基于仿真分析的快速路左入加速車道長度取值研究

趙 恒

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

快速路作為城市道路的主動脈，在城市道路總里程所占比重較低，卻承擔了較大的交通負荷，具有連續(xù)通行、干擾小、容量大的特性。然而，早晚高峰期車輛間摩擦多，潛在危險多，事故頻發(fā)，一旦發(fā)生交通事故，往往事故嚴重程度大，且事故后對交通影響也較深。根據(jù)2016年公安部交通管理局發(fā)布的《中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報》[1]的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)生在出入口匝道及合流區(qū)內(nèi)的事故占比達35%以上。

變速車道是加速車道與減速車道的總稱，作為主線車道和匝道之間的銜接車道，起到了為車輛提供變速、合流及分流的作用。影響快速路合、分流區(qū)運行安全和效率的因素主要是變速車道的布置形式和車道長度。Skabardonis[2]通過微觀模擬模型，評價了道路幾何特征對匝道、變速車道運行安全的影響。Campbell等[3]經(jīng)過實地調(diào)查，驗證了不同形式的加速車道車輛合流特性不同，直接式加速車道所需要的車道長度大于《美國道路線形設計規(guī)范》[4]的規(guī)定長度。Sarhan等[5]將道路流量、變速車道幾何特征與碰撞概率聯(lián)系起來，通過回歸分析量化出入口匝道間距和交通量對安全性的影響。國內(nèi)學者在CJJ 129-2009《城市快速路設計規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)[6]基礎上，深入研究變速車道的布置形式及其特性。孫劍等[7]對上海城市快速路監(jiān)控系統(tǒng)3年內(nèi)記錄的48325件交通事故進行調(diào)查，研究表明事故發(fā)生率與交通擁堵狀況、車輛匯合比例、車輛分流比例、車道寬度、匝道曲率半徑(影響視距)等因素相關，且各因素在擁堵時段和非擁堵時段所占影響的比例不同。萬曉敏等[8]通過快速路的實地調(diào)查，比較左入與右入合流區(qū)的交通組織，分析其在通行能力和臨界占有率的差異，提出了適用于左入快速路的交通管控方案。

變速車道的長度也是影響快速路交通運行的重要因素。Bared等[9]指出道路交通量是造成變速車道事故發(fā)生的主要原因，此外還有車道數(shù)、變速車道長度、天氣狀況等影響因素。Maher等[10]通過混合概率模型，研究了日本的一條城市快速路入口匝道運行情況，結(jié)果表明右側(cè)入口匝道相較于左側(cè)布置能給駕駛員提供更好的舒適性，并建議左側(cè)布置的入口匝道長度應比右側(cè)布置長50%。黃蘭可等[11]分析了城市快速路左進左出變速車道長度的影響因素，通過公式法和實地調(diào)查數(shù)據(jù)計算出變速車道長度推薦值，并通過仿真模型驗證其可行性。張慧娟[12]從快速路出口匝道的幾何條件和交通組織影響著手，分析了減速車道長度、渠化長度和交織區(qū)長度對左出型定向匝道通行能力的影響。尹露[13]闡述了減速車道的特點，并結(jié)合二次減速理論提出減速車道長度模型，計算出不同匝道限速下減速車道長度取值。邢小亮等[14～16]結(jié)合國內(nèi)規(guī)范關于變速車道長度的設置，考慮了多種因素對其影響，確定了以設計速度為依據(jù)的變速車道長度推薦值。李敏[17]對不同車型的運行參數(shù)進行研究，分別分析了大、小型車所需的變速車道長度?？琢畛糩18]結(jié)合車頭時距模型和加、減速理論，分析影響變速車道交通特性的因素，從而推導出變速車道長度基本取值。此外，葉宇[19]考慮了成本效益，構(gòu)建變速車道的建設成本模型、事故與損失模型，將建設成本與事故損失轉(zhuǎn)化為現(xiàn)值進行比較，給出最佳效益成本比值所對應的變速車道長度推薦值。

目前已有研究大多以匝道右側(cè)布置的加速車道作為研究對象，且未能從交通運行效率和安全性兩個層面綜合考慮合流區(qū)交通設計參數(shù)。變速車道的交通參數(shù)一旦設計不合理，極易影響交通流運行狀態(tài)，從而誘發(fā)交通事故。若變速車道長度設計過短，駕駛?cè)穗y以在規(guī)定路段內(nèi)完成變速過程，易造成道路擁堵和事故發(fā)生；若變速車道長度設計過長，又會造成工程經(jīng)濟的浪費。因此，合理確定變速車道長度對于改善快速路交通擁堵與安全問題具有重要意義。

1 問題描述

城市快速路在出入口匝道的布置上，通常采用右側(cè)布置的形式，然而受地面路況與施工可行性的制約，少數(shù)情況下也會采用左側(cè)布置的形式。對于左側(cè)出口，易給不熟悉路況的駕駛?cè)嗽斐衫_，高速行車情況下的猶疑往往會出現(xiàn)錯過出口的情況，且短時間內(nèi)的變道亦會對直行車流造成較大干擾，從而導致事故發(fā)生。對于左側(cè)入口，車輛從左側(cè)加速車道匯入主線時運行速度較低，而我國快速路左側(cè)車道均為快車道，加速車道車流與主線車流運行速度相差較大，車輛運行協(xié)調(diào)性差也極易造成追尾等交通事故的發(fā)生。

以左入加速車道為例，匝道車輛并入主線可分為兩步，即加速和車道變換，因此左入加速車道的長度就是經(jīng)過該過程所需長度之和。圖1為左入加速車道示意圖。

圖1 左入加速車道示意

目前國內(nèi)《規(guī)程》確定的變速車道基本長度僅針對右側(cè)布置的匝道，并不能滿足匝道左側(cè)布置形式下變速車道的要求。左入匝道設置可較好解決城市交通設施建設受到用地制約的問題。本研究以南京機場快速路左入加速車道為例，通過仿真研究，從道路運行安全和效率兩個方面來確定左入加速車道的合理長度取值。該研究路段滿足：(1)符合加速車道通常選取的平行式；(2)適合采用航拍方式采集數(shù)據(jù)，視野條件好，無遮擋；(3)道路線形指標較好；(4)高峰時期交通運行狀況可滿足《規(guī)程》中的三級服務水平要求，故該合流區(qū)可作為典型研究對象。

2 左入匝道的合流區(qū)加速車道交通調(diào)查與分析

2.1 調(diào)查儀器、地點及時間選取

本次調(diào)查采用航拍方式，所用無人機為大疆MAVIC 2，電池最長續(xù)航時間為30 min，能在500 m高空實現(xiàn)穩(wěn)定懸停。此外，配備一部手機作為監(jiān)視器，用于觀測所拍攝畫面，以便實時調(diào)整無人機位置和相機角度。

選取南京機場快速路左入合流區(qū)作為調(diào)查對象，根據(jù)《道路通行能力手冊HCM》中合流影響區(qū)的定義，選取入口匝道與主線合并處至下游457 m范圍內(nèi)，包含加速車道及與加速車道相鄰的第1，2車道在內(nèi)的區(qū)域作為研究區(qū)域，如圖2所示。調(diào)查時間選取2020年1月8日的晚高峰時期16:00—18:00，用于仿真參數(shù)的校正和結(jié)果驗證。

圖2 南京機場快速路左入合流區(qū)航拍圖

2.2 驗證指標選取

驗證指標的篩選應保證以盡量少的評價指標全面反映道路的真實狀況，同時應保證評價指標易從仿真模型中直接獲取且便于現(xiàn)場采集。

交通運行效率和安全分析是對快速路綜合評價的兩個關鍵因素，二者的最佳平衡是一種理想化的追求目標，然而多數(shù)情況下，選擇安全性較高的道路設計方案往往意味著要犧牲道路運行效率。

在交通運行效率指標中，交通密度主要受道路交通量影響，而本研究擬采取調(diào)查所得固定交通流量進行參數(shù)標定，因此篩除該驗證指標。而平均行程速度和平均行程延誤相關度較高，故選擇其一即可。

在道路安全評價指標中，TTC(Time to Collision)模型主要用于追尾沖突的分析，而PET(Post Encroachment Time)模型并不適用于研究同一行駛方向的跟馳車輛。

綜上所述，本研究將選取平均行程延誤作為變速車道的運行效率評價指標，選取TTC沖突數(shù)作為變速車道的安全性評價指標。

2.3 調(diào)查數(shù)據(jù)確定

根據(jù)左入加速車道交通運行特性的影響因素分析和驗證指標選取，確定如下調(diào)查數(shù)據(jù)，主要包括道路幾何參數(shù)和交通流參數(shù)：(1)道路幾何參數(shù)：車道數(shù)、車道寬度、匝道及變速車道布置形式、道路限速；(2)交通流數(shù)據(jù)：道路交通量、交通組成、車輛運行速度分布、平均行程延誤、交通沖突數(shù)。

道路數(shù)據(jù)通過實地調(diào)查和航拍錄像的方式進行采集，其中道路交通量和交通組成可以直接通過視頻數(shù)據(jù)獲取，而車輛運行速度、平均行程延誤及交通沖突數(shù)需通過對視頻數(shù)據(jù)進一步處理獲得。

2.4 交通流運行特性分析

通過調(diào)查所得交通流數(shù)據(jù)，開展合流區(qū)交通運行特性分析，包括高峰小時交通量特性、合流區(qū)速度分布特性和交通沖突特性，可為仿真模型的參數(shù)標定及加速車道布置形式的改善提供依據(jù)。

2.4.1 高峰小時交通量特性

將調(diào)查所得交通量數(shù)據(jù)按時間繪制成合流區(qū)基本路段和匝道的交通飽和度趨勢圖(圖3)。

圖3 合流區(qū)基本路段和匝道的交通飽和度趨勢

由圖3可知，匝道交通各時段平均飽和度接近90%，個別時段超過90%，服務水平極差。

2.4.2 合流區(qū)速度分布特性

按加速車道的功能可將其分為加速段L1(0～195 m)、漸變段L2(196～300 m)及緩沖段L3(301～457 m)。

為比較主路兩條車道的車速分布，繪制車輛經(jīng)過各段的平均車速對比圖(圖4)。

圖4 與加速車道相鄰第1，2車道各段平均車速對比

第1車道由于車輛從加速車道直接匯入，因此該車道車輛受匯流過程影響較大，該車道各段平均速度較第2車道均更低，但在中段基本完成加速過程；第2車道基本不受匯流過程的影響，各劃分段的平均速度較為穩(wěn)定。

2.4.3 交通沖突特性

繪制交通沖突類型劃分及TTC均值表(表1)。

表1 交通沖突類型劃分及TTC均值

由交通沖突類型劃分表可知，對追尾沖突而言，沖突多發(fā)生在前段和中段。一方面，由于匝道車輛未完全加速便匯入主線車道，造成后方正常行駛的主線車輛被迫減速，易發(fā)生追尾沖突；另一方面，匝道的大車比例較高，而快速路貨車道一般位于最外側(cè)，大車若要匯入主路貨車道，勢必要經(jīng)過中間兩車道，對后方主線車輛的影響較大，也較易發(fā)生追尾沖突。

對側(cè)向沖突而言，沖突多發(fā)生在中段，表明車輛在加速車道前半段未能順利并入主線，只能行駛至加速車道末段，停車等待合適的臨界間隙以完成合流過程，從而易與主線車流發(fā)生側(cè)向沖突。

3 仿真模型建立

VISSIM軟件可實現(xiàn)對道路、車輛、行人及交通運行規(guī)則的模擬，以反映真實的道路交通狀況。本研究依據(jù)南京機場快速路的實地調(diào)查數(shù)據(jù)，選用VISSIM進行模型的構(gòu)建，通過運行結(jié)果分析其運行效率，并采用SSAM軟件分析交通沖突數(shù)以評價變速車道的安全性。

3.1 仿真參數(shù)標定

仿真參數(shù)的標定包含參數(shù)的校正和驗證兩個階段，通過調(diào)整單個或多個校正參數(shù)，使仿真模型輸出的驗證指標落于實測指標允許的誤差范圍內(nèi)，其目的是為了獲取適用于實際情況下的駕駛行為參數(shù)。

第一階段，開展默認參數(shù)的可行性分析和敏感性分析，篩選出待校正參數(shù)，從合流區(qū)的交通運行效率和安全性兩個方面著手，應用均值化法消除指標量綱，對道路交通狀況進行綜合性評價，運用改進的SPSA(Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation)算法對參數(shù)進行校正；第二階段，從合流區(qū)的交通運行效率和安全性兩個方面完成校正參數(shù)的有效性驗證。

本研究主要對平均停車間距、安全距離附加系數(shù)、安全距離倍數(shù)系數(shù)、最小車頭間距和安全距離折減系數(shù)這五個參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整后的參數(shù)值如表2所示。

表2 校正后參數(shù)值

3.2 仿真實驗設計

根據(jù)本文的研究需求，在調(diào)查的交通條件下，變更加速車道的布置條件，包括車道數(shù)量、加速段長度及漸變段長度，以進行仿真試驗。

(1)車道數(shù)量

車道數(shù)量取決于交通量的大小，經(jīng)本研究調(diào)查可知，高峰時期下匝道的實際運行交通量遠超過其設計通行能力，故本研究擬在仿真實驗中增加車道數(shù)量，分析其對合流區(qū)的交通影響。

(2)加速段長度

根據(jù)《規(guī)程》，80 km/h的主線設計車速下，單車道加速段規(guī)定最小長度為110 m，雙車道為170 m。本研究調(diào)查區(qū)域的加速車道加速段長度為195 m，因此選取加速段長度的設計范圍是110～270 m，步長為40 m。

(3)漸變段長度

根據(jù)《規(guī)程》，80 km/h的主線設計車速下，漸變段規(guī)定最小長度為50 m。本研究調(diào)查的加速車道漸變段長度為105 m，因此選取漸變段長度的設計范圍是50～150 m，步長為50 m。

綜上所述，并結(jié)合規(guī)范標準，加速車道的布置條件仿真參數(shù)取值如表3所示，共需設計36組仿真實驗，每組實驗運行100次，單次仿真時長為10 min。

表3 加速車道的布置條件仿真參數(shù)設置

4 仿真結(jié)果分析

4.1 不同布置條件加速車道的仿真運行結(jié)果

本實驗的研究對象是快速路左入匝道合流區(qū)，包括加速車道及與加速車道相鄰的第1，2車道在內(nèi)的457 m區(qū)域。為便于結(jié)果比較分析，選取平均行程延誤和交通沖突數(shù)作為對合流區(qū)的運行效率和安全性的評價指標，具體仿真方案及運行結(jié)果如表4所示。

表4 仿真運行結(jié)果

4.2 車道數(shù)量對合流區(qū)交通運行特征影響規(guī)律

由表4分析可知，在同一加速段和漸變段長度的水平條件下，雙車道匝道下的車輛平均行程延誤低于單車道的布置形式，表明雙車道的布置形式可較好地緩解原先單車道匝道設計通行能力不足的問題。

而雙車道匝道下的交通沖突數(shù)和追尾沖突比例均大幅增加，該現(xiàn)象表明雙車道的布置形式雖在整體上增加了合流區(qū)的通行效率，但是一定程度上改變了原來匝道車輛的匯入過程，雙車道下左側(cè)匯入的車輛加劇影響了主線車輛的正常行駛，造成追尾沖突數(shù)大量增加，合流區(qū)的交通運行安全性顯著降低。

4.3 加速段長度對合流區(qū)交通運行特征的影響規(guī)律

根據(jù)實驗設計，加速段長度分為110，150，190，230，270，310 m，分別統(tǒng)計在各加速段長度的水平下，車輛平均行程延誤及交通沖突數(shù)的平均值變化情況，如圖5，6所示。

圖5 不同加速段長度水平下的平均行程延誤變化曲線

圖6 不同加速段長度水平下的交通沖突數(shù)變化曲線

由以上兩組曲線圖可知，隨著加速段長度的增加，車輛的平均行程延誤逐漸呈下降趨勢，故加速段長度對平均行程延誤有顯著影響；對于交通沖突數(shù)而言，加速段長度增加初期，交通沖突數(shù)顯著下降，但隨著長度繼續(xù)增加，交通沖突數(shù)的變化趨勢趨于平緩，其邊際效應逐漸降低。

4.4 考慮運行效率和安全性的加速車道總長度確定

由表4可得加速車道在不同總長度下的平均行程延誤和交通沖突數(shù)的變化情況，其變化趨勢如圖7，8所示。

圖7 不同加速車道總長度下的平均行程延誤變化曲線

圖8 不同加速車道總長度下的交通沖突數(shù)變化曲線

由以上兩組折線圖可知，隨著加速車道總長度的增加，車輛的平均行程延誤呈下降趨勢，當總長度增加至380 m時，延誤基本達到最低值，若繼續(xù)增加變速車道總長度，延誤改善的邊際收益極低；對于交通沖突數(shù)而言，當變速車道總長度增加至260 m后，交通沖突數(shù)的改善收益逐漸降低，若繼續(xù)增加變速車道總長度，對交通沖突數(shù)的影響并不顯著。該現(xiàn)象表明，加速車道總長度的增加能顯著降低車輛的平均行程延誤，但是對于交通沖突數(shù)的改善情況有限，故加速車道總長度的選取應當結(jié)合交通運行效率、安全性及工程造價綜合考慮。

因此，建議主路限速為80 km/h的左入加速車道最小長度應不小于260 m，該長度大于我國《規(guī)程》中對于加速車道最小長度(210 m)的規(guī)定，與左入加速車道需要更長的長度相契合。研究通過仿真實驗得出基于運行效率和安全性的加速車道長度取值區(qū)間，填補了《規(guī)程》中對于左入加速車道長度取值建議的空白。

5 結(jié) 論

(1)本研究以合流區(qū)交通特性分析為基礎，選取合適的驗證指標，通過航拍方式獲取南京機場快速路左入合流區(qū)的交通運行數(shù)據(jù)，可較全面地觀察交通流的運行特征，也為后續(xù)仿真建模提供了數(shù)據(jù)來源。

(2)本研究根據(jù)調(diào)查的交通流數(shù)據(jù)構(gòu)建VISSIM仿真模型，并開展默認參數(shù)的可行性分析和敏感性分析，校正參數(shù)以獲取適用于實際情況下的駕駛行為參數(shù)；通過仿真實驗設計不同布置形式的變速車道，分析不同因素對合流區(qū)交通特性的影響；實驗中控制了匝道車道數(shù)、加速段長度及變速段長度三個影響因素，共設計出36組仿真實驗。

(3)本研究通過比較車輛的平均行程延誤和交通沖突數(shù)，分析各因素對交通運行結(jié)果的影響；根據(jù)結(jié)果，可知雙車道匝道的布置形式雖能彌補設計通行能力不足的問題，但出于交通運行安全性的考慮，對于左側(cè)匯入的匝道仍建議采取單車道匝道的布置形式；本文建議在滿足道路安全性的條件下，主路限速為80 km/h的左入加速車道最小長度應不小于260 m，若在此基礎上增加車道長度，可進一步降低車輛的平均行程延誤，合流區(qū)的交通運行效率在車道長度增加至380 m后基本達到最高，因此在滿足施工可行性和工程經(jīng)濟預算的條件下，左入加速車道的長度應盡可能達到380 m。

(4)本研究以80 km/h設計速度的快速路為例，提出適用于相同條件下左入匝道的快速路加速車道長度取值。該方法同樣適用于設計速度為60，100 km/h的快速路變速車道長度取值研究。值得注意的是，對于氣候條件、城市快速路的出入口間距、斷面、視距、標志標線等產(chǎn)生的影響，可結(jié)合駕駛行為特性、交通運行安全性和建設成本進行更深入的研究，得出更加科學合理的變速車道長度推薦值。