劉浩敏，曲大義，王少杰，李海洋

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島 266525)

作為城市的交通樞紐，城市快速路在城市交通系統(tǒng)的運(yùn)行中起著極為重要的作用?？焖俾方豢梾^(qū)是快速路必不可少的功能模塊，在引入和疏導(dǎo)駛?cè)牒婉偝龀鞘锌焖俾吩训赖能囕v方面發(fā)揮著作用。如今，大中型城市的快速路工程建設(shè)已經(jīng)快速進(jìn)行，然而并沒(méi)有從長(zhǎng)期角度考慮其是否能夠滿足城市的未來(lái)發(fā)展需求。結(jié)果，城市快速路的承載力早已超出了負(fù)荷，快速路擁堵?tīng)顩r已然成為了常態(tài)。車輛頻繁的換道行為是快速路交織區(qū)車輛運(yùn)行的典型表現(xiàn)。由于存在大比例交織的車輛，上游車輛在出入車輛的影響下被迫擁擠并排隊(duì)等候，在極端情況下，還可能會(huì)發(fā)生交通事故。交織區(qū)的車道變換問(wèn)題已經(jīng)成為城市快速路交織區(qū)研究的核心問(wèn)題。因此，要解決交織區(qū)的擁堵管理問(wèn)題，就應(yīng)該從換道問(wèn)題著手。

1986年，GIPPS[1]對(duì)城市道路環(huán)境下的變道模型進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了加減速度接受模型來(lái)判斷變道的可行性；JORGE等[2]研究分析了換道行為在交通流中對(duì)道路流量的影響； ELENA等[3]在 HCM2020中提出城市快速路交織區(qū)內(nèi)車輛換道特性與基本路段的顯著區(qū)別，以及影響交織區(qū)內(nèi)換道特性的因素。

由于國(guó)內(nèi)外的交通發(fā)展現(xiàn)狀不相同，因此難以直接照搬國(guó)外現(xiàn)有的技術(shù)，但是可以參考國(guó)外的相關(guān)技術(shù)，運(yùn)用到國(guó)內(nèi)對(duì)于道路交織區(qū)換道研究中來(lái)。彭博等[4]基于元胞自動(dòng)機(jī)研究了車輛換道速度差、間距對(duì)快速路交織區(qū)換道安全的影響；汪寶等[5]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)快速路交織區(qū)車輛運(yùn)行特性和換道過(guò)程進(jìn)行分析；曲大義等[6-7]基于車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)車輛換道交互行為進(jìn)行了分析并建立了換道模型；鐘異瑩等[8]建立了換道模型，研究了換道對(duì)分流區(qū)交通流的影響。

綜上所述，可以看出目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于車輛換道特性以及換道模型的研究已經(jīng)頗為成熟，對(duì)于車輛換道交互行為的研究也取得了較大進(jìn)展，但多停留于微觀層面，對(duì)于車輛換道與宏觀交通流相互影響的相關(guān)研究還較少，尤其是在快速路交織區(qū)這樣具有特殊性且易發(fā)生交通問(wèn)題的相關(guān)路段，對(duì)于此問(wèn)題目前還未進(jìn)行針對(duì)性研究。

針對(duì)快速路交織區(qū)日益嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題，本文從交織區(qū)的車道變換行為入手，研究了換道行為對(duì)快速路交織區(qū)交通流量的影響。研究?jī)?nèi)容對(duì)解決交織區(qū)排隊(duì)擁堵、緩解快速路交通壓力、釋放快速路的主要功能、確?？焖俾方煌ò踩哂兄匾睦碚摵蛯?shí)踐價(jià)值。

1 車輛換道行為分析

車輛換道行為是車輛運(yùn)行過(guò)程的一種基本操作，是指駕駛員在周圍交通場(chǎng)景的影響下，為了盡快實(shí)現(xiàn)駕駛目的而變換車道的過(guò)程。

在快速路入口交織區(qū)，匯入的車輛在進(jìn)入加速車道時(shí)，受到由加速車道匯入車輛的影響，這種影響會(huì)迫使處于外側(cè)行車道的車輛開(kāi)始往內(nèi)側(cè)行車道行駛，進(jìn)而影響整條道路的交通流狀態(tài)。在駛?cè)胲囕v匯入主線交通運(yùn)行的過(guò)程中，主線交通流會(huì)發(fā)生明顯的波動(dòng)。車輛換道時(shí)，駕駛員需要對(duì)即將換入的車道進(jìn)行空間需求判斷，確定前方、后方和側(cè)方具有足夠的安全空間，如圖1所示。

圖1 快速路入口交織區(qū)換道行為示意

從主線駛?cè)霚p速車道過(guò)程中，駛離的車輛首先要從主線行車道的其他車道換道進(jìn)入外側(cè)車道，駛離車輛對(duì)主線交通流的換道影響牽制整個(gè)交通流的正常運(yùn)行。在道路出口交織區(qū)處，如果由于車輛過(guò)多而導(dǎo)致減速車道車輛擁堵，會(huì)進(jìn)一步影響主線交通流的正常運(yùn)行，從而影響整個(gè)道路的通行效率，如圖2所示。

圖2 快速路出口交織區(qū)換道行為示意

根據(jù)駕駛員動(dòng)機(jī)的不同，變道行為可以分為強(qiáng)制型車道變換和自主型車道變換兩大類。

1) 強(qiáng)制型車道變換：駕駛員為了完成正常行駛目的而必須采取的換道行為；

2) 自主型車道變換：為了獲取更為理想的運(yùn)行方式，駕駛員采取的換道行為。

根據(jù)上述換道行為的分類，快速路交織區(qū)匯入和駛出車輛的換道行為是一種典型的強(qiáng)制型車道變換。根據(jù)快速路交織區(qū)內(nèi)車輛之間的相互作用，強(qiáng)制性換道行為一般可細(xì)分為3類：自由換道、協(xié)同換道和強(qiáng)迫換道。

1) 自由換道：駛?cè)?、駛出車輛在換道過(guò)程中不會(huì)對(duì)主線車輛產(chǎn)生干擾的換道行為；

2) 協(xié)同換道：主線車輛通過(guò)加減速而主動(dòng)讓行匯入、駛出車輛的換道行為；

3) 強(qiáng)迫換道：通過(guò)強(qiáng)制主線車輛讓道而駛?cè)?、駛出車輛的換道行為，這種換道行為將對(duì)主線車輛的運(yùn)行造成明顯干擾。

2 交織區(qū)交通流宏觀特性

調(diào)查選取山西省長(zhǎng)治市境內(nèi)光明路快速路創(chuàng)業(yè)橋車輛由北向南運(yùn)行的交織區(qū)路段作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，調(diào)查時(shí)間選取工作日17：30—18：30時(shí)段，因此時(shí)間段為晚高峰時(shí)段，車輛換道頻繁。調(diào)查采集快速路交織區(qū)的交通流數(shù)據(jù)，對(duì)交通流時(shí)空特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.1 交通量時(shí)空分布

受出入口處交通流分合流以及變換車道的干擾，快速路交織區(qū)各個(gè)車道的交通流也隨之改變，為了研究快速路交織區(qū)交通流在各車道的交通量時(shí)空分布規(guī)律，選擇晚高峰17：30-18：30作為調(diào)查交通流量的研究時(shí)間，以5 min為間隔對(duì)交織區(qū)的交通流調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，得到高峰時(shí)段不同位置以及不同車道上交通流的分布情況(圖3)。

分析圖3得：

1) 快速路入口交織區(qū)的上游處，外側(cè)的交通流小于內(nèi)側(cè)的交通流，表明入口交織區(qū)的駕駛?cè)藛T能夠及時(shí)獲取信息，并及時(shí)向內(nèi)側(cè)換道，避免了對(duì)于其他車輛的交通影響(圖3(a))；在出口交織區(qū)的上游處，各個(gè)行車道的交通量處于均衡狀態(tài)(圖3(b))。

2) 在入口交織區(qū)處，當(dāng)交通流逐漸駛?cè)雰?nèi)側(cè)行車道時(shí)，會(huì)導(dǎo)致剛駛?cè)虢豢梾^(qū)的交通流過(guò)多集中于外側(cè)車道，導(dǎo)致各行車道的交通分布不均勻(圖3(c))；在出口交織區(qū)處，交通流逐漸駛?cè)胪鈧?cè)車道，進(jìn)而駛離主線，導(dǎo)致外側(cè)行車道的交通流變化最大(圖3(d))。

3) 在入口交織區(qū)的下游處，外側(cè)的交通流逐漸往內(nèi)側(cè)駛?cè)?，各行車道交通流又回歸均衡狀態(tài)(圖3(e))；在出口交織區(qū)的下游處，隨交通流逐漸駛離，各行車道交通流重新回歸均衡狀態(tài)(圖3(f))。

2.2 運(yùn)行速度特性

為研究快速路交織區(qū)交通流在各行車道的運(yùn)行速度變化規(guī)律，選擇晚高峰17：30—18：30作為調(diào)查行車速度的研究時(shí)間，分別以出入口交織區(qū)為原點(diǎn)，按照50 m為間隔距離對(duì)交織區(qū)交通流的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到高峰時(shí)期交織區(qū)各個(gè)行車道交通流的運(yùn)行速度分布。

2.2.1 入口交織區(qū)速度特性

分析圖4可知：

1) 在快速路入口交織區(qū)上游處，由于該處交通流匯集導(dǎo)致的交通干擾，外側(cè)行車道車輛的行駛速度比內(nèi)側(cè)行車道車輛的行駛速度低。

2) 在快速路入口交織區(qū)處，受到駛?cè)胫骶€的交通流的干擾，外側(cè)行車道的行駛速度明顯下降，與內(nèi)側(cè)行車道交通流的行駛速度差距顯著。

3) 在快速路入口交織區(qū)下游處，匯入的交通流開(kāi)始逐漸往內(nèi)側(cè)行車道行駛，導(dǎo)致了內(nèi)側(cè)的交通流的行駛速度有所下降。行駛一段距離之后，主線上各個(gè)行車道的行駛速度趨于均衡。

2.2.2 出口交織區(qū)速度特性

由圖5分析得到以下規(guī)律：

1) 在快速路出口交織區(qū)上游處，行車道的交通流運(yùn)行速度受到的影響很大。

2) 在快速路出口交織區(qū)處，已有部分車輛駛離，交通流的速度有所上升。

3) 在快速路出口交織區(qū)下游，各個(gè)行車道的車流逐漸恢復(fù)正常車速，且各個(gè)行車道的車速回歸均衡。

2.3 車流密度特性

為研究快速路交織區(qū)交通流密度的變化規(guī)律，選擇晚高峰17：30—18：30作為調(diào)查車流密度的研究時(shí)間，以5 min為間隔對(duì)交織區(qū)的車流密度進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，得到在高峰時(shí)段快速路交織區(qū)車流密度的分布情況(圖6)。

圖6 快速路交織區(qū)密度分布

由圖6可知，17：30—17：40時(shí)段，交織區(qū)車流整體運(yùn)行良好；17：40—17：50時(shí)段，密度逐漸增大，逐步演變?yōu)榻煌〒矶聽(tīng)顟B(tài)；17：50—18：10時(shí)段，隨著車流開(kāi)始消散，密度逐漸減小，交通擁堵現(xiàn)象逐漸消失；18：10之后，密度波動(dòng)幅度減小，交通流趨于穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程，未出現(xiàn)嚴(yán)重的交通癱瘓現(xiàn)象。

3 車輛換道行為對(duì)交通流運(yùn)行的影響

研究分析快速路交織區(qū)換道次數(shù)與交通流特性參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，深入挖掘快速路交織區(qū)換道行為與交通流時(shí)空特性的關(guān)系，進(jìn)而剖析交織區(qū)車輛換道對(duì)交通流的影響。

交通流的狀態(tài)變化是微觀交通行為的宏觀表現(xiàn)，交通環(huán)境對(duì)車輛的換道行為有影響，換道行為對(duì)交通環(huán)境也產(chǎn)生影響。作為最基本的駕駛行為之一，道路系統(tǒng)中車輛的換道行為很容易在其頻繁操作期間引起交通流狀態(tài)的變化。為探究車輛換道行為對(duì)快速路交織區(qū)交通流運(yùn)行狀態(tài)的影響，選取17：30-18：30高峰時(shí)間段作為研究時(shí)間，根據(jù)交織區(qū)車輛換道次數(shù)與交通流的關(guān)系進(jìn)行分析。

3.1 交織區(qū)車輛換道次數(shù)對(duì)總交通流量的影響

如圖7所示，隨著交通量的增加，車道變換的次數(shù)先增加然后減少，這表明當(dāng)交通流處于自由流狀態(tài)時(shí)，車道變換空間足夠，駕駛?cè)擞袚Q道需要并滿足車道變換條件，隨著交通流量的增加，換道次數(shù)逐漸增加。當(dāng)交通流處于擁擠狀態(tài)時(shí)，換道空間減小，盡管駕駛員需要變換車道但不滿足車道變換的條件，隨著交通流量的增加，換道的次數(shù)也減少。

圖7 交通量與換道次數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3.2 交織區(qū)車輛換道次數(shù)對(duì)車流密度的影響

由圖8可知，隨著交通密度的增大，換道次數(shù)先增加而后減小。在此交通流高峰狀態(tài)下，道路交通密度占很大比例，因此對(duì)交織區(qū)域的換道行為影響更大。車輛頻繁駛?cè)牒婉偝?，?dǎo)致自由流狀態(tài)下車道變換的頻率迅速增加。然后，隨著交通流密度的持續(xù)增加，交通流變得擁擠時(shí)，車道變換次數(shù)逐漸減少。

圖8 車流密度與換道次數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3.3 交織區(qū)車輛換道次數(shù)對(duì)車流平均速度的影響

從圖9中可看出，隨著換道次數(shù)的增加，交通流的速度先增大后減小，說(shuō)明在臨界狀態(tài)下，車道變換對(duì)直行交通流平均速度的影響與交通流狀態(tài)有關(guān)。自由流狀態(tài)下，速度較快，變道次數(shù)較多；在擁堵?tīng)顟B(tài)下，車速較慢，變道次數(shù)相對(duì)較少。

圖9 車流速度與換道次數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3.4 交織區(qū)交通流狀態(tài)耦合作用對(duì)車輛換道次數(shù)的影響

通過(guò)交通量、密度、速度與換道次數(shù)的單一變量分析，并對(duì)比分析各因素耦合作用可知(圖10)，交通流狀態(tài)由自由流到臨界狀態(tài)而后到擁擠狀態(tài)的過(guò)程中，車輛換道次數(shù)隨著交通量與車流密度先增加后減少，交通流速度隨著換道次數(shù)先增加后減小。不同之處在于，在自由流狀態(tài)下，雖然滿足換道條件，但是換道需求較小，車道變換次數(shù)顯然最少；在臨界狀態(tài)下交織區(qū)滿足車輛的換道動(dòng)機(jī)與換道條件，盡管交通未達(dá)到飽和，但車道變換次數(shù)最大；交通流擁擠的狀態(tài)下，車輛換道的次數(shù)仍然少于在適當(dāng)?shù)貪M足換道條件的臨界狀態(tài)下的換道次數(shù)，這表明在擁擠狀態(tài)下盡管對(duì)換道的需求最大，但是不滿足換道條件。

圖10 交通流狀態(tài)耦合作用與換道次數(shù)相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

研究分析表明，城市快速路交織區(qū)的換道頻繁現(xiàn)象使得交織區(qū)成為交通瓶頸路段，車輛交互耦合作用關(guān)系復(fù)雜，對(duì)其相關(guān)規(guī)律的研究，是保證快速路交通系統(tǒng)的通行效率和運(yùn)行安全的關(guān)鍵。根據(jù)快速路交織區(qū)交通流運(yùn)行特征，微觀解析車輛換道行為特征，在此基礎(chǔ)上展開(kāi)交織區(qū)車輛換道行為對(duì)交通流的影響分析。

1) 隨著車流密度不斷增大，換道次數(shù)先增大后減小。交織區(qū)車輛換道影響車流運(yùn)行狀態(tài)，在自由流狀態(tài)下，換道次數(shù)迅速增加，隨著交通流密度的增加，交通流變?yōu)閾頂D狀態(tài)，換道次數(shù)便相應(yīng)減小。

2) 車流速度隨換道次數(shù)先增大后減小，在臨界狀態(tài)下，換道次數(shù)對(duì)直行的交通流平均速度的影響程度與交通流的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。

3) 自由流動(dòng)狀態(tài)下的行駛條件最好，不觸發(fā)換道動(dòng)機(jī)，換道次數(shù)少。交通擁堵?tīng)顟B(tài)盡管滿足換道動(dòng)機(jī)，但不滿足換道條件，換道次數(shù)較少。臨界狀態(tài)下?lián)Q道條件與道路動(dòng)機(jī)均得到滿足，因此出現(xiàn)的結(jié)果是，在臨界交通流狀態(tài)下?lián)Q道次數(shù)最多。