臨時變向車道的交通流速度及沖突特性分析

曹弋，楊忠振，左忠義

（1.大連海事大學(xué)交通運輸工程博士后流動站，遼寧大連116026；2.大連交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，遼寧大連116028；3.大連海事大學(xué)交通運輸管理學(xué)院，遼寧大連116026）

臨時變向車道的交通流速度及沖突特性分析

曹弋*1,2，楊忠振3，左忠義2

（1.大連海事大學(xué)交通運輸工程博士后流動站，遼寧大連116026；2.大連交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，遼寧大連116028；3.大連海事大學(xué)交通運輸管理學(xué)院，遼寧大連116026）

為了揭示臨時變向車道所存在的交通運行問題，針對其方向變更時段的交通流速度特性與交通沖突特性進(jìn)行分析.選擇具有代表性意義的黃浦路為調(diào)查對象，分別對其方向變更前后的交通流特性參數(shù)進(jìn)行調(diào)查.采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，對比分析方向變更前后的交通流速度特性與交通沖突特性.采用回歸分析的方法，構(gòu)建該類車道的密度與速度關(guān)系模型及交通沖突預(yù)測模型.研究表明，臨時變向車道在方向變更前后的交通流速度及交通沖突方面具有明顯的規(guī)律性差異，速度與密度之間及沖突數(shù)與流量、密度之間存在定量關(guān)系.

城市交通；交通沖突；回歸分析；臨時變向車道；交通流速度

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，各大城市的用地布局不斷向市外方向拓展.這使得城市中各條進(jìn)出城通道的交通潮汐現(xiàn)象愈發(fā)明顯.相關(guān)研究表明，交通潮汐現(xiàn)象將導(dǎo)致重交通方向交通供給設(shè)施不足，嚴(yán)重時會產(chǎn)生交通擁堵；同時會導(dǎo)致輕交通方向的道路資源閑置[1].為了充分利用現(xiàn)有道路資源并緩解交通潮汐現(xiàn)象所帶來的方向不均勻性，各城市主要進(jìn)出城通道相繼采用了臨時變向車道的交通組織模式[2].因此，有必要對這一交通組織模式下的交通運行狀況進(jìn)行定量分析并揭示其規(guī)律，為該交通組織方式的實施與改進(jìn)奠定理論基礎(chǔ).

目前，國內(nèi)外學(xué)者對變向車道均進(jìn)行了相應(yīng)研究.Dey S等[3,4]介紹了美國城市走廊在上下班高峰時段設(shè)置變向車道以改善交通流量的實施經(jīng)驗，研究了變向車道在臨時性緊急疏散，維護(hù)交通或發(fā)生交通事故時的應(yīng)用.Wolshon B等[5]基于國家合作公路研究計劃(NCHRP)，研究了變向車道的應(yīng)用范圍，包括保證變向車道使用的安全性，對環(huán)境的影響，以及設(shè)計和實施要求.Sheu J B等[6]研究了變向車道實施時段的車道變換行為，并為之構(gòu)建了隨機(jī)預(yù)測模型.國內(nèi)張好智等[7]提出了雙向流量不平衡道路的車道調(diào)整方法，并建立了離散雙層規(guī)劃模型，其中處于上層的交管部門通過調(diào)整雙向道路的車道分配方案，使得城市交通網(wǎng)的總阻抗最小.陳堅等[8]對成都市蜀西路進(jìn)行了交通調(diào)查，分析了該路段的交通流量、服務(wù)水平等交通特性.通過交通仿真的手段，論證了變向車道的交通運行效率.劉英舜等[9]運用VISSIM系統(tǒng)對變向車道進(jìn)行了交通仿真，發(fā)現(xiàn)旅行時間與平均行車延誤均大大降低.宮曉燕等[10]針對潮汐交通現(xiàn)象,提出了基于有序樣本類和非參數(shù)回歸交通流預(yù)測的通行方向切換算法.孫璐等[11]借助交通沖突分析技術(shù)，研究了交織區(qū)的交通安全狀況評價方法.

盡管國內(nèi)外對該領(lǐng)域進(jìn)行了不少研究，但多針對具有明確信號指示及完整標(biāo)線的變向車道，而非臨時變向車道.此外，對于交通沖突現(xiàn)象缺乏定量的對比分析.鑒于上述情況，在交通調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析臨時變向車道的交通流速度特性與交通沖突特性，對于該類車道的實施與改進(jìn)具有一定的理論指導(dǎo)意義與實際應(yīng)用價值.

2 交通調(diào)查

2.1 調(diào)查地點

臨時變向車道是指在變向車道附屬設(shè)施不完善或不具備的條件下，根據(jù)交通潮汐現(xiàn)象的顯著程度，臨時采用物理隔離或人工指揮的方式，將某一條車道的行車方向改變的交通組織方式.選擇大連市具有代表性的黃浦路(凌源街至高能街)為調(diào)查路段，全長1.4 km，雙向六車道.該路是大連市內(nèi)通往旅順的重要通道，高峰時段交通潮汐現(xiàn)象明顯.但由于該路段在設(shè)計時并未考慮交通潮汐問題，因此沒有設(shè)置變向車道的信號及標(biāo)線等設(shè)施，僅根據(jù)交通需求臨時采用變向車道的交通組織模式.故而該路段能夠反映臨時變向車道的基本特征，具有普遍代表性意義，適合本研究的交通調(diào)查.

2.2 調(diào)查時段

考慮到周一及周五交通出行時空分布的特殊性，調(diào)查選擇在周二至周四進(jìn)行，共調(diào)查兩周.由于該路段變向車道晚高峰方向變更時刻為16:30左右，為使調(diào)查數(shù)據(jù)包含變向車道方向變更前后的特性參數(shù)，每天的調(diào)查時間段選定為15:30至17:30.

2.3 調(diào)查方法

調(diào)查分為外業(yè)觀測與內(nèi)業(yè)整理兩個階段.外業(yè)觀測利用數(shù)碼攝像機(jī)記錄調(diào)查時段內(nèi)的交通流運行狀況.采用便攜式雷達(dá)測速儀對調(diào)查斷面內(nèi)的車道1、車道2及車道3中的車輛進(jìn)行速度觀測，其中車道2為臨時變向車道，如圖1所示.本調(diào)查配置7名調(diào)查員，其中1名負(fù)責(zé)控制攝像機(jī)，其余6名位于測速斷面，分別觀測并記錄上述3條車道中的車輛行駛速度與交通沖突及其發(fā)生時間.內(nèi)業(yè)整理則利用人工計數(shù)法，對視頻觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計，可以獲得不良駕駛行為種類與數(shù)量、交通沖突數(shù)、流量、密度等數(shù)據(jù).

2.4 交通組織模式

通過對黃浦路的觀測，歸納臨時變向車道交通組織方式的實施步驟，包括3個環(huán)節(jié).

（1）清空車道.利用專用作業(yè)車，以輕交通上游方向為起點設(shè)置隔離墩，使得輕交通方向的車流由原有的n條車道通行，合流為n-1條車道通行，如圖1所示.而后，作業(yè)車在該車道內(nèi)沿著輕交通方向行駛，并每隔一段距離在變向車道外側(cè)設(shè)置隔離墩，直至變向車道終點.該過程中，只完成輕交通并道行駛，而變向車道本身暫時無車輛通行.

圖1 起點處設(shè)置隔離墩Fig.1 Isolation piers at the starting point

（2）方向變更，人工監(jiān)管.當(dāng)作業(yè)車駛至變向車道終點時，開放重交通方向的車道通行權(quán).重交通方向由原有的n條車道通行，分流為n+1條車道通行.在臨時變向車道運行過程中，每隔一段距離及沿線交叉口處都需要有交警人工監(jiān)視并指揮交通.

（3）回收隔離設(shè)施，恢復(fù)原交通.當(dāng)路段交通潮汐現(xiàn)象減弱后，需要恢復(fù)原交通.該過程中作業(yè)車的行進(jìn)方向與第（1）步驟相反.即由重交通上游方向行駛至輕交通上游方向，同時回收隔離設(shè)施.

3 交通流速度特性分析

3.1 個體車輛的速度分布

根據(jù)第一周3天內(nèi)的個體車輛地點速度調(diào)查結(jié)果，分別選取變向車道方向變更前后的連續(xù)50輛車為研究對象，將其地點車速按照車輛通過調(diào)查地點的先后次序匯總于圖2中.三天內(nèi)個體車輛地點車速的分布狀況如圖3所示.

從圖2與圖3中可以明顯看出，變向車道方向變更前的個體車輛地點速度，普遍高于方向變更后的數(shù)值.方向變更前的速度主要分布在30～60 km/h區(qū)間內(nèi)，而變更后的速度主要分布在20 km/h以下.此外，圖2中顯示，方向變更前的速度較為穩(wěn)定，而方向變更后的初期，車輛地點速度較高，后期穩(wěn)定運行時，平均速度較低，且二者差異較大.實際觀測表明，在變向車道方向變更初期，該車道上的車輛數(shù)較少，車輛可以較自由的通行，這也是導(dǎo)致方向變更初期，變向車道內(nèi)車輛地點速度較高的主要原因之一.

圖2 個體車輛地點速度Fig.2 The individual spot speed

圖3 個體車輛地點速度分布Fig.3 The individual spot speed distribution

3.2 交通流平均運行速度

將第一周3天內(nèi)觀測到的方向變更前后50輛車的地點車速再取平均值，可以得到該車隊的交通流平均速度.計算表明，方向變更前的車隊平均速度為49.3 km/h，方向變更后的車隊平均速度為19.0 km/h，不足變更前的一半.由此說明，臨時變向車道上的車流速度，明顯低于普通車道的車流速度；臨時變向車道的運行效率無法達(dá)到普通車道的運行水平.研究除對變向車道本身的車速進(jìn)行分析外，還對其相鄰普通車道的車流平均速度進(jìn)行了統(tǒng)計分析，如表1所示，其中2道為變向車道.

表1 相鄰車道平均速度Table 1The average velocity at adjacent lanes

表1中的數(shù)據(jù)說明了，方向變更前后，不僅變向車道上車流運行速度受到影響，其相鄰車道上的速度同樣受到影響.此外，方向變更后，對于變向車道起點上游的車速影響大于起點下游路段.

3.3 交通密度與平均速度的關(guān)系模型

分別選取臨時變向車道方向變更前后的15分鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計.每3分鐘為一個時間間隔，統(tǒng)計該段時間內(nèi)每輛車的速度，然后換算為平均速度.在3分鐘的時間段內(nèi)，取初始時刻、中間時刻及終止時刻三個瞬態(tài)，確定三個瞬態(tài)下，已知長度車道內(nèi)的車輛數(shù)，從而獲得三個瞬態(tài)密度及平均密度.所得速度與密度數(shù)據(jù)如表2所示.對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得圖4.

表2 方向變更前后的速度與密度數(shù)據(jù)Table 2The velocity and density before and after direction changing

圖4 方向變更前后的速度與密度關(guān)系Fig.4 The relationship between velocity and density before and after direction changing

上述研究表明，臨時變向車道上的交通密度與平均速度仍然具有較好的線性關(guān)系，只是表達(dá)式及數(shù)據(jù)分布區(qū)域與普通車道不同.方向變更前的速度值分布區(qū)域為35 km/h至50 km/h，方向變更后的速度值分布區(qū)域為10 km/h至32 km/h.實際應(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合實際問題，開展交通調(diào)查.在利用調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)標(biāo)定后，方可用于實際計算.

4 交通沖突特性分析

4.1 交通沖突的界定

本文主要研究由于臨時變向車道的設(shè)置而產(chǎn)生的交通沖突現(xiàn)象.故而僅針對臨時變向車道及其相鄰車道內(nèi)所發(fā)生的交通沖突進(jìn)行統(tǒng)計.實地調(diào)研時，先由位于測速斷面的調(diào)查員，觀測交通沖突現(xiàn)象.當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述車道內(nèi)有車輛進(jìn)行車道變換時，若相鄰車輛行駛速度明顯降低，即車輛的制動尾燈啟亮?xí)r，則認(rèn)為發(fā)生1次交通沖突并記錄其發(fā)生時間.然后，依據(jù)視頻資料，核對交通沖突及發(fā)生時間并統(tǒng)計其發(fā)生次數(shù).交通沖突界定依據(jù)如圖5所示.

圖5 交通沖突界定示意Fig.5 The sketch of traffic conflict definition

4.2 沖突數(shù)對比分析

臨時變向車道不同于門架式變向車道，沒有明確的交通信號控制系統(tǒng)，而且其交通標(biāo)線并不隨著車道方向的改變而變化.故而，這種交通組織方式在實際運行時，將存在較嚴(yán)重的交通沖突現(xiàn)象.將臨時變向車道方向變更前后，各15分鐘的交通沖突數(shù)統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行對比.以每3分鐘為一個時段，整理于表3中.分析表明，臨時變向車道運營時的交通沖突數(shù)明顯高于普通車道，近似為普通車道交通沖突數(shù)的2倍.值得注意的是，本次調(diào)查獲得的交通沖突數(shù)，是在有交警人工指揮的條件下獲取的.其交通管理條件優(yōu)于方向變更前.

表3 方向變更前后的交通沖突數(shù)Table 3The quantity of traffic conflict before and after direction changing

4.3 交通沖突原因分析

實踐表明，路段上的交通沖突多由不良駕駛行為所導(dǎo)致.通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)調(diào)查路段上常見的不良駕駛行為包括：壓線行駛、強行變換車道及路邊停車三類，其構(gòu)成關(guān)系如圖6所示.

圖6 變向車道不良駕駛行為構(gòu)成Fig.6 The component of aggressive driving behavior at reversible lane

通過甄別視頻調(diào)查資料中不良駕駛行為與交通沖突的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，盡管圖5中壓線行駛行為的發(fā)生次數(shù)較多，但它并不是導(dǎo)致路段交通沖突的主要原因，而強行變道是誘發(fā)交通沖突的主要原因，而且在交通密度較大的情況下，車輛一次強行變道，往往會與多輛汽車發(fā)生交通沖突.此外發(fā)現(xiàn)，除路段上的交通沖突外，在變向車道起點處的交通沖突現(xiàn)象極為嚴(yán)重.這是因為該處不論輕交通方向還是重交通方向，車輛都是合流運行，故而由并道引發(fā)的交通沖突非常嚴(yán)重.而變向車道終點處的雙向交通，由于都是分流運行，故而車輛較少發(fā)生沖突.

4.4 交通沖突預(yù)測模型

視頻觀測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交通流密度較低且交通流量較小時，車輛行駛條件較好，駕駛員在這種條件下，通常沒有強行變換車道的必要，即便存在個別不良駕駛行為，也不至于導(dǎo)致與相鄰車輛產(chǎn)生沖突.但對于交通密度較大且流量較大的飽和流來說，駕駛員在爭道搶行時，容易導(dǎo)致交通沖突.鑒于上述分析，認(rèn)為臨時變向車道上的交通沖突數(shù)，應(yīng)與交通密度和流量有關(guān).依據(jù)第一周調(diào)查所得數(shù)據(jù)，按3分鐘為一個時間區(qū)間，整理出交通沖突數(shù)、密度及流量的平均值，如表4所示.采用Matlab進(jìn)行非線性多元回歸，得到曲面如圖7所示，回歸的交通沖突預(yù)測模型如式(1)所示.再依據(jù)第二周調(diào)查得到的上述數(shù)據(jù)，對回歸出的交通沖突預(yù)測模型進(jìn)行驗證分析，計算結(jié)果如表5所示.

表4 變向車道的流量、密度及沖突數(shù)據(jù)Table 4The flow,density and conflicts of reversible lane

表5 交通沖突預(yù)測模型計算結(jié)果Table 5The calculation result of the prediction model of traffic conflict

圖7 交通沖突與流量及密度的關(guān)系Fig.7 The relationship between the traffic conflicts,flow and density

c=0.588 1Q-1.805K+0.006 2K2-7.771 1(1)式中c為交通沖突數(shù)，次；Q為交通流量，輛/h；K為交通流密度，輛/km.

5 研究結(jié)論

（1）臨時變向車道在方向變更初期的車輛個體速度較高，中后期穩(wěn)定運行時速度較低，但二者均低于方向變更前的速度；其交通流平均速度明顯低于普通車道；變向車道上交通流密度與速度的關(guān)系具有線性特性.

（2）臨時變向車道上的交通沖突數(shù)普遍高于普通車道，產(chǎn)生原因為少數(shù)車輛的強行變道行為；臨時變向車道起點處交通沖突嚴(yán)重，產(chǎn)生原因為飽和狀態(tài)下車輛的合流行駛；交通沖突次數(shù)可由交通流量及密度參數(shù)進(jìn)行預(yù)測.

（3）臨時變向車道能夠一定程度上緩解交通潮汐現(xiàn)象所帶來的方向不均勻性，但存在設(shè)施不完善、交通運行速度較低及交通沖突現(xiàn)象突出等問題.

由于調(diào)查路段交通運行與組織模式所限，本次調(diào)查，在臨時變向車道方向變更前后的交通負(fù)荷狀態(tài)有所變化，且為有交警人工指揮下的交通狀態(tài).故而，上述交通負(fù)荷條件及人為因素對交通流速度與沖突特性的影響，應(yīng)在后續(xù)研究中予以排除.

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Traffic Flow Speed and Conflict Characteristic on Temporary Reversible Lane

CAO Yi1,2，YANG Zhong-zhen3，ZUO Zhong-yi2
（1.Post-doctoral Station of Communication and Transportation Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026, Liaoning,China;2.School of Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning,China; 3.Transportation Management College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning,China）

In order to reveal the existing traffic operation problems of temporary reversible lane,the characteristics of traffic flow speed and traffic conflict in period of direction changing are analyzed. Selecting Huangpu road with representative significance as the investigation object,the characteristic parameters of traffic flow before and after direction changing are investigated respectively.By mean of mathematical statistics,the characteristics of traffic flow speed and traffic conflict before and after direction changing are compared and analyzed.Using method of regression analysis,not only the relationship model between speed and density is constructed,but also the prediction model of traffic conflict is proposed.The research indicates that,in terms of traffic flow speed and traffic conflict of temporary reversible lane,there are obvious and regular differences between them before and after direction changing.There is a quantitative relationship between the speed and density.The relationship among the quantity of traffic conflict,volume and density also exists.

urban traffic;traffic conflict;regression analysis;temporary reversible lane;traffic flow speed

1009-6744（2015）05-0074-07

U491.1

A

2015-04-24

2015-06-08錄用日期：2015-06-18

中國博士后科學(xué)基金(2014M561214)；遼寧省博士科研啟動基金(20141109).

曹弋（1982-），男，遼寧大連人，講師，博士后. ＊

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