基于交通波理論的山地城市快速路擁堵研究

蔡明

摘 要：基于交通波基本理論，從山地城市快速路的特性著手，考慮了常見的快速路入口匝道瓶頸問題，分析了其中的波動機理，并以重慶市渝魯大道為例，研究了江州立交主線擁堵的原因，最后對城市快速路擁堵研究作出了展望。

關鍵詞：交通波理論；山地城市；快速路；擁堵；交通流

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672 3198.2016.22.085

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平及機動車保有量的快速上升，交通擁堵已成為各大城市的通病，正在制約著各大城市未來的發(fā)展。當交通擁堵產(chǎn)生時，將會帶來時間、能耗、污染等成本的大大增加，損失巨大。據(jù)《2011北京市交通發(fā)展年度報告》統(tǒng)計，北京市2011年因交通擁堵問題直接損失1056億元，并呈上升趨勢。為解決或緩解交通擁堵這一世界性問題，不少學者對此研究。

1 山地城市快速路交通特性

快速路是指在城市內(nèi)修建的具有中央隔離、供汽車行駛、全部控制出入口的城市道路，其單向不低于2車道，配備相應交通安全與管理措施?？焖俾肥浅鞘薪煌ǖ穆肪W(wǎng)骨架，聯(lián)系著各大功能分區(qū)或組團，承擔著大量中長距離交通流，是大運量快速交通干道，具有暢通、快速、舒適的特點。然而，近些年來，快速路這些特點正在消失，擁堵已成“家常便飯”，特別是在早晚高峰。

山地城市結合地形的分散組團式結構和自由式道路系統(tǒng)呈現(xiàn)出“多中心、多組團”的特點，各組團間的聯(lián)系通道少，可替代路徑不多，路網(wǎng)連通性較差，快速路作為聯(lián)系各大組團的橋梁其重要性不言而喻。與平原城市快速路相比，山地城市快速路跨組團的服務面臨的壓力更大，同時由于不受非機動車干擾，車行需求大，而道路斷面又不一致，其呈現(xiàn)的交通特征與平原城市相差較大，同等交通輸入下?lián)矶赂?。因此，研究山地城市快速路的擁堵機理具有重要的現(xiàn)實意義。

2 基于交通波理論擁堵分析

2.1 交通波基礎理論

假設道路上相鄰有兩個交通流，規(guī)定向x軸正方向運行，密度分別為kA和kB（kA≠kB）。一垂直面S分割這兩種密度，稱為波陣面，產(chǎn)生與交通流方向一致的速度ωAB，如圖1所示。

2.2 城市道路擁堵規(guī)律

交通擁堵（Traffic Congestion）指交通需求超過道路交通設施供給（通行能力）引起車輛滯留道路的現(xiàn)象，一般可分為常發(fā)性擁堵和偶發(fā)性擁堵。限于篇幅，本文僅對常發(fā)性擁堵分析。

常發(fā)性擁堵在時間上表現(xiàn)出周期性和相似性。調(diào)查一周某道路的排隊情況可以發(fā)現(xiàn)：排隊長度曲線波形在每天的表現(xiàn)略有不同，但基本形狀工作日大體一致，非工作日也差不多，每天的排隊長度在晚高峰呈現(xiàn)出周期性變化。對每天的排隊長度變化曲線仔細觀察，還會發(fā)現(xiàn)：同一周星期一至星期五的曲線波形類似，而星期六和星期日的曲線波形一致。

常發(fā)性擁堵在空間上亦有規(guī)律，一般而言，常發(fā)性擁擠的空間擴散過程有以下幾個過程：第1階段，車輛在交叉口前發(fā)生擁擠，產(chǎn)生排隊現(xiàn)象；第2階段，排隊向后延伸，并且影響到上游的若干交叉口；第3階段：上游交叉口同樣產(chǎn)生排隊。隨著交通需求的不斷增大，交通流在局部路網(wǎng)中將形成過飽和循環(huán)，產(chǎn)生“交通堵塞”。通常理論上對常發(fā)性擁擠的空間擴散及分布特點可以模糊歸納為三類：點擁擠、線擁擠、面擁擠。

2.3 山地城市快速路交通瓶頸分析

為便于梳理清楚，本文只針對山地城市快速路常見瓶頸情況—入口匝道的瓶頸匯入問題（主線流量較大）進行分析。

這種情況下主路流量較大，入口匝道對主路影響不能忽略。

假設后續(xù)車輛沒有換道現(xiàn)象，即認為后續(xù)車輛仍沿外側(cè)車道行駛，分成三個階段進行分析。

第1階段：車流B的匯入過程，對于車流B，頭部車流A和尾部車流C相鄰部分將形成兩個波，入口匝道車輛在E區(qū)（空白區(qū)）成股匯入，如圖3所示。顯然，qB>qA，kB>kA，即ωAB>0，向前傳播。

3 實例分析

本部分以重慶市快速路縱線渝魯大道為例，基于交通波理論對山地城市快速路擁堵機理分析。

渝魯大道是重慶市快速路縱線之一，北起五童立交，南至石黃隧道，快速路長度約為6.8公里，是聯(lián)系江北區(qū)和南岸區(qū)的重要通道，交通量大，整條道路貫穿海爾路立交、五里店立交、江州立交和黃花園立交。

筆者通過調(diào)查2016年4月13日上午7∶00-11∶00渝魯大道北往南方向交通量（視頻圖像如圖4）整理得到渝魯大道主線以及海爾路立交、五里店立交、江州立交和黃花園立交各匝道5min流量。在現(xiàn)場的調(diào)查中，筆者發(fā)現(xiàn)，五里店立交上游主線以北整個上午交通運行良好，無擁堵現(xiàn)象，從7∶15左右開始，五里店下游以南開始排隊直至擁堵產(chǎn)生，9∶30左右開始發(fā)生消散。主線車流量數(shù)據(jù)特征如表1，選取江州立交分析，流量時變圖如圖5。

從表1可以看出，渝魯大道整條快速路主線流量大，呈明顯的波動性，波動幅度均超過25%，黃花園立交下游主線波幅最大，達到54.84%，海爾路立交下游主線和五里店立交上游主線波幅最小，為29.38%。

從圖5可以看出，江州立交上下游主線最高流量跟道路通行能力（單向三車道）有較大的差距，但持續(xù)波動的流量圖表明主線車流處于紊亂（擁堵）狀態(tài)。筆者推測有以下兩個原因：

（1）黃花園下游進入石黃隧道路段從單向四車道（經(jīng)過渠化）變成兩車道，道路通行能力下降，產(chǎn)生向后傳播的交通波，對江州立交主線車輛的通行造成很大影響；

（2）五里店立交下游入口匝道和主線有信號燈控制，當主線由紅燈轉(zhuǎn)為綠燈時，大量排隊的主線車輛啟動時產(chǎn)生往前傳波的交通波，也會對江州立交主線車輛的通行造成較大影響。

4 結論

本文基于交通波理論對山地城市快速路入口匝道的匯入過程（主線流量較大）波動特性進行了分析，同時以重慶市快速路渝魯大道早高峰擁堵現(xiàn)象為原型考慮了交通波傳播的機理，這是對交通波理論應用的一個拓展。本文的不足之處是只考慮了山地城市快速路常發(fā)性擁堵的入口匝道瓶頸匯入問題，未對其他瓶頸問題分析，今后將對其余問題進行深入探討。

參考文獻

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