梁春巖　谷成澤

摘 要：為探索城市快速路交織區(qū)交通運(yùn)行特性，實(shí)現(xiàn)交織區(qū)交通的快速高效運(yùn)行，以快速路匝道出口交織區(qū)作為對(duì)象，以長(zhǎng)春市的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了交通換道特性，建立了交織區(qū)交通換道數(shù)與流量和交通密度的關(guān)系模型。研究結(jié)果表明，換道次數(shù)隨著交通量的增加而增加，而隨著密度的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。本文研究成果可以為城市快速路匝道出口交織區(qū)的理論研究提供方法參考，位對(duì)交織區(qū)的管理與控制提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：城市快速路 交織區(qū) 交通換道 交通流量 交通密度

Research and Analysis of Traffic Lane Changing Behavior Characteristics in Expressway Interweaving Area

Liang Chunyan Gu Chengze

Abstract：To explore the traffic operation characteristics of the interweaving area of urban expressways and realize the fast and efficient operation of the interweaving area， the interweaving area of the expressway ramp exit is taken as the object， and the traffic changing characteristics are analyzed based on the survey data of Changchun City， and the model of the relationship between the number of traffic lane changes and the flow and traffic density in the interweaving area is established. The research results show that the number of lane changes increase with the increase of traffic volume， and with the increase of density， and it shows a trend of first increasing and then decreasing. The research results can provide a method reference for the theoretical study of the interweaving area of urban expressway ramp exits， and provide a theoretical basis for the management and control of the interweaving area.

Key words：urban expressway， weaving area， traffic lane change， traffic flow， traffic density

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化建設(shè)步伐的加速，其中最為首要的就是城市快速路的建設(shè)。另一方面，隨著汽車保有量在逐漸增加，致使城市內(nèi)的交通日益擁堵。為了緩解城市交通擁堵，提高城市內(nèi)部運(yùn)輸效率，充分發(fā)揮城市快速路作用，對(duì)快速路交織區(qū)的交通特性進(jìn)行研究，掌握其運(yùn)行規(guī)律，對(duì)提高交織區(qū)交通運(yùn)行效率有深遠(yuǎn)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交織區(qū)進(jìn)行了多方面的研究。臧曉冬等[1]研究在快速路互通立交交織區(qū)的不足，提出車道變換次數(shù)的預(yù)測(cè)方法，建立了城市快速路互通立交交織區(qū)交織速度和非交織速度預(yù)測(cè)模型。鄭弘等[2]建立了基于需求產(chǎn)生的判斷性換道模型與常規(guī)強(qiáng)制性換道結(jié)合，形成完整的交織區(qū)換道模型。柳雪麗等[3]基于感應(yīng)控制理論和方法，對(duì)快速路與常規(guī)道路銜接區(qū)域的協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行優(yōu)化，使快速路系統(tǒng)的運(yùn)行效率最優(yōu)。車輛換道是交織區(qū)的最基本運(yùn)行特性之一，本文以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析交通換道特性，建立了換道次數(shù)與交通流量及交通密度模型。研究成果可以為城市快速路交織區(qū)交通換道行為特性研究提供參考，為城市快速路交通運(yùn)行效率提供理論研究借鑒。

車道的變換分類中主要分為兩個(gè)方面，Eeik[4]按照駕駛員意圖，將車道變換分為強(qiáng)制車道變換和自由車道變換兩類。Dangazo[5]認(rèn)為換道會(huì)在交通流中形成可插入間隙，影響其他車輛的運(yùn)行，最終導(dǎo)致流量下降;Tanaka等[6]發(fā)現(xiàn)道路上的車輛換道行為可能導(dǎo)致交通流出現(xiàn)高流量和低流量?jī)煞N情況。王榮本[7]分析換道時(shí)車輛的運(yùn)動(dòng)關(guān)系研究了車輛碰撞的條件，給出了換道最小安全距離。通過研究學(xué)者們的研究，目前換道模型的研究雖然取得了一定的成果，但也存在一些局限性;并且模型過于復(fù)雜，提取數(shù)據(jù)較為困難，對(duì)于研究定量的換道模型較少。

2 交織區(qū)換道

2.1 換道行為

換道行為是駕駛員根據(jù)自身駕特性，根據(jù)道路交通流狀態(tài)、車輛行駛速度、位置以及交通管理狀況等環(huán)境信息，調(diào)整并完成自身駕駛目標(biāo)策略的綜合過程。道路交通發(fā)生車輛排隊(duì)、交通擁堵、車流變化等過程時(shí)常伴有換道行為的發(fā)生。換道行為的產(chǎn)生主要集中在兩方面：一是道路本身的性質(zhì)，例如車輛的匯入、匯出等，想要達(dá)到自身駕駛的目的必須采取換道行為;二是由于駕駛員主觀意愿的原因，即現(xiàn)狀交通情況滿足不了自身駕駛的期望。即在交織區(qū)范圍內(nèi)存在大量以換道為目的的交織車輛，所以很容易形成交通擁堵，進(jìn)而影響交織區(qū)其他車道車輛的正常行駛。

2.2 交織區(qū)換道特性

由于交織車流要在交織區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)完成車道變換，由各自的行駛車道變換到期望的運(yùn)行方向車道上去行駛，所以交織區(qū)內(nèi)的車流運(yùn)行具有很強(qiáng)的紊動(dòng)性。匯入或匯出匝道的車輛為影響城市快速路匝道分合流區(qū)主線交通流運(yùn)行狀態(tài)的主要因素。在這個(gè)區(qū)域，車輛之間存在頻繁的交互行為，運(yùn)行車輛為達(dá)到自身駕駛目標(biāo)策略的期望而發(fā)生換道。在整個(gè)運(yùn)行過程中，換道行為不斷影響運(yùn)行車輛的行駛速度，進(jìn)而對(duì)相鄰車道的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響，主線上的交通運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)因該行為由平順、穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)換為紊流。研究車輛之間的交互特性，對(duì)于更好的解析交通流失穩(wěn)現(xiàn)象以及如何采取有效措施減少匝道出入口的車輛對(duì)主線車流的影響有重要意義。

成功變換車道的關(guān)鍵因素包括三個(gè)方面： 一是目標(biāo)車道必須有足夠的變換車道空間，避免車輛在變道時(shí)發(fā)生刮蹭，追尾等現(xiàn)象，關(guān)鍵取決于換道車輛與目標(biāo)車道上的可換道間隙距離;二是換道車輛必須要有足夠的換道時(shí)間，這需要駕駛員能夠?qū)χ車{駛環(huán)境有良好的預(yù)測(cè)，主要取決于駕駛員的自身?xiàng)l件和駕駛經(jīng)驗(yàn);三是換道車輛還需控制駕駛車輛的車速，在觀察好周圍車輛及環(huán)境的條件下完成換道。

3 數(shù)據(jù)采集

以長(zhǎng)春市南部快速路衛(wèi)明街匝道出口和東部快速路仙臺(tái)大街匝道出口為調(diào)查地點(diǎn)，采用錄像法。調(diào)查時(shí)間選擇晴朗的工作日，時(shí)間由7：00-19：00。東部快速路仙臺(tái)大街匝道出口下游150m為平面交叉口，南部快速路匝道出口與下游的快速路入口距離約150m，兩快速路匝道駛出主線的車流與輔路的直行車流和駛?cè)肟焖俾返能嚵髦g均有交叉沖突，是快速路進(jìn)匝道出口交織區(qū)中的典型代表。

參考現(xiàn)有的研究成果，結(jié)合路段調(diào)查的實(shí)際情況，取交通流參數(shù)統(tǒng)計(jì)間隔為5min，即分別統(tǒng)計(jì)5min以內(nèi)的交通密度和交通流量。通過對(duì)收集到的資料進(jìn)行整理和分析，得出匝道出口交織區(qū)兩條車道上車輛換道次數(shù)與交通量和交通密度的關(guān)系。

4 換道特性分析

4.1 交通量-車輛換道次數(shù)

通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，擬合得到南部快速路匝道出口交通量與換道次數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示?？梢钥闯觯煌颗c交通換道呈明顯的線性關(guān)系。換道次數(shù)隨著交通量的逐漸增加而增大，擬合關(guān)系式為：y=1.1116x。

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9957，復(fù)相關(guān)系數(shù)越接近1，精度滿足要求。

同時(shí)，選擇東部快速路的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖2所示。東部快速路匝道出口交通量明顯大于南部快速路，換道次數(shù)隨著交通量的增加而逐漸增大，交通量與交通換道次數(shù)呈正相關(guān)變化，換道次數(shù)隨著交通量的增加而逐漸增加，擬合關(guān)系式為：y=1.1502x。

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9918，復(fù)相關(guān)系數(shù)接近1，精度滿足要求。

4.2 交通密度-交通換道次數(shù)

換道行為的產(chǎn)生，是駕駛員為了達(dá)到駕駛目的的過程，滿足其駕駛意圖而采取的離開當(dāng)前行駛的車道，進(jìn)入相鄰車道或車流量相對(duì)較少車道的行為。在這期間，車輛發(fā)生大量的位移，換道車輛在發(fā)生換道時(shí)普遍有加速或減速的行為，在開始變換車道時(shí)，車輛同時(shí)有加速度上的變化。在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在整體車流量較少時(shí)，駕駛員并不會(huì)出現(xiàn)頻繁的換道行為，但隨著交通量的逐漸增加，車流密度相應(yīng)變大，逐漸影響駕駛員的架勢(shì)意圖，會(huì)出現(xiàn)變道超車，插隊(duì)等現(xiàn)象。駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)不同，換道的用時(shí)也不同，隨著交通密度的持續(xù)增加，交織車輛之間的影響較大，產(chǎn)生交通擁堵，換道幾率大大降低。交通密度-交通換道次數(shù)的擬合關(guān)系如圖3和圖4所示。

由圖3可得，南部快速路交通密度和交通換道次數(shù)的擬合關(guān)系式為：

y=-0.0288x2+6.3451x

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.8057，達(dá)到精度要求。從圖中可以看出，當(dāng)交通密度達(dá)到105輛/km，時(shí)，換道次數(shù)達(dá)到最大。交通密度小于105輛/km時(shí)，換道次數(shù)隨著交通密度的增加而增加，交通密度大于105輛/km時(shí)，車輛之間相互制約性增強(qiáng)，交通換道較為困難，導(dǎo)致?lián)Q道次數(shù)降低。當(dāng)交通密度達(dá)到阻塞密度220輛/km時(shí)，車輛處于阻塞狀態(tài)，換道次數(shù)為零。

由圖4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，交通密度-交通換道次數(shù)關(guān)系擬合曲線關(guān)系式為：

y=-0.0256x2+6.1366x

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.8235，達(dá)到精度要求，擬合度較高。從圖中不難看出，當(dāng)交通密度為零時(shí)，交通換道次數(shù)也為零。當(dāng)交通密度達(dá)到115輛/km時(shí)，車輛換道次數(shù)最大;交通密度小于115輛/km時(shí)，交通換道隨著交通密度的增加而逐漸增加;當(dāng)交通密度大于115輛/km時(shí)，道路交通會(huì)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，車輛間相互制約，大大降低了變道的可能性。當(dāng)交通密度達(dá)到阻塞密度240輛/km時(shí)，車輛處于停滯狀態(tài)，換道數(shù)為零。

5 結(jié)論

本文以城市快速路匝道出口交織區(qū)為研究對(duì)象，研究了交織區(qū)車輛換道特性，基于長(zhǎng)春市實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，建立了車輛換道次數(shù)與交通量、交通密度之間的關(guān)系模型，數(shù)據(jù)擬合的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，達(dá)到精度要求，擬合度較高。研究結(jié)果表明，在城市快速路匝道出口織區(qū)上的車輛換道數(shù)隨著交通流量的增加而逐漸增加，呈單調(diào)遞增的線性關(guān)系。

而車輛換道數(shù)隨著密度的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在交通密度較少，滿足駕駛要求時(shí)換道次數(shù)相對(duì)較少，但當(dāng)密度、流量逐漸增加時(shí)，不能滿足駕駛員對(duì)駕駛目的的期望，換道次數(shù)會(huì)明顯增加，進(jìn)而影響交通的正常通行，當(dāng)交通密度達(dá)到某臨界值，交通流變?yōu)閺?qiáng)制流以后，車輛之間相互制約，道路交通會(huì)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，交通換道會(huì)隨著交通密度的增加而逐漸減少，直到交通密度達(dá)到阻塞密度，車輛均處于停滯狀態(tài)，換道數(shù)為零。以長(zhǎng)春市實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)為例，南部和東部快速路的密度臨界值分別為105輛/km/2ln和115輛/km/2ln，阻塞密度分別是220輛/km/2ln和240輛/km/2ln，該研究結(jié)果，可以為交織區(qū)制定交通管理與控制措施提供理論依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧曉冬，周偉. 城市快速路互通立交合流區(qū)車頭時(shí)距分布特性[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36（7）：961-965.

[2]鄭弘.道路交織區(qū)仿真模型研究 [D]. 北京工業(yè)大學(xué)，2001.

[3]柳雪麗. 城市快速路與常規(guī)道路銜接控制優(yōu)化方法研究[D].重慶交通大學(xué)，2018.

[4]周成虎，孫戰(zhàn)利，謝一春.地理元胞自動(dòng)機(jī)研究.北京：科學(xué)出版社，1999.

[5]Daganzo C F.Laval J.A Lane-changing in traffic streams，2006（03）.

[6]Tanaka K. Nagatani T.Masukura S.Fundamental diagram in traffic flow of mixed vehicles on multi-lane highway，2008（05）.

[7]王榮本，游峰，崔高健等.車輛安全換道分析[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2005，35（2）：179-182.

[8]王榮本，游峰，崔高健等.車輛安全換道分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2005，35（2）：179-182.