城市快速路匝道出口交織區(qū)交通沖突特性研究

梁春巖,曹 帥,湯慶如

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長春 130118)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速增長，汽車保有量的急劇增加，由于人口基數(shù)大使人口數(shù)量依舊在逐年增加，導(dǎo)致城市內(nèi)的道路交通問題日益惡化。為了緩解城市交通擁堵，保證汽車暢通連續(xù)行駛，能夠提高城市內(nèi)部運(yùn)輸效率的城市快速路被越來越多的大中城市所重視，并大規(guī)模的規(guī)劃建設(shè)起來。近年來快速路的建設(shè)也帶來了一系列的交通問題,快速路出入口及交織區(qū)附近的交通擁堵和交通事故成為快速路上常見現(xiàn)象。目前國內(nèi)學(xué)者對于快速路交織區(qū)進(jìn)行了多方面的研究，徐秀云等[1]通過對數(shù)據(jù)的整理對快速路交織區(qū)通行能力特性進(jìn)行分析，曲昭偉等[2]采用間隙接受理論模型推導(dǎo)入口交織區(qū)基本通行能力模型，孫璐等[3]對交織區(qū)進(jìn)行交通沖突的安全性評價。目前對城市快速路匝道出口的研究大多數(shù)為研究交織區(qū)的通行能力特性方面。本文通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理，分析交通沖突、交通流量及交通密度特性，并建立關(guān)系模型，得出快速路出口處車輛沖突數(shù)與車流量呈線性關(guān)系，并與交通密度存在臨界值。本研究可以為城市快速路匝道出口交通流特性研究提供參考，為城市快速路控制提供理論借鑒。

1 快速路出口組成

1.1 出口匝道分流區(qū)

快速路匝道出口具有著承載匝道的前端部分及匝道曲線部分的車輛運(yùn)行速度的過渡功能。出口分流區(qū)則是在沒有交通控制的情況下，車流被分成多股，然后駛?cè)朐训莱隹?，進(jìn)而駛出主線，導(dǎo)致主線車流在匝道出口附近受到交通流分流沖突的影響，分流行為的車輛便需要被迫地在可接受的狀態(tài)下進(jìn)行減速運(yùn)行，在相鄰車道上完成換道行為。在整個運(yùn)行過程中，分流行為車輛的速度在不斷地調(diào)整，對相鄰車道的運(yùn)行狀態(tài)不斷地產(chǎn)生影響，主線上的交通運(yùn)行狀態(tài)也會因?yàn)樵撔袨橛善巾?、穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，這段區(qū)域便被稱之為分流區(qū)。

1.2 匝道出口交織區(qū)

對于交織區(qū)的研究，早在20世紀(jì)60年代在美國《通行能力手冊》(HCM)中就開始初步探索性研究,目前對交織區(qū)的定義一般為多個交通流在一段沒有交通控制設(shè)施而向同一方向行駛形成車流交叉運(yùn)行的現(xiàn)象，當(dāng)分流區(qū)和合流區(qū)之間的距離比較近的時候，分流區(qū)和合流區(qū)中間的路段即交織區(qū)?？焖俾吩训莱隹诮豢梾^(qū)類型分為匝道出口下游為交叉口類型及匝道出口下游為下一處快速路入口兩種，本文對以上兩種交織區(qū)進(jìn)行對比研究。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 調(diào)查方式及時間

本次快速路匝道出入口交通流參數(shù)調(diào)查，考慮到調(diào)查人員、條件以及數(shù)據(jù)資料的整理和重復(fù)利用性，采用錄像調(diào)查法。錄像調(diào)查法是根據(jù)調(diào)查位置的實(shí)際情況，選擇某一至高點(diǎn)，通過攝像機(jī)對其進(jìn)行連續(xù)拍攝，根據(jù)獲得的拍攝視頻，以人工統(tǒng)計(jì)各調(diào)查區(qū)段的交通流參數(shù)數(shù)據(jù)?？紤]到氣候條件的影響及研究時間和篇幅限制，本文選擇在夏季晴朗的工作日。由于高峰時段更能夠觀察和捕捉到更多更復(fù)雜的現(xiàn)象，因此，各調(diào)查位置選取的數(shù)據(jù)觀測時段均為早晚高峰時段。具體時間段為工作日的上午07：00—08:30、下午14:00—18:30，此時間段包含早高峰、平峰和晚高峰三個時間段。

2.2 調(diào)查地點(diǎn)

選定長春市南部快速路衛(wèi)明街出口及東部快速路仙臺大街出口為調(diào)查地點(diǎn)，東、南部快速路沿線的用地性質(zhì)均屬于住宅或商用用地，交通量大，承擔(dān)了大部分的城市交通量，可為本研究提供充足的樣本量。東部快速路仙臺大街匝道出口下游150 m為交叉口路段，南部快速路匝道出口與下游的快速路入口相距較近，約150 m，兩快速路匝道駛出主線的車流與輔路的直行車流和駛?cè)肟焖俾返纳淞髦g均有交叉沖突，是快速路進(jìn)匝道出口交織區(qū)中的典型代表。

本文主要研究路段為長春市南部快速路衛(wèi)光街匝道出口交織區(qū)及東部快速路匝道出口交織區(qū)，路段衛(wèi)星示意圖及實(shí)景圖如圖1—圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)整理

參考國內(nèi)外有關(guān)高速公路匝道出口研究方法，結(jié)合調(diào)查路段實(shí)際情況，取交通流參數(shù)統(tǒng)計(jì)間隔為5 min。即分別統(tǒng)計(jì)各個調(diào)查位置、各個區(qū)段5 min間隔內(nèi)的車流量和交通密度。通過整理調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，長春市南部快速路衛(wèi)明街匝道出口處駛出車輛與輔路的車輛有80%以上集中在圖2車道分布圖所示的第1、2車道，20%以下的數(shù)據(jù)來自于圖2所示的3、4車道，1、2車道沖突比較嚴(yán)重，是本研究路段中交織沖突的主要承擔(dān)車道。具體相關(guān)數(shù)據(jù)分析按雙車道整理。

具體南部快速路匝道出口與輔路各個車道車流量占總交通量的分布情況如表1所示。

圖1 南部快速路調(diào)查路段衛(wèi)星示意圖

圖2 南部快速路調(diào)查路段實(shí)景圖及調(diào)查路段車道分布圖

圖3 東部快速路調(diào)查路段衛(wèi)星示意圖及實(shí)景圖

表1 匝道出口與輔路各車道車流量占總交通量的百分比 %

南部快速路匝道出口交織區(qū)沖突數(shù)、交通量與交通密度在車道上的分布如表2所示。東部快速路匝道出口各道路車流量分布較為均勻具體相關(guān)數(shù)據(jù)分析按6車道整理。

南部快速路匝道出口部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2，東部快速路匝道出口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均按平均輛車道整理，數(shù)據(jù)見表3。

3 交通特性分析

3.1 交通量—交通沖突數(shù)關(guān)系

交通流量是指在單位時間段內(nèi)通過道路某一指定地點(diǎn)、某一斷面或道路上某一條車道的交通實(shí)體數(shù)。一般用q示，在交通調(diào)查中，流量常用計(jì)算式(1)表示。根據(jù)研究的需要，本文中流量數(shù)據(jù)均為單方向。

表2 南部快速路沖突區(qū)部分調(diào)查數(shù)據(jù)表

表3 東部快速路沖突區(qū)部分調(diào)查數(shù)據(jù)表

(1)

式中：T為觀察時段長度；N為觀察時段內(nèi)的車輛數(shù)。

交通流密度k是指某一瞬間單位長度道路上所存在的車輛數(shù)，見式(2)。

(2)

式中：L為觀測路段的長度；N為觀測路段上存在的車輛數(shù)。

交通沖突是指在可觀測條件下，兩輛或者多輛車之間相互影響正常行駛(其中一方采取非正常交通行為，如突然變速，突然轉(zhuǎn)換方向)致使駕駛?cè)藛T必須采取相應(yīng)的緊急避讓措施以防止發(fā)生交通事故的現(xiàn)象。出口分流區(qū)交通沖突可以分為換道沖突、合流沖突和交織沖突。通過實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)該出口分流區(qū)的交通沖突形式主要為交織沖突，即在交織區(qū)范圍內(nèi)存在大量以換道為目的的交織車輛，所以很容易形成周期性擁堵，也會影響交織區(qū)上下游車輛的正常運(yùn)行。

在交通流整個運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)查過程中，交通沖突數(shù)始終與交通量具有較高的相關(guān)性，因此交通量-交通沖突數(shù)關(guān)系可為快速路交通沖突特性研究提供理論基礎(chǔ)。如圖4所示為南部快速路交通量-交通沖突之間的數(shù)據(jù)擬合關(guān)系。

圖4南部快速路匝道出口交通量-交通沖突關(guān)系

由圖4可以看出，南部快速路匝道出口(匝道出口下游為入口匝道類型交織區(qū))交通量與交通沖突呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。隨著交通量的增加沖突數(shù)也會隨之增加，擬合式為：

y=0.828x-93.811

復(fù)相關(guān)系數(shù)，R2=0.802 6，達(dá)到精度要求，說明該線性關(guān)系擬合度較高。

同時,選擇東部快速路的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖5所示。

圖5 東部快速路匝道出口交通量-交通沖突關(guān)系

由圖5可得到，東部快速路匝道出口(匝道出口下游為交叉口類型交織區(qū))交通量明顯大于南部快速路的交通量，交通沖突數(shù)隨交通量的增加呈正相關(guān)變化，隨著交通量達(dá)到280輛時，擁堵狀態(tài)交通沖突數(shù)達(dá)到頂峰，當(dāng)交通量持續(xù)增加，交通沖突便開始逐漸減少。

3.2 交通密度-交通沖突數(shù)關(guān)系

在實(shí)際觀測中發(fā)現(xiàn)，在整體交通密度較低的情況下，絕大多數(shù)的駕駛員都能夠較為輕松進(jìn)行換道，但隨著交通量與交通密度的增加，且駕駛員經(jīng)驗(yàn)的不同，反應(yīng)的不同，加之整個交織區(qū)距離等因素的影響，就會使得整個車輛的行駛條件變得較差，很多駕駛員便會爭道搶行，隨著交通密度的持續(xù)增大，交織車輛流之間的相互影響比較嚴(yán)重，換道幾率大大降低，產(chǎn)生交通擁堵，導(dǎo)致沖突數(shù)降低。交通密度-交通沖突之間的擬合關(guān)系如圖6所示。

圖6 南部快速路匝道出口交通密度-交通沖突關(guān)系

由圖6統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，交通密度-交通沖突關(guān)系擬合曲線為:

Y=-0.008 8x2+2.295X-5.511 2.

復(fù)相關(guān)系統(tǒng)R2=0.831 2，達(dá)到精度要求，擬合度較高。不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)交通密度為零時，沖突數(shù)為零，當(dāng)交通密度達(dá)到131輛/km時，交通沖突數(shù)達(dá)到最大。交通密度小于131輛/km時，沖突數(shù)會隨著密度的增加而增加，交通密度大于131輛/km時交通流為強(qiáng)制流，車輛間相互制約，大大降低了變道可能性，導(dǎo)致沖突數(shù)降低。當(dāng)交通密度達(dá)到阻塞密度260輛/km時，車輛處于停止?fàn)顟B(tài)，沖突數(shù)為零。

同時，東部快速路匝道出口交通密度-交通沖突關(guān)系擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 東部快速路匝道出口交通密度-交通沖突關(guān)系

由圖7統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，交通密度-交通沖突關(guān)系擬合曲線為:

Y=-0.008x2+2.067X+7.988 6.

復(fù)相關(guān)系統(tǒng)R2=0.853 8，達(dá)到精度要求，擬合度較高。同樣可以看出當(dāng)交通密度為零時，沖突數(shù)為零，當(dāng)交通密度達(dá)到132輛/km時，交通沖突數(shù)達(dá)到最大。交通密度小于132輛/km時，沖突數(shù)會隨著密度的增加而增加，交通密度大于132輛/km時交通流為強(qiáng)制流，車輛間相互制約，大大降低了變道可能性，導(dǎo)致沖突數(shù)降低。當(dāng)交通密度達(dá)到阻塞密度260輛/km時，車輛處于停止?fàn)顟B(tài)，沖突數(shù)為零。

4 結(jié) 論

本文以長春南部快速路衛(wèi)明街處匝道出口及東部快速路仙臺大街匝道出口為研究對象，實(shí)際調(diào)查得到的交通流相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了交通流量與密度的關(guān)系，建立了交通沖突與交通流量和交通密度之間的定量關(guān)系模型，復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。結(jié)果表明，在城市快速路(2車道)交織區(qū)上的交通沖突數(shù)隨著交通流量(小于280輛/5min)的增加而增加，呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系；交通量大于280輛/5min時交通沖突數(shù)逐漸減少；而車輛沖突數(shù)與交通密度的關(guān)系則是在交通密度較低的情況下，車輛行駛狀態(tài)良好，沖突數(shù)隨交通密度的增加而增加，當(dāng)交通密度到達(dá)臨界值，即131(或132)輛/km(交通流變?yōu)閺?qiáng)制流)以后，沖突數(shù)將會隨著交通密度的繼續(xù)增加而減少，直到交通密度達(dá)到260輛/km時交織區(qū)上的車輛均處于停滯狀態(tài)，沖突數(shù)減為零。

本文研究結(jié)果可為研究城市快速路匝道出口交通流特性提供參考，為城市快速路匝道出口控制提供理論借鑒。