城市快速路匝道合流區(qū)與基本路段交通流特征對比

薛行健，宋 睿，晏克非

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)物流學(xué)院，湖南長沙410004;2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804)

匝道合流區(qū)作為車輛進(jìn)入城市快速路的必經(jīng)之處，其與主線的銜接區(qū)存在大量合流、交織等交通行為，是快速路通行能力的瓶頸路段(圖1)，其與基本路段區(qū)別很大，不應(yīng)該混為一談;隨著交通壓力的增大，瓶頸效應(yīng)帶來的負(fù)面影響也日趨增大;因此，有必要對匝道合流區(qū)與基本路段的交通流特征進(jìn)行對比分析，使得相關(guān)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管控工作能有針對性的展開。

筆者通過對上海市快速路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從交通流基本圖、交通流狀態(tài)的空間傳播、匝道與主線流量關(guān)系和車道橫向分布特征4個(gè)方面對匝道合流區(qū)與基本路段的交通流特征進(jìn)行了對比分析，可為相關(guān)研究工作的開展提供支撐。

1 數(shù)據(jù)采集

研究所需的數(shù)據(jù)主要來自于2部分:第1部分采集布設(shè)在上海市快速路每條車道上的雙線圈環(huán)形檢測線圈，通過對基本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到5分鐘的研究數(shù)據(jù);第2部分采用攝像機(jī)對研究路段進(jìn)行高空拍攝，再進(jìn)行后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

圖1 城市快速路匝道合流區(qū)基本形式Fig.1 Schematic diagram of urban freeway merge area

2 交通流基本圖對比分析

匝道合流區(qū)的瓶頸特性可以通過對比基本路段與匝道合流區(qū)的基本圖(流量和密度的關(guān)系圖)進(jìn)行分析。采用基本圖中的頂部數(shù)據(jù)缺失和交通狀態(tài)突變這一現(xiàn)象來對比分析基本路段與匝道合流區(qū)在交通流狀態(tài)上的區(qū)別是一個(gè)很好的方法。由于密度很難直接觀測到，而在各大城市用于檢測交通狀況而采集的數(shù)據(jù)中使用最廣泛的就是線圈數(shù)據(jù)，因此常用時(shí)間占有率(O)替代密度［1］。最早的基本圖是由Greenshields的線性速密關(guān)系推導(dǎo)出來的，呈拋物線形［2］，此后各國學(xué)者根據(jù)自己的研究提出了不同的基本圖圖型［3－9］，現(xiàn)給出6種基本圖圖型如圖2。此外，國內(nèi)學(xué)者如郝媛等也對基本圖型進(jìn)行了研究［10］。

圖2 6種基本圖圖形Fig.2 6 different basic graph types

圖3顯示的是某日上海市高架道路獲得的基本路段和入口匝道合流區(qū)在白天14 h的數(shù)據(jù)。

由圖3可知，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可推測基本路段比較符合非對稱拋物線形;而入口匝道合流區(qū)獲得的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來的特征卻并不相同，絕大部分的基本圖都呈現(xiàn)大致3種特征:

1)拋物線頂端的數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失，代表車道通行能力附近的數(shù)據(jù)很少，即交通流狀態(tài)很少有能達(dá)到車道最大通行能力的情況。

2)數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化并不是按照非對稱拋物線的路徑變化的，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)在還未到達(dá)通行能力值附近時(shí)，就有從非擁擠區(qū)跳到擁擠區(qū)及相反方向的突然變化，而中間的過渡數(shù)據(jù)幾乎沒有。

3)匝道合流區(qū)下游由于離開了合流區(qū)，車輛開始進(jìn)行加速，紊亂的交通流也得到恢復(fù)，但流量受到合流區(qū)限制，因此流量無法達(dá)到通行能力。

當(dāng)然，并不是所有從基本路段采集的數(shù)據(jù)其頂部數(shù)據(jù)都與圖3一樣具有完整的頂部數(shù)據(jù)，實(shí)際上，完全不受匝道影響的理想“基本路段”在現(xiàn)實(shí)中也是不存在的，更何況基本路段也存在頂部數(shù)據(jù)缺失和數(shù)據(jù)跳躍的現(xiàn)象;但根據(jù)大量的數(shù)據(jù)對比可以確定，匝道合流區(qū)的頂部數(shù)據(jù)缺失和數(shù)據(jù)跳躍的現(xiàn)象較基本路段更為嚴(yán)重;通常離入口匝道越遠(yuǎn)，基本圖頂部數(shù)據(jù)越完整，狀態(tài)跳躍的現(xiàn)象越少，狀態(tài)跳躍的流量起點(diǎn)越高。

圖3 快速路各斷面典型基本圖對比Fig.3 Comparison of basic diagrams on each road section of expressway

3 交通流狀態(tài)的空間傳播分析

對交通流狀態(tài)的空間傳播進(jìn)行分析也是進(jìn)行對比分析的重要手段，圖4為研究路段示意。

圖4 研究路段示意Fig.4 Researched road section

圖5，位于上匝道下游附近的斷面3首先在6點(diǎn)15分開始出現(xiàn)速度大幅下降，速度從60 km/h左右一直下降到25 km/h，說明該區(qū)域發(fā)生了擁擠;緊接著，斷面2車流的速度也大幅下降;從7點(diǎn)開始，斷面1的速度也開始下降，但是斷面1的速度時(shí)而有大幅的速度回升，而位于上匝道下游較遠(yuǎn)處的斷面4，速度僅出現(xiàn)了小幅下降，較為穩(wěn)定。到11點(diǎn)15分時(shí)早高峰結(jié)束，斷面1的車速首先開始大幅上升，由20 km/h上升到70 km/h左右，基本達(dá)到了自由流速度;5分鐘后的斷面2和15分鐘后的斷面3的車流速度也大幅回升，而斷面4此時(shí)也有了小幅回升，基本與斷面3的車速一致，到11點(diǎn)20分擁擠結(jié)束，見圖5。

圖5 入口匝道外側(cè)車道速度時(shí)變Fig.5 Speed-time variety of outer lane in on-ramp

從上述分析可知，速度下降的發(fā)生基本上是首先從距離上匝道下游不遠(yuǎn)處的斷面開始，然后逐漸向上游發(fā)展的，消散則正好相反，是從上游逐漸發(fā)展到下游的，而遠(yuǎn)離下游的斷面則始終變化較小。這個(gè)擁擠向上游蔓延的過程是這樣的:在早高峰來到前，主線上游和匝道的流量都比較小，即使是合流，相互之間的干擾也很小，所以能保持較高的速度;當(dāng)早高峰來到時(shí)，主線上游和匝道的流量都在短時(shí)間里大幅的增加，相互之間的干擾增大，為了適應(yīng)其它車輛的速度和避免碰撞，車輛不得不頻繁減速，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了速度的大幅下降，在匝道合流區(qū)形成擁擠區(qū)域，但并不堵塞，仍然保持了約20 km/h的速度，此時(shí)上游流量和匝道流量之和超過了匝道合流區(qū)的通行能力，擁擠區(qū)域開始向上游蔓延，因此呈現(xiàn)了速度突降從斷面3依次到斷面1的速度突降順序;但是上游流量和匝道流量之和并不總是大于匝道通行能力的，當(dāng)其小于匝道合流區(qū)通行能力時(shí)，擁擠區(qū)域就開始消散，這個(gè)秩序正好與之前相反;在這個(gè)過程中，到達(dá)的流量時(shí)大時(shí)小，所以擁擠區(qū)域也會不斷呈現(xiàn)蔓延和消散的變化，這也是為什么斷面1的速度出現(xiàn)過幾次大幅的回升，原因就在于在該時(shí)段擁擠區(qū)域消散以致沒有覆蓋斷面1的檢測器，這也說明，離上匝道合流區(qū)越遠(yuǎn)，受到干擾的可能性越低，時(shí)間持續(xù)越短。斷面4在擁擠時(shí)段只出現(xiàn)了小幅的速度下降(大約下降了30 km/h)，這是因?yàn)樵摂嗝孢h(yuǎn)離匝道合流區(qū)，而交通流在離開匝道合流區(qū)后，由于沒有了干擾因素，所以車輛逐漸開始加速，到達(dá)斷面4時(shí)，速度已經(jīng)有了較大的回升，因此表現(xiàn)出了這樣的檢測結(jié)果。還要關(guān)注的一點(diǎn)就是下游斷面的速度沒有再回升到上游斷面達(dá)到的速度，這是因?yàn)楸M管匝道和主線的流量減少了，但匝道合流區(qū)里的合流行為仍然存在，仍然對車流的運(yùn)行速度造成了干擾，而上游車輛由于得到了充分的加速且沒有干擾，所以車流回到了自由行駛的狀態(tài)。通過各斷面速度下降的先后次序和時(shí)序，還可以計(jì)算出集結(jié)波傳播的速度，相反，消散的時(shí)序和持續(xù)也可以推出消散比的速度，而同一斷面從速度突降到速度回升所持續(xù)的時(shí)間即為該斷面處擁擠持續(xù)的時(shí)間。

4 匝道匯入流量與主線流量相互關(guān)系

入口匝道合流區(qū)與基本路段在交通運(yùn)行上的主要區(qū)別在于后者同時(shí)服務(wù)于主線與匝道交通流。由于在實(shí)際的快速路交通狀況中，通常無法獲得全部匝道與主線流量關(guān)系，所以筆者采用vissim微觀仿真軟件仿真獲得了匝道與主線流量關(guān)系，如圖6。從圖6中可以看出，隨著匝道流量從大到小，主線上游流量基本呈現(xiàn)了線性上升的關(guān)系，但擬合線略微有些向下彎曲，這說明并不是匝道流量增加的數(shù)量與主線上游減少的數(shù)量完全一致，即其總和在數(shù)據(jù)中段出現(xiàn)了下降;這一點(diǎn)從主線下游流量與匝道匯入流量關(guān)系可以看得更加清晰，從圖6中還可以看到匝道合流區(qū)的通行能力總體上呈現(xiàn)了先降后升的變化，這說明匝道車流的匯入對匝道合流區(qū)的通行能力形成了不利影響，導(dǎo)致了通行能力的損失。

圖6 匝道與主線流量關(guān)系Fig.6 Volume realationship between ramp and mainline

5 車道橫向分布特征

為了分析匝道銜接區(qū)的車道橫向分布特征，筆者選擇了上海市內(nèi)環(huán)高架內(nèi)圈武夷路上匝道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖7。采用的分析指標(biāo)為不同流量下不同車道分擔(dān)的流量比例以及在6:00—12:00點(diǎn)時(shí)間段采集的不同車道速度變化的對比，通過這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，能夠獲得匝道合流區(qū)交通流橫向分布特征。

圖7 研究路段Fig.7 Researched road section

如圖8(從上至下依次為斷面1～斷面4)，在遠(yuǎn)離入口匝道的斷面1，主線各車道的流量分擔(dān)率差別較小，基本上是均衡承擔(dān)了流量;但在接近入口匝道的斷面2，內(nèi)側(cè)車道流量的分擔(dān)率就很明顯高于外側(cè)車道了，這種差別隨車流量的增加而降低，總流量在達(dá)到220 pcu/h后，比例基本穩(wěn)定在6∶4;臨近入口匝道下游的斷面3，雖然仍呈現(xiàn)了明顯的內(nèi)側(cè)車道分擔(dān)率高于外側(cè)車道，但有2點(diǎn)不同，一是在流量較小時(shí)，內(nèi)外側(cè)車道的分擔(dān)率差別更大，二是在流量較大時(shí)內(nèi)外側(cè)車道的分擔(dān)率差別更小;在遠(yuǎn)離入口匝道的下游斷面4的橫向分布特征基本與斷面1一致。而從速度分布可以看到無論是在自由流狀態(tài)還是在擁擠流狀態(tài)還是在匝道上下游的各個(gè)斷面，各車道的速度差異都很小，基本上一致。

圖8 交通流橫向分布特征Fig.8 Transverse distribution characteristics of traffic flow

要理解這樣的數(shù)據(jù)特征，就需要充分的理解匝道合流區(qū)的交通流運(yùn)行。在遠(yuǎn)離入口匝道的上游斷面，由于車流基本不受匝道車流的干擾，而是受到交通波的影響，因此無論流量大小，各車道的流量分擔(dān)率基本都保持了均衡;在臨近入口匝道時(shí)，當(dāng)駕駛員看到匯合標(biāo)志或是感受到來自匝道車流匯入帶來的擾動后，會向內(nèi)側(cè)車道變換以減少影響，導(dǎo)致上游各車道交通流分擔(dān)率的不同;在臨近匝道合流區(qū)的下游，其交通狀態(tài)仍然基本保持了合流區(qū)內(nèi)的狀態(tài)，流量小時(shí)內(nèi)外側(cè)車道分擔(dān)率差別更大是因?yàn)楸M管分擔(dān)率高但流量并不大，車輛在經(jīng)過匝道合流區(qū)后，有更大比例的車輛變道到了內(nèi)側(cè)車道;而流量較大時(shí)，由于下游已經(jīng)沒有了匝道合流的干擾，而此時(shí)外側(cè)車道由于之前流量較少，行車條件相對要好于內(nèi)側(cè)車道，因此有大量的內(nèi)側(cè)車道車輛變道到外側(cè)車道，形成平衡，而上游因?yàn)橛蓄A(yù)期的干擾則不存在內(nèi)側(cè)向外側(cè)車道變道的車輛。

各車道速度基本一致的特征與通常理解的不一致，因?yàn)橥ǔＭ鈧?cè)車道受到的干擾比較大，應(yīng)該相對速度較低;而事實(shí)上，數(shù)據(jù)顯示的是外側(cè)車道甚至要略高于內(nèi)側(cè)車道，這種情況應(yīng)該是這樣的:快速路各車道始終能夠保持一種平衡，在遠(yuǎn)離匝道的位置，各個(gè)車道車流條件基本一致，因此速度也基本一致;而在接近匝道的斷面，當(dāng)有車輛通過向內(nèi)側(cè)變道以避免合流帶來的干擾，則外側(cè)車道出現(xiàn)了密度降低，車輛之間出現(xiàn)了較大的間距，車輛處于一種不斷加速和減速的狀態(tài)，一方面匝道車流的干擾讓他們減速，另一方面，前方車輛變道到內(nèi)側(cè)車道帶來的空隙使得他們有加速的空間，這種行車狀態(tài)很不舒適，所以許多駕駛員選擇離開外側(cè)車道，但在統(tǒng)計(jì)的速度值上則完全有可能高于內(nèi)側(cè)車道。

6 結(jié)論

筆者基于快速路實(shí)測數(shù)據(jù)和微觀仿真數(shù)據(jù)，從交通流基本圖、交通流狀態(tài)空間傳播、匝道與主線流量關(guān)系和車道橫向分布特征4個(gè)方面對比了匝道合流區(qū)與基本路段的交通流特征。結(jié)果表明:由于存在匝道車輛匯入主線的影響，匝道合流區(qū)與基本路段的交通流特征存在較大的差別，在城市快速路的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和控制中都應(yīng)該區(qū)別對待。

［1］張生瑞.交通流理論與方法［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［2］Greenshields B D.A study of traffic capacity［J］.Highway Research Board，1934，14:448 －477.

［3］Greenberg H.An analysis of traffic flow［J］.Operations Research，1959，7(1):79－85.

［4］Edie L C.Following and Steady-State Theory for Non-Congested Traffic［J］.Operations Research，1961，9(1):66 －76.

［5］Koshi M，Iwasaki M，Ohkura I.Some Findings and an Overview on Vehicular Flow Characteristics［C］//Proc.8th Int.Symp.on Transportation Relationship and Traffic Flow Theory.Toronto:U-niversity of Toronto Press，1983:403 －426.

［6］Athol P J.Interdependence of certain operational characteristics within a moving traffic stream［J］.Highway Research Record，1965，72:57－58.

［7］Hillega B D，Houghton D G，Athol P I.Investigation of flowdensity discontinuity and dual-mode traffic behavior［J］.Trans Research Record，1974，495:53－60.

［8］Kerner B S，Rehborn H.Experimental properties of complexity in traffic flow［J］.Phys.Rev.E，1996，53(5):4275 －4278.

［9］Kerner B S.The physics of traffic［M］.Berlin:Springer，2004.

［10］郝媛，徐天東，孫立軍.城市快速路常發(fā)性交通擁擠分析［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2007，25(2):92.HAO Yuan ，XU Tian-dong，SUN Li-jun.Recurrent traffic congestion analysis on urban experssway［J］.Computer and Communication，2007，25(2):92.