多車道高速公路交通流運(yùn)行特性分析

冷 雪

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

近年來(lái)，隨著高速公路沿線城市和其他影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，京沈高速公路沈陽(yáng)至山海關(guān)段的交通壓力日益加大，沈陽(yáng)至山海關(guān)高速公路目前為雙向六車道，已無(wú)法滿足交通需求。我們開(kāi)展了多車道高速公路交通流運(yùn)行特性分析，比較今后可能采用的三種交通組織形式下的交通流運(yùn)行情況，利用VISSIM軟件建立了這三種交通組織形式的高速公路模型，并基于上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真模型標(biāo)定，根據(jù)模型輸出結(jié)果對(duì)三種交通組織模型的交通流運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析比較，為后續(xù)高速公路組織形式的選擇提供了決策依據(jù)。

1 各類型多車道高速公路交通流運(yùn)行參數(shù)分析

車型分布系數(shù)指的是各種類型車輛在總體車輛中所占的百分比。通過(guò)對(duì)車型分布系數(shù)的研究可以總體上了解各路線的交通組成情況，對(duì)路線的服務(wù)功能定位和交通組織是十分關(guān)鍵的。統(tǒng)計(jì)了沈山高速公路2010～2019年間不同類型車輛的交通量組成情況，如表1所示。

表1 沈山高速車型比例

為了比較分析不同交通量下三種組織形式高速公路的交通流運(yùn)行狀況，本次的仿真實(shí)驗(yàn)采用了三種交通量輸入值加載到高速公路的起始路段上，它們分別為1200pcu/h/ln、1600pcu/h/ln和2000pcu/h/ln。其中，1200pcu/h/ln的交通量基本可以保證車流在《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)中的二級(jí)服務(wù)水平上運(yùn)行，1600pcu/h/ln對(duì)應(yīng)于三級(jí)服務(wù)水平，而2000pcu/h/ln對(duì)應(yīng)四級(jí)服務(wù)水平，不同車型比例按照表1數(shù)據(jù)選取。

1.1 客貨分離式

不同輸入流量下的客貨分離高速公路速度檢測(cè)值如表2所示。由表2可以看出，對(duì)于出口匝道上游區(qū)域，隨著輸入流量的增大，無(wú)論是客車還是貨車的速度都發(fā)生了明顯的下降，說(shuō)明交通量的增加使出口匝道附近正常行駛和下高速的車輛干擾增加。對(duì)于基本路段，當(dāng)輸入流量從小(1200pcu/h/ln)增加至中等(1600pcu/h/ln)時(shí)，車流的速度，特別是貨車的速度下降明顯，說(shuō)明增加的交通量使車輛之間的干擾增加，速度降低；當(dāng)輸入流量從中等(1600pcu/h/ln)增加至較大(2000pcu/h/ln)時(shí)，無(wú)論是客車還是貨車在基本路段的車速基本沒(méi)有變化。造成這一現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)殡S著交通量的進(jìn)一步增加，入口和出口匝道的通行能力達(dá)到飽和，雖然有更多的車輛輸入，但因?yàn)樵训赖南拗茮](méi)能進(jìn)入主線，使得主線的車輛并沒(méi)有因?yàn)檩斎胲嚵鞯脑黾佣黾樱瑥亩鴽](méi)要造成對(duì)主線車流的較大影響。

表2 客貨分離式高速公路不同流量下速度比較

不同輸入流量下的客貨分離高速公路速度方差檢測(cè)值如表3所示?？梢钥闯?，當(dāng)交通量較小時(shí)，無(wú)論是在基本路段還是出口匝道上游，貨車的方差都比客車小，這是由于車輛本身的性質(zhì)決定的。當(dāng)交通量達(dá)到中等水平，基本路段貨車的速度方差有了一定增長(zhǎng)，而客車的速度方差增長(zhǎng)較少，說(shuō)明在此區(qū)域增長(zhǎng)的交通量對(duì)客車并沒(méi)有造成太大的影響；而在出口匝道上游，車輛的速度方差增加明顯，說(shuō)明下高速的車輛會(huì)對(duì)主線造成較大影響。當(dāng)交通量進(jìn)一步增加，客貨車的速度方差在基本路段反而有所降低，說(shuō)明車輛的加減速減少，車輛是在跟隨前車行駛；在出口匝道上游速度方差進(jìn)一步增加，反應(yīng)了下高速車輛對(duì)主線車輛的更大影響。

表3 客貨分離式高速公路不同流量下速度方差比較

不同輸入流量下的客貨分離高速公路車頭時(shí)距檢測(cè)值如表4所示?？梢钥闯?，隨著交通量從小至中等水平，無(wú)論是基本路段還是出口匝道上游的車頭時(shí)距都有所增加，這與交通量的增加是相符合的。當(dāng)交通量進(jìn)一步增加，車頭時(shí)距基本沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明在較大交通量輸入下高速公路車輛已經(jīng)飽和，車頭時(shí)距無(wú)法進(jìn)一步減小。

表4 客貨分離式高速公路不同流量下車頭時(shí)距比較

1.2 “長(zhǎng)途+集散”式

不同輸入流量下的“長(zhǎng)途+集散”式高速公路速度檢測(cè)值如表5所示?？梢钥闯?，當(dāng)流量逐漸增加，無(wú)論是主路還是輔路的車速都有所降低，其中輔路進(jìn)入主路段上游的車速降低最為明顯，增加的交通量大部分都要通過(guò)匝道進(jìn)入主路，因此排隊(duì)進(jìn)入主路的車流對(duì)輔路和主路都造成了較大影響。當(dāng)交通量進(jìn)一步增大，輔路進(jìn)入主路段上游的車速繼續(xù)降低，而基本路段和出口匝道上游的速度降低并不明顯，這主要是因?yàn)槿肟谠训肋_(dá)到飽和后更多的輸入車輛無(wú)法進(jìn)入主輔路，使得基本路段和出口匝道處的車輛增加不明顯。

不同輸入流量下的“長(zhǎng)途+集散”式高速公路速度方差檢測(cè)值如表6所示。可以看出，與客貨分離式高速公路的檢測(cè)結(jié)果不同，在交通量較小的情況下，除了交通量較小的輔路基本路段，其他幾處路段的方差都非常大，特別是出口匝道上游處，方差超過(guò)了500。這個(gè)結(jié)果充分體現(xiàn)了客貨車自身的差異在交通量較小的路段上表現(xiàn)明顯，在出口匝道這種車輛加減速、換道頻繁的路段車輛的速度方差非常之大。隨著交通量的逐步增加，各路段的速度方差有所降低，說(shuō)明增大的交通量使車速降低，大小車的速度差異有所減小，但總體看速度方差值仍然在較大水平。

不同輸入流量下的“長(zhǎng)途+集散”式高速公路車頭時(shí)距檢測(cè)值如表7所示。對(duì)于主路，在相同交通量輸入下基本路段的車頭時(shí)距要小于各匝道附近路段，說(shuō)明整個(gè)路段的瓶頸還是處于出入口匝道處。對(duì)于輔路，相同的情況也同樣存在，同時(shí)由于輔路的交通量比主路小，隨著交通量的增加輔路的車頭時(shí)距縮小也更明顯。

1.3 整體式

不同輸入流量下的整體式高速公路速度檢測(cè)值如表8所示。當(dāng)交通量較小時(shí)，基本路段和出口匝道上游的車速還能保持較高水平，但隨著交通量的逐步增加，車速下降明顯，當(dāng)交通量達(dá)到2000pcu/h/ln時(shí)，出口匝道的車速僅為56.6km/h，說(shuō)明在較大的混合交通量下車輛之間的干擾非常明顯。

表8 整體式高速公路不同流量下速度比較

不同輸入流量下的整體式高速公路速度方差檢測(cè)值如表9所示。當(dāng)交通量較小時(shí)，無(wú)論是基本路段還是出口匝道上游的車輛速度方差都相對(duì)較小，車輛行駛互不干擾。隨著交通量的增大，兩處區(qū)域的速度方差逐步增大。當(dāng)交通量達(dá)到較大值時(shí)，出口匝道上游的速度方差增加非常明顯，證明此處下高速車流和正常行駛車流干擾極大，而基本路段車流速度方差有略微降低，說(shuō)明了大量的車輛使車輛進(jìn)入跟隨行駛的狀態(tài)，換道超車現(xiàn)象減少。

表9 整體式高速公路不同流量下速度方差比較

不同輸入流量下的整體式高速公路車頭時(shí)距檢測(cè)值如表10所示。與其他幾種斷面形式的高速公路情況類似，隨著交通量的逐漸增大，整體式高速公路的車頭時(shí)距逐漸減小，當(dāng)交通量達(dá)到較大水平時(shí)逐漸穩(wěn)定，此時(shí)高速公路交通量達(dá)到飽和，更多的輸入車輛已經(jīng)無(wú)法進(jìn)入高速公路主線。

表10 整體式高速公路不同流量下車頭時(shí)距比較

2 各類型多車道高速公路交通流運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

2.1 速度比較

不同交通量輸入下三種組織形式高速公路基本路段和出口匝道上游的速度比較圖如圖1和圖2所示。結(jié)合表2和表4對(duì)于基本路段，當(dāng)交通量較小時(shí)，三種交通組織形式路段的車速基本一致，車速較高；而當(dāng)輸入交通量逐漸增大，整體式和“長(zhǎng)途+集散”式高速公路車輛速度下降明顯，說(shuō)明增加的車流使這些路段的車輛相互影響增強(qiáng)。特別需要注意的是，對(duì)于客貨分離式的高速公路，客車和貨車在基本路段的速度差異十分明顯，證明了兩類車性能上的差異，而客貨分離斷面正好把這兩種性能差異很大的車流分離，從而減少了兩類車相互的干擾和頻繁的變換車道，提高了道路整體運(yùn)行速度和安全性。

對(duì)于出口匝道上游的車速，當(dāng)交通量較小時(shí)，三種組織形式的高速公路出口匝道上游車速差別不大，客貨分離式的車速最高；隨著交通量的增大，“長(zhǎng)途+集散”式斷面的車流速度下降非常明顯，顯著低于其他兩種組織形式的車速。此時(shí)需要駛離高速公路的混合交通流都集中在三車道的輔路上，客貨車的相互影響和接近飽和的交通量使得出口匝道上游形成擁堵，車速降低；對(duì)于其他兩種形式，交通量的增大造成了出口匝道上游的車速下降，但相比較而言客貨分離式的車速更高，說(shuō)明消除客車和貨車的干擾后確實(shí)可以提高匝道附近交通流的運(yùn)行狀況。

2.2 速度方差比較

不同交通量輸入下三種組織形式高速公路基本路段和出口匝道上游的速度方差比較如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，整體式路段和“長(zhǎng)途+集散”主路由于包含大量的客貨混行交通流，車輛之間的干擾體現(xiàn)在數(shù)值上就是非常大的速度方差，極易導(dǎo)致追尾和碰擦事故。而客貨分離式高速公路由于專用道上的車輛性能相對(duì)相近，所以超車變道情況較少，車流運(yùn)行平穩(wěn)，速度方差小。

出口匝道上游由于駛離高速的車輛需要變道行駛至最外側(cè)車道，因此車輛加減速頻繁，車流速度方差普遍大于基本路段，當(dāng)交通量較小時(shí)，客貨分離式高速公路的速度方差也較小，表現(xiàn)優(yōu)于其他斷面形式的高速公路，說(shuō)明客貨分離式的高速公路更加安全。

2.3 車頭時(shí)距比較

不同交通量輸入下三種組織形式高速公路基本路段和出口匝道上游的車頭時(shí)距比較圖如圖5和圖6所示。車頭時(shí)距與實(shí)際通過(guò)道路斷面的交通量成反比關(guān)系，因此車頭時(shí)距越小，說(shuō)明通過(guò)該斷面的交通量越大。從圖5看出，隨著輸入交通量的增加，各斷面的車頭時(shí)距逐漸減小并基本保持平穩(wěn)，說(shuō)明此時(shí)道路已經(jīng)達(dá)到了飽和的交通量，這種情況下客貨分離式的表現(xiàn)仍然最優(yōu)，車頭時(shí)距最小。

出口匝道上游由于車速降低，因此車頭時(shí)距在相同交通量輸入下比基本路段小。當(dāng)交通量較小時(shí)三類高速公路出口匝道的車頭時(shí)距相似，而當(dāng)輸入交通量增大時(shí)，客貨分離式高速公路的車頭時(shí)距最小。

3 結(jié)論

通過(guò)上述在不同交通量輸入條件下三種組織形式高速公路不同區(qū)域的速度、速度方差和車頭時(shí)距比較和分析，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)高速公路交通量較小時(shí)，除了基本路段的速度方差外，整體式斷面和客貨分離式斷面高速公路在其他交通流運(yùn)行參數(shù)上差別并不明顯，各車輛行車之間并無(wú)很大干擾。

(2)當(dāng)輸入交通量值逐漸達(dá)到三級(jí)、四級(jí)服務(wù)水平值時(shí)，客貨分離式高速公路相比整體式高速公路無(wú)論在安全性還是在通行效率上，都表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

(3)整體式道路上，客貨車由于本身車輛特性的差異，導(dǎo)致道路上客貨車輛行駛速度差的存在，造成客車頻繁超車，致使客貨車同時(shí)處于低速行駛狀態(tài)，極大地降低了通行效率。客貨分離高速公路中客車、貨車各行其道，互不干擾，行車速度和通行效率可大大提高，徹底消除了客、貨車之間的車速差，大大提高了行車速度和通行效率。

(4)對(duì)于“長(zhǎng)途+集散”式斷面，由于存在主輔路駛?cè)腭偝鲈训篮洼o路與其他道路的駛?cè)腭偝鲈训?，使得整個(gè)路段的瓶頸地帶增加，降低了整條道路的通行能力和速度，一般情況下并不建議采取該斷面形式。