城市快速路匝道合流區(qū)車(chē)道平衡對(duì)交通運(yùn)行影響

薛行健，宋 聰，歐陽(yáng)歡，陳 歡，李炳林

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 物流與交通學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 交通規(guī)劃研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410013)

0 引 言

城市快速路匝道合流區(qū)存在大量換道、變速等交通行為，易導(dǎo)致交通流紊亂，是快速路的瓶頸路段，其車(chē)道平衡設(shè)計(jì)(圖1)是基于通過(guò)保持上下游斷面車(chē)道數(shù)平衡來(lái)保障通行能力不發(fā)生突變的思路提出的。筆者早期研究發(fā)現(xiàn)采集到的匝道合流區(qū)流量-密度(或速度)關(guān)系圖中的飽和流量數(shù)據(jù)點(diǎn)很少，相對(duì)理論模型描述出的拋物線(xiàn)關(guān)系，拋物線(xiàn)存在“頂部缺失”(圖2)，交通狀態(tài)在未達(dá)到通行能力時(shí)即從“非擁擠區(qū)”突變到了“擁擠區(qū)”[1-2]；盡管該瓶頸是否是導(dǎo)致突變的必要條件仍有爭(zhēng)議[3]，但其能導(dǎo)致交通狀態(tài)突變這一點(diǎn)沒(méi)有爭(zhēng)議。部分研究相信換道是導(dǎo)致通行瓶頸的主要原因[4-5]；由于車(chē)道不平衡，主線(xiàn)與匝道車(chē)輛在下游斷面產(chǎn)生通行競(jìng)爭(zhēng)[6]，匝道車(chē)輛匯入主線(xiàn)時(shí)，主線(xiàn)車(chē)輛或被迫或主動(dòng)減速以保障安全車(chē)距；匝道車(chē)輛的這種壓迫式或協(xié)作式匯入是引發(fā)通行能力降低的關(guān)鍵誘因[7]。目前對(duì)匝道合流區(qū)交通運(yùn)行的研究主要基于間隙接受模型或離散選擇模型[8-9]，均為參數(shù)化方法，所得出的結(jié)果均為解釋變量的函數(shù)，近年來(lái)一些學(xué)者也引入了許多非參數(shù)方法進(jìn)行研究[10-11]。

盡管研究人員都認(rèn)識(shí)到未采用車(chē)道平衡設(shè)計(jì)的下游路段可能會(huì)由于車(chē)輛匯入而承擔(dān)過(guò)飽和的交通量，但少有研究對(duì)平衡與否的交通運(yùn)行狀況做具體分析。目前已建的城市快速路大部分未進(jìn)行車(chē)道平衡設(shè)計(jì)，導(dǎo)致匝道合流區(qū)上下游通行能力不匹配，造成合流區(qū)上游擁堵和排隊(duì)蔓延，發(fā)生繼發(fā)性擁堵。因此，將兩者從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和內(nèi)在機(jī)理兩方面進(jìn)行深入比較，進(jìn)而提出設(shè)計(jì)對(duì)策來(lái)降低這種瓶頸效應(yīng)十分必要。

圖1 城市快速路匝道合流區(qū)構(gòu)型比較Fig. 1 Configuration comparison of ramp merging area of urbanexpressway

圖2 研究對(duì)象匝道布局信息Fig. 2 Ramp layout information of the research object

分類(lèi)江蘇路上匝道車(chē)道不平衡上游下游華山路上匝道車(chē)道不平衡上游下游車(chē)道數(shù)3334匝道間距/m1 0411 5591 559611

圖3 匝道合流區(qū)交通流參數(shù)關(guān)系圖中的突變現(xiàn)象Fig. 3 Mutation phenomenon in traffic flow parameter diagram atramp merging area

1 車(chē)道平衡對(duì)匝道合流區(qū)交通運(yùn)行的影響

通過(guò)對(duì)比車(chē)道在平衡與不平衡狀態(tài)下流量、時(shí)間占有率和速度參數(shù)的變化情況來(lái)分析兩種設(shè)計(jì)的差異，研究所用的數(shù)據(jù)為一周24 h線(xiàn)圈數(shù)據(jù)，采集自上海延安高架南側(cè)，位置和相關(guān)信息如表1和圖2，圖2匝道間數(shù)據(jù)由上至下依次為路段編號(hào)、匝道間距、車(chē)道數(shù)和線(xiàn)圈數(shù)，其與上下游匝道距離均較遠(yuǎn)，可避免上下游匝道對(duì)研究點(diǎn)的交通運(yùn)行產(chǎn)生干擾。

從圖4可知，采用了車(chē)道平衡設(shè)計(jì)的匝道合流區(qū)無(wú)論上/下游，相對(duì)不平衡的匝道合流區(qū)都表現(xiàn)出了流量上升，突變范圍縮小，速度、占有率突變幅度明顯降低的現(xiàn)象，其中上游區(qū)域特征更加明顯。從基本圖分析，采用車(chē)道平衡后，自由流和穩(wěn)定流的范圍有所擴(kuò)大，臨界流的范圍有所縮小，說(shuō)明車(chē)道平衡設(shè)計(jì)的匝道合流區(qū)通行能力更大，交通狀態(tài)更穩(wěn)定和更易控制，服務(wù)水平更高。通過(guò)分析更多類(lèi)型上匝道上游交通流狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲得了兩種設(shè)計(jì)條件下的交通運(yùn)行狀態(tài)比較，如圖4。

圖4匝道合流區(qū)交通流參數(shù)關(guān)系對(duì)比
Fig.4Comparisonoftrafficflowparameter-relationatrampmergingarea

從時(shí)間占有率(o)-流量(q)關(guān)系分析，江蘇路上匝道上游頂部數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，在流量80 veh/5 min時(shí)突變發(fā)生，突變時(shí)占有率數(shù)據(jù)變化較大，最大流量約120 veh/5 min。而下游相對(duì)上游數(shù)據(jù)頂部數(shù)據(jù)趨于飽滿(mǎn)，突變時(shí)占有率缺口明顯縮小，擁擠區(qū)數(shù)據(jù)離散性減小，由于下游沒(méi)有合流行為，最大可達(dá)流量相對(duì)車(chē)道平衡更高。華山路上匝道上游頂部數(shù)據(jù)相對(duì)較多，突變通常產(chǎn)生在100 veh/5 min以上，突變時(shí)占有率數(shù)據(jù)變化相對(duì)較小，最大流量約160 veh/5 min。而下游頂部數(shù)據(jù)飽滿(mǎn)，突變現(xiàn)象較少，最大流量為160 veh/5 min，由于下游仍存在合流行為，最大可達(dá)流量相對(duì)較少。

從流量(q)-速度(v)關(guān)系分析，江蘇路上匝道上游車(chē)速在60 km/h時(shí)直接突變到20 km/h，其余情況與o-q圖類(lèi)似；而下游相對(duì)上游突變是速度變化幅度減小，由于下游沒(méi)有合流行為，最優(yōu)車(chē)速相對(duì)平衡時(shí)更高。華山路上匝道下游車(chē)速在50 km/h時(shí)突變到30 km/h，相對(duì)幅度較小，其余情況與o-q圖類(lèi)似；而下游圖型頂部數(shù)據(jù)飽滿(mǎn)，速度突變現(xiàn)象較少，最優(yōu)車(chē)速相對(duì)不平衡時(shí)低，這是因?yàn)楹狭餍袨楫a(chǎn)生的干擾。

從時(shí)間占有率(o)與速度(v)時(shí)序?qū)Ρ冗M(jìn)行分析，江蘇路上匝道上游突變產(chǎn)生時(shí)，速度變化幅度通常達(dá)到50 km/h，占有率變化幅度達(dá)到30%以上；下游突變時(shí)速度和占有率變化的幅度有明顯降低。華山路上匝道上游突變產(chǎn)生時(shí)，速度變化幅度約30 km/h，占有率變化幅度達(dá)到15%；下游突變現(xiàn)象較少，速度和占有率變化的幅度較小。

對(duì)兩種設(shè)計(jì)型式的交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了比較，如表2，采用車(chē)道平衡后，自由流和穩(wěn)定流的范圍有所擴(kuò)大，臨界流的范圍有所縮小，說(shuō)明車(chē)道平衡設(shè)計(jì)的匝道合流區(qū)通行能力更大，交通狀態(tài)更穩(wěn)定和更易控制，服務(wù)水平更高。

表2 匝道合流區(qū)上游交通流特征比較 Table 2 Comparison of traffic flow characteristics of the upstream of the ramp merging area

2 車(chē)道平衡設(shè)計(jì)的交通影響機(jī)理

如圖1，分析車(chē)道平衡設(shè)計(jì)對(duì)交通運(yùn)行的影響機(jī)理，主要有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。以下分析基于較長(zhǎng)匝道間距情況，對(duì)于匝道間距較短而形成的交織段在第3節(jié)中分析。

2.1 車(chē)道不平衡導(dǎo)致?lián)Q道次數(shù)增多

匝道合流區(qū)存在的大量強(qiáng)制性換道(類(lèi)型見(jiàn)表3)對(duì)匝道合流區(qū)的交通運(yùn)行有顯著消極影響，匝道匯入的車(chē)流量少于因此減少的主線(xiàn)上游車(chē)流量，導(dǎo)致通行能力降低。

實(shí)際使用中，采用車(chē)道平衡設(shè)計(jì)可使部分短途車(chē)輛無(wú)需換道，否則需要換道2次，如圖1中車(chē)輛B的行駛軌跡。這種情況在地面道路遇有障礙(如河流、鐵路)而產(chǎn)生大量跨障需求的位置應(yīng)特別重視車(chē)道平衡設(shè)計(jì)，否則會(huì)對(duì)主線(xiàn)造成較大干擾。

另一種難以察覺(jué)的換道則來(lái)自于主線(xiàn)車(chē)輛預(yù)判性換道，上游外側(cè)車(chē)道部分車(chē)輛為避免受到匝道車(chē)流的干擾而向內(nèi)側(cè)換道；而采用車(chē)道平衡設(shè)計(jì)，此干擾會(huì)因?yàn)橹骶€(xiàn)外側(cè)兩車(chē)道之間的換道，使得車(chē)道空間利用更加平衡，從而減少干擾，如圖1，非平衡設(shè)計(jì)對(duì)于車(chē)道的利用率是不一的(圖中用漸變色表示)，而車(chē)道平衡設(shè)計(jì)的利用率基本一致(圖中用均色表示)。

2.2 車(chē)道不平衡導(dǎo)致變速頻次和幅度上升

主線(xiàn)的物理瓶頸使得各路段車(chē)流密度不一致，速度也隨之變化。關(guān)于變速如何導(dǎo)致通行能力瓶頸國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究。D.HELBING等[12]認(rèn)為擾動(dòng)導(dǎo)致暫時(shí)的擁擠，駕駛員頻繁加減速，從而形成延誤，使通行能力降低。郝媛等[13]認(rèn)為是外界條件(車(chē)輛匯入)導(dǎo)致擾動(dòng)，觸發(fā)了內(nèi)部因素而使通行能力“自發(fā)的”崩潰(breakdown)。筆者分析，呈隨機(jī)分布的主線(xiàn)車(chē)流車(chē)頭間距大小不一，匝道車(chē)輛對(duì)車(chē)頭間距較小的跟隨車(chē)輛的影響可通過(guò)車(chē)頭間距較大的跟隨車(chē)輛在一定程度上消弭干擾，如圖5(a)；在交通流量較大的情況下，駕駛員傾向保持較小的車(chē)頭間距，換道將導(dǎo)致局部速度的降低和瓶頸附近密度的升高，出現(xiàn)局部擾動(dòng)，此時(shí)駕駛員的反應(yīng)較強(qiáng)，擾動(dòng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，持續(xù)下去會(huì)有車(chē)輛被迫急剎停車(chē)甚至追尾，如圖5(b)；頻繁的擾動(dòng)降低了駕駛員對(duì)交通流穩(wěn)定性的信心，他們“聰明”的選擇增大車(chē)頭時(shí)距、降低速度來(lái)保證充足的反應(yīng)時(shí)間，避免頻頻變速帶來(lái)的不適，如圖5(c)。這種情況反映在車(chē)頭時(shí)距這項(xiàng)指標(biāo)上即為車(chē)頭時(shí)距增加，包括兩部分：一是應(yīng)對(duì)擾動(dòng)而導(dǎo)致的車(chē)頭時(shí)距增加；二是速度降低導(dǎo)致通過(guò)固定車(chē)身長(zhǎng)度所需的車(chē)頭時(shí)距增大。車(chē)頭時(shí)距的增加意味著在單位時(shí)間里通過(guò)的流量減少，即瓶頸效應(yīng)形成。事實(shí)上，駕駛員通常還會(huì)預(yù)判這種干擾而有意識(shí)的降速應(yīng)對(duì)擾動(dòng)，從而進(jìn)一步加劇了瓶頸效應(yīng)。

圖5 匝道合流區(qū)的3種典型擾動(dòng)示意Fig. 5 Schematic of three typical interference on ramp merging area

2.3 車(chē)道不平衡導(dǎo)致匝道上下游通行能力不匹配

車(chē)道不平衡即快速路不同斷面車(chē)道數(shù)不一致，存在物理瓶頸，如圖1中A區(qū)。由于城市交通典型的潮汐性，高峰交通需求往往在主線(xiàn)和匝道兩個(gè)方向同步增加，車(chē)道數(shù)量的不匹配將阻塞交通；而采用車(chē)道平衡設(shè)計(jì)則基本不存在物理瓶頸，盡管交織流使得通行能力受到一定折減，但通行能力仍有所提高。三者的關(guān)系如式(1)：

Cm+Cr≥CB>CNB

(1)

式中：Cm和Cr分別為匝道合流區(qū)上游主線(xiàn)和匝道的通行能力；CB和CNB分別為匝道合流區(qū)下游主線(xiàn)采用車(chē)道平衡和不平衡設(shè)計(jì)的通行能力。

表3 匝道車(chē)輛強(qiáng)制性匯入主線(xiàn)行為類(lèi)型 Table 3 Behavior types of on-ramp vehicles mandatory inbound to the main line

3 現(xiàn)有車(chē)道平衡設(shè)計(jì)的局限及對(duì)策

3.1 車(chē)道數(shù)匹配問(wèn)題

目前CJJ129—2009《城市快速路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于匝道合流區(qū)車(chē)道數(shù)平衡的要求如式(2)，其中NC為匝道合流區(qū)下游車(chē)道數(shù)，NF為匝道合流區(qū)上游車(chē)道數(shù)，NE為匝道車(chē)道數(shù)。

NC≥NF+NE-1

(2)

式(2)實(shí)際是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，存在以下3個(gè)方面問(wèn)題。在車(chē)道平衡設(shè)計(jì)中雖有一定規(guī)律可以遵循，但仍應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，不能簡(jiǎn)單套用。

1)當(dāng)匝道數(shù)僅設(shè)計(jì)為1車(chē)道時(shí)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)車(chē)道平衡，快速路常用的方案是上匝道為1車(chē)道，下匝道為2車(chē)道。

2)沒(méi)有考慮匝道的其他功能。在城市很多區(qū)域，受地面信號(hào)交叉口影響，駛?cè)朐训赖慕煌鞒拭}沖式，時(shí)間段上高/低流量現(xiàn)象交替出現(xiàn)，此時(shí)匝道的設(shè)計(jì)需要考慮蓄車(chē)能力，以避免排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)造成溢出，因此必要時(shí)需考慮額外增加車(chē)道數(shù)，特別是匝道較短的情況下。

3)沒(méi)有考慮匝道所在的位置。如射線(xiàn)狀快速路的盡端處交通需求少，可以考慮不進(jìn)行車(chē)道平衡設(shè)計(jì)；對(duì)某些短途交通需求較大的地段則需更多車(chē)道數(shù)；此外，交織問(wèn)題的處理也涉及車(chē)道數(shù)的增加。

3.2 形成交織區(qū)問(wèn)題

車(chē)道平衡設(shè)計(jì)在匝道間距較短時(shí)(根據(jù)HCM2000的研究，交織長(zhǎng)度通常在750 m的范圍內(nèi))，其形成的交織流對(duì)通行能力的消極影響甚至要大于非平衡設(shè)計(jì)，交織區(qū)的交通運(yùn)行如圖6。

采用Vissim仿真對(duì)比同樣匝道間距下，合/分流區(qū)分離的末端與不分離所形成的交織區(qū)末端的交通運(yùn)行，如圖7。發(fā)現(xiàn)流量較低(或是交織比較低)時(shí)采用車(chē)道平衡設(shè)計(jì)交通運(yùn)行更順暢，但當(dāng)流量接近飽和或交織比較高時(shí)，車(chē)道平衡設(shè)計(jì)更易發(fā)生擁堵。

分析原因如下：非平衡設(shè)計(jì)存在加速車(chē)道末端和減速車(chē)道末端兩個(gè)擁堵常發(fā)區(qū)，匝道車(chē)輛的匯入影響主要集中在主線(xiàn)外側(cè)車(chē)道，對(duì)內(nèi)側(cè)車(chē)道影響較小，如圖7(a)；在減速車(chē)道末端，根據(jù)研究，通常90%的車(chē)輛在出口匝道前已經(jīng)處以主線(xiàn)外側(cè)車(chē)道，這些車(chē)輛會(huì)大量換道到減速車(chē)道，從而提供大量空間給內(nèi)側(cè)車(chē)道換道，使擁堵較易消散；合流區(qū)部分車(chē)輛難以匯入主線(xiàn)在客觀上使得減速車(chē)道的交通密度控制在了一定范圍，如圖7(b)；而交織車(chē)流由于同時(shí)存在向內(nèi)側(cè)車(chē)道和向外側(cè)車(chē)道換道的需求，極易在出口匝道處形成阻塞，形成匝道車(chē)輛無(wú)法匯入、主線(xiàn)車(chē)輛無(wú)法駛離的雙輸局面，如圖7(c)。

圖6 交織區(qū)交通運(yùn)行示意Fig. 6 Sketch map of traffic operation at weaving area

圖7 匝道銜接區(qū)交通運(yùn)行狀況Fig. 7 Traffic operation condition at ramp connection area

圖8 B型交織區(qū)交通運(yùn)行示意Fig. 8 Sketch map of traffic operation at B-typed weaving area

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，保持路冠線(xiàn)外側(cè)車(chē)道(即車(chē)道A)的暢通，保證其具有足夠的換道空間并使行駛其上的車(chē)輛不堵塞出口匝道是解決交織問(wèn)題的關(guān)鍵。B型交織構(gòu)型能較好的解決這一問(wèn)題，是對(duì)一般意義上“車(chē)道平衡”概念的補(bǔ)充，對(duì)于具有跨線(xiàn)橋功能的路段，建議保證有2條車(chē)道增加，如圖8，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)：①對(duì)于無(wú)需匯入主線(xiàn)的匝道車(chē)流可直接經(jīng)車(chē)道B駛離，不增加路冠線(xiàn)外側(cè)車(chē)道的密度；②匝道車(chē)輛行駛到出口匝道可繼續(xù)行駛，不會(huì)阻塞出口匝道；③對(duì)于駛出車(chē)輛換道到A車(chē)道后，可繼續(xù)向B車(chē)道換道，即可以避開(kāi)密度較高的A車(chē)道，也起到了降低車(chē)道密度的作用。仿真結(jié)果顯示，這種構(gòu)型處理交織流的能力較強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，車(chē)道平衡對(duì)提升匝道合流區(qū)通行能力，提高運(yùn)行速度，維持交通流穩(wěn)定都具有積極作用。

車(chē)道平衡設(shè)計(jì)能大幅減少車(chē)輛的換道和變速行為，緩解瓶頸效應(yīng)。

車(chē)道平衡設(shè)計(jì)并非簡(jiǎn)單的保持車(chē)道數(shù)一致，而需要綜合考慮各種實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性分析與設(shè)計(jì)。