薛行健，宋 聰，歐陽歡，陳 歡，李炳林

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 物流與交通學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院 交通規(guī)劃研究中心，湖南 長沙 410013)

0 引 言

城市快速路匝道合流區(qū)存在大量換道、變速等交通行為，易導(dǎo)致交通流紊亂，是快速路的瓶頸路段，其車道平衡設(shè)計(圖1)是基于通過保持上下游斷面車道數(shù)平衡來保障通行能力不發(fā)生突變的思路提出的。筆者早期研究發(fā)現(xiàn)采集到的匝道合流區(qū)流量-密度(或速度)關(guān)系圖中的飽和流量數(shù)據(jù)點很少，相對理論模型描述出的拋物線關(guān)系，拋物線存在“頂部缺失”(圖2)，交通狀態(tài)在未達到通行能力時即從“非擁擠區(qū)”突變到了“擁擠區(qū)”[1-2]；盡管該瓶頸是否是導(dǎo)致突變的必要條件仍有爭議[3]，但其能導(dǎo)致交通狀態(tài)突變這一點沒有爭議。部分研究相信換道是導(dǎo)致通行瓶頸的主要原因[4-5]；由于車道不平衡，主線與匝道車輛在下游斷面產(chǎn)生通行競爭[6]，匝道車輛匯入主線時，主線車輛或被迫或主動減速以保障安全車距；匝道車輛的這種壓迫式或協(xié)作式匯入是引發(fā)通行能力降低的關(guān)鍵誘因[7]。目前對匝道合流區(qū)交通運行的研究主要基于間隙接受模型或離散選擇模型[8-9]，均為參數(shù)化方法，所得出的結(jié)果均為解釋變量的函數(shù)，近年來一些學(xué)者也引入了許多非參數(shù)方法進行研究[10-11]。

盡管研究人員都認識到未采用車道平衡設(shè)計的下游路段可能會由于車輛匯入而承擔(dān)過飽和的交通量，但少有研究對平衡與否的交通運行狀況做具體分析。目前已建的城市快速路大部分未進行車道平衡設(shè)計，導(dǎo)致匝道合流區(qū)上下游通行能力不匹配，造成合流區(qū)上游擁堵和排隊蔓延，發(fā)生繼發(fā)性擁堵。因此，將兩者從實測數(shù)據(jù)和內(nèi)在機理兩方面進行深入比較，進而提出設(shè)計對策來降低這種瓶頸效應(yīng)十分必要。

圖1 城市快速路匝道合流區(qū)構(gòu)型比較Fig. 1 Configuration comparison of ramp merging area of urbanexpressway

圖2 研究對象匝道布局信息Fig. 2 Ramp layout information of the research object

分類江蘇路上匝道車道不平衡上游下游華山路上匝道車道不平衡上游下游車道數(shù)3334匝道間距/m1 0411 5591 559611

圖3 匝道合流區(qū)交通流參數(shù)關(guān)系圖中的突變現(xiàn)象Fig. 3 Mutation phenomenon in traffic flow parameter diagram atramp merging area

1 車道平衡對匝道合流區(qū)交通運行的影響

通過對比車道在平衡與不平衡狀態(tài)下流量、時間占有率和速度參數(shù)的變化情況來分析兩種設(shè)計的差異，研究所用的數(shù)據(jù)為一周24 h線圈數(shù)據(jù)，采集自上海延安高架南側(cè)，位置和相關(guān)信息如表1和圖2，圖2匝道間數(shù)據(jù)由上至下依次為路段編號、匝道間距、車道數(shù)和線圈數(shù)，其與上下游匝道距離均較遠，可避免上下游匝道對研究點的交通運行產(chǎn)生干擾。

從圖4可知，采用了車道平衡設(shè)計的匝道合流區(qū)無論上/下游，相對不平衡的匝道合流區(qū)都表現(xiàn)出了流量上升，突變范圍縮小，速度、占有率突變幅度明顯降低的現(xiàn)象，其中上游區(qū)域特征更加明顯。從基本圖分析，采用車道平衡后，自由流和穩(wěn)定流的范圍有所擴大，臨界流的范圍有所縮小，說明車道平衡設(shè)計的匝道合流區(qū)通行能力更大，交通狀態(tài)更穩(wěn)定和更易控制，服務(wù)水平更高。通過分析更多類型上匝道上游交通流狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲得了兩種設(shè)計條件下的交通運行狀態(tài)比較，如圖4。

圖4匝道合流區(qū)交通流參數(shù)關(guān)系對比
Fig.4Comparisonoftrafficflowparameter-relationatrampmergingarea

從時間占有率(o)-流量(q)關(guān)系分析，江蘇路上匝道上游頂部數(shù)據(jù)缺失嚴重，在流量80 veh/5 min時突變發(fā)生，突變時占有率數(shù)據(jù)變化較大，最大流量約120 veh/5 min。而下游相對上游數(shù)據(jù)頂部數(shù)據(jù)趨于飽滿，突變時占有率缺口明顯縮小，擁擠區(qū)數(shù)據(jù)離散性減小，由于下游沒有合流行為，最大可達流量相對車道平衡更高。華山路上匝道上游頂部數(shù)據(jù)相對較多，突變通常產(chǎn)生在100 veh/5 min以上，突變時占有率數(shù)據(jù)變化相對較小，最大流量約160 veh/5 min。而下游頂部數(shù)據(jù)飽滿，突變現(xiàn)象較少，最大流量為160 veh/5 min，由于下游仍存在合流行為，最大可達流量相對較少。

從流量(q)-速度(v)關(guān)系分析，江蘇路上匝道上游車速在60 km/h時直接突變到20 km/h，其余情況與o-q圖類似；而下游相對上游突變是速度變化幅度減小，由于下游沒有合流行為，最優(yōu)車速相對平衡時更高。華山路上匝道下游車速在50 km/h時突變到30 km/h，相對幅度較小，其余情況與o-q圖類似；而下游圖型頂部數(shù)據(jù)飽滿，速度突變現(xiàn)象較少，最優(yōu)車速相對不平衡時低，這是因為合流行為產(chǎn)生的干擾。

從時間占有率(o)與速度(v)時序?qū)Ρ冗M行分析，江蘇路上匝道上游突變產(chǎn)生時，速度變化幅度通常達到50 km/h，占有率變化幅度達到30%以上；下游突變時速度和占有率變化的幅度有明顯降低。華山路上匝道上游突變產(chǎn)生時，速度變化幅度約30 km/h，占有率變化幅度達到15%；下游突變現(xiàn)象較少，速度和占有率變化的幅度較小。

對兩種設(shè)計型式的交通運行狀態(tài)進行了比較，如表2，采用車道平衡后，自由流和穩(wěn)定流的范圍有所擴大，臨界流的范圍有所縮小，說明車道平衡設(shè)計的匝道合流區(qū)通行能力更大，交通狀態(tài)更穩(wěn)定和更易控制，服務(wù)水平更高。

表2 匝道合流區(qū)上游交通流特征比較 Table 2 Comparison of traffic flow characteristics of the upstream of the ramp merging area

2 車道平衡設(shè)計的交通影響機理

如圖1，分析車道平衡設(shè)計對交通運行的影響機理，主要有以下3點優(yōu)勢。以下分析基于較長匝道間距情況，對于匝道間距較短而形成的交織段在第3節(jié)中分析。

2.1 車道不平衡導(dǎo)致?lián)Q道次數(shù)增多

匝道合流區(qū)存在的大量強制性換道(類型見表3)對匝道合流區(qū)的交通運行有顯著消極影響，匝道匯入的車流量少于因此減少的主線上游車流量，導(dǎo)致通行能力降低。

實際使用中，采用車道平衡設(shè)計可使部分短途車輛無需換道，否則需要換道2次，如圖1中車輛B的行駛軌跡。這種情況在地面道路遇有障礙(如河流、鐵路)而產(chǎn)生大量跨障需求的位置應(yīng)特別重視車道平衡設(shè)計，否則會對主線造成較大干擾。

另一種難以察覺的換道則來自于主線車輛預(yù)判性換道，上游外側(cè)車道部分車輛為避免受到匝道車流的干擾而向內(nèi)側(cè)換道；而采用車道平衡設(shè)計，此干擾會因為主線外側(cè)兩車道之間的換道，使得車道空間利用更加平衡，從而減少干擾，如圖1，非平衡設(shè)計對于車道的利用率是不一的(圖中用漸變色表示)，而車道平衡設(shè)計的利用率基本一致(圖中用均色表示)。

2.2 車道不平衡導(dǎo)致變速頻次和幅度上升

主線的物理瓶頸使得各路段車流密度不一致，速度也隨之變化。關(guān)于變速如何導(dǎo)致通行能力瓶頸國內(nèi)外許多學(xué)者都進行了深入的研究。D.HELBING等[12]認為擾動導(dǎo)致暫時的擁擠，駕駛員頻繁加減速，從而形成延誤，使通行能力降低。郝媛等[13]認為是外界條件(車輛匯入)導(dǎo)致擾動，觸發(fā)了內(nèi)部因素而使通行能力“自發(fā)的”崩潰(breakdown)。筆者分析，呈隨機分布的主線車流車頭間距大小不一，匝道車輛對車頭間距較小的跟隨車輛的影響可通過車頭間距較大的跟隨車輛在一定程度上消弭干擾，如圖5(a)；在交通流量較大的情況下，駕駛員傾向保持較小的車頭間距，換道將導(dǎo)致局部速度的降低和瓶頸附近密度的升高，出現(xiàn)局部擾動，此時駕駛員的反應(yīng)較強，擾動呈增長趨勢，持續(xù)下去會有車輛被迫急剎停車甚至追尾，如圖5(b)；頻繁的擾動降低了駕駛員對交通流穩(wěn)定性的信心，他們“聰明”的選擇增大車頭時距、降低速度來保證充足的反應(yīng)時間，避免頻頻變速帶來的不適，如圖5(c)。這種情況反映在車頭時距這項指標上即為車頭時距增加，包括兩部分：一是應(yīng)對擾動而導(dǎo)致的車頭時距增加；二是速度降低導(dǎo)致通過固定車身長度所需的車頭時距增大。車頭時距的增加意味著在單位時間里通過的流量減少，即瓶頸效應(yīng)形成。事實上，駕駛員通常還會預(yù)判這種干擾而有意識的降速應(yīng)對擾動，從而進一步加劇了瓶頸效應(yīng)。

圖5 匝道合流區(qū)的3種典型擾動示意Fig. 5 Schematic of three typical interference on ramp merging area

2.3 車道不平衡導(dǎo)致匝道上下游通行能力不匹配

車道不平衡即快速路不同斷面車道數(shù)不一致，存在物理瓶頸，如圖1中A區(qū)。由于城市交通典型的潮汐性，高峰交通需求往往在主線和匝道兩個方向同步增加，車道數(shù)量的不匹配將阻塞交通；而采用車道平衡設(shè)計則基本不存在物理瓶頸，盡管交織流使得通行能力受到一定折減，但通行能力仍有所提高。三者的關(guān)系如式(1)：

Cm+Cr≥CB>CNB

(1)

式中：Cm和Cr分別為匝道合流區(qū)上游主線和匝道的通行能力；CB和CNB分別為匝道合流區(qū)下游主線采用車道平衡和不平衡設(shè)計的通行能力。

表3 匝道車輛強制性匯入主線行為類型 Table 3 Behavior types of on-ramp vehicles mandatory inbound to the main line

3 現(xiàn)有車道平衡設(shè)計的局限及對策

3.1 車道數(shù)匹配問題

目前CJJ129—2009《城市快速路設(shè)計規(guī)范》中對于匝道合流區(qū)車道數(shù)平衡的要求如式(2)，其中NC為匝道合流區(qū)下游車道數(shù)，NF為匝道合流區(qū)上游車道數(shù)，NE為匝道車道數(shù)。

NC≥NF+NE-1

(2)

式(2)實際是一個經(jīng)驗公式，存在以下3個方面問題。在車道平衡設(shè)計中雖有一定規(guī)律可以遵循，但仍應(yīng)根據(jù)具體情況進行分析，不能簡單套用。

1)當(dāng)匝道數(shù)僅設(shè)計為1車道時，沒有實現(xiàn)車道平衡，快速路常用的方案是上匝道為1車道，下匝道為2車道。

2)沒有考慮匝道的其他功能。在城市很多區(qū)域，受地面信號交叉口影響，駛?cè)朐训赖慕煌鞒拭}沖式，時間段上高/低流量現(xiàn)象交替出現(xiàn)，此時匝道的設(shè)計需要考慮蓄車能力，以避免排隊過長造成溢出，因此必要時需考慮額外增加車道數(shù)，特別是匝道較短的情況下。

3)沒有考慮匝道所在的位置。如射線狀快速路的盡端處交通需求少，可以考慮不進行車道平衡設(shè)計；對某些短途交通需求較大的地段則需更多車道數(shù)；此外，交織問題的處理也涉及車道數(shù)的增加。

3.2 形成交織區(qū)問題

車道平衡設(shè)計在匝道間距較短時(根據(jù)HCM2000的研究，交織長度通常在750 m的范圍內(nèi))，其形成的交織流對通行能力的消極影響甚至要大于非平衡設(shè)計，交織區(qū)的交通運行如圖6。

采用Vissim仿真對比同樣匝道間距下，合/分流區(qū)分離的末端與不分離所形成的交織區(qū)末端的交通運行，如圖7。發(fā)現(xiàn)流量較低(或是交織比較低)時采用車道平衡設(shè)計交通運行更順暢，但當(dāng)流量接近飽和或交織比較高時，車道平衡設(shè)計更易發(fā)生擁堵。

分析原因如下：非平衡設(shè)計存在加速車道末端和減速車道末端兩個擁堵常發(fā)區(qū)，匝道車輛的匯入影響主要集中在主線外側(cè)車道，對內(nèi)側(cè)車道影響較小，如圖7(a)；在減速車道末端，根據(jù)研究，通常90%的車輛在出口匝道前已經(jīng)處以主線外側(cè)車道，這些車輛會大量換道到減速車道，從而提供大量空間給內(nèi)側(cè)車道換道，使擁堵較易消散；合流區(qū)部分車輛難以匯入主線在客觀上使得減速車道的交通密度控制在了一定范圍，如圖7(b)；而交織車流由于同時存在向內(nèi)側(cè)車道和向外側(cè)車道換道的需求，極易在出口匝道處形成阻塞，形成匝道車輛無法匯入、主線車輛無法駛離的雙輸局面，如圖7(c)。

圖6 交織區(qū)交通運行示意Fig. 6 Sketch map of traffic operation at weaving area

圖7 匝道銜接區(qū)交通運行狀況Fig. 7 Traffic operation condition at ramp connection area

圖8 B型交織區(qū)交通運行示意Fig. 8 Sketch map of traffic operation at B-typed weaving area

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，保持路冠線外側(cè)車道(即車道A)的暢通，保證其具有足夠的換道空間并使行駛其上的車輛不堵塞出口匝道是解決交織問題的關(guān)鍵。B型交織構(gòu)型能較好的解決這一問題，是對一般意義上“車道平衡”概念的補充，對于具有跨線橋功能的路段，建議保證有2條車道增加，如圖8，其優(yōu)點主要有以下3點：①對于無需匯入主線的匝道車流可直接經(jīng)車道B駛離，不增加路冠線外側(cè)車道的密度；②匝道車輛行駛到出口匝道可繼續(xù)行駛，不會阻塞出口匝道；③對于駛出車輛換道到A車道后，可繼續(xù)向B車道換道，即可以避開密度較高的A車道，也起到了降低車道密度的作用。仿真結(jié)果顯示，這種構(gòu)型處理交織流的能力較強。

4 結(jié) 語

實測數(shù)據(jù)顯示，車道平衡對提升匝道合流區(qū)通行能力，提高運行速度，維持交通流穩(wěn)定都具有積極作用。

車道平衡設(shè)計能大幅減少車輛的換道和變速行為，緩解瓶頸效應(yīng)。

車道平衡設(shè)計并非簡單的保持車道數(shù)一致，而需要綜合考慮各種實際情況進行針對性分析與設(shè)計。