不良車輛行為圖譜及其在匝道區(qū)精細化車道管理中的應用

常 鑫，李海艦，張子涵，黃珠妃

(北京工業(yè)大學交通工程北京市重點實驗室，北京 100124)

0 引言

交通是城市發(fā)展的紐帶，一方面為城市經(jīng)濟發(fā)展提供支撐，另一方面也會受到城市資源和生態(tài)條件的限制.近些年在各大城市中，交通供需的矛盾日益尖銳，由此引發(fā)的城市交通擁堵問題逐漸成為制約大城市經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平進一步提高的重要因素，也制約著經(jīng)濟、能源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和居民生活水平的提高，我國機動車保有量和駕駛人數(shù)量迅猛增長，給道路交通系統(tǒng)造成了嚴重的負荷，我國大部分城市面臨交通擁堵日益嚴重的問題，根據(jù)交通運輸部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，由于道路擁堵導致的經(jīng)濟損失大致相當于我國每年GDP的5%～8%[1].城市交通擁堵產(chǎn)生的原因不是單一的，除由于道路通行能力的制約外，還有可能是由于交通管控、交通事故、不良天氣等引起；另外，因為環(huán)境綜合因素的影響，引起的駕駛員生理、心理特征的變化而產(chǎn)生的不規(guī)則的駕駛行為也會導致交通擁堵的發(fā)生.

縱觀各大城市交通建設情況，交通基礎設施和道路設施在不斷完善和定型，交通供給水平正趨于飽和.隨著交通需求的增加，出行周期性擁堵可以說無法避免.部分城市采取各類政策限制機動車數(shù)量的增長，以此緩解擁堵加劇的勢頭.然而，需要關注的是，交通參與者不規(guī)范、不理性、不優(yōu)化的行為同樣可以成為擁堵的致因，城市中違法違章行駛、車輛亂停亂放、交通事故等導致的擁堵時有發(fā)生，這些現(xiàn)象在基礎設施相對完善的情況下會造成擁堵的加劇和擴散.從“主要受基礎設施制約”轉(zhuǎn)向“受交通參與者行為影響”，對交通擁堵致因分析和解決提供了一個新的視角；同時，對道路車輛行為特征的分析，構建車輛行為圖譜和擁堵致因鏈，可以探究微觀層面上車輛行為特性對宏觀交通流的影響.

1 車輛行為特征描述

人、車、路、環(huán)境是交通的基本要素，人的因素是車輛行為產(chǎn)生的主導因素；交通系統(tǒng)駕駛環(huán)境中的一切信息，包括車輛信息、路況信息、交通信息、交通標志標線、誘導和約束干預信息、駕駛人自身的感覺變化等，都是依靠駕駛人的經(jīng)驗、安全意識和個體生理心理特性進行綜合處理的.道路、交通和環(huán)境限定了駕駛人的信息來源和車輛行駛軌跡；駕駛人在動態(tài)駕駛過程中，通過感覺器官不斷感知道路、交通和環(huán)境信息，并按照駕駛期望經(jīng)過大腦的加工處理，支配運動器官操控車輛，使車輛適應不斷變化的道路、交通和環(huán)境信息；同時感覺器官不斷感知車輛對道路及環(huán)境的適應情況信息，并對車輛進一步的微調(diào)；這種駕駛人與道路、交通和環(huán)境的互動，形成駕駛行為，進而外在表現(xiàn)為車輛的行為.道路上車輛的行為包括停駛行為、加速行為、減速行為、跟車行為、換道行為等，車輛的駕駛人作為車輛的操縱者、城市道路的使用者、環(huán)境條件的感受者，對于保證交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較大的能動性，在協(xié)調(diào)和控制交通要素中起著主導的作用.

車輛行為是影響交通流運行狀態(tài)的關鍵因素之一，通過對駕駛員引導和車輛行為規(guī)范能夠大大緩解交通擁堵.在車輛的行駛的過程中，車輛行為的描述主要包括車輛行為的生理心理特征描述和車輛行為的運行特征描述2方面.在交通領域，交通心理學所研究的就是，交通參與者的心理特征及由此產(chǎn)生的各種行為[2-4].人是交通的主體，人的行為決定了交通的狀態(tài)與特性.應用心理學的觀點、方法和原則，研究交通參與者在道路交通中的行為規(guī)律，科學有效地規(guī)避不安全行為動機，最終達到減少交通事故、保證交通安全的目的[5].在道路交通系統(tǒng)中，駕駛人作為車輛運行的主體由于個體特性和交通環(huán)境的影響，駕駛員生理和心理也會發(fā)生變化，此變化會體現(xiàn)在車輛的運行特征上[6].在不同的交通環(huán)境下，車輛運行具有一定的自身特性并對交通運行產(chǎn)生影響，直接影響交通流密度和運行速度.

2 不良車輛行為圖譜及擁堵致因

大城市基礎設施建設不斷地完善和定型，致使交通擁堵的主要矛盾從基礎設施制約的源生擁堵轉(zhuǎn)向有交通參與者不規(guī)范、不理性、不優(yōu)化的交通行為導致的次生擁堵.為挖掘和直觀展示不同的車輛行為與交通擁堵的關系，需要尋找有效的方法對擁堵的致因進行準確的描述和表達.

2.1 不良車輛行為圖譜

不良車輛行為是指車輛駕駛員受當時駕駛環(huán)境下生理心理期望的影響，在信息的感知、處理、判斷和操作上某一環(huán)節(jié)上做出不規(guī)范、不理性或不優(yōu)化的決策，進而形成不良車輛行為.如果道路上的行駛車輛存在不良的車輛行為，輕則造成交通流擾動，車輛運行混亂致使交通擁堵，重則導致交通事故的發(fā)生.不良車輛行為不僅影響道路系統(tǒng)的通行效率，也可能會對車輛駕駛員自身或他人的人身安全造成危害.圖1給出了不良車輛行為圖譜及相互關系.不良因素往往導致駕駛員忽視一般駕駛規(guī)則，車輛運行穩(wěn)定性降低，促使不良車輛行為產(chǎn)生，進而引發(fā)交通事故和交通擁堵.

圖1 不良車輛行為圖譜

導致不良車輛行為的駕駛人因素包括：外界干擾因素導致駕駛員受刺激后采取的不理智操作或者操作失控，例如，夜間對向來車使用遠光燈不當，導致駕駛員對前方判斷失誤而采取的不當操作等；駕駛人特征差異導致的不良行為，例如駕駛員技術不嫻熟導致反應時間長、操作失誤等；另外，還包括駕駛員態(tài)度和駕駛員身體狀況等.交通標志標線設置不當或沒有設置都會使得駕駛員信息感知和判斷決策失誤，導致錯誤的反應操作，從而產(chǎn)生不良車輛行為，例如，快速路出入口匝道附近如果沒有標志標線的指引和限制，駕駛員隨意換道，就會造成交通混亂甚至交通事故的發(fā)生.天氣，車輛性能等非人為因素也同樣會導致不良車輛行為的產(chǎn)生，例如高速公路路段突然出現(xiàn)一團霧致使能見度迅速下降，此時到達車輛因不能判斷前方道路情況，會采取突然加減速，從而易產(chǎn)生事故；另外，車輛在道路上行駛突然拋錨或自燃等情況的發(fā)生同樣會造成后方車輛緊急操作，易導致事故和交通擁堵的發(fā)生.典型的不良車輛行為有突然加減速、頻繁換道、不按照道路引導標識行駛、不使用或誤用轉(zhuǎn)向燈等.

2.2 基于不良車輛圖譜的交通擁堵致因鏈分析

交通擁堵的形成與所有交通參與者都有著密不可分的關系[7].人們在心理感知、判斷及實際應對措施中，任一行為出現(xiàn)差錯，都可能會引起交通事故，繼而造成交通擁堵或擁堵加??；另外，由于部分交通參與者分心、猶豫、隨意換道等行為的干擾，使得道路實際的通行效率降低，造成交通擁堵范圍增加或擁堵時間延長.

擁堵致因鏈是從交通擁堵現(xiàn)象中挖掘出的擁堵形成規(guī)律，是導致?lián)矶掳l(fā)生的最可能路徑關系；研究將從行為-心理學的角度，分析交通參與人在道路交通中的行為和大城市交通擁堵致因.

3 基于出口匝道區(qū)不良車輛行為圖譜的精細化車道管理

隨意、無序換道行為，尤其是出口匝道附近的不良換道行為，會嚴重影響城市快速路的通行能力.車輛在出口匝道區(qū)域行駛時，由于駕駛員的自身駕駛習慣、出行路線需求、道路擁堵狀況以及道路條件等原因，不可避免會產(chǎn)生換道行為；出口匝道區(qū)域車輛分為2類——不出匝道車輛以及出匝道車輛；許多研究人員主要通過微、宏觀仿真數(shù)據(jù)，或者通過分析傳感器實測的交通流數(shù)據(jù)對道路換道行為進行研究[8-12].本章針對出匝道車輛的換道行為進行分析.通過分析車輛換道中的不良車輛行為，分析歸納車輛在出口匝道區(qū)域的不良換道行為，進而建立面向匝道區(qū)精細化車道管理的擁堵致因鏈；并通過優(yōu)化車流換道空間規(guī)范車輛換道行為，最后利用VISSIM交通仿真平臺進行了驗證.

3.1 出口匝道區(qū)車輛換道行為特征及擁堵致因鏈分析

出口匝道區(qū)域理想的交通狀況是車輛在出口匝道區(qū)域前，完成換道行為，即準備出匝車輛已經(jīng)完成其換道行為，駛向最右側車道，直行車輛駛向直行車道.所有車輛在出口匝道區(qū)域均無換道行為，這樣所有車輛在道路瓶頸段的出口匝道區(qū)域各行其道，呈現(xiàn)出較為簡單的分流行為，如圖2.

圖2 理想條件下出口匝道區(qū)交通流組織

而在不良駕駛情況下，快速路分流匝道區(qū)域交通擁堵致因鏈分析如圖3.本章重點分析車輛在出匝道區(qū)域換道行為造成的擁堵現(xiàn)象，由于駕駛員不熟悉路況或其自身駕駛習慣等原因，并未在出口匝道區(qū)域前完成由內(nèi)側車道向出匝專用道的換道行為，與直行車輛發(fā)生換道干擾，造成后方直行車輛行駛速度降低，通行效率下降；此時，交通流線形式如圖4.不足的換道空間易引發(fā)擁堵.由于換道空間不足，準備出匝道車輛在行駛至出口匝道區(qū)域時會集中換道，這會影響主線行駛車流，導致主線車輛無法快速通過出口匝道區(qū)域，在該區(qū)域形成擁堵.由于擁堵的形成，出匝道車輛也無法正常換道.需要通過優(yōu)化合理的換道空間，引導匝道區(qū)域車輛的換道行為，避免因不良駕駛行為造成合理的換道空間壓縮，形成局部擁堵.

圖3 出口匝道區(qū)域擁堵致因鏈

圖4 不良駕駛行為存在條件下出口匝道區(qū)交通流組織

圖5 仿真場景搭建

3.2 出口匝道區(qū)車輛駕駛行為建模及仿真

3.2.1 實地調(diào)查及仿真場景搭建

本研究節(jié)將利用實際的調(diào)研數(shù)據(jù)對城市快速路出口匝道交通流車輛駕駛行為進行VISSIM微觀行為仿真，得到不同換道空間下的交通流狀態(tài)指標.

選取北京二環(huán)路永定門橋東的一個外環(huán)出口匝道，具體闡述車輛在出口匝道區(qū)域的換道行為對匝道區(qū)車輛通行效率的影響，通過對不同比例出匝道車輛在不同換道空間上的車輛行為圖譜構建，分析和驗證不良換道行為對匝道區(qū)域通行效率的影響.

通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，道路因部分出匝道車輛占用直行車道，導致后方直行車輛發(fā)生延誤，從而導致?lián)矶?這是因為車輛未在出口匝道區(qū)域前完成向外側車道的換道行為，而選擇在出口匝道附近完成換道，這種不良的換道行為將導致后方車輛減速，造成延誤.若這些車輛在出口匝道區(qū)域前完成其向外側車道的換道行為，則可以大大增加直行車道的行駛速度，提高直行車道的通行能力.

1)基礎仿真場景(場景1)

以調(diào)研場景為基礎，通過設定調(diào)研區(qū)域交通流近似參數(shù)(如小時流量、出匝道比例)及調(diào)研區(qū)域基礎交通設施參數(shù)(如限速、匝道幾何尺寸、車道數(shù)等)對出口匝道區(qū)域交通流進行仿真.仿真環(huán)境為VISSIM，換道模型采用自由換道模型.仿真路段長度分別為匝道前約1 300 m和匝道后約500 m區(qū)域，如圖5所示.

結合實際道路情況，車道參數(shù)如下：匝道前出匝道區(qū)域路段為單向4車道，匝道后主路路段為單向3車道，匝道為1車道，輔路為單向2車道.

結合調(diào)研數(shù)據(jù)及實際道路狀況，道路中車型以小客車為主，流量單位為標準小汽車數(shù)，流量及限速參數(shù)如下：主線出匝道前區(qū)域的流量為(1 200 pcu·h-1)/車道，限速為80 km/h；輔路流量為(400 pcu·h-1)/車道，限速為50 km/h；主線出匝道比例：(20%·h-1)/車道，匝道限速為40 km/h.

令S表示車輛換道空間，即所有進主線車輛根據(jù)行駛方向(出主線、出匝道)可以自由換道的空間的大小，該空間從允許自由換道斷面起至出匝道與主線分離點所在的斷面止.在車輛進入允許自由換道斷面之前，車輛沿各自車道行駛，各車道車輛數(shù)及出匝道車輛數(shù)均勻分布于各車道.在本次仿真實驗中，為確保仿真結果的可靠性和專一性，研究換道空間這一單一因素對出匝道區(qū)域交通流狀態(tài)的影響，消除其他因素的影響，對場景做了以下假設：①主線前方無擁堵；②輔路前方無擁堵.

斷面平均速度和區(qū)間旅行時間能夠有效反映交通流運行狀況，在仿真場景中設置2類交通檢測器，一類是交通流檢測器，可以獲得統(tǒng)計時段內(nèi)經(jīng)過該斷面的車流量和斷面平均車速；一類是區(qū)間旅行時間檢測器，能夠檢測經(jīng)過給定兩斷面統(tǒng)計時段內(nèi)車輛的平均旅行時間.為了深入研究換道空間與出口匝道通行能力之間的關系，在基礎仿真場景的基礎上，研究不同流量和出匝比例下?lián)Q道空間與交通流狀態(tài)之間的關系，并通過斷面車速和旅行時間這2個指標對仿真結果進行分析.

2)多變量仿真場景(場景2)

該場景的換道空間向量S=[50，100，150，…，1 200](單位：m)，出匝道車輛比例向量r=[5%，10%，…，50%].給定交通流量為(1 200 pcu·h-1)/車道，通過S和r的不同組合，研究不同換道空間和換道比例下的交通流狀態(tài)及不良的換道行為對出口匝道區(qū)通行能力的影響情況.每種組合的仿真時間均1 h，仿真場景與其他參數(shù)同基礎仿真場景.

3.2.2 仿真結果及分析

1)斷面平均速度指標

深入研究換道空間與出口匝道通行能力之間的關系，以斷面速度指標和旅行時間指標為評價標準，圖6給出了場景2仿真后的速度指標三維狀態(tài)圖.通過三維狀態(tài)圖可以直觀看出斷面速度在各個參數(shù)影響下的變化趨勢，進而確定各參數(shù)下的合適的換道空間.

圖6 斷面平均速度指標下的場景2仿真結果

從圖6可以看出，在交通量一定時，換道空間越大，平均速度越大.在同一換道空間下，交通量越小，平均速度越大.在理想條件下，車速最終趨于理想車速.在交通量小于(1 200 pcu·h-1)/車道時，車輛換道空間應不低于500 m，而且在交通量小于(1 000 pcu·h-1)/車道時，車輛換道空間只要大于300 m的換道空間，車輛就能達到理想行駛速度.交通量在(1 200～1 500 pcu·h-1)/車道時，所需的換道空間為500～1 200 m.當交通量大于(1 500 pcu·h-1)/車道時，1 200 m的換道空間已無法滿足車輛的換道需求，此時車輛換道相互間的影響較大，車速低于理想車速，但是盡可能大的換道空間依舊可以提高斷面車速.

2)區(qū)間旅行時間指標Analyzing travel time index (TTI)

圖7給出了旅行時間指標下的場景2仿真結果.在交通量一樣時，換道空間越大，車輛旅行時間越小，最終旅行時間會趨向于最短旅行時間.在同一交通量下，較大的換道空間可以分散車輛換道時對其他車輛帶來的影響，減小相互間的沖突，保證車速.當交通量越大時，車輛所需的換道空間也會越大.從數(shù)據(jù)來看，交通量為(900 pcu·h-1)/車道時，只需200 m的換道空間便可以保證車輛以最短旅行時間駛出，之后交通量每增加(100 pcu·h-1)/車道，換道空間需要相應增加50 m才能保證車輛以最短旅行時間駛出出口匝道區(qū)域.

圖7 區(qū)間旅行時間指標下的場景2仿真結果

通過仿真結果可以看出，工程上需要足夠的換道空間滿足出匝道車輛的換道行為.若換道空間不足，必然會引發(fā)不良駕駛行為特別是不良換道行為的增加，進而降低匝道通行能力.

3.3 討論

通過研究不同換道空間對城市快速路通行能力的影響，分析了車輛在城市快速路出口匝道區(qū)域內(nèi)的換道行為.結合實際調(diào)查數(shù)據(jù)，對城市快速路出口匝道區(qū)進行了車輛駕駛行為的建模仿真分析，得出了在不同交通量和不同出匝道比例下的車輛最佳換道空間.不足的換道空間，會進一步引發(fā)不良駕駛行為.通過合理的換道空間的確定及車輛的行為引導與約束，可以降低關鍵區(qū)域的車輛擁堵及行駛延誤.此外，目前國內(nèi)普遍存在的出口匝道區(qū)的不良車輛換道行為其實質(zhì)是在壓縮有效的換道空間，即工程上設計的實際有效換道空間并沒有得到很好的利用.借助教育、執(zhí)法、工程等手段，規(guī)范車輛換道行為，充分利用有效換道空間是降低匝道區(qū)交通擁堵的一種有效途徑.通過不良駕駛行為圖譜，研究典型區(qū)域的交通擁堵致因鏈，便于揭示交通擁堵的引發(fā)機理，從而為交通設計與管理者提供精細化的交通管理方案.

4 結論

合適的換道空間是提高道路行車安全，提高道路通行能力的基本保障.合理規(guī)范駕駛員的換道行為，減少駕駛員不必要的換道，可以提高道路交通流的通行效率，避免因為強行換道而引發(fā)交通事故.不良車輛行為圖譜與交通擁堵之間的致因鏈的建立與分析，能夠使技術人員更加明晰交通擁堵的致因，更有針對性的提出截斷擁堵致因鏈的擁堵緩解方案.通過分析車輛換道中的不良車輛行為，建立面向匝道區(qū)精細化車道管理的擁堵致因鏈截斷方法，利用合理的車輛換道行為引導方法減少和避免不良駕駛行為的發(fā)生，從而減少車輛在出口區(qū)域內(nèi)的延誤，提高出口匝道通行能力，防止因為匝道飽和所導致的主線車流的延誤或者擁堵.

基于不良車輛行為圖譜研究及仿真結果，預期可以在以下方面的得到應用：1)建立不同場景的交通擁堵致因鏈，為進一步分析特定致因鏈的截斷方案提供參考；2)針對出口匝道區(qū)的仿真研究可為城市快速路出入口的位置選擇與設計、換道空間的優(yōu)化提供參考依據(jù)；3)結合不良車輛行為模式，為不良車輛行為約束與引導方案提供基礎等.

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