高速路瓶頸擾動(dòng)特性及傳播規(guī)律研究

馬浩

（1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.招商新智科技有限公司，北京 100070）

0 引言

道路上突然變狹窄的路段，就是道路瓶頸。道路瓶頸是導(dǎo)致交通擁堵的主要原因，也往往是交通事故的高發(fā)、常發(fā)區(qū)域[1]。在高速公路路段上，時(shí)常由于人因、車(chē)輛、道路環(huán)境、天氣狀況等原因在空間上形成相對(duì)固定的瓶頸節(jié)點(diǎn)，對(duì)正常運(yùn)行的交通流產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重制約著高速公路安全和暢通方面的發(fā)展。瓶頸節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)使高速路的交通運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，甚至引發(fā)道路擁堵或交通事故。

孟祥海等以四車(chē)道高速路為例，研究快車(chē)道占用區(qū)段的交通流特性規(guī)律[2]。張明亮等結(jié)合西安市二環(huán)快速路實(shí)例研究集結(jié)波對(duì)交通沖突的影響及減速車(chē)道長(zhǎng)度的關(guān)系[3]。胡雁賓等運(yùn)用VISSIM 對(duì)突發(fā)事件的影響范圍進(jìn)行驗(yàn)證研究[4]。任作武等以呼集高速為例研究重載車(chē)在瓶頸路段的集結(jié)消散規(guī)律[5]。長(zhǎng)安大學(xué)的張文婷、張順利等對(duì)高速路交通事故的影響傳播機(jī)理和影響路徑進(jìn)行了研究[6，7]。當(dāng)前對(duì)高速路瓶頸的研究聚焦于事故、擁堵等典型場(chǎng)景，缺乏對(duì)瓶頸問(wèn)題的系統(tǒng)梳理，對(duì)各類(lèi)型瓶頸的差異特質(zhì)研究不足?；诖耍疚膶⒊浞盅芯糠治龈黝?lèi)高速路瓶頸的本質(zhì)特性和干擾傳播規(guī)律。見(jiàn)表1。

表1 高速路瓶頸分類(lèi)

1 瓶頸干擾特性

1.1 偶發(fā)事件類(lèi)瓶頸

偶發(fā)事件類(lèi)瓶頸對(duì)車(chē)流運(yùn)行狀態(tài)的干擾具有突然性和不確定性，本質(zhì)是由于突發(fā)的交通事件對(duì)車(chē)道空間造成壓縮占用，導(dǎo)致車(chē)流中車(chē)輛減速、變換車(chē)道等行為激增，從而出現(xiàn)車(chē)流紊亂現(xiàn)象。

若遇到偶發(fā)事件類(lèi)瓶頸出現(xiàn)，上游臨近的車(chē)輛駕駛員需要采取緊急應(yīng)對(duì)措施。大部分成熟的老司機(jī)會(huì)遵循“讓速不讓路”的原則采取緊急剎車(chē)制動(dòng)操作，待低速或停駐后，通過(guò)觀察其他車(chē)道車(chē)流情況，擇機(jī)通過(guò)變換車(chē)道駛離該區(qū)域；而對(duì)于駕駛經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的駕駛員而言，遇到偶發(fā)事件類(lèi)瓶頸時(shí)應(yīng)對(duì)會(huì)比較匆忙，通常會(huì)下意識(shí)采取猛打方向盤(pán)變道躲避的操作，這樣會(huì)與其他行車(chē)道的行駛車(chē)輛產(chǎn)生嚴(yán)重的交織沖突，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蓴_整個(gè)斷面全部車(chē)道的正常通行，產(chǎn)生交通擁堵或次生事故。無(wú)論是減速還是主動(dòng)或被動(dòng)變換車(chē)道，都會(huì)產(chǎn)生明顯的慣性干擾，影響司乘人員的駕駛感受。

1.2 計(jì)劃類(lèi)瓶頸

計(jì)劃類(lèi)瓶頸通常是在管理部門(mén)策劃審批后產(chǎn)生，如養(yǎng)護(hù)施工、交通管制等，一般會(huì)提前向公眾發(fā)布公告，駕駛員通行該路段有一定的思想準(zhǔn)備，而且在管制或施工路段臨近位置，會(huì)配套設(shè)置相應(yīng)的提示標(biāo)識(shí)，車(chē)流靠近該路段會(huì)提前發(fā)現(xiàn)提示信息，駕駛員一般會(huì)明確地采取提前減速、提前主動(dòng)變換車(chē)道等措施。此類(lèi)瓶頸對(duì)于車(chē)道的占用界限比較清晰，包括起訖點(diǎn)、圍擋、警示裝置等，除斷路施工或封路管制的特殊情況，一般此類(lèi)瓶頸都不會(huì)完全阻斷行車(chē)道通行。

1.3 異常氣象類(lèi)瓶頸

高速公路地形環(huán)復(fù)雜，穿越山地、河流等極為普遍，易受到風(fēng)、雷、雨、雪、霧等異常天氣的影響，形成不同程度、類(lèi)型的異常氣象類(lèi)瓶頸。我國(guó)由于天氣原因造成的高速路瓶頸極其常見(jiàn)，尤其是在北部山區(qū)、南方鄰水地區(qū)等，經(jīng)常因異常天氣導(dǎo)致高速公路通行受阻或事故等發(fā)生?？傮w來(lái)看，異常天氣類(lèi)瓶頸對(duì)于高速公路交通流運(yùn)行的干擾，主要是因異常天氣會(huì)引起路面濕滑程度和能見(jiàn)度改變，導(dǎo)致駕駛員為了行車(chē)安全而降低行車(chē)速度；同時(shí)因團(tuán)霧、冰坡等發(fā)生的區(qū)域性很強(qiáng)，因此駕駛員的降速會(huì)集中在一段區(qū)域發(fā)生，臨近該區(qū)域的車(chē)輛增多時(shí)，低速或減速的車(chē)輛就會(huì)增多形成集結(jié)擁堵。

1.4 道路結(jié)構(gòu)類(lèi)瓶頸

道路結(jié)構(gòu)類(lèi)瓶頸形成的本質(zhì)原因是由于道路結(jié)構(gòu)、線形等問(wèn)題，導(dǎo)致車(chē)道變窄，影響車(chē)流的正常行駛，對(duì)上游車(chē)輛產(chǎn)生交通波沖擊。如浙江甬臺(tái)溫高速三都嶺段，因路隧銜接造成瓶頸，臨近車(chē)輛須經(jīng)過(guò)“三改二”匯流才能通過(guò)，由于該路段車(chē)輛換道交織嚴(yán)重，上游極易出現(xiàn)擁堵。

2 瓶頸干擾的量化分析

2.1 瓶頸路段剩余通行能力

道路通行能力影響因素眾多，包括道路條件、交通組成、可通行車(chē)道數(shù)量等，在研究高速路瓶頸問(wèn)題過(guò)程中，實(shí)際通行能力應(yīng)該為各影響因子綜合修正后的剩余通行能力，可使用以下公式計(jì)算：

式（1）中：Cf——剩余通行能力；

C——設(shè)計(jì)通行能力；

fHV——基于大車(chē)比例的修正系數(shù)；

fB——基于車(chē)道占用/變少的修正系數(shù)；

flw——基于車(chē)道寬度的修正系數(shù)；

α、β、γ——權(quán)重參數(shù)。

2.1.1 基于大車(chē)比例的修正系數(shù)

根據(jù)《道路通行能力手冊(cè)》（HCM2010）和《公路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014），可得出如下基于大車(chē)比例的修正系數(shù)[8]：

式（2）中：fHV——基于大車(chē)比例的修正系數(shù)；

Pi——中型車(chē)及以上車(chē)型交通量占比；

Zi——中型車(chē)及以上車(chē)輛折算系數(shù)。

2.1.2 基于車(chē)道占用/變少的修正系數(shù)

占道行為對(duì)于通行能力的影響，并不是簡(jiǎn)單的只是減小占用數(shù)（總車(chē)道數(shù)）的部分，《道路通行能力手冊(cè)》（HCM2010）針對(duì)不同占道情況對(duì)道路通行能力影響給出了詳細(xì)的通行能力折減系數(shù)[9]，如表2所示。

表2 基于車(chē)道占用/變少的修正系數(shù)對(duì)應(yīng)表

在可通行車(chē)道數(shù)變少情況下，與“占道對(duì)于通行能力的影響”等同，對(duì)于通行能力的影響系數(shù)采用相同標(biāo)準(zhǔn)即可。

2.1.3 基于車(chē)道寬度的修正系數(shù)

我國(guó)高速公路單車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)寬度為3.75m，但隨著各地高速公路交通量的逐漸增多，較多地區(qū)開(kāi)展重點(diǎn)路段的應(yīng)急車(chē)道改造工程，造成實(shí)際車(chē)道寬度＜3.75m。高速公路施工作業(yè)也會(huì)對(duì)行車(chē)道進(jìn)行重新渠化，通過(guò)錐桶、信標(biāo)等方式將車(chē)道進(jìn)行壓縮，多數(shù)情況是通過(guò)調(diào)整每條車(chē)道的寬度而保證可通行車(chē)道數(shù)量。周榮貴等人通過(guò)總結(jié)分析，給出了車(chē)道寬度對(duì)于通行能力修正系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系[10]，如表3所示。

表3 基于車(chē)道寬度的修正系數(shù)對(duì)應(yīng)表

2.2 瓶頸路段的安全車(chē)速

瓶頸路段的安全車(chē)速是指，能夠保證在駕駛員發(fā)現(xiàn)瓶頸后采取制動(dòng)措施且車(chē)輛不與瓶頸點(diǎn)發(fā)生碰撞或激烈沖突的最大行駛速度。國(guó)內(nèi)學(xué)者李長(zhǎng)城[11]等通過(guò)將機(jī)動(dòng)車(chē)剎車(chē)距離、駕駛員反應(yīng)距離、停車(chē)后安全距離、安全行車(chē)間距關(guān)聯(lián)整合，得出了一種最大安全車(chē)速的計(jì)算方法。本文結(jié)合高速公路瓶頸問(wèn)題特性，對(duì)該方法進(jìn)行如下修正，包括調(diào)整駕駛員反應(yīng)時(shí)間參數(shù)、增加道路縱坡坡度參數(shù)、更新設(shè)計(jì)停車(chē)視距參數(shù)等，得到了一種適用于高速路瓶頸問(wèn)題的最大安全車(chē)速計(jì)算方法：

式（3）中：D——停車(chē)視距，可用能見(jiàn)度替換；

v——安全行車(chē)速度；

μ——摩擦系數(shù)；

i——道路縱坡度。

2.3 瓶頸路段的車(chē)流密度

在瓶頸傳播范圍研究過(guò)程中，需對(duì)瓶頸段的交通密度進(jìn)行預(yù)測(cè)取值，因此需要選取適用于高速公路特性的交通流模型進(jìn)行密度預(yù)測(cè)。陳大山等通過(guò)對(duì)比研究提出Van aerde 模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易標(biāo)定，具有良好的通用性和適應(yīng)性[12]。張寸保等在分別使用Greenshields 模型、Pipes 微觀模 型和Van aerde 模 型對(duì)高速公路真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，發(fā)現(xiàn)Van aerde 模型克服了其他模型的局限和不足，更適用于描述我國(guó)高速公路交通流特性[13]。羅例東等在應(yīng)用Van aerde 模型進(jìn)行高速公路異常事件影響范圍預(yù)測(cè)研究的過(guò)程中取得了較好的效果[14]。由于該研究所使用的實(shí)例數(shù)據(jù)主要來(lái)源于甬臺(tái)溫高速公路，通過(guò)對(duì)上述各模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，驗(yàn)證得出Van aerde 模型更適合研究高速路瓶頸問(wèn)題。

3 瓶頸干擾傳播模型

基于上述對(duì)于高速路瓶頸特性及傳播規(guī)律的定性定量分析，本文提出一種適用于高速公路各類(lèi)瓶頸情況下的干擾傳播模型，通過(guò)將該模型與軟件系統(tǒng)結(jié)合，可以在瓶頸出現(xiàn)后快速計(jì)算出瓶頸干擾傳播范圍，為運(yùn)營(yíng)管理者進(jìn)行瓶頸問(wèn)題處置應(yīng)對(duì)提供決策支撐。瓶頸干擾傳播模型的算法設(shè)計(jì)流程為：第一步，通過(guò)視頻事件檢測(cè)、雷達(dá)、人工巡檢、接報(bào)等方式監(jiān)測(cè)并發(fā)現(xiàn)瓶頸，確定瓶頸區(qū)段的位置、輸入瓶頸的特征信息。第二步，通過(guò)瓶頸區(qū)段的路側(cè)雷達(dá)、視頻等設(shè)備，及時(shí)獲取上游路段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括上游路段的交通流量和交通密度。第三步，辨識(shí)瓶頸類(lèi)型。第四步，計(jì)算該瓶頸狀況下的剩余道路通行能力。第五步，基于管理單位需求，篩選瓶頸區(qū)段的速度值，并通過(guò)標(biāo)定后的Van aerde 模型，計(jì)算出瓶頸區(qū)段的車(chē)流密度值。第六步，將第二步至第五步得出的各值輸入到車(chē)流波模型中，計(jì)算出瓶頸干擾傳播速度。第七步，基于該路段對(duì)于瓶頸發(fā)現(xiàn)時(shí)間、指揮中心響應(yīng)時(shí)間、救援到達(dá)時(shí)間等經(jīng)驗(yàn)值，預(yù)測(cè)瓶頸傳播時(shí)間。第八步，基于瓶頸干擾傳播速度至和傳播時(shí)間值，輸出該瓶頸的干擾傳播范圍的預(yù)測(cè)值。運(yùn)營(yíng)管理者便可根據(jù)該預(yù)測(cè)值，確定在瓶頸上游進(jìn)行管控處置措施的最佳位置。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各類(lèi)高速路瓶頸的干擾規(guī)律特性的分析研究，挖掘出瓶頸對(duì)于通行能力、速度等量化影響指標(biāo)，最終提出了一種適用于各類(lèi)高速公路瓶頸的干擾傳播模型，可直接應(yīng)用于高速公路運(yùn)營(yíng)管理中，為路方對(duì)于瓶頸狀況下的交通流管控策略提供理論支撐。未來(lái)應(yīng)繼續(xù)圍繞瓶頸狀況下波速傳播時(shí)間進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)于瓶頸發(fā)現(xiàn)時(shí)間、路方應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間、救援處置力量到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間等研究，輔助路方進(jìn)行瓶頸事件處置時(shí)可以指定出最佳的管控方案，包括處置措施、介入時(shí)間、管控距離等，有助于提高管控方案的精準(zhǔn)性和高效性，進(jìn)一步提升高速公路的通行效率和安全水平。