駕駛行為特性對(duì)道路通行能力影響的量化研究*

黃天伊 周晨靜 王 益

(1.北京工業(yè)大學(xué)北京市交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100124；2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 北京 100044)

0 引 言

道路通行能力是交通工程領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容，以美國(guó)交通研究委員會(huì)為首的研究團(tuán)隊(duì)吸收新近研究成果，于2010年更新并出版第五版《道路通行能力手冊(cè)》Highway Capacity Manual，以下簡(jiǎn)稱《HCM手冊(cè)》，進(jìn)一步完善道路通行能力研究?jī)?nèi)容與方法。《HCM手冊(cè)》將道路通行能力影響因素分為道路條件、交通條件及控制條件3類[1]，而對(duì)駕駛行為特性影響考慮較少，只是給出駕駛?cè)丝傮w特征系數(shù)表征駕駛員對(duì)道路設(shè)施熟悉程度，用于分析和計(jì)算通勤區(qū)域與旅游休閑區(qū)域道路通行能力，取值范圍為0.85～1.0。

然而，在人、車、路構(gòu)成的道路交通系統(tǒng)中，人是最關(guān)鍵也是最敏感的因素，駕駛?cè)笋{駛行為特性對(duì)通行能力的影響在近年逐漸得到學(xué)者們的認(rèn)可和重視。Lownes等[2]利用Vissim仿真分析快速路基本路段通行能力對(duì)駕駛員微觀駕駛行為參數(shù)的敏感性；Yannes等[3]進(jìn)一步研究駕駛員微觀駕駛行為參數(shù)組合對(duì)快速路通行能力影響，并分析其對(duì)通行能力的影響機(jī)理；Chu Chileung[4]等以交織區(qū)不同位置、不同駕駛行為特性參數(shù)為依據(jù)將駕駛?cè)笋{駛狀態(tài)分為放松狀態(tài)、正常狀態(tài)、冒險(xiǎn)狀態(tài)、過(guò)激狀態(tài)4種類型，不同狀態(tài)有著不同的微觀運(yùn)行參數(shù)，由此分析不同駕駛?cè)颂匦詫?duì)交織區(qū)通行能力的影響；Yang Xiaobao和Zhang Ning[5]利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出：由于車輛換道行為的影響，路段通行能力增長(zhǎng)與車道數(shù)量增長(zhǎng)并不成正比關(guān)系；Rong Jian等[6]應(yīng)用駕駛模擬艙技術(shù)對(duì)駕駛?cè)宋⒂^行為特性進(jìn)行研究，將駕駛?cè)朔譃楸Ｊ匦?、一般型、冒險(xiǎn)型3種類型，并分析不同類型駕駛?cè)藢?duì)宏觀交通流特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)：與保守型和一般型駕駛?cè)讼啾龋半U(xiǎn)型駕駛?cè)烁呄蛴谶x擇較小跟車間距，在車流中表現(xiàn)出較為頻繁的換道行為，并且由冒險(xiǎn)型駕駛?cè)私M成的車流在基本路段運(yùn)行時(shí)有著較高的交通流率，其交通流穩(wěn)定性卻最差。

以上研究均證實(shí)駕駛?cè)笋{駛行為特性對(duì)道路宏觀交通流特性及通行能力有著重要影響，然而目前仍缺乏駕駛行為特性在道路通行能力分析計(jì)算過(guò)程中的量化研究。筆者在前人研究基礎(chǔ)上，將駕駛?cè)朔譃槊半U(xiǎn)型、一般型、保守型3種類型，根據(jù)已有模型標(biāo)定參數(shù)，提出以仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的駕駛行為對(duì)道路通行能力影響系數(shù)的量化分析方法，研究成果可為通行能力科學(xué)計(jì)算提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)提高實(shí)際道路通行能力具有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 仿真場(chǎng)景建立

仿真技術(shù)是通行能力研究的主流方法之一。Roess等[7]應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了Vissim仿真軟件在仿真模擬微觀駕駛行為特性，尤其是交織區(qū)車流運(yùn)行特性上的有效性。本研究采用Vissim 5.3進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)構(gòu)建基本路段行為仿真場(chǎng)景和交織區(qū)行為仿真場(chǎng)景，測(cè)算不同駕駛行為特性對(duì)宏觀交通流及設(shè)施通行能力的影響。

基本路段仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)構(gòu)建單車道、雙車道、3車道及4車道的仿真場(chǎng)景,模擬車流由自由流到擁擠流運(yùn)行過(guò)程。其中，單車道仿真實(shí)驗(yàn)用來(lái)研究駕駛?cè)烁Y行為特性對(duì)通行能力的影響；隨著車道數(shù)增加，駕駛?cè)俗杂蓳Q道幾率增加，多車道仿真實(shí)驗(yàn)用來(lái)研究自由換道行為對(duì)通行能力的影響。仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置為：路段長(zhǎng)度500 m，車道寬3.5 m，限速80 km/h的快速路車流運(yùn)行狀態(tài)，車輛期望運(yùn)行車速服從平均車速為75 km/h、標(biāo)準(zhǔn)差為2 km/h的正態(tài)分布，車流由標(biāo)準(zhǔn)小汽車組成。

在基本路段行為仿真基礎(chǔ)上，構(gòu)建快速路交織區(qū)行為仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景研究駕駛?cè)藦?qiáng)制換道行為對(duì)設(shè)施通行能力的影響。仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置為：主線3車道，交織區(qū)長(zhǎng)度500 m，限速、車輛期望運(yùn)行車速、車流車輛類型等其他參數(shù)設(shè)置同上。

1.2 駕駛行為參數(shù)設(shè)置

在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，Rong Jian等[6]利用模擬駕駛實(shí)驗(yàn)把駕駛員分為穩(wěn)定型、冒險(xiǎn)型和適中型3類，標(biāo)定了符合我國(guó)駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣的微觀行為模型參數(shù)，聚類結(jié)果能夠較好體現(xiàn)駕駛員個(gè)體差異性。本研究結(jié)合文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]對(duì)駕駛?cè)笋{駛行為特性描述和微觀建模參數(shù)基礎(chǔ)，將駕駛?cè)朔譃槊半U(xiǎn)型、一般型、保守型3種類型，設(shè)置對(duì)應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)微觀駕駛行為參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于微觀交通仿真實(shí)驗(yàn)，隨著輸入流量的增加，交通流狀態(tài)經(jīng)歷自由流-穩(wěn)定流-擁擠流3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，交通流率隨之經(jīng)歷逐漸增加-趨于穩(wěn)定-迅速下降3個(gè)過(guò)程。不同駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下，當(dāng)交通流率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)而不隨輸入流量增加而增加時(shí)，認(rèn)為設(shè)施處于滿負(fù)荷狀態(tài)，此時(shí)即可得到相應(yīng)駕駛行為特性影響下的道路通行能力值。

表1 不同類型駕駛?cè)笋{駛行為參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]。

基本路段行為仿真實(shí)驗(yàn)輸入交通流量由1 000 pcu/h增長(zhǎng)至3 000 pcu/h，每次增加100 pcu/h；每次仿真條件取5，35，65，95，125，155，185，215，245，275共10個(gè)隨機(jī)種子。仿真實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行2 100次，過(guò)程中記錄基本路段平均運(yùn)行車速、小時(shí)流率及自由換道次數(shù)。交織區(qū)行為仿真實(shí)驗(yàn)交通流量以2 000 pcu/h為基數(shù)、以5%為增長(zhǎng)率增至8 232 pcu/h；交織流量比從0.1到0.4變化，其中由匝道至主線車流量等于由主線到匝道車流量；每次仿真條件取5，35，65，95，125，155，185，215，245，275共10個(gè)隨機(jī)種子。仿真實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行1 200次，過(guò)程中記錄交織區(qū)平均運(yùn)行車速、平均車流密度、小時(shí)流率及強(qiáng)制換道次數(shù)。

2 不同駕駛行為對(duì)通行能力的影響分析

2.1 基本路段通行能力分析

2.1.1 跟馳行為對(duì)通行能力的影響

按照上節(jié)所述建模方案執(zhí)行基本路段行為仿真，得到不同類型駕駛行為、不同車道數(shù)條件下的輸入流量與流率散點(diǎn)圖，如圖1～3。由圖中看到，當(dāng)輸入流量在2 500～3 000 veh/(h·lane)范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)施流率基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。取此范圍內(nèi)的交通流率做統(tǒng)計(jì)分析，得到不同駕駛行為、不同車道數(shù)量條件下的設(shè)施通行能力值，見(jiàn)表2。

在單車道仿真場(chǎng)景中，由于只存在跟馳行為而不存在換道行為，冒險(xiǎn)型駕駛?cè)伺c一般型駕駛?cè)笋{駛行為具有相同的跟馳行為參數(shù)和換道行為參數(shù)，2種類型駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下車道具有基本相同的通行能力值，約為2 250 veh/(h·lane)；而保守型駕駛?cè)烁呄蛴诒３州^遠(yuǎn)的跟車距離，占用更多的道路空間資源，在保守型駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下車道通行能力值明顯降低，約為1 900 veh/(h·lane)。

圖1 冒險(xiǎn)型駕駛?cè)藚?shù)設(shè)置條件下的輸入流量-流率散點(diǎn)圖Fig.1 Input-Output flow scatter diagram under the condition of risk driver parameter setting

2.1.2 自由換道行為對(duì)通行能力的影響

不同類型駕駛?cè)司哂胁町愋缘膿Q道行為參數(shù)。由表2可知，多車道仿真場(chǎng)景的穩(wěn)定流狀態(tài)下，多車道道路中單車道通行能力與對(duì)應(yīng)單車道路段通行能力值基本相同，即不同駕駛行為參數(shù)條件并未對(duì)道路通行能力產(chǎn)生明顯影響。

為進(jìn)一步探究自由換道行為對(duì)通行能力的影響機(jī)理，做多車道仿真環(huán)境中道路輸入流量與換道次數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖4。由圖4可見(jiàn)，隨著輸入流量及車道數(shù)量的增加，在達(dá)到穩(wěn)定流狀態(tài)前車流換道頻率均表現(xiàn)為不同程度的增加。其中，在整個(gè)仿真過(guò)程中，冒險(xiǎn)型駕駛?cè)说膿Q車道頻率最高、換道次數(shù)峰值達(dá)到500次以上，一般型和保守型駕駛?cè)藫Q道次數(shù)峰值在400次以上，一方面說(shuō)明冒險(xiǎn)型駕駛?cè)藶榱诉x擇更快的速度而變換車道，側(cè)面驗(yàn)證了駕駛?cè)藚?shù)設(shè)置與駕駛行為特征描述的對(duì)應(yīng)性；另一方面頻繁的變換車道不僅為交通安全帶來(lái)隱患，而且也會(huì)對(duì)交通流的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。進(jìn)而，選取輸入流量在0～2 000 veh/(h·lane)范圍內(nèi)，即自由流狀態(tài)下道路輸入流量與道路交通流率進(jìn)行回歸分析，回歸結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 一般型駕駛?cè)藚?shù)設(shè)置條件下的輸入流量-流率散點(diǎn)圖Fig.2 Input-Output flow scatter diagram under the condition of general driver parameter setting

表2 不同駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下單車道通行能力值統(tǒng)計(jì)性描述

表3 自由流狀態(tài)下輸入流量與輸出流率回歸結(jié)果

根據(jù)回歸結(jié)果可以看出，在不同駕駛行為條件下，隨車道數(shù)量增加，輸入流量與道路交通流率的回歸方程系數(shù)均逐漸增大，即在道路交通流中自由換道行為可以提升道路資源利用率，促使車流由自由流運(yùn)行狀態(tài)更快地達(dá)到穩(wěn)定流運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)基本路段仿真結(jié)果可以得出以下重要結(jié)論：不同跟馳行為特性對(duì)道路通行能力有著明顯影響；在相同駕駛行為設(shè)置參數(shù)條件下，道路車流在自由流運(yùn)行狀態(tài)中，車輛自由換道行為可以提升道路空間利用率，促使車流運(yùn)行更快向穩(wěn)定流運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變，而在穩(wěn)定流運(yùn)行狀態(tài)中，車輛自由換道行為受到限制，對(duì)穩(wěn)定流運(yùn)行狀態(tài)并不產(chǎn)生影響。

2.2 交織區(qū)通行能力影響分析

交通流密度-速度關(guān)系是交通流狀態(tài)的直觀體現(xiàn)。為了分析不同類型駕駛?cè)藦?qiáng)制換道行為對(duì)道路通行能力的影響，仿真得到不同交織流量比條件下，不同類型駕駛?cè)藢?duì)應(yīng)的車流密度與車流平均運(yùn)行車速散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖5。

圖5 不同交織流量比條件下交織區(qū)車流密度-車流平均運(yùn)行車速散點(diǎn)圖Fig.5 Density-speed of flow scatter diagram of interleaving area under the condition of different interlaced flow ratio

對(duì)于車流密度與速度關(guān)系的研究，有Greenshield的線性關(guān)系模型、Greenberg的對(duì)數(shù)關(guān)系模型、Underwood的指數(shù)關(guān)系模型等[8]。根據(jù)密度-速度散點(diǎn)圖所示趨勢(shì)，研究應(yīng)用“L-S曲線”模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，見(jiàn)式(1)。

S=a×eb×D2+c×ed×D

(1)

式中：S為速度，km/h;D為密度，veh/(km·lane);a，b，c，d為回歸系數(shù)。回歸分析結(jié)果見(jiàn)表4。

隨著車流量增加，道路交通流經(jīng)歷自由流-穩(wěn)定流-擁擠流3種狀態(tài)的變化，在該變化過(guò)程中車流密度不斷增加。當(dāng)車流密度大于臨界車流密度時(shí)，車流速度會(huì)急劇下降，車流運(yùn)行狀態(tài)由穩(wěn)定流向擁擠流轉(zhuǎn)變。使以上回歸方程二階導(dǎo)函數(shù)為零，可求出不同類型駕駛?cè)笋{駛行為參數(shù)設(shè)置條件下交通流由穩(wěn)定流狀態(tài)向擁擠流狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界密度值，結(jié)果見(jiàn)表5。其中，當(dāng)交織流量比為0.4時(shí)，大量交織行為嚴(yán)重干擾交織區(qū)運(yùn)行，車流較早進(jìn)入擁擠流狀態(tài)，臨界密度值無(wú)法計(jì)算。

表4 密度-流量關(guān)系回歸結(jié)果

由結(jié)果可知，3種類型駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下，交織區(qū)穩(wěn)定流向擁擠流狀態(tài)轉(zhuǎn)變臨界密度均隨交織流量比增加而減少，即交織區(qū)通行能力隨交織流量比的增加而減少，強(qiáng)制換道行為對(duì)交織區(qū)通行能力有著重要的影響。

表5 臨界密度計(jì)算值

為進(jìn)一步分析不同類型駕駛?cè)藦?qiáng)制換道行為對(duì)交織區(qū)通行能力的影響，研究以速度-密度-流量公式(見(jiàn)式2)計(jì)算不同交織流量比條件下交織區(qū)通行能力，計(jì)算函數(shù)曲線見(jiàn)圖6。

V=S×D

(2)

式中：V為流率，veh/(h·lane)；S為速度，km/h；D為密度，veh/(km·lane)。

由圖可知，在相同交織流量比、不同駕駛?cè)嗽O(shè)置參數(shù)條件下，道路通行能力差異明顯，冒險(xiǎn)型駕駛?cè)藢?duì)應(yīng)通行能力遠(yuǎn)大于一般型和冒險(xiǎn)型駕駛?cè)?；在相同駕駛?cè)嗽O(shè)置參數(shù)、不同交織流量比條件下，道路通行能力隨交織流量比增加而減小，但并非線性減小。

根據(jù)交織區(qū)仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：駕駛?cè)藦?qiáng)制換道行為及換道次數(shù)共同影響道路交通流的運(yùn)行，進(jìn)而對(duì)道路通行能力產(chǎn)生顯著影響。不同駕駛行為參數(shù)及換道次數(shù)條件下，交通流由穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)向擁擠運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變具有不同的臨界密度值，即道路設(shè)施具有不同通行能力；而在相同行為參數(shù)、不同換道次數(shù)條件下，道路通行能力隨換道次數(shù)增加而非線性減少，說(shuō)明強(qiáng)制換道行為在不同流量條件下對(duì)交通流運(yùn)行影響不同。

3 駕駛行為特性量化分析

根據(jù)前文分析可知，不同駕駛?cè)笋{駛行為特性體現(xiàn)在跟馳及換道行為參數(shù)有所差別。其中，跟馳行為特性對(duì)交通流產(chǎn)生直接影響，跟車時(shí)距越大道路通行能力越小；自由換道行為雖可以提升道路設(shè)施空間利用率，但對(duì)道路通行能力沒(méi)有明顯影響；強(qiáng)制換道行為與換道次數(shù)共同影響道路通行能力。研究以未經(jīng)駕駛?cè)艘蛩貐?shù)修正的道路通行能力為基準(zhǔn)通行能力，結(jié)合不同駕駛行為對(duì)道路通行能力影響，提出駕駛行為特性量化方法。

首先確定道路設(shè)施單車道基準(zhǔn)通行能力為C0，對(duì)于不同駕駛?cè)烁Y行為特性導(dǎo)致道路通行能力變化，可以以不同駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下直行車流通行能力除以基準(zhǔn)通行能力進(jìn)行量化

(3)

式中：fti為第i類型駕駛?cè)烁Y行為特性修正系數(shù)；Ci為第i類型駕駛?cè)诵袨閰?shù)設(shè)置條件下單車道通行能力，veh/(h·lane)；C0為單車道基準(zhǔn)通行能力，取2 200 veh(h·lane)；i為駕駛?cè)祟愋停好半U(xiǎn)型、一般型、保守型。

對(duì)于不同駕駛?cè)藦?qiáng)制換道行為特性導(dǎo)致道路通行能力變化，研究提出換道因子(LC)的概念作為每次強(qiáng)制換道行為對(duì)設(shè)施通行能力的折減系數(shù)，結(jié)合駕駛?cè)祟愋图敖豢椓髁勘攘炕煌{駛?cè)藦?qiáng)制換道行為特性對(duì)道路通行能力的折減，具體計(jì)算方法如下

(4)

(5)

對(duì)于本次仿真研究，結(jié)合表2數(shù)據(jù)可以得出駕駛?cè)烁Y行為特性修正系數(shù)(見(jiàn)表6)，該系數(shù)用于基本路段通行能力分析。

結(jié)合表2和圖6數(shù)據(jù)可計(jì)算不同類型駕駛?cè)嗽谔囟ń豢椓髁勘葪l件下的換道因子，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，可用拉格朗日插值方法計(jì)算表格中未列出換道因子數(shù)。

表6 駕駛?cè)烁Y行為特性修正系數(shù)表

表7 換道因子計(jì)算表

由此可計(jì)算得出駕駛?cè)嗽诓煌瑩Q道流量條件下，強(qiáng)制換道行為修正系數(shù)(見(jiàn)表8)，該系數(shù)可用于交織區(qū)通行能力分析。由表中可知，通過(guò)劃分不同駕駛?cè)碎_(kāi)展仿真研究，相較于HCM手冊(cè)中的駕駛行為總體折減系數(shù)，本研究提出的修正系數(shù)進(jìn)一步細(xì)化區(qū)分了不同駕駛行為特性的影響程度，表征為差異化的修正系數(shù)，對(duì)于通行能力分析科學(xué)性的提升具有重要意義。

表8 駕駛?cè)藦?qiáng)制換道行為特性修正系數(shù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于駕駛行為特性研究，提出了駕駛行為特性對(duì)通行能力影響的量化修正方法：以微觀仿真方法為手段，搭建針對(duì)性仿真場(chǎng)景模擬不同駕駛行為條件下車流運(yùn)行狀態(tài)，以交通流3個(gè)參數(shù)變化關(guān)系為分析內(nèi)容，研究了不同駕駛行為對(duì)宏觀交通流特性影響并確定設(shè)施通行能力，最后以道路基準(zhǔn)通行能力為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算不同駕駛行為特性對(duì)通行能力影響的修正系數(shù)。研究細(xì)致探究了不同駕駛行為對(duì)宏觀交通流及道路通行能力的影響，所建立的駕駛行為特性量化方法具有針對(duì)性和適用性，可為道路設(shè)計(jì)和交通管理提供一定的決策支持。