快速路匝道合流區(qū)車道寬度對交通影響分析*

宋 睿 孫 焰 薛行健

(同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室1) 上海 201804) (中南林業(yè)科技大學(xué)物流學(xué)院2) 長沙 410004)

快速路匝道合流區(qū)車道寬度對交通影響分析*

宋 睿1)孫 焰1)薛行健2)

(同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室1)上海 201804) (中南林業(yè)科技大學(xué)物流學(xué)院2)長沙 410004)

城市快速路的匝道合流區(qū)主線不同于普通路段主線，具有車速慢，擾動和變道頻繁，隨意擠占車道的特點，為了避免匝道合流區(qū)交通過于擁堵，車道的空間如何布置成為當前國內(nèi)外研究的熱點.文中以匝道合流區(qū)主線線圈實測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了匝道合流區(qū)主線車道寬度設(shè)置對交通的影響，分析了車道寬度設(shè)置影響的因素，建立了車道寬度對交通流通行能力影響的回歸模型.模型結(jié)果顯示，車道寬度的不同會影響到匝道合流區(qū)主線車速和通行能力.

城市快速路；匝道合流區(qū)；車道寬度；交通影響

0 引 言

城市快速路由于地理位置的不同，可以細分為2類：(1) 位于城市中心的城市快速路；(2) 位于城市郊區(qū)的城市快速路.第一類由于快速道路位于城市中心區(qū)，一般是給城市居民出行服務(wù)為主，外地的貨運大型車輛被禁止出行，多為本地的小型轎車，加上城市中心地理位置好，城市中心土地的價格相比郊區(qū)要貴很多，土地資源相對比較緊張.第二類由于遠離城市中心，外地大型貨運車輛為主，本地居民出行的小型轎車較少，道路建設(shè)所需要的土地和空間資源也相對比較充裕.對于道路交通設(shè)計人員而言，應(yīng)該根據(jù)這種明顯的功能差異分別對車道寬度進行設(shè)置.城市快速路匝道合流區(qū)具有車速較慢，擾動頻繁、變道行為多，車輛為躲避干擾而頻繁跨線擠占車道現(xiàn)象等明顯區(qū)別于快速路基本路段的交通特征，因此在車道寬度設(shè)置時應(yīng)該進行專門考慮.

國外匝道合流區(qū)主線車道寬度的研究是從高速公路開始的，其研究開始于1940年，當時僅對合流中影響駕駛員行為的幾個主要組成因素進行

了分析，主要是間隙-接受/拒絕理論及其應(yīng)用，如車輛延誤和排隊長度，由AASHTO(美國國家公路與交通運輸協(xié)會辦公室)出版了關(guān)于高速公路和街道設(shè)計的規(guī)范——AASHTO guide.Chen[1]分析了高速公路入口匝道車道寬度對交通安全影響的分析.研究小組收集了加州內(nèi)的多條高速公路的撞車數(shù)據(jù)，通過研究4種不同匝道車道寬度的類型，證明了匝道車輛寬度對于交通撞車事故之間有很大的聯(lián)系，從而也證明了可以通過改變車道的寬度來提高匝道銜接段的交通安全問題.國內(nèi)對這方面的研究相對國外而言較少，很多專家和學(xué)者都給出了一些研究數(shù)據(jù)和研究成果，也從各個方面對問題進行了研究.慈玉生[2]從快速路匝道連接段通行能力與匝道設(shè)置進行了分析，針對現(xiàn)有的快速路匝道設(shè)置條件不合理的情況，提出了快速路車道的設(shè)置條件.在此基礎(chǔ)上，利用了車輛動力學(xué)理論、間隙接受理論建立了快速路車道寬度模型，給出了城市快速路主線不同設(shè)計車速下，車道寬度的建議值.楊曉寶等[3-12]則從基于交通行為分析的道路通行能力中車道數(shù)寬度進行研究，通過調(diào)查高速公路通行能力中車道寬度的影響，利用經(jīng)驗方法和行為分析，更好地理解了高速公路通行能力和車道寬度之間的影響.

1 研究數(shù)據(jù)采集

研究所需的數(shù)據(jù)主要來自于2部分：第一部分數(shù)據(jù)采集自布設(shè)在上海市快速路每條車道上的雙線圈環(huán)形檢測線圈，布設(shè)間距為400 m左右，每組檢測線圈都分別了記錄各條車道的速度、各車型的車輛數(shù)、占有率、地點車速、車頭時距等信息，采集時間為2012年4月的1周工作日數(shù)據(jù)，基本數(shù)據(jù)的采集周期為20 s，通過對基本數(shù)據(jù)進行處理，得到5 min的研究用數(shù)據(jù)；第二部分數(shù)據(jù)采用攝像機對研究路段進行高空拍攝，再進行后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析.

如果數(shù)據(jù)不能滿足以上3個條件之一，則被認為是異常數(shù)據(jù)，予以排除(見圖1).

圖1 匝道合流區(qū)研究范圍

2 車道寬度的確定

快速路的行車道是由數(shù)條車道組成的，所謂行車道是指為了讓車輛安全順適地通行而設(shè)置的公路帶狀部分.由于快速路中央設(shè)置有中央分隔帶，道路外側(cè)為路緣帶，故車道寬度需要考慮車身寬度(或車輪間距)、車輛安全間距，車輛與外側(cè)路緣石間距和車輛與內(nèi)側(cè)中央分隔帶路緣石間距，見圖2.

圖2 車道寬度組成

外側(cè)車道：

(1)

中間車道：

(2)

內(nèi)側(cè)車道：

(3)

式中：a為車輛與外側(cè)路緣石間距；b為車身寬度；c為1/2車輛安全間距的；d為車輛與內(nèi)側(cè)中央分隔帶路緣石的間距.

通過以上分析可知，車道寬度由3部分組成：車身寬度、車輛安全間距、車輛與路緣石之間的間距.不同的寬度組成所反映在交通流運行中的影響因素是不同的，其對應(yīng)的研究點也可不相同.

3 車道寬度對通行能力影響

車道寬度對于通行能力也有很大的影響，當車道寬度不足時，駕駛員為了保證駕駛的安全，會盡力拉大與同向行駛車輛之間的安全距離或者降低車輛的行駛速度，避免車輛之間的相互干擾，從而使得道路總體的通行能力下降很多.本文采集了上海市快速路匝道合流區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，獲得了不同車道寬度下不同車道位置的通行能力與速度的關(guān)系，見表1.為了更好地進行研究，本文根據(jù)車道位置位于內(nèi)側(cè)、中間和外側(cè)3種情況，將所有的速度按照從小到大進行了分組，每個速度區(qū)間段為10，從最小10～20 km/h到最大80～90 km/h，并求出每個區(qū)間段的平均速度和對應(yīng)的95%位流量，并將該流量作為通行能力的估計值.見圖3.

經(jīng)過仔細觀察，他們發(fā)現(xiàn)這兩種發(fā)光的蛋白質(zhì)代表不同的突觸類型，論文作者解釋道。大腦的每個區(qū)域都有一個典型的“突觸體簽名”。就像指紋有著不同的形狀和大小一樣，大腦的不同區(qū)域似乎也有著含有不同蛋白質(zhì)組成、大小和數(shù)量的突觸。

表1 不同車道寬度對應(yīng)通行能力值

圖3 匝道合流區(qū)不同車道位置平均速度與 95%位流量的關(guān)系圖

本文擬將95%位的流量作為該車道的近似通行能力值，盡管這個通行能力受數(shù)據(jù)采集的局限性影響，但基本能據(jù)此作為對通行能力的判斷.

由表1可知，當車道寬度變小時，通行能力受到車道寬度的影響較大，通行能力下降較多.無論車道位置或者車道寬度的不同，由于匝道合流區(qū)上游路段受到匯入車流的影響較大，其基本通行能力與快速路基本路段2 100～2 200 pcu/h相比較而言還是有一定的差距，這反映了匝道合流區(qū)受到匝道匯入車流的影響，通行能力有一定的下降；另一方面，當流量較低時，車道的位置與車道寬度之間沒有太大的聯(lián)系，但是當流量較高時，由于交織車流的影響，外側(cè)車道和中間車道比較內(nèi)側(cè)車道而言，流量受到車道寬度的限制影響較大.

4 回歸模型的建立與分析

通過對快速路匝道合流區(qū)中不同車道寬度設(shè)置下的平均車速與通行能力的數(shù)據(jù)作散點圖，見圖4，可以發(fā)現(xiàn)車流的平均車速和通行能力近似的呈現(xiàn)二元函數(shù)關(guān)系.

圖4 平均車速和通行能力散點圖

將調(diào)查的數(shù)據(jù)進行多元線性回歸，模型的變量選擇見表2，其中車道寬度分為3，3.25，3.5，3.75和4 m，車道位置分為內(nèi)側(cè)車道、中間車道和外側(cè)車道3種，x3～x8為引入的虛擬變量.

表2 模型變量選擇

表3 回歸模型擬合情況

表4 回歸分析F檢驗結(jié)果

模型擬合的結(jié)果顯示變量x8在T檢驗下的P值大于0.05，故它在顯著性水平為0.05時對y值沒有顯著性的影響，可以將其剔除后重新進行多元統(tǒng)計回歸分析得到了改進后的回歸模型及回歸分析F檢驗結(jié)果見表6～7.

表5 回歸分析T檢驗結(jié)果

表6 改進后回歸擬合情況

表7 改進后回歸分析F檢驗結(jié)果

表8 改進后回歸分析T檢驗結(jié)果

因此，優(yōu)化后的模型為

y=1 078.01-0.55x1+32.3x2-199.83x3-

(4)

式中：y,x意義見表2.從回歸模型可以得出，隨著車道寬度的不斷增加，在相同的設(shè)計速度下，匝道合流區(qū)交通流的通行能力是不斷增加的，而且內(nèi)側(cè)車道的通行能力往往要比中間車道和外側(cè)車道大，這主要是由于匝道合流區(qū)外側(cè)車道和中間車道收到匝道匯入車流不斷變速和變道行為的影響較大，而內(nèi)側(cè)車道收到的干擾相比較而言要小很多，故駕駛員們多數(shù)傾向于選擇內(nèi)側(cè)車道行駛.

在實際的匝道合流區(qū)建設(shè)和車道寬度的調(diào)整中，如果道路空間比較充足以及交通設(shè)施允許擴寬的條件下，適當增加車道寬度能夠在設(shè)計車速不變的情況下增加車道整體的通行能力，而且內(nèi)側(cè)車道的通行能力增加量相比較中間車道和外側(cè)車道而言，往往更大.

5 結(jié)束語

本文研究了匝道合流區(qū)主線車道寬度設(shè)置對交通的影響.基于實測數(shù)據(jù)解釋了調(diào)查數(shù)據(jù)的采集并進行統(tǒng)計與分析，分析了車道寬度設(shè)置影響的因素，通過分析得到了車道寬度對通行能力的影響較大，最后結(jié)合上述研究得到車道寬度設(shè)置對交通流車速和通行能力影響的回歸模型，模型結(jié)果顯示車道寬度的不同會顯著地影響到匝道合流區(qū)主線上車速與通行能力的關(guān)系.

[1]CHEN Hongyun.Observed dynamic traffic features on freeway section with merges and diverges[J].Journal of Transportation Research Board，2004(1867)：25-30.

[2]慈玉生.快速路匝道連接段通行能力與匝道設(shè)置研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[3]楊曉寶.匝道控制對道路通行能力的影響[J].黑龍江交通科技，2007(1)：32-33.

[4]郝 媛，許天冬.城市快速路交通流特性研究[J].交通運輸工程信息學(xué)報，2006(12)：21-27.

[5]鐘連德，榮 建，孫小端.關(guān)于高架快速路車道寬度設(shè)置的探討[J].公路交通科技，2006(10):117-119.

[6]HA Youn Lee,LEE Hyun-Woo,KIM Doochul.Traffic states of a model highway with on-ramp [J].Physical A,2000(11):78-86.

[7]CHRISTOPHER J P.Type C weaving areas on freeways-data collection and flow analysis[D].Arlinhton：The University of Texas，2002.

[8]YEON Jiyoun,SARAH H，LILY E.Differences in freeway capacity by day of the week, time of day,and segment type[J].Journal of Transportation Engineering，2009(8):78-81.

[9]龐明寶，賀國光，任沙沙.基于減法聚類模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高速公路混沌控制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2010(5)：1018-1021.

[10]龐明寶，賀國光，馬 寧.基于遺傳算法高速公路混沌系統(tǒng)模糊延遲反饋匝道控制[J].土木工程學(xué)報，2009(3)：55-58.

[11] 梁新榮，任 睿.基于模糊邏輯工具箱的高速公路匝道控制[J].微計算機信息，2008(13)：102-105.

[12]滕亞帆，高自友，賈 斌，等.信號燈控制下的主道雙車道入匝道系統(tǒng)交通流特性研究[J].物理學(xué)報，2008(3)：40-43.

Traffic Impact Analysis of Lanes Width on On-ramp Merging Area of Expressway

SONG Rui1)SUN Yan1)XUE Xingjian2)

(KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804，China)1)(SchoolofLogistics,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004，China)2)

Because of the slow speed, frequent disturbance, lane changing behavior and freely squeezing characteristics, the on-ramp merging area is different from the main line. In order to alleviate traffic jams in ramp merging area, lane space layout becomes the key point of recent domestic and foreign research. Based on coil measured data of ramp merging area, the influences of width settings ramp merging area lane on the traffic were researched in this paper. On the basis of the scholars’ studies at home and abroad, the factors of influencing the lane width settings were analyzed. The regression model about the influence of the lane width settings on traffic capacity was summarized, and the model results showed that the difference of lane width would affect the relationship between speed and capacity in ramp merging area.

urban expressway; ramp merging area; lane width; traffic impact

2015-01-12

*國家自然科學(xué)基金項目資助(批準號：71072027)

U491.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.012

宋 睿(1986- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域為交通運輸規(guī)劃與管理