于世軍 徐成 酈紅藝 錢(qián)仕淋

摘要 快速路交織區(qū)長(zhǎng)度是影響交通運(yùn)行狀況的重要因素指標(biāo)，不適宜的交織區(qū)長(zhǎng)度易造成交通運(yùn)行紊亂及車(chē)輛擁堵等情況。文章首先基于快速路交織區(qū)實(shí)際運(yùn)行情況，建立了包含入口匝道、出口匝道、主線車(chē)道和輔道的交織區(qū)交通仿真模型，然后研究了在不同交織區(qū)長(zhǎng)度情況下的交通流運(yùn)行指標(biāo)變化特征，對(duì)比分析了車(chē)輛速度、車(chē)頭時(shí)距、車(chē)輛的跟馳與換道特性等指標(biāo)。結(jié)果顯示，交通量一定，交織區(qū)長(zhǎng)度較小時(shí)，交織區(qū)長(zhǎng)度與通行能力呈正相關(guān)；交織區(qū)長(zhǎng)度到達(dá)閾值后，長(zhǎng)度的增加對(duì)通行能力影響不顯著。交織區(qū)長(zhǎng)度一定時(shí)，交織區(qū)流量的提升會(huì)導(dǎo)致服務(wù)水平的下降，直至擁堵。研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)快速路交織區(qū)長(zhǎng)度的設(shè)置有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 交通工程；交通流特性；SUMO仿真；交織區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào) U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0034-04

0 引言

城市快速路交織區(qū)作為快速路交通流內(nèi)外銜接的交匯段，是城市快速路產(chǎn)生擁堵、安全隱患等問(wèn)題的主要瓶頸區(qū)域之一。交織區(qū)長(zhǎng)度作為快速路的基本參數(shù)，對(duì)于快速路的通行能力與服務(wù)水平具有很大影響。不適宜的長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致交織區(qū)內(nèi)因車(chē)輛換道等引發(fā)的交通紊亂、交通沖突等情況，也對(duì)交織區(qū)內(nèi)的交通安全水平產(chǎn)生不良影響，并且當(dāng)交織區(qū)內(nèi)發(fā)生諸如擁堵等問(wèn)題的時(shí)候，也會(huì)迅速擴(kuò)散至其他區(qū)域，造成道路網(wǎng)的擁堵，影響城市快速路整體功能的發(fā)揮。

國(guó)外對(duì)快速路交織區(qū)長(zhǎng)度的研究開(kāi)展較早。Pignataro等^[1]通過(guò)研究后得到各因素對(duì)車(chē)速的影響程度隨交織區(qū)長(zhǎng)度增加而減小的結(jié)論。Hidas^[2]等對(duì)車(chē)輛換道行為進(jìn)行了分類(lèi)與定義。Kashani A等^[3]基于HCM2016開(kāi)發(fā)了最大交織長(zhǎng)度模型。Aries van Beinum等^[4]研究發(fā)現(xiàn)交織區(qū)長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致更低水平的紊流。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)交織區(qū)交通流運(yùn)行開(kāi)展了相關(guān)研究。陳小鴻等^[5]分析了交織區(qū)長(zhǎng)度、構(gòu)造形式、車(chē)速等影響交織區(qū)的多種因素，并利用微觀仿真分析交通流特性。趙靖等^[6]基于HCM2000發(fā)現(xiàn)交織區(qū)通行能力與長(zhǎng)度符合雙曲線模型。張琨等^[7]研究了交織區(qū)長(zhǎng)度對(duì)車(chē)道變換頻率的影響，并發(fā)現(xiàn)交織區(qū)長(zhǎng)度的縮短會(huì)增強(qiáng)車(chē)輛換道的緊迫性。劉洋等^[8]基于交織區(qū)的服務(wù)水平，分析了A類(lèi)交織區(qū)長(zhǎng)度與密度的關(guān)系。

該文基于城市快速路交織區(qū)的實(shí)際交通流運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建交織區(qū)運(yùn)行仿真模型，分析交織區(qū)的交通運(yùn)行特性，從平均速度、車(chē)頭間距以及沖突數(shù)等多指標(biāo)進(jìn)行比較分析，以此研究交織區(qū)長(zhǎng)度對(duì)交通流運(yùn)行的影響特征和規(guī)律，為快速路的運(yùn)行管理和改善設(shè)計(jì)提供決策參考。

1 快速路交織區(qū)運(yùn)行仿真模型構(gòu)建與檢驗(yàn)

為研究不同交織區(qū)長(zhǎng)度對(duì)交通流運(yùn)行特性的影響，該文選擇以城市快速路A型交織區(qū)為研究對(duì)象，基于SUMO仿真軟件，結(jié)合實(shí)際交織區(qū)交通流運(yùn)行特征，構(gòu)建了快速路交織區(qū)交通運(yùn)行仿真模型。

1.1 仿真設(shè)定

基于SUMO仿真軟件，對(duì)構(gòu)建的仿真模型作出以下設(shè)定：

（1）所研究的城市快速路交織區(qū)中，通行的車(chē)種類(lèi)別主要為小型汽車(chē)，因此為了簡(jiǎn)化研究過(guò)程，在后續(xù)的模型建立與分析中，忽略其他的車(chē)種，只選取有代表性的小型車(chē)輛為研究對(duì)象。

（2）因?yàn)榻煌ㄊ鹿蕿榕既皇录?，為確保仿真模型與結(jié)果的普適性，假設(shè)所有通行車(chē)輛嚴(yán)格遵守通行規(guī)則，避免偶然事件對(duì)仿真的影響。

（3）采用的跟馳模型是基于目前SUMO已有的成熟模型。

1.2 仿真參數(shù)設(shè)定

交織區(qū)的交通運(yùn)行仿真模型構(gòu)建過(guò)程包括路網(wǎng)構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定、檢測(cè)器配置、車(chē)輛類(lèi)型配置等。

（1）路網(wǎng)構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置。仿真對(duì)象為快速路A型交織區(qū)，為完全展現(xiàn)出車(chē)輛直行、匝道駛?cè)?、匝道駛出的過(guò)程，設(shè)置單向三條直行車(chē)道，駛?cè)雴蜗蛞粭l直行匝道，駛出單向一條直行匝道，其中進(jìn)入匝道的車(chē)輛一律從最右側(cè)車(chē)道匯入，明確交織區(qū)的避讓規(guī)則，即駛?cè)?、駛出?chē)輛需要避讓直行車(chē)輛。在速度限制方面，依據(jù)實(shí)際快速路限速取限速80 km/h。

（2）檢測(cè)器配置。對(duì)于交織區(qū)不同位置交通流運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，使用SUMO仿真軟件自帶的交通參數(shù)檢測(cè)器。將檢測(cè)器分別設(shè)置在駛?cè)朐训?、駛出匝道、交織區(qū)域、各條直行車(chē)道等位置，通過(guò)各個(gè)檢測(cè)器輸出的車(chē)輛信息來(lái)確定在仿真時(shí)段內(nèi)車(chē)流的交通參數(shù)。

（3）車(chē)輛類(lèi)型配置。對(duì)于車(chē)輛類(lèi)型主要以小汽車(chē)為主，跟馳模型采用Krauss跟馳模型。

Krauss跟馳模型是一種基于絕對(duì)安全假設(shè)構(gòu)建的模型，并且前車(chē)的行為會(huì)影響后車(chē)，并在整個(gè)系統(tǒng)中傳遞。因此下一時(shí)段的速度應(yīng)滿足式（1），并僅當(dāng)公式等號(hào)成立時(shí)，方為安全速度。

d_s≤d_p+g （1）

式中，d_s——當(dāng)前時(shí)段車(chē)輛行駛距離；d_p——前車(chē)緊急制動(dòng)距離；g——車(chē)間距。

安全車(chē)速的計(jì)算式如式（2）所示。

式中，v_t——車(chē)輛t時(shí)刻的車(chē)速；b——車(chē)輛最大加速度；v_max——車(chē)輛限制最大車(chē)速；v_safe——安全車(chē)速；v₀——實(shí)際情況下與期望速度產(chǎn)生最大差值時(shí)的速度；v₁——車(chē)輛期望速度；v_t+1——下一仿真步長(zhǎng)選擇的車(chē)速，在v₀到v₁之間隨機(jī)選擇；x_t+1——下一仿真步長(zhǎng)車(chē)輛位置^[9]。

1.3 仿真模型檢驗(yàn)

為了得到正確的結(jié)論，在對(duì)交織區(qū)影響因素進(jìn)行系統(tǒng)性分析前，必須保證模型能夠較準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，并能在計(jì)算機(jī)上正確運(yùn)行。因此，在仿真模型使用之前，需要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?。?jīng)前期交通調(diào)查，揚(yáng)州城南快速路萬(wàn)達(dá)段交織區(qū)長(zhǎng)度約為450 m，交織區(qū)內(nèi)換道比例約為36.4%，因此，將SUMO仿真的車(chē)道設(shè)置為450 m，車(chē)道換道概率設(shè)為0.36，對(duì)交織區(qū)進(jìn)行交通仿真，選取規(guī)定樣本量，統(tǒng)計(jì)車(chē)速和車(chē)頭時(shí)距結(jié)果，初步檢驗(yàn)仿真模型。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精確需要一定的樣本量保證，從而避免偶然性，因此需要對(duì)樣本量的最低值進(jìn)行限制，樣本量的最低值可按式（4）計(jì)算：

式中，N——最少樣本量；S——計(jì)算的樣本標(biāo)準(zhǔn)差（km/h）；K——相應(yīng)于要求置信度的常數(shù)；E——車(chē)速計(jì)算的容許誤差（km/h）^[9]。

S值可以根據(jù)交通區(qū)域與道路類(lèi)型查用，如表1所示，可知平均標(biāo)準(zhǔn)差分布在6.8～8.5 km/h范圍內(nèi)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，選取S=8 km/h，以最大限度地保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果精度。

K值根據(jù)要求的置信度來(lái)確定，K值的取用如表2所示。

車(chē)速計(jì)算的容許誤差E，取決于車(chē)速計(jì)算所要求的精度。其取值范圍從±1.5 km/h到±8.9 km/h。一般采用1.5～2 km/h^[10-11]。

當(dāng)交通量較低時(shí)，路面交通狀況簡(jiǎn)單，觀測(cè)時(shí)間充裕，在調(diào)查時(shí)段內(nèi)能夠合理觀測(cè)幾乎所有車(chē)輛的車(chē)速。而當(dāng)交通量較大時(shí)，路面交通狀況相對(duì)復(fù)雜，跟馳與換道車(chē)輛占比較大，車(chē)速分布不均衡，如果測(cè)量每輛車(chē)的速度，就不可避免地會(huì)干擾整個(gè)調(diào)查結(jié)果，因而需要選擇性測(cè)量，即進(jìn)行抽樣。

經(jīng)式（5）計(jì)算，該次試驗(yàn)樣本量的選取應(yīng)大于62輛車(chē)。隨機(jī)選取100輛車(chē)，對(duì)他們的車(chē)速以及車(chē)頭時(shí)距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。其中，仿真模型的車(chē)速及車(chē)頭時(shí)距數(shù)據(jù)由3次仿真結(jié)果取平均值，以消除偶然性對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響，如表3～4所示。

由表3可得，實(shí)測(cè)速度均值為21.82 m/s，SUMO仿真的速度均值為20.43 m/s；由表4可得，實(shí)測(cè)車(chē)頭時(shí)距為3.80 s，SUMO仿真車(chē)頭時(shí)距為3.67 s。整體上除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)因調(diào)查情況的偶然性方差較大之外，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間無(wú)顯著差異?？梢哉J(rèn)為，所建立的仿真模型符合實(shí)際情況，可以適用于該研究。

1.4 仿真時(shí)長(zhǎng)確定

在進(jìn)行多情景仿真分析前，為了消除仿真時(shí)長(zhǎng)對(duì)仿真結(jié)果的影響，首先要對(duì)系統(tǒng)仿真時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行確定。設(shè)定系統(tǒng)仿真時(shí)長(zhǎng)為100～3 600 s，對(duì)于高流量和低流量?jī)煞N交通狀態(tài)進(jìn)行仿真，觀察仿真時(shí)長(zhǎng)對(duì)車(chē)頭時(shí)距的影響。如圖1所示，不管是高流量還是低流量狀態(tài)，仿真時(shí)長(zhǎng)小于500 s時(shí)，車(chē)輛不能完全駛出交織區(qū)，統(tǒng)計(jì)的車(chē)頭時(shí)距值波動(dòng)較大，500 s后車(chē)頭時(shí)距逐漸趨于穩(wěn)定?？紤]仿真時(shí)長(zhǎng)對(duì)仿真結(jié)果輸出效率的影響，將系統(tǒng)仿真時(shí)長(zhǎng)確定為3 600 s。

2 交織區(qū)長(zhǎng)度對(duì)交通運(yùn)行影響的仿真分析

2.1 不同交織區(qū)長(zhǎng)度的仿真運(yùn)行結(jié)果

為了研究交織區(qū)長(zhǎng)度對(duì)交織區(qū)車(chē)輛運(yùn)行的影響，模型模擬時(shí)，控制交織區(qū)交通量2 200 pcu/h，同時(shí)將SUMO仿真構(gòu)建的路網(wǎng)交織區(qū)長(zhǎng)度在90～720 m取值，間隔為45 m。得到相應(yīng)的交織區(qū)車(chē)輛平均速度隨交織區(qū)長(zhǎng)度變化曲線如圖2所示，車(chē)輛車(chē)頭時(shí)距隨交織區(qū)長(zhǎng)度變化曲線如圖3所示，仿真中沖突次數(shù)隨交織區(qū)長(zhǎng)度變化如圖4所示，車(chē)輛在道路上的空間分布如圖5所示，交織區(qū)長(zhǎng)度對(duì)各參數(shù)的詳細(xì)影響如表5所示。

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)仿真的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，A型交織區(qū)的車(chē)輛行駛狀態(tài)受長(zhǎng)度影響較大。在車(chē)流量為2 200 pcu/h、換道概率為0.36的情況下，交織車(chē)輛的平均速度、車(chē)頭時(shí)距整體都隨著交織區(qū)長(zhǎng)度的增加而增大，當(dāng)交織區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到400 m以后，這兩類(lèi)指標(biāo)的增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢。對(duì)于沖突次數(shù)而言，近似呈現(xiàn)正態(tài)分布特征，峰值區(qū)域在300～400 m，隨后又開(kāi)始下降。

交織區(qū)長(zhǎng)度的增加為車(chē)輛的跟馳和換道提供了更大的空間與時(shí)間，車(chē)輛在道路上的分布開(kāi)始分散，拉開(kāi)了車(chē)頭間距，速度與車(chē)頭時(shí)距也隨之上升。而當(dāng)交織區(qū)長(zhǎng)度不足時(shí)，相同的交通量在道路上的分布就比較集中，車(chē)輛行駛空間受到壓縮，駕駛員用于直行車(chē)道變換與跟馳的空間減小，加劇了交織區(qū)內(nèi)交通流的紊亂程度，交織車(chē)輛的行駛速度緩慢。在交織路段足夠長(zhǎng)時(shí)，交織段內(nèi)的車(chē)輛相當(dāng)于在長(zhǎng)路段上行駛，交織段長(zhǎng)度的再次增加對(duì)于整體車(chē)輛運(yùn)行的影響不大。

3 結(jié)論

該文首先選擇平均速度、車(chē)頭間距以及沖突數(shù)這三個(gè)參數(shù)作為交織區(qū)微觀仿真模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用這些數(shù)據(jù)將各種因素對(duì)交織區(qū)的影響進(jìn)行量化，然后基于交織區(qū)交通影響參數(shù)，對(duì)交織區(qū)狀態(tài)進(jìn)行多情境仿真分析，研究交織區(qū)長(zhǎng)度的改變引起的交織區(qū)車(chē)輛相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化。仿真結(jié)果顯示，在交通量一定的情況下，交織區(qū)長(zhǎng)度對(duì)交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)影響較大。在交織區(qū)長(zhǎng)度一定的情況下，交通量的增加會(huì)使交織區(qū)服務(wù)水平下降。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)各數(shù)據(jù)計(jì)算出交織區(qū)的臨界長(zhǎng)度，從而提升交織區(qū)通行能力與穩(wěn)定性，并減少不必要的施工成本。

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收稿日期：2023-12-08

作者簡(jiǎn)介：于世軍（1978—），男，博士，副教授，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。

通信作者：徐成（1997—），男，碩士，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。

基金項(xiàng)目：教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目“保護(hù)與更新雙重視角下歷史城區(qū)多模式交通系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究”（22YJAZH139）。