǎn)圖中兩個(gè)部分的臨界密度下的流量。同時(shí)，以交通流三角形為理論模型擬合各車道流速-密度關(guān)系[9]，擬合結(jié)果如表1所示。

表1 車道交通流基本參數(shù)擬合結(jié)果

表1表明：第1、2車道，由于為小客車車道，其交通流參數(shù)較為相似；第3、4車道客車占比分別為0.94和0.90，自由流速度較第1、2車道而言有明顯下降，平均貨車比例每增加1%，自由流速度下降2.94%；在應(yīng)急車道上，盡管客貨比較高，但由于車道寬度有限(3.25 m)，車道的自由流速度和臨界密度與其他車道相比還有較大的差距。不同車型車輛在自由流狀態(tài)對(duì)于駕駛空間上的需求差異以理想車頭時(shí)距為變量反映在交通流基本圖上即為自由流車速的差異。通行能力上，不同類型車道間差異明顯，1、2車道、3、4車道間彼此差異性較小，而小型車車道、客貨混行車道和應(yīng)急車道存在斷崖式的差距。分析認(rèn)為原因包括：① 試驗(yàn)時(shí)間安排在“五一”勞動(dòng)節(jié)，本身交通流量就非常大，應(yīng)急車道的車輛主要來自第4車道及鄰近上行匝道，車輛間相互干擾較大，對(duì)交通流特性有明顯影響；② 應(yīng)急車道占用的交通規(guī)則約束效應(yīng)導(dǎo)致駕駛心理障礙，隨著相關(guān)政策完善，其通行能力會(huì)有一定幅度的提升。

同時(shí)，為了進(jìn)一步探討應(yīng)急車道的使用對(duì)全斷面交通流的影響，繪制應(yīng)急車道開放前后斷面道路的交通基本圖，并進(jìn)行擬合，如表2、圖6所示。

表2 斷面交通流基本參數(shù)擬合結(jié)果

圖6 斷面流量—密度散點(diǎn)圖

由表2可知：當(dāng)應(yīng)急車道關(guān)閉時(shí)，4車道的總自由流速度約為107.5 km/h，道路通行能力約為10 965 veh/h；當(dāng)應(yīng)急車道開放時(shí)，道路通行能力和自由流速度分別接近12 198 veh/h和111.4 km/h，斷面通行能力值比應(yīng)急車道不開放時(shí)高10%左右，大體與絕對(duì)數(shù)提升值11.24%相當(dāng)。正如前文所述，該試驗(yàn)是在“五一”勞動(dòng)節(jié)期間進(jìn)行，極限交通壓力較大，在一定程度上影響了通行能力提升，同時(shí)加之法律法規(guī)給駕駛員心理帶來的影響，排除這兩方面影響的話，其通行能力提升幅度將進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

基于應(yīng)急車道開放試驗(yàn)，研究分析了應(yīng)急車道開放和關(guān)閉條件下的交通流參數(shù)特征，研究結(jié)果表明：

(1) 盡管應(yīng)急車道開放條件下對(duì)于各個(gè)車道的交通流特性造成不同程度的影響，但其與普通常規(guī)車道一樣，可以承擔(dān)一定的交通功能，在一定程度上可提升總體斷面的通行能力。

(2) 應(yīng)急車道開放條件下，應(yīng)急車道上的自由流速度和臨界密度相比于其他車道較低，在外界因素干擾情況下其并不能完全發(fā)揮車道擴(kuò)容的效果，但相比于擴(kuò)寬改造增加車道而言，其是當(dāng)前最直接最有效的通行能力擴(kuò)容方式。

(3) 應(yīng)急車道開放是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要充分發(fā)揮其功效，需要匹配完善相應(yīng)的交通法規(guī)、應(yīng)急保障、控制機(jī)制等方面的體系建設(shè)工作。

(4) 該次試驗(yàn)是中國高速公路首次進(jìn)行系統(tǒng)性應(yīng)急車道開放探索，盡管試驗(yàn)場(chǎng)景等并不完善，但對(duì)于大流量高速公路交通管理以及下一步深入研究可提供重要參考借鑒。