城市快速路車輛換道影響仿真分析及策略研究

林彥濤， 韓鳳春

(中國人民公安大學(xué)交通管理學(xué)院， 北京 100038)

0 引言

城市快速路作為城市路網(wǎng)的有益補(bǔ)充，具有高速度、大容量、全封閉的特點(diǎn),滿足城市中長距離重要節(jié)點(diǎn)快速連接的需要[1]。在城市快速路進(jìn)出口匝道及其影響區(qū)內(nèi)，車道變換是影響城市快速路交通流運(yùn)行的重要因素。車道變換不僅擠占車道，阻礙后方車輛的正常行駛，還會造成集結(jié)波向上游路段傳遞，影響城市快速路通行效率。

多年來，學(xué)者一直對城市快速路車輛換道的影響開展研究工作。Hidas[2]根據(jù)視頻錄像首次提出了強(qiáng)制換道、協(xié)作換道和自由換道3種換道類型；諸葛敬敏[3]對城市快速路交通流特性進(jìn)行了研究；王琳[4]研究了城市快速路基本路段的換道特性及影響因素，分析了換道頻率、車道密度差對城市快速路車輛換道交通流特性的影響，提出了車道密度、流量與換道頻率模型；徐慧智[5]等基于實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，給出了車道變換行為發(fā)生率和交通量的關(guān)系表達(dá)式；陳而越[6]基于現(xiàn)狀調(diào)查的車輛換道軌跡數(shù)據(jù)，分析了城市快速路車輛換道對交通流的影響，總結(jié)了車輛換道和車輛形式軌跡特征，并給出了車輛換道行為模型；曲大義等[7]從分子動力學(xué)特征角度，給出了車輛換道交互行為模型；馬小龍等[8]通過無人機(jī)拍攝對高速公路小型車的換道行為特性進(jìn)行了分析；付存勇[9]基于自然駕駛獲取信息，對多車道高速公路的車輛出口換道行為進(jìn)行了特征分析；陳文嬌[10]對不同類型換道交互行為的微觀機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析，構(gòu)建了相應(yīng)的決策樹，并討論了車輛換道行為對車流運(yùn)行的影響和換道交通波模型；張發(fā)等[11]研究了車輛換道行為對同質(zhì)交通流、二速混合交通流和兩加速混合交通流的宏觀特性影響作用，發(fā)現(xiàn)只有在二速混合交通流中低密度區(qū)，車輛換道能顯著提高流量。

國內(nèi)外對于車輛換道行為主要集中在自動駕駛和換道博弈決策方面，對車輛換道交通流特性的各種影響因素及作用效果這一細(xì)分領(lǐng)域的具體實(shí)證研究不夠全面，車輛換道對城市快速路交通流特性影響的具體因素研究不夠深入。因而，本文基于交通調(diào)查數(shù)據(jù)和仿真實(shí)驗(yàn)對城市快速路車輛換道交通流特性的具體影響因素進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)采集與交通流特性

1.1 數(shù)據(jù)采集

為研究城市快速路換道對交通流的影響，應(yīng)選取排除其他因素對交通流運(yùn)行干擾的調(diào)查位置，即除所研究的出口匝道或進(jìn)口匝道，研究路段應(yīng)處于其他匝道和交織區(qū)影響區(qū)域范圍之外。通過大量現(xiàn)場調(diào)查比選，選擇北京市東南五環(huán)大羊坊橋西側(cè)路段(京滬高速出口匝道)，如圖1，2021年4月7日13:45～18:45，采用視頻法進(jìn)行交通調(diào)查，對采集的視頻資料進(jìn)行處理，獲得觀測地點(diǎn)的交通流率、交通組成、平均車速、強(qiáng)制換道比例等參數(shù)。

圖1 北京市東南五環(huán)大羊坊橋西側(cè)路段交通調(diào)查示意圖

1.2 交通流特性

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該路段的交通組成包括小客車、微型和輕型貨車、中型客車、中型貨車、大型客車和重型貨車，其中大中型車輛比例為14%，從匝道駛出的交通流率約占11.5%。

圖2表明，調(diào)查期間，路段交通流率主要在5 000～6 000 pcu/h之間波動，變化幅度較小，平均車速存在兩個明顯的波谷，平均密度同步存在兩個波峰，位于15:15～16:10和17：15～18：35附近，變化幅度較大。

圖2 觀測地點(diǎn)交通流率、平均車速、平均密度折線圖

如圖3，將調(diào)查的交通流率、平均車速、交通密度散點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制為三維散點(diǎn)圖和兩兩參數(shù)關(guān)系圖。圖3表明，交通流率與平均車速呈負(fù)二次函數(shù)關(guān)系，最佳車速約50 km/h；交通流率和交通密度呈負(fù)二次函數(shù)關(guān)系，路段單向通行能力在6 000～7 000 pcu/h之間，由于存在換道影響，飽和流率接近6 000 pcu/h，最佳密度約100 veh/km；交通密度和平均車速呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，散點(diǎn)集中于高密度低車速的擁堵狀態(tài)和高車速低密度的暢通狀態(tài)。

圖3 交通流參數(shù)散點(diǎn)圖

2 車輛換道仿真模型構(gòu)建

城市快速路包括快速路基本路段、合流影響區(qū)、分流影響區(qū)和交織影響區(qū)。在分流影響區(qū)范圍內(nèi)，車輛換道包括自由換道和強(qiáng)制換道，以及直行車輛為規(guī)避匝道駛出車輛變換車道的影響而進(jìn)行的提前換道行為。車輛換道行為對快速路交通流產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為交通流特征參數(shù)的變化。

根據(jù)交通調(diào)查標(biāo)定交通參數(shù)，選用PTV Vissim建立仿真模型，根據(jù)北京市東南五環(huán)大羊坊橋西側(cè)道路建立路網(wǎng)模型，按照實(shí)際交通運(yùn)行中駛出匝道的交通流率占總交通流率的比例(分離比例)設(shè)定靜態(tài)路線，規(guī)定相應(yīng)沖突區(qū)域，布置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和行程時間測量兩種檢測器，啟用路段區(qū)段評價，采集斷面交通量、平均通行時間、平均延誤、車流密度和平均速度等指標(biāo)。設(shè)置仿真時間步長為0.1 s，根據(jù)孫月[12]、陳多[13]、陸雨函[14]等的研究成果對跟車模型和車道變換中的部分參數(shù)默認(rèn)值進(jìn)行調(diào)整。

采用不同的隨機(jī)因子，輸入交通調(diào)查獲取的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。仿真得到的觀測路段交通流率平均值為5 304 pcu/h，車流密度平均值為219 veh/km，仿真結(jié)果集中。將仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)測交通流率平均值為5 184 pcu/h，仿真結(jié)果同調(diào)查結(jié)果的相對誤差率為2.3%；實(shí)測交通密度平均值為211 veh/km，仿真結(jié)果同調(diào)查結(jié)果的相對誤差率為3.7%。誤差均較小，說明Vissim仿真實(shí)驗(yàn)可較好地模擬真實(shí)交通流運(yùn)行狀況。

表1 仿真模型現(xiàn)狀驗(yàn)證結(jié)果

3 車輛換道影響仿真分析

3.1 換道類型影響

為比較城市快速路車輛自由換道和強(qiáng)制換道對交通流的影響，設(shè)置3個仿真路段，設(shè)定規(guī)則為：允許自由變道且允許駛出匝道、允許自由變道但無駛出匝道和禁止變道。設(shè)置交通需求為3 000 pcu/h(低流率)和6 000 pcu/h(高流率)，采用數(shù)據(jù)標(biāo)定的交通參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)對比，得到在高流率和低流率狀態(tài)下車輛強(qiáng)制換道和自由換道的影響作用，結(jié)果如圖4。

圖4 自由換道和強(qiáng)制換道的換道特性比較圖

在低流率(3 000 pcu/h)狀態(tài)下，3種仿真路段交通流率均等于路段的交通需求，自由換道和強(qiáng)制換道對交通流的平均延誤都具有減小作用，當(dāng)大中型車占比達(dá)到35%以上，強(qiáng)制換道對交通流運(yùn)行的阻礙作用愈發(fā)顯著。自由換道增大路段平均密度，而強(qiáng)制換道減小平均密度；自由換道作用效果更強(qiáng)。隨著大中型車占比的提高，強(qiáng)制換道不再減小，反而極大地增大了路段的平均密度。在低流率狀態(tài)下，自由換道能夠提高路段的平均車速，而強(qiáng)制換道則降低了路段的平均車速，兩種換道對交通流的影響作用相抵消。大中型車占比超過35%，強(qiáng)制換道大幅度降低了路段的平均車速。

在高流率狀態(tài)(6 000 pcu/h)狀態(tài)下，路段較為擁堵，自由換道對路段通行能力的影響并不明顯，強(qiáng)制換道則明顯降低了路段通行能力。自由換道對路段平均延誤有一定的減小作用，強(qiáng)制換道則明顯增大了路段平均延誤。大中型車占比超過30%，自由換道對平均延誤的減小作用更為顯著，強(qiáng)制換道對平均延誤的增大作用也逐漸減弱。

3.2 交通需求影響

觀察發(fā)現(xiàn)，該路段單向飽和流率約為6 000～7 000 pcu/h，設(shè)斷面交通需求為1 000～7 000 pcu/h，采用數(shù)據(jù)標(biāo)定的交通流參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5。仿真實(shí)驗(yàn)顯示，交通需求和換道路段交通流特性的關(guān)系在5 250 pcu/h附近存在拐點(diǎn)，在交通需求較小時，路段交通流率與交通需求相同，平均延誤和平均密度較小，平均速度較高；在交通需求較大時，路段交通流率略低于飽和流率，平均延誤快速增大，交通密度快速增大但增長速度在6 250 pcu/h以后略有減緩，平均速度快速降低，當(dāng)路段處于擁堵狀態(tài)時，平均速度穩(wěn)定于20 km/h左右。

圖5 交通需求與交通流特性關(guān)系圖

3.3 交通組成影響

大中型車占比功率較低，在換道過程中對交通流的影響作用更大。[15]將復(fù)雜的交通組成簡化為小型車和大中型車兩種類型。小型車以小轎車為代表車型，大中型車以重型貨車為代表車型。設(shè)置交通需求為6 000 pcu/h，大型車輛比例為0%～50%，采用數(shù)據(jù)標(biāo)定的交通流參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6。仿真結(jié)果顯示，交通組成與換道特性的關(guān)系存在兩個拐點(diǎn)，分別位于大中型車輛占比10%和25%附近。在大中型車占比較小時，交通流率和平均速度較高，車流密度和平均延誤較小。當(dāng)大中型車輛占比超過10%，交通流率和平均速度逐漸減小，車流密度和平均延誤逐漸增大。當(dāng)大中型車輛占比超過25%，交通流率和平均速度減小速度減緩，車流密度和平均延誤增大速度加快。

圖6 交通組成與交通流特性的關(guān)系圖

3.4 分離比例影響

分離比例指從匝道駛出的交通流率占路段總流率的比例。設(shè)交通需求為5 000 pcu/h，分離比例為5%～50%，采用數(shù)據(jù)標(biāo)定的交通流參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7。仿真結(jié)果顯示，車流密度隨換道路段分離比例提高而增大，在分離比超過20%以后增長速度略有提高；平均延誤隨分離比例提高而增大，在超過10%以后明顯加快；平均車速隨分離比提高而減小，在超過10%以后減小速度加快，在超過45%以后有所減緩；交通流率在分離比例較小、路段未飽和時基本不變，在超過20%以后逐漸降低，當(dāng)分離比達(dá)到50%時，路段通行能力只有原來的一半左右。

圖7 分離比例與交通流特性的關(guān)系圖

3.5 換道次數(shù)影響

換道車輛在交通流中的位置不同，需要跨越的車道數(shù)不同，換道次數(shù)也不同。通過在仿真實(shí)驗(yàn)中改變輸入車輛的橫向分布，導(dǎo)出具體換道信息，進(jìn)而探究換道次數(shù)與換道路段交通流特性的關(guān)系。設(shè)交通需求為3 000 pcu/h(自由流)，分離比例為25%，采用數(shù)據(jù)標(biāo)定的交通流參數(shù)開展仿真實(shí)驗(yàn)，記錄換道次數(shù)和平均速度、交通密度、平均延誤，得到散點(diǎn)的擬合函數(shù)見表2。隨換道次數(shù)增加，換道路段平均速度下降，交通密度和平均延誤上升。

表2 換道次數(shù)與交通流特性擬合函數(shù)表

4 結(jié)果分析

在實(shí)際交通運(yùn)行中，同一路段交通流的交通組成和分離比例變化范圍較小，而在一天內(nèi)交通需求的變化幅度較大，車輛的分布位置也不盡相同，因此，研究交通需求和換道次數(shù)與換道特性的關(guān)系更貼近實(shí)際。

設(shè)交通需求為1 000～7 000 pcu/h，平均換道次數(shù)0次～3次，采用數(shù)據(jù)標(biāo)定的交通流參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，針對該仿真路段，在大中型車輛占比14%，分離比例11.5%的前提下，當(dāng)流率4 000 pcu/h及以下時，交通流處于臨界流、自由流和穩(wěn)定流狀態(tài)，此時交通需求增長使交通密度、平均延誤快速提高，平均速度快速降低，換道次數(shù)的增加對交通密度、平均延誤和平均速度影響較小。流率5 000 pcu/h及以上時，交通流處于飽和流和過飽和的狀態(tài)，此時路段容納車輛已達(dá)到極限，交通需求增長不影響交通密度、平均延誤和平均速度指標(biāo)，換道次數(shù)的減少使交通密度、平均延誤降低，平均速度提高，變化速率恒定。實(shí)驗(yàn)條件下，飽和流狀態(tài)時減少換道次數(shù)，最高可降低交通密度約18%，減少延誤約50%，提高平均速度約30%。

結(jié)果表明，為提高快速路服務(wù)水平、降低延誤、提高運(yùn)行車速，在平峰期間應(yīng)合理控制交通需求，通過信號和遠(yuǎn)端控制實(shí)現(xiàn)交通流量在時間上的平均分配，避免小高峰出現(xiàn)；在高峰期間應(yīng)積極引導(dǎo)車輛提前進(jìn)行換道，嚴(yán)禁加塞和隨意變道。

5 結(jié)語

城市快速路車輛換道與交通流特性具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。本文通過北京市東南五環(huán)大羊坊橋西側(cè)路段實(shí)地交通調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合Vissim仿真，分析了城市快速路車輛換道與交通流特性參數(shù)關(guān)系。

(1)交通需求增大使路段交通流率增大，平均延誤、平均密度上升，平均速度下降。應(yīng)合理分散交通需求，實(shí)行錯峰上下班，適當(dāng)采用遠(yuǎn)端疏導(dǎo)。

(2)交通組成大中型車輛比例增大使路段交通流率減小，平均延誤和交通密度上升，平均速度下降。在高峰期間應(yīng)適當(dāng)控制大中型貨車駛?cè)氤鞘锌焖俾?，條件允許時，盡可能規(guī)劃設(shè)置慢車道。

(3)交通流分離比例增大使路段交通密度和平均延誤上升，交通流率和平均速度下降。對于經(jīng)常擁堵的匝道，應(yīng)引導(dǎo)車輛提前或延后在相鄰匝道駛出快速路。

(4)車輛換道次數(shù)增加使路段交通密度和平均密度上升，平均速度下降。倡導(dǎo)駕駛?cè)颂崆斑M(jìn)行路徑規(guī)劃和提前換道，采用視頻抓拍并處罰距離出口過近的換道行為，減少換道路段的車輛換道次數(shù)。

(5)為提高快速路服務(wù)水平，平峰期間合理分散交通需求，高峰期間引導(dǎo)車輛提前換道，嚴(yán)禁強(qiáng)行和隨意變道。

本文未能從定量的角度給出換道路段交通流特性的表達(dá)，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)建模研究。