基于交通沖突的城市地下互通左出匝道減速車道長度研究

王海亮，程沖，官洪，丁乃侃

（1.武漢城市鐵路建設(shè)投資開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430061；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；3.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；4.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063）

0 引言

為了緩解因城市交通運行的壓力，城市地下道路及地下互通立交逐漸被廣泛采用，并成為緩解城市地面交通擁堵的重要途徑之一［1-2］，但出入口匝道仍是交通沖突和事故的多發(fā)點?！豆仿肪€設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）［3］明確提出“互通式立體交叉的出入口除高速匝道外，應(yīng)設(shè)置在主線行車道的右側(cè)”。但是，由于城市道路交通環(huán)境、土地利用和工程經(jīng)濟等多重因素的制約，不得不對地下互通立交設(shè)置左出匝道［4］。

然而，由于主線和匝道設(shè)計速度的差異，主線車輛駛?cè)氤隹谠训罆r需要減速和轉(zhuǎn)向，由此導(dǎo)致分流區(qū)交通事故頻發(fā)，事故致死致傷率較高［5］。大量研究顯示，分流區(qū)減速車道長度、設(shè)計速度和交通量與交通沖突之間存在顯著相關(guān)性［6-8］。對于高速互通式立交的常規(guī)右出匝道，鄭展驥等［9］以碰撞時間（Time to Collision，TTTC）作為沖突指標(biāo)，構(gòu)建基于間隙接受理論的交通沖突預(yù)測模型，分析了分流區(qū)交通安全狀況，結(jié)果表明減速車道長度和分流比是影響交通沖突數(shù)的主要因素；唐超［10］以TTTC為沖突指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，減速車道長度區(qū)間為100～225 m 時，隨著減速車道長度的增長，分流區(qū)交通沖突數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)減速車道長度大于225 m時，交通沖突減小趨勢變緩；且隨著主線和匝道交通量的增長，分流區(qū)交通沖突數(shù)隨之增加；李燊［11］以TTTC為交通沖突指標(biāo)，研究了分流區(qū)減速車道長度與交通沖突之間的關(guān)系，結(jié)果表明：在250～500 m 區(qū)間內(nèi)，沖突數(shù)隨著減速車道長度增加而下降；白志軍等［12］通過交通仿真軟件分析變速車道長度在280～400 m 區(qū)間時，匝道入口處的交通沖突數(shù)量，隨變速車道長度的增加而減少，經(jīng)分析，得到主線設(shè)計車速為120 km/h、100 km/h 和80 km/h 共3種情況下所對應(yīng)不同匝道設(shè)計車速時變速車道設(shè)置長度推薦值；孫璐等［13］以交通沖突率為主要指標(biāo)，利用SSAM 分析車輛軌跡數(shù)據(jù)，分析了城市快速路多個交織區(qū)之間的相對交通安全狀況，結(jié)果表明：當(dāng)交織區(qū)長度區(qū)間在500～1 300 m 時，交通沖突率隨交織區(qū)長度的增加而降低；張衛(wèi)華等［14］針對城市快速路互通立交分流區(qū)，利用碰撞時間和后侵入時間（Post Encroachment Time，TPET）指標(biāo)建立了交通沖突Logistic 回歸模型，發(fā)現(xiàn)交通沖突不僅隨交通量的增加而上升，同時還受主線和匝道車速的顯著影響。此外，對于互通立交匝道分流區(qū)而言，減速車道長度的合理取值需要同時匹配主線和匝道的交通量、設(shè)計速度等條件［15-18］，以平衡分流區(qū)交通運行效率和安全的需求。

可以看出：已有研究均針對常規(guī)的右出匝道場景開展了分流區(qū)交通安全和減速車道長度之間的關(guān)聯(lián)性研究，而鮮有關(guān)注左出匝道情形。然而，左出匝道尤其是城市地下互通立交環(huán)境下的左出匝道，由于其特殊的道路空間環(huán)境和違背中國駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣的出口設(shè)置方式，其交通運行和事故風(fēng)險特征尚未被深入認識，并由此導(dǎo)致左出匝道分流區(qū)減速車道設(shè)置亦缺乏理論支撐。同時，已有研究較少綜合考慮出口匝道減速車道長度與主線、匝道交通條件（交通量、設(shè)計速度）之間的交互作用對分流區(qū)交通沖突的影響。此外，已有研究多直接利用TTTC指標(biāo)進行分流區(qū)交通安全分析，而較少考慮沖突在分流區(qū)特定時間和空間尺度下的累計特征，且由此得到的分流區(qū)交通沖突風(fēng)險和減速車道長度設(shè)置的結(jié)論或許存有一定偏頗。鑒于此，為探究左出匝道的減速車道長度的合理設(shè)置區(qū)間，本研究以武漢兩湖隧道工程地下互通立交為實際案例，通過開展一系列VISSIM 仿真，研究左出匝道減速車道長度與主線、匝道的交通量和設(shè)計速度的交互作用對左出匝道分流區(qū)交通沖突的影響，最終得出合理的減速車道長度設(shè)置區(qū)間。

1 仿真試驗

本研究依托武漢兩湖隧道工程的一處地下互通立交實際案例開展不同減速車道長度、主線或匝道交通量和設(shè)計速度組合條件下的VISSIM 仿真。仿真前需對VISSIM 中的駕駛行為參數(shù)進行標(biāo)定以更客觀地反映駕駛?cè)嗽诘叵禄ネ⒔坏鸟{駛行為。由于兩湖隧道工程仍處于施工階段，本研究借助廈門萬石山地下立交工程案例及其交通調(diào)查數(shù)據(jù)作為駕駛行為參數(shù)標(biāo)定的依據(jù)［19］。

1.1 仿真參數(shù)標(biāo)定

1.1.1 敏感性分析

本研究基于敏感性分析方法確定需要校正的評價指標(biāo)分別是車均行程時間和交通沖突數(shù)。其中，車均行程時間可由VISSIM 仿真輸出，交通沖突數(shù)可借助SSAM 分析車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)得到［20-21］。針對城市道路仿真，本研究采用“Wiedemann 74”模型作為VISSIM 駕駛行為基礎(chǔ)模型，用以校核跟馳和換道行為。

利用敏感性分析逐一對參數(shù)進行仿真之后得出平均停車間距、安全距離附加部分、安全距離倍數(shù)部分［22］和最大減速度這4 個駕駛行為參數(shù)對車均出行時間和交通沖突數(shù)的影響最大，因此將上述4 個參數(shù)作為VISSIM 駕駛行為參數(shù)標(biāo)定的對象，其他參數(shù)按照合理的經(jīng)驗值作細微調(diào)整。

1.1.2 仿真參數(shù)取值

本次仿真模型以廈門萬石山地下互通立交交通運行特征為基礎(chǔ)，對VISSIM 模型關(guān)鍵參數(shù)進行標(biāo)定，使仿真平臺的標(biāo)定驗證達到95%的置信水平，以確定最佳的駕駛行為參數(shù)取值。模型關(guān)鍵交通仿真參數(shù)見表1。

表1 模型關(guān)鍵交通仿真參數(shù)Table 1 Key traffic simulation parameters of model

1.2 仿真場景設(shè)置

仿真參數(shù)經(jīng)校正之后，此處以武漢市兩湖隧道工程中的文薈街地下互通立交左出匝道分流區(qū)為基礎(chǔ)構(gòu)建仿真模型，通過調(diào)控左出匝道分流區(qū)減速車道長度、主線或匝道的交通量和設(shè)計速度，來完成一系列交通運行仿真，最后基于交通沖突指標(biāo)分析左出匝道分流區(qū)減速車道長度的合理設(shè)置區(qū)間。

1.2.1 仿真路網(wǎng)建模

以武漢兩湖隧道工程文薈街地下互通立交左出匝道的設(shè)計方案為基礎(chǔ)，構(gòu)建VISSIM 微觀仿真路網(wǎng)，相關(guān)道路和交通條件設(shè)置情況見圖1。

圖1 左出匝道分流區(qū)示意（其中*號表示仿真控制變量）Figure 1 A sketch of diverge area of left off-ramp (wherein * indicates controlled variables in simulation)

1.2.2 仿真試驗方案設(shè)計

（1） 控制變量選取?；诒疚膶ψ蟪鲈训婪至鲄^(qū)減速車道長度的研究，仿真將從多因素多角度研究各個交通因素組合與交通沖突指標(biāo)之間的關(guān)系。根據(jù)分析，選取的影響因素有：減速車道長度、主線交通量、匝道交通量、主線設(shè)計車速、匝道設(shè)計車速等，兩湖隧道南湖段的施工方案規(guī)定文薈街地下互通立交左出匝道分流區(qū)的減速車道設(shè)計長度為140 m；主線和匝道交通量為建成年和中遠期預(yù)測高峰小時交通流量，建成年的主線交通量為5 060 pcu/h，匝道交通量為620 pcu/h；主線設(shè)計車速為50 km/h；匝道設(shè)計車速為30 km/h。其中減速車道長度、主線或匝道的交通量和主線或匝道的行車速度的交互作用對分流區(qū)的交通安全的影響是此次研究的重點，結(jié)合對左出匝道相關(guān)文獻的研究［23］以及對工程案例設(shè)計方案的分析，分流區(qū)減速車道長度的仿真設(shè)置區(qū)間應(yīng)考慮實際工程意義，具體各因素的取值見表2。

表2 控制變量取值設(shè)置Table 2 Controlled variable settings

（2） 正交試驗設(shè)計。確定所要研究的變量指標(biāo)，此次仿真方案采取正交試驗設(shè)計的方法，期望以具有代表性的各種變量因素組合方案分析不同交通條件組合下分流區(qū)所產(chǎn)生的交通沖突［24］，將分流區(qū)的車輛軌跡數(shù)據(jù)導(dǎo)入SSAM 軟件中得到交通沖突數(shù)和TTTC均值。正交試驗設(shè)計表用SPSS 軟件輸出，最終方案見表3，根據(jù)正交試驗法獲得25 種設(shè)計方案，利用VISSIM 軟件對25 種方案的每一種方案進行仿真試驗，在仿真時取5 個不同的隨機種子進行仿真試驗來增加隨機性，一共產(chǎn)生25×5=125 組試驗方案，對每種方案取均值使試驗數(shù)據(jù)更具代表性。最后，對試驗所產(chǎn)生的交通沖突數(shù)據(jù)進行分析整理，建立交通沖突指標(biāo)與各交通因素的分析模型。

表3 仿真試驗方案正交設(shè)計Table 3 Orthogonal design of simulation test

1.2.3 仿真評價指標(biāo)

本研究綜合運用基于交通沖突個數(shù)的統(tǒng)計量和基于安全替代指標(biāo)的計算值來直接和間接評價不同方案下的仿真結(jié)果，分別為交通沖突率（Crash Rate，RCR）和碰撞暴露時間（Time Exposed Time to Collision，TTET）。

（1） 交通沖突率（RCR）。此處定義交通沖突率為交通沖突數(shù)與分流區(qū)減速車道長度和交通量乘積的比值，計算見式（1）：

式中：RCR為交通沖突率/［個·（pcu · m）-1］；C為單位時間內(nèi)發(fā)生的交通沖突數(shù)/（個 · h-1）；Q為單位小時交通量/（pcu · h-1）；L為分流區(qū)減速車道長度（m）。其中，沖突數(shù)是根據(jù)設(shè)定的TTTC閾值判別沖突［25］，本研究中TTTC閾值取4 s，即當(dāng)計算得到?jīng)_突車輛間的TTTC值小于或等于4 s 時，便認為沖突車輛間存在交通沖突，反之則不存在沖突。統(tǒng)計軌跡數(shù)據(jù)中所有TTTC值小于或等于4 s 的個數(shù)即為交通沖突數(shù)。

（2） 碰撞暴露時間（TTET）。碰撞暴露時間，表示駕駛員在TTTC值低于規(guī)閾值TTTC*的情況下接近前方車輛的所有時刻（在所考慮的時間段內(nèi)）的總和，TTET越低代表所研究路段越安全［26-28］。本仿真試驗中TTET為所有車輛在單位時間段和區(qū)域段內(nèi)低于TTTC值小于或等于4 s 該閾值的碰撞時間之和。TTET的計算見式（2）～（4）：

式中：TTET為N輛車（i=1，2，…，N）所產(chǎn)生的碰撞暴露時間（s）；TTETi為第i輛車所產(chǎn)生的碰撞暴露時間（s）；N為仿真試驗中的車輛數(shù)量（pcu）；δi(t)為第i輛車t時刻的切換變量，如果駕駛員在時刻t的TTTC值介于0 和指定閾值TTTC*，其值為1，否則，其值為0；Δt為迭代時間間隔，本文設(shè)Δt的值為0.01 s；T為仿真時段長度（s）；TTTC*為TTTC閾值，本文設(shè)閾值為4 s；TTTCi(t)為第i輛車追尾前車（即i-1 車）的碰撞時間（s）；Xi-1(t)為t時刻i-1 車 在道路 上 的 位 置 坐標(biāo)（m）；Xi(t)為t時刻i車在道路上的位置坐標(biāo)（m）；Vi-1(t) 為t時刻i-1 車的地點速度（m/s）；Vi(t) 為t時刻i車的地點速度（m/s）；li-1為前車的車長（m）。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 左出匝道減速車道長度對RCR的影響

2.1.1 左出匝道減速車道長度與交通量之間的交互作用

圖2 顯示了不同左出匝道減速車道長度和主線交通量、匝道交通量情況下的沖突率?？傮w上可以看出：隨著減速車道長度的增加，沖突率有不同程度的減少。當(dāng)減速車道長度由120 m 增加至170 m 和220 m 時，沖 突 率 由0.045% 分 別 減 小 至0.039% 和0.041%；可見主線交通量和匝道交通量變化時，沖突率無明顯差異。 三因素方差分析（Three-way ANOVA）顯示（表4），僅減速車道長度及其與主線交通量的交互作用對沖突率產(chǎn)生了顯著影響，而主線交通量、匝道交通量以及二者的交互作用均未導(dǎo)致沖突率的顯著變化。此外，多重比較（TukeyHSD 檢驗）顯示上述顯著影響主要來源于減速車道長度的差異，且僅減速車道長度120 m 與195 m 之間的配對比較具有顯著性差異（p＜0.05），而其他配對比較均無顯著性差異。

圖2 左出匝道減速車道長度與交通量對沖突率的影響Figure 2 Effect of deceleration lane length of left off-ramp and traffic volume on conflict rate

表4 左出匝道減速車道長度與交通量對沖突率影響的方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis of effect of deceleration lane length of left off-ramp and traffic volume on conflict rate

2.1.2 左出匝道減速車道長度與設(shè)計速度之間的交互作用

圖3 顯示了不同左出匝道減速車道長度和主線速度、匝道速度條件下的沖突率?？傮w上可以看出，除了減速車道長度引起的沖突率變化以外，隨著主線速度的增加或匝道速度的降低，沖突率均有一定程度的增加，其中，當(dāng)主線速度由50 km/h 增加至60 km/h 和70 km/h 時，沖 突 率 分 別 由0.040% 增 加 至0.042% 和0.044%；匝道速度由40 km/h 降低至30 km/h 時，沖突率由0.040%增加至0.042%。三因素方差分析顯示（表5），減速車道長度及其與主線速度的交互作用對沖突率產(chǎn)生了極為顯著的影響；此外，主線速度及其與匝道速度的交互作用對沖突率也產(chǎn)生了顯著影響；匝道速度及其與其他因素的交互作用均未導(dǎo)致沖突率的顯著變化。此外，多重比較（TukeyHSD 檢驗）顯示上述顯著影響主要來源于減速車道長度的差異，且僅減速車道長度120 m 與195 m 之間的配對比較具有顯著性差異（p＜0.05），而其他配對比較均無顯著性差異。

圖3 左出匝道減速車道長度與設(shè)計速度對沖突率的影響Figure 3 Effect of deceleration lane length of left off-ramp and design speed on conflict rate

表5 左出匝道減速車道長度與設(shè)計速度對沖突率影響的方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis of effect of deceleration lane length of left off-ramp and design speed on conflict rate

2.2 左出匝道減速車道長度對TTET的影響

2.2.1 左出匝道減速車道長度與交通量之間的交互作用

圖4 顯示了不同左出匝道減速車道長度和主線交通量、匝道交通量情況下的TTET?？傮w上可以看出：隨著減速車道長度或交通量的增加，TTET有不同程度的增大。當(dāng)減速車道長度由120 m 增加至170 m和220 m 時，TTET分別相對增加24.6%和68.2%；當(dāng)主線的交通量由5 060 pcu/h 增加至5 700 pcu/h 和6 350 pcu/h 時，TTET分別增加17.0%和20.2%；當(dāng)匝道交通量由620 pcu/h 增加至680 pcu/h 和740 pcu/h時，TTET分別增加0.5%和9.3%。三因素方差分析顯示（表6），減速車道長度和主線交通量均對TTET產(chǎn)生了極為顯著的影響，且二者的交互作用也對TTET產(chǎn)生了非常顯著的影響；然而，匝道交通量及其與減速車道長度的交互作用均未導(dǎo)致TTET的顯著變化。此外，多重比較（TukeyHSD 檢驗）顯示上述顯著影響主要來源于減速車道長度的差異，且減速車道長度120 m 與170 m（p＜0.01）、120 m 與195 m（p＜0.001）、120 m 與220 m（p＜0.001）之間的配對比較存在顯著差異；減速車道長度145 m 與195 m（p＜0.001）、145 m與220 m（p＜0.001）之間的配對比較存在顯著差異；減速車道長度220 m 與170 m（p＜0.001）、220 m 與195 m（p＜0.001）之間的配對比較存在顯著差異。此外，主 線 交 通 量5 060 pcu/h 與5 700 pcu/h（p＜0.001）、5 060 pcu/h 與6 350 pcu/h（p＜0.001）對 于TTET的配對比較也存在顯著差異。

圖4 左出匝道減速車道長度與交通量對TTET的影響Figure 4 Effect of deceleration lane length of left off-ramp and traffic volume on TTET

表6 左出匝道減速車道長度與交通量對TTET影響的方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis of effect of deceleration lane length of left off-ramp and traffic volume on TTET

2.2.2 左出匝道減速車道長度與設(shè)計速度之間的交互作用

圖5 顯示了不同左出匝道減速車道長度和主線速度、匝道速度條件下的TTET?？傮w上可以看出：除了減速車道長度引起的TTET變化以外，隨著主線速度的增大或匝道速度的降低，TTET呈現(xiàn)不同程度的增大。其中，當(dāng)主線速度由50 km/h 增大至60 km/h 和70 km/h 時，TTET分別增加8.4%和17.0%，當(dāng)匝道速度由40 km/h 降低至30 km/h 時，TTET增加6.1%。三因素方差分析顯示（表7）：減速車道長度及其與主線速度的交互作用均對TTET產(chǎn)生了極為顯著的影響；主線速度、主線速度與匝道速度的交互作用以及三者的交互作用均對TTET產(chǎn)生了顯著影響；匝道速度及其與減速車道長度的交互作用均對TTET未產(chǎn)生顯著影響。此外，多重比較（TukeyHSD 檢驗）顯示上述顯著影響主要來源于減速車道長度的差異（具體配對比較特征見2.2.1 節(jié)），主線速度或匝道速度之間的配對比較在TTET上均無顯著性差異。

圖5 左出匝道減速車道長度與設(shè)計速度對TTET的影響Figure 5 Effect of deceleration lane length of left off-ramp and design speed on TTET

表7 左出匝道減速車道長度與設(shè)計速度對TTET影響的方差分析結(jié)果Table 7 Variance analysis of effect of deceleration lane length of left off-ramp and design speed on TTET

3 結(jié)語

左出匝道已逐步成為城市地下互通立交建設(shè)的重要方案選擇，但目前對其認識不足，相關(guān)設(shè)置依據(jù)缺乏理論支撐。鑒于此，本文針對城市地下互通立交左出匝道分流區(qū)場景，通過VISSIM 仿真手段，從分流區(qū)交通安全的角度，利用交通沖突率（RCR）和碰撞暴露時間（TTET）指標(biāo)，研究分析了左出匝道分流區(qū)減速車道長度的合理設(shè)置區(qū)間，并同時考慮了主線或匝道的交通量和設(shè)計速度的交互作用。研究結(jié)果表明：隨著減速車道長度的增加，左出匝道分流區(qū)沖突率和TTET逐漸增大，且當(dāng)減速車道長度達到170 m以后，沖突增幅顯著減??；TTET隨著主線或匝道交通量的增加而增大，沖突率并未隨交通量呈現(xiàn)顯著變化；沖突率和TTET隨著主線速度的增大或匝道速度的減小而增大；相對于沖突率和TTTC指標(biāo)，碰撞暴露時間（TTET）統(tǒng)計了特定時間范圍內(nèi)分流區(qū)的沖突累計特征，可以更好地捕捉減速車道長度與交通量、速度之間的交互作用。綜合方差分析和多重比較發(fā)現(xiàn)，減速車道長度是引起左出匝道分流區(qū)交通沖突變化的關(guān)鍵原因，且減速車道長度處于120～170 m范圍時較為合理，考慮工程經(jīng)濟性最大長度宜控制在195 m 以內(nèi)。

本研究以工程實例為基礎(chǔ)，揭示了城市地下互通立交左出匝道減速車道長度與主線、匝道交通量和設(shè)計速度對分流區(qū)交通沖突的交互作用，明確了左出匝道減速車道長度的合理區(qū)間，可為左出匝道交通運行管理提供理論支撐，同時也可為城市地下互通立交工程實際提供具體案例和建設(shè)依據(jù)。