黃天伊 周晨靜 王 益

(1.北京工業(yè)大學(xué)北京市交通工程重點實驗室 北京 100124；2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 北京 100044)

0 引 言

道路通行能力是交通工程領(lǐng)域重要研究內(nèi)容，以美國交通研究委員會為首的研究團隊吸收新近研究成果，于2010年更新并出版第五版《道路通行能力手冊》Highway Capacity Manual，以下簡稱《HCM手冊》，進一步完善道路通行能力研究內(nèi)容與方法?！禜CM手冊》將道路通行能力影響因素分為道路條件、交通條件及控制條件3類[1]，而對駕駛行為特性影響考慮較少，只是給出駕駛?cè)丝傮w特征系數(shù)表征駕駛員對道路設(shè)施熟悉程度，用于分析和計算通勤區(qū)域與旅游休閑區(qū)域道路通行能力，取值范圍為0.85～1.0。

然而，在人、車、路構(gòu)成的道路交通系統(tǒng)中，人是最關(guān)鍵也是最敏感的因素，駕駛?cè)笋{駛行為特性對通行能力的影響在近年逐漸得到學(xué)者們的認可和重視。Lownes等[2]利用Vissim仿真分析快速路基本路段通行能力對駕駛員微觀駕駛行為參數(shù)的敏感性；Yannes等[3]進一步研究駕駛員微觀駕駛行為參數(shù)組合對快速路通行能力影響，并分析其對通行能力的影響機理；Chu Chileung[4]等以交織區(qū)不同位置、不同駕駛行為特性參數(shù)為依據(jù)將駕駛?cè)笋{駛狀態(tài)分為放松狀態(tài)、正常狀態(tài)、冒險狀態(tài)、過激狀態(tài)4種類型，不同狀態(tài)有著不同的微觀運行參數(shù)，由此分析不同駕駛?cè)颂匦詫豢梾^(qū)通行能力的影響；Yang Xiaobao和Zhang Ning[5]利用實測數(shù)據(jù)分析得出：由于車輛換道行為的影響，路段通行能力增長與車道數(shù)量增長并不成正比關(guān)系；Rong Jian等[6]應(yīng)用駕駛模擬艙技術(shù)對駕駛?cè)宋⒂^行為特性進行研究，將駕駛?cè)朔譃楸Ｊ匦?、一般型、冒險型3種類型，并分析不同類型駕駛?cè)藢暧^交通流特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)：與保守型和一般型駕駛?cè)讼啾?，冒險型駕駛?cè)烁呄蛴谶x擇較小跟車間距，在車流中表現(xiàn)出較為頻繁的換道行為，并且由冒險型駕駛?cè)私M成的車流在基本路段運行時有著較高的交通流率，其交通流穩(wěn)定性卻最差。

以上研究均證實駕駛?cè)笋{駛行為特性對道路宏觀交通流特性及通行能力有著重要影響，然而目前仍缺乏駕駛行為特性在道路通行能力分析計算過程中的量化研究。筆者在前人研究基礎(chǔ)上，將駕駛?cè)朔譃槊半U型、一般型、保守型3種類型，根據(jù)已有模型標定參數(shù)，提出以仿真實驗為基礎(chǔ)的駕駛行為對道路通行能力影響系數(shù)的量化分析方法，研究成果可為通行能力科學(xué)計算提供依據(jù)，同時對提高實際道路通行能力具有十分重要的意義。

1 實驗設(shè)計

1.1 仿真場景建立

仿真技術(shù)是通行能力研究的主流方法之一。Roess等[7]應(yīng)用實測數(shù)據(jù)證實了Vissim仿真軟件在仿真模擬微觀駕駛行為特性，尤其是交織區(qū)車流運行特性上的有效性。本研究采用Vissim 5.3進行仿真模擬，通過構(gòu)建基本路段行為仿真場景和交織區(qū)行為仿真場景，測算不同駕駛行為特性對宏觀交通流及設(shè)施通行能力的影響。

基本路段仿真實驗通過構(gòu)建單車道、雙車道、3車道及4車道的仿真場景,模擬車流由自由流到擁擠流運行過程。其中，單車道仿真實驗用來研究駕駛?cè)烁Y行為特性對通行能力的影響；隨著車道數(shù)增加，駕駛?cè)俗杂蓳Q道幾率增加，多車道仿真實驗用來研究自由換道行為對通行能力的影響。仿真場景參數(shù)設(shè)置為：路段長度500 m，車道寬3.5 m，限速80 km/h的快速路車流運行狀態(tài)，車輛期望運行車速服從平均車速為75 km/h、標準差為2 km/h的正態(tài)分布，車流由標準小汽車組成。

在基本路段行為仿真基礎(chǔ)上，構(gòu)建快速路交織區(qū)行為仿真實驗場景研究駕駛?cè)藦娭茡Q道行為對設(shè)施通行能力的影響。仿真場景參數(shù)設(shè)置為：主線3車道，交織區(qū)長度500 m，限速、車輛期望運行車速、車流車輛類型等其他參數(shù)設(shè)置同上。

1.2 駕駛行為參數(shù)設(shè)置

在文獻[4]的基礎(chǔ)上，Rong Jian等[6]利用模擬駕駛實驗把駕駛員分為穩(wěn)定型、冒險型和適中型3類，標定了符合我國駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣的微觀行為模型參數(shù)，聚類結(jié)果能夠較好體現(xiàn)駕駛員個體差異性。本研究結(jié)合文獻[4]和文獻[6]對駕駛?cè)笋{駛行為特性描述和微觀建模參數(shù)基礎(chǔ)，將駕駛?cè)朔譃槊半U型、一般型、保守型3種類型，設(shè)置對應(yīng)仿真實驗微觀駕駛行為參數(shù)見表1。

1.3 仿真實驗過程

對于微觀交通仿真實驗，隨著輸入流量的增加，交通流狀態(tài)經(jīng)歷自由流-穩(wěn)定流-擁擠流3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，交通流率隨之經(jīng)歷逐漸增加-趨于穩(wěn)定-迅速下降3個過程。不同駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下，當交通流率達到穩(wěn)定狀態(tài)而不隨輸入流量增加而增加時，認為設(shè)施處于滿負荷狀態(tài)，此時即可得到相應(yīng)駕駛行為特性影響下的道路通行能力值。

表1 不同類型駕駛?cè)笋{駛行為參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來源于文獻[4]和文獻[6]。

基本路段行為仿真實驗輸入交通流量由1 000 pcu/h增長至3 000 pcu/h，每次增加100 pcu/h；每次仿真條件取5，35，65，95，125，155，185，215，245，275共10個隨機種子。仿真實驗共進行2 100次，過程中記錄基本路段平均運行車速、小時流率及自由換道次數(shù)。交織區(qū)行為仿真實驗交通流量以2 000 pcu/h為基數(shù)、以5%為增長率增至8 232 pcu/h；交織流量比從0.1到0.4變化，其中由匝道至主線車流量等于由主線到匝道車流量；每次仿真條件取5，35，65，95，125，155，185，215，245，275共10個隨機種子。仿真實驗共進行1 200次，過程中記錄交織區(qū)平均運行車速、平均車流密度、小時流率及強制換道次數(shù)。

2 不同駕駛行為對通行能力的影響分析

2.1 基本路段通行能力分析

2.1.1 跟馳行為對通行能力的影響

按照上節(jié)所述建模方案執(zhí)行基本路段行為仿真，得到不同類型駕駛行為、不同車道數(shù)條件下的輸入流量與流率散點圖，如圖1～3。由圖中看到，當輸入流量在2 500～3 000 veh/(h·lane)范圍內(nèi)時，設(shè)施流率基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。取此范圍內(nèi)的交通流率做統(tǒng)計分析，得到不同駕駛行為、不同車道數(shù)量條件下的設(shè)施通行能力值，見表2。

在單車道仿真場景中，由于只存在跟馳行為而不存在換道行為，冒險型駕駛?cè)伺c一般型駕駛?cè)笋{駛行為具有相同的跟馳行為參數(shù)和換道行為參數(shù)，2種類型駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下車道具有基本相同的通行能力值，約為2 250 veh/(h·lane)；而保守型駕駛?cè)烁呄蛴诒３州^遠的跟車距離，占用更多的道路空間資源，在保守型駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下車道通行能力值明顯降低，約為1 900 veh/(h·lane)。

圖1 冒險型駕駛?cè)藚?shù)設(shè)置條件下的輸入流量-流率散點圖Fig.1 Input-Output flow scatter diagram under the condition of risk driver parameter setting

2.1.2 自由換道行為對通行能力的影響

不同類型駕駛?cè)司哂胁町愋缘膿Q道行為參數(shù)。由表2可知，多車道仿真場景的穩(wěn)定流狀態(tài)下，多車道道路中單車道通行能力與對應(yīng)單車道路段通行能力值基本相同，即不同駕駛行為參數(shù)條件并未對道路通行能力產(chǎn)生明顯影響。

為進一步探究自由換道行為對通行能力的影響機理，做多車道仿真環(huán)境中道路輸入流量與換道次數(shù)關(guān)系散點圖，如圖4。由圖4可見，隨著輸入流量及車道數(shù)量的增加，在達到穩(wěn)定流狀態(tài)前車流換道頻率均表現(xiàn)為不同程度的增加。其中，在整個仿真過程中，冒險型駕駛?cè)说膿Q車道頻率最高、換道次數(shù)峰值達到500次以上，一般型和保守型駕駛?cè)藫Q道次數(shù)峰值在400次以上，一方面說明冒險型駕駛?cè)藶榱诉x擇更快的速度而變換車道，側(cè)面驗證了駕駛?cè)藚?shù)設(shè)置與駕駛行為特征描述的對應(yīng)性；另一方面頻繁的變換車道不僅為交通安全帶來隱患，而且也會對交通流的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。進而，選取輸入流量在0～2 000 veh/(h·lane)范圍內(nèi)，即自由流狀態(tài)下道路輸入流量與道路交通流率進行回歸分析，回歸結(jié)果見表3。

圖2 一般型駕駛?cè)藚?shù)設(shè)置條件下的輸入流量-流率散點圖Fig.2 Input-Output flow scatter diagram under the condition of general driver parameter setting

表2 不同駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下單車道通行能力值統(tǒng)計性描述

表3 自由流狀態(tài)下輸入流量與輸出流率回歸結(jié)果

根據(jù)回歸結(jié)果可以看出，在不同駕駛行為條件下，隨車道數(shù)量增加，輸入流量與道路交通流率的回歸方程系數(shù)均逐漸增大，即在道路交通流中自由換道行為可以提升道路資源利用率，促使車流由自由流運行狀態(tài)更快地達到穩(wěn)定流運行狀態(tài)。

根據(jù)基本路段仿真結(jié)果可以得出以下重要結(jié)論：不同跟馳行為特性對道路通行能力有著明顯影響；在相同駕駛行為設(shè)置參數(shù)條件下，道路車流在自由流運行狀態(tài)中，車輛自由換道行為可以提升道路空間利用率，促使車流運行更快向穩(wěn)定流運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變，而在穩(wěn)定流運行狀態(tài)中，車輛自由換道行為受到限制，對穩(wěn)定流運行狀態(tài)并不產(chǎn)生影響。

2.2 交織區(qū)通行能力影響分析

交通流密度-速度關(guān)系是交通流狀態(tài)的直觀體現(xiàn)。為了分析不同類型駕駛?cè)藦娭茡Q道行為對道路通行能力的影響，仿真得到不同交織流量比條件下，不同類型駕駛?cè)藢?yīng)的車流密度與車流平均運行車速散點圖，見圖5。

圖5 不同交織流量比條件下交織區(qū)車流密度-車流平均運行車速散點圖Fig.5 Density-speed of flow scatter diagram of interleaving area under the condition of different interlaced flow ratio

對于車流密度與速度關(guān)系的研究，有Greenshield的線性關(guān)系模型、Greenberg的對數(shù)關(guān)系模型、Underwood的指數(shù)關(guān)系模型等[8]。根據(jù)密度-速度散點圖所示趨勢，研究應(yīng)用“L-S曲線”模型對數(shù)據(jù)進行回歸分析，見式(1)。

S=a×eb×D2+c×ed×D

(1)

式中：S為速度，km/h;D為密度，veh/(km·lane);a，b，c，d為回歸系數(shù)?；貧w分析結(jié)果見表4。

隨著車流量增加，道路交通流經(jīng)歷自由流-穩(wěn)定流-擁擠流3種狀態(tài)的變化，在該變化過程中車流密度不斷增加。當車流密度大于臨界車流密度時，車流速度會急劇下降，車流運行狀態(tài)由穩(wěn)定流向擁擠流轉(zhuǎn)變。使以上回歸方程二階導(dǎo)函數(shù)為零，可求出不同類型駕駛?cè)笋{駛行為參數(shù)設(shè)置條件下交通流由穩(wěn)定流狀態(tài)向擁擠流狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界密度值，結(jié)果見表5。其中，當交織流量比為0.4時，大量交織行為嚴重干擾交織區(qū)運行，車流較早進入擁擠流狀態(tài)，臨界密度值無法計算。

表4 密度-流量關(guān)系回歸結(jié)果

由結(jié)果可知，3種類型駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下，交織區(qū)穩(wěn)定流向擁擠流狀態(tài)轉(zhuǎn)變臨界密度均隨交織流量比增加而減少，即交織區(qū)通行能力隨交織流量比的增加而減少，強制換道行為對交織區(qū)通行能力有著重要的影響。

表5 臨界密度計算值

為進一步分析不同類型駕駛?cè)藦娭茡Q道行為對交織區(qū)通行能力的影響，研究以速度-密度-流量公式(見式2)計算不同交織流量比條件下交織區(qū)通行能力，計算函數(shù)曲線見圖6。

V=S×D

(2)

式中：V為流率，veh/(h·lane)；S為速度，km/h；D為密度，veh/(km·lane)。

由圖可知，在相同交織流量比、不同駕駛?cè)嗽O(shè)置參數(shù)條件下，道路通行能力差異明顯，冒險型駕駛?cè)藢?yīng)通行能力遠大于一般型和冒險型駕駛?cè)?；在相同駕駛?cè)嗽O(shè)置參數(shù)、不同交織流量比條件下，道路通行能力隨交織流量比增加而減小，但并非線性減小。

根據(jù)交織區(qū)仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：駕駛?cè)藦娭茡Q道行為及換道次數(shù)共同影響道路交通流的運行，進而對道路通行能力產(chǎn)生顯著影響。不同駕駛行為參數(shù)及換道次數(shù)條件下，交通流由穩(wěn)定運行狀態(tài)向擁擠運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變具有不同的臨界密度值，即道路設(shè)施具有不同通行能力；而在相同行為參數(shù)、不同換道次數(shù)條件下，道路通行能力隨換道次數(shù)增加而非線性減少，說明強制換道行為在不同流量條件下對交通流運行影響不同。

3 駕駛行為特性量化分析

根據(jù)前文分析可知，不同駕駛?cè)笋{駛行為特性體現(xiàn)在跟馳及換道行為參數(shù)有所差別。其中，跟馳行為特性對交通流產(chǎn)生直接影響，跟車時距越大道路通行能力越??；自由換道行為雖可以提升道路設(shè)施空間利用率，但對道路通行能力沒有明顯影響；強制換道行為與換道次數(shù)共同影響道路通行能力。研究以未經(jīng)駕駛?cè)艘蛩貐?shù)修正的道路通行能力為基準通行能力，結(jié)合不同駕駛行為對道路通行能力影響，提出駕駛行為特性量化方法。

首先確定道路設(shè)施單車道基準通行能力為C0，對于不同駕駛?cè)烁Y行為特性導(dǎo)致道路通行能力變化，可以以不同駕駛行為參數(shù)設(shè)置條件下直行車流通行能力除以基準通行能力進行量化

(3)

式中：fti為第i類型駕駛?cè)烁Y行為特性修正系數(shù)；Ci為第i類型駕駛?cè)诵袨閰?shù)設(shè)置條件下單車道通行能力，veh/(h·lane)；C0為單車道基準通行能力，取2 200 veh(h·lane)；i為駕駛?cè)祟愋停好半U型、一般型、保守型。

對于不同駕駛?cè)藦娭茡Q道行為特性導(dǎo)致道路通行能力變化，研究提出換道因子(LC)的概念作為每次強制換道行為對設(shè)施通行能力的折減系數(shù)，結(jié)合駕駛?cè)祟愋图敖豢椓髁勘攘炕煌{駛?cè)藦娭茡Q道行為特性對道路通行能力的折減，具體計算方法如下

(4)

(5)

對于本次仿真研究，結(jié)合表2數(shù)據(jù)可以得出駕駛?cè)烁Y行為特性修正系數(shù)(見表6)，該系數(shù)用于基本路段通行能力分析。

結(jié)合表2和圖6數(shù)據(jù)可計算不同類型駕駛?cè)嗽谔囟ń豢椓髁勘葪l件下的換道因子，計算結(jié)果見表7，可用拉格朗日插值方法計算表格中未列出換道因子數(shù)。

表6 駕駛?cè)烁Y行為特性修正系數(shù)表

表7 換道因子計算表

由此可計算得出駕駛?cè)嗽诓煌瑩Q道流量條件下，強制換道行為修正系數(shù)(見表8)，該系數(shù)可用于交織區(qū)通行能力分析。由表中可知，通過劃分不同駕駛?cè)碎_展仿真研究，相較于HCM手冊中的駕駛行為總體折減系數(shù)，本研究提出的修正系數(shù)進一步細化區(qū)分了不同駕駛行為特性的影響程度，表征為差異化的修正系數(shù)，對于通行能力分析科學(xué)性的提升具有重要意義。

表8 駕駛?cè)藦娭茡Q道行為特性修正系數(shù)表

4 結(jié)束語

筆者基于駕駛行為特性研究，提出了駕駛行為特性對通行能力影響的量化修正方法：以微觀仿真方法為手段，搭建針對性仿真場景模擬不同駕駛行為條件下車流運行狀態(tài)，以交通流3個參數(shù)變化關(guān)系為分析內(nèi)容，研究了不同駕駛行為對宏觀交通流特性影響并確定設(shè)施通行能力，最后以道路基準通行能力為標準計算不同駕駛行為特性對通行能力影響的修正系數(shù)。研究細致探究了不同駕駛行為對宏觀交通流及道路通行能力的影響，所建立的駕駛行為特性量化方法具有針對性和適用性，可為道路設(shè)計和交通管理提供一定的決策支持。