禁止超車的窄雙車道交通流特性及模型研究*

范偉康　韓寶睿

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院　南京　210037)

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禁止超車的窄雙車道交通流特性及模型研究*

范偉康韓寶睿

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院南京210037)

摘要：目前國(guó)內(nèi)外對(duì)禁止超車的窄雙車道公路交通流特性研究較少，而其獨(dú)特的交通流特性不容忽視.文中通過(guò)選取實(shí)測(cè)路段，采集交通流數(shù)據(jù)，分析禁止超車的窄雙車道公路交通流特性及微觀交通流參數(shù)分布特征，并驗(yàn)證了車頭時(shí)距的分布模型.在此基礎(chǔ)上，對(duì)交通流“車隊(duì)化”現(xiàn)象進(jìn)行研究，提出車隊(duì)時(shí)距概念，并得出其符合Gaussian分布模型.使用車隊(duì)離散理論對(duì)路段車隊(duì)集聚、分散現(xiàn)象進(jìn)行描述，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Pacey模型進(jìn)行驗(yàn)證，提出了新的車隊(duì)離散模型，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.

關(guān)鍵詞：交通流；雙車道公路；窄車道；離散模型

0引言

禁止超車的窄雙車道公路是指雙向雙車道公路由于道路幾何條件限制，部分節(jié)點(diǎn)存在車道寬度遠(yuǎn)小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，路段實(shí)施禁止超車的交通管控策略.其獨(dú)特之處在于跟馳的車隊(duì)波與會(huì)車過(guò)程，且隨著交通量的增加，跟馳過(guò)程明顯、會(huì)車需求增加，窄道處車輛須排隊(duì)通過(guò)，導(dǎo)致通行能力降低，延誤增加；當(dāng)大型車輛通過(guò)窄道時(shí)，甚至需占用對(duì)向車道，高峰時(shí)期影響尤為嚴(yán)重.跟馳干擾與對(duì)向車流制約的共同作用，造就了禁止超車的窄雙車道公路交通流的獨(dú)特性.

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雙車道公路交通流的研究已較為豐富與成熟，例如，其通行能力、超車模型、雨天等特殊天氣的交通特性等均有較多研究[1-4].而面對(duì)禁止超車的窄道的雙車道公路交通流，已有的研究理論很難做全面的解釋.因而文中在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，提出“車隊(duì)”的研究概念，嘗試研究禁止超車的窄雙車道公路交通流特性及“車隊(duì)化”現(xiàn)象，以完善我國(guó)公路交通流研究，并提供為其更多、更新的研究成果.

1禁止超車的窄雙車道交通流特性分析

1.1交通調(diào)查

以南京市紫金山雙車道公路為調(diào)查對(duì)象，其雖位于城市內(nèi)部，卻為市區(qū)與城東的主要連接線路，具備過(guò)境通道性質(zhì)，且執(zhí)行公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因而符合課題研究.其貫穿紫金山，公路最窄處總寬5 m，行車道寬2.2 m，路肩寬度0.3 m，實(shí)施禁止超車的交通管控策略，且擁有豐富的道路幾何線型，為調(diào)查提供了較好的樣本條件.

此外，調(diào)查對(duì)象具備通勤特性，本次研究數(shù)據(jù)采集時(shí)間主要選取工作日晚高峰小時(shí)(17:00～18:00)，共選取6處代表路段進(jìn)行參照對(duì)比(包括窄道段、直線段、平曲線段、彎道組合路段等)，選取路段特征見(jiàn)表1.以人工調(diào)查與攝像調(diào)查法相結(jié)合，對(duì)交通量、速度、密度、車頭時(shí)距、車頭間距等參數(shù)進(jìn)行調(diào)查，采集數(shù)據(jù).

1.2交通流特性分析

紫金山雙車道公路全線交通流主要由小客車組成，大車混入率3%～5%，橫向干擾較少，交通組成較為簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行劃分車型等.根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)交通量、車頭時(shí)距，以及車速等交通流參數(shù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表2，圖1～2.

表1　調(diào)查路段幾何特性

表2　交通量時(shí)空特性

表2顯示出高峰小時(shí)系數(shù)(PHF)以及方向不均勻系數(shù)(D)隨路段變化情況，其中PHF分布在0.813～0.921之間，表明高峰小時(shí)的流量存在一定的可變性.而雙向的方向不均勻系數(shù)D值在0.5處浮動(dòng)且變化較小，表明路段雙向通勤交通較為均勻，基本無(wú)潮汐現(xiàn)象.

路段地點(diǎn)車速分布見(jiàn)圖1，以路段2為例，太平門方向0～20，20～25 km/h車速分布為26%，50%，而對(duì)向?yàn)?6%，32%.即太平門方向車流相對(duì)較大時(shí)，跟馳顯著，密集通過(guò)窄道，而對(duì)向車流則排隊(duì)減速配合主車流通過(guò)，因而速度降低，同時(shí)車頭時(shí)距被拉長(zhǎng).直線段車速主要集中在30～40 km/h之間，而窄道段近76%的車速卻在25 km/h之下，減幅達(dá)近17 km/h.此外，路段3處往中山植物園方向出車速較低特殊情況，主要由于路內(nèi)設(shè)置了公交?？空军c(diǎn)，公交車輛?？繉?dǎo)致了車輛跟馳、停車.

圖1　路段地點(diǎn)車速頻率分布

圖2顯示出幾何線型對(duì)車頭時(shí)距影響顯著，以路段1、2(直線段與窄道段)對(duì)比，窄道段車頭時(shí)距集中在3 s內(nèi)，占74%，與此同時(shí)，直線段僅有34%；此外，路段2中，太平門方向0～1.5 s及1.5～3 s的車頭時(shí)距比例為30%、44%，對(duì)向則為15%、58%.因公路總寬限制，雙向車流會(huì)相互影響，出現(xiàn)某向車流通過(guò)窄道時(shí)，對(duì)向車流減速，甚至停車等待會(huì)車，造成車頭時(shí)距增大.

圖2　路段車頭時(shí)距分布

課題調(diào)查對(duì)象為禁止超車的窄雙車道公路，其車頭時(shí)距分布恰為已有研究成果指出的“限制超車的單列車流車頭時(shí)距分布”[5]，文中以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS軟件對(duì)車頭時(shí)距分布驗(yàn)證，以太平門方向?yàn)槔?，模型參?shù)及分布曲線見(jiàn)圖3.其擬合優(yōu)度R2為0.976、F為1 007.187，且Sig<0.01，表明曲線具備較好的顯著性，很好的符合移位負(fù)指數(shù)模型，模型表達(dá)式為：P(h≥t)=e-0.208t+0.254=e-0.208(t-1.221).

圖3　車頭時(shí)距分布擬合圖

2車隊(duì)運(yùn)行特性

2.1車隊(duì)長(zhǎng)度

調(diào)查過(guò)程中，約束流下，交通流出現(xiàn)“車隊(duì)化”到達(dá)的現(xiàn)象，且不同路段以不同長(zhǎng)度的車隊(duì)狀態(tài)運(yùn)行.根據(jù)《HCM》指出的，雙車道公路跟車標(biāo)準(zhǔn)為車頭時(shí)距小于3 s[6]，文中結(jié)合路段實(shí)際情況，定義車頭時(shí)距小于3 s，或車頭間距小于15 m的車流為車隊(duì)(實(shí)際調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，車頭間距在10 m時(shí)較好的形成車隊(duì)，而15 m為形成車隊(duì)的極限，文中取上限).例如，一列車隊(duì)在路段1處進(jìn)入，記錄車隊(duì)長(zhǎng)(車輛數(shù))為4，進(jìn)入路段2后，觀測(cè)到車隊(duì)長(zhǎng)為8，進(jìn)入路段3后，觀測(cè)車隊(duì)長(zhǎng)度則變?yōu)?，對(duì)連續(xù)5個(gè)工作日晚高峰調(diào)查，記錄其車隊(duì)變化情況.圖4顯示了往太平門方向平均車隊(duì)長(zhǎng)度變化，表3則顯示了觀測(cè)路段車隊(duì)變化情況.

圖4　太平門方向平均車隊(duì)長(zhǎng)度

由于無(wú)法進(jìn)行超車，車輛進(jìn)入路段后結(jié)成車隊(duì)行駛，又因公路線型以及慢速車輛，運(yùn)行過(guò)程中重新組合，形成新的車隊(duì).例如，路段1車隊(duì)進(jìn)入路段2窄道時(shí)，因車道變窄造成通行能力降低，極易造成上游兩車隊(duì)合一，車隊(duì)長(zhǎng)度增加；再如路段2車隊(duì)進(jìn)入路段3時(shí)，車輛加速駛離，卻又很快進(jìn)入平曲線路段，加之路內(nèi)設(shè)置公交?？奎c(diǎn)，使得車隊(duì)長(zhǎng)度減幅并不明顯.

表3　路段車隊(duì)長(zhǎng)度分布　輛

2.2車隊(duì)速度

調(diào)查結(jié)果顯示，車隊(duì)雖然在進(jìn)入不同路段會(huì)發(fā)生重組，但在各路段內(nèi)行駛時(shí)車隊(duì)跟馳過(guò)程較為穩(wěn)定.又因無(wú)法超車，車隊(duì)速度主要受頭車車速影響.圖5顯示了車隊(duì)平均速度與路段地點(diǎn)平均速度變化.總體而言，車隊(duì)平均速度略小于路段的地點(diǎn)平均速度，差距并不明顯.在路段3，4，5內(nèi)，對(duì)向速度表現(xiàn)出較大的差異性，路段4，5主要因公路線型影響，符合上下坡特性，而路段3主要?jiǎng)t為中山植物園方向設(shè)置路內(nèi)公交?？奎c(diǎn)，造成車隊(duì)減速及停車.

圖5　車隊(duì)平均速度與地點(diǎn)平均速度

2.3車隊(duì)時(shí)距分布

國(guó)內(nèi)外對(duì)車隊(duì)到達(dá)分布尚未有深入研究，傳統(tǒng)的車頭時(shí)距亦無(wú)法解釋車隊(duì)的到達(dá)規(guī)律，文中定義一個(gè)新參數(shù)—車隊(duì)時(shí)距，即通過(guò)某一斷面，前后兩車隊(duì)頭車的時(shí)間間隔(車隊(duì)定義同前)，以此研究車隊(duì)到達(dá)分布規(guī)律.通過(guò)實(shí)地調(diào)查，對(duì)不同路段分別取樣及處理，取單向各201對(duì)車隊(duì)，共400組樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用Matlab軟件進(jìn)行分布曲線擬合見(jiàn)圖6.擬合曲線參數(shù)見(jiàn)表4.

圖6　車隊(duì)時(shí)距擬合曲線

擬合曲線1(太平門方向)擬合曲線2(中山植物園方向)模型表達(dá)式①P(h≥t)=2.714×exp(-((t+82.35)/89.96)-2)P(h≥t)=3.595×exp(-((t+591.3)/184.3)-2)SSE(殘差平方和)0.0079520.01217R2(擬合優(yōu)度)0.99740.9952AdjustedR20.99720.9947RMSE(均方根誤差)0.018590.02407

注：式中：P(h≥t)為車隊(duì)時(shí)距h≥t的概率；t為間隔時(shí)間.

圖6、表4顯示擬合曲線模型及檢驗(yàn)參數(shù)，其中擬合優(yōu)度R2達(dá)到了0.995以上，殘差平方和只有約0.01，均說(shuō)明擬合曲線有良好的顯著性及精度，很好的符合Gaussian(亦稱為正態(tài))分布模型.因此，Gaussian分布模型能夠適用于描述禁止超車的窄雙車道公路車隊(duì)的到達(dá)分布規(guī)律.

3禁止超車的窄雙車道車隊(duì)離散模型

3.1車隊(duì)離散模型

禁止超車的窄雙車道公路雖無(wú)信號(hào)配時(shí)影響，卻由于其特殊的線型，加之存在的慢速車輛，導(dǎo)致車流以不同的車隊(duì)形式在路段內(nèi)行駛，并在過(guò)渡區(qū)集聚、分散，使得車隊(duì)從上游入口進(jìn)入后進(jìn)行離散、集聚、再離散、再集聚過(guò)程，形成車隊(duì)離散現(xiàn)象.此過(guò)程中以路段2及其上下游最為突出，故文中選取路段2到達(dá)路段1下游過(guò)程作為研究對(duì)象，并以車隊(duì)離散模型描述車流離散規(guī)律.因路段較長(zhǎng)，而Pacey模型(一種變換的正態(tài)分布模型)對(duì)此較為適合[7]，且已有研究亦表明正態(tài)分布模型可能更適合描述車隊(duì)離散現(xiàn)象[8].Pacey模型的車輛時(shí)間概率分布模型為：

(1)

通過(guò)對(duì)路段2、路段1重新劃分?jǐn)嗝?，以車牌照法調(diào)查，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可得到斷面車輛行駛時(shí)間數(shù)據(jù)的分布情況，使用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合見(jiàn)圖7.

圖7　車輛行駛時(shí)間正態(tài)分布擬合圖

數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中，對(duì)Pacey模型的擬合曲線結(jié)果雖然顯示出一定的吻合度(擬合優(yōu)度R2為0.818 2)，卻并未達(dá)到預(yù)期.通過(guò)對(duì)其他模型的擬合，發(fā)現(xiàn)Gaussian分布模型(無(wú)變換正態(tài)分布模型)的擬合優(yōu)度R2達(dá)到了0.989 8，調(diào)整R2為0.988 7，殘差平方和SSE為0.021 3，均說(shuō)明正態(tài)分布模型能夠更好的擬合曲線，且吻合度最高.王殿海等人通過(guò)對(duì)城市道路的研究也指出，無(wú)變換的正態(tài)分布模型能更好的描述實(shí)際[9].得到的行駛時(shí)間正態(tài)分布模型表達(dá)式為：

(2)

3.2離散模型驗(yàn)證

對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)、擬合模型及Pacey模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可得車輛離散數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)及模型擬合結(jié)果，其對(duì)比見(jiàn)圖8.對(duì)Pacey模型及擬合模型擬合度進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，其χ2值分別為11.889,44.973，而當(dāng)顯著水平α=0.05時(shí)，16自由度的χ2值為26.296.擬合模型通過(guò)檢驗(yàn)，而Pacey模型未能通過(guò)檢驗(yàn).因此，可以認(rèn)為正態(tài)分布模型能夠描述禁止超車的窄雙車道公路車隊(duì)離散現(xiàn)象.

圖8　離散模型結(jié)果對(duì)比圖

4結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)窄雙車道公路路段實(shí)地調(diào)查，運(yùn)用SPSS、Matlab等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出其交通流時(shí)空特性特性、路段地點(diǎn)車速及車頭時(shí)距分布，并對(duì)車頭時(shí)距分布模型進(jìn)行了驗(yàn)證.對(duì)其出現(xiàn)的“車隊(duì)化”現(xiàn)象進(jìn)行描述，討論了其路段平均車隊(duì)長(zhǎng)度分布、車隊(duì)運(yùn)行速度以及車隊(duì)時(shí)距，認(rèn)為車隊(duì)時(shí)距分布符合Gaussian分布模型.在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用車隊(duì)離散理論探討其車隊(duì)離散現(xiàn)象，對(duì)經(jīng)典Pacey模型進(jìn)行驗(yàn)證，提出了新的車隊(duì)離散模型，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證.

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Traffic Flow Characteristics and Model for Narrow Two-lane Highway with No Overtaking

FAN WeikangHAN Baorui

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

Abstract：At present, the research on traffic flow characteristics for narrow two-lane highway with no overtaking is few both in China and abroad, while the unique characteristics of traffic flow cannot be ignored. Based on the collected traffic flow data at the measured sections, this paper analyzes the traffic flow characteristics and distribution features of microscopic traffic flow parameters and verifies the distribution model of headway. By proposing the concept of headway of motorcade, this paper studies the phenomenon of traffic flow “motorcade” and draws its distribution law that is in accordance with Gaussian distribution model. This paper also describes the grouping and scattering of motorcade on sections using discrete theory of motorcade and verifies Pacey model by the measured data. Finally, a new discrete model of motorcade is proposed and verified with the measured data.

Key words：traffic flow; two-lane highway; narrow lane; discrete model

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.035

中圖法分類號(hào)：U491

收稿日期：2016-01-25

范偉康(1991- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌骼碚?/p>

*2014江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助(KYLX_0885)