城市快速路匝道合流區車道平衡對交通運行影響

2019-04-22 00:18:42薛行健歐陽歡李炳林

重慶交通大學學報(自然科學版) 2019年4期

薛行健，宋聰，歐陽歡，陳歡，李炳林

(1. 中南林業科技大學物流與交通學院，湖南長沙 410004；2. 長沙市規劃勘測設計研究院交通規劃研究中心，湖南長沙 410013)

0 引言

城市快速路匝道合流區存在大量換道、變速等交通行為，易導致交通流紊亂，是快速路的瓶頸路段，其車道平衡設計(圖1)是基于通過保持上下游斷面車道數平衡來保障通行能力不發生突變的思路提出的。筆者早期研究發現采集到的匝道合流區流量-密度(或速度)關系圖中的飽和流量數據點很少，相對理論模型描述出的拋物線關系，拋物線存在“頂部缺失”(圖2)，交通狀態在未達到通行能力時即從“非擁擠區”突變到了“擁擠區”[1-2]；盡管該瓶頸是否是導致突變的必要條件仍有爭議[3]，但其能導致交通狀態突變這一點沒有爭議。部分研究相信換道是導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作式匯入是引發通行能力降低的關鍵誘因[7]。目前對匝道合流區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]，均為參數化方法，所得出的結果均為解釋變量的函數，近年來一些學者也引入了許多非參數方法進行研究[10-11]。

盡管研究人員都認識到未采用車道平衡設計的下游路段可能會由于車輛匯入而承擔過飽和的交通量，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計，導致匝道合流區上下游通行能力不匹配，造成合流區上游擁堵和排隊蔓延，發生繼發性擁堵。因此，將兩者從實測數據和內在機理兩方面進行深入比較，進而提出設計對策來降低這種瓶頸效應十分必要。

圖1 城市快速路匝道合流區構型比較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3334匝道間距/m1 0411 5591 559611

圖3 匝道合流區交通流參數關系圖中的突變現象Fig. 3 Mutation phenomenon in traffic flow parameter diagram atramp merging area

1 車道平衡對匝道合流區交通運行的影響

通過對比車道在平衡與不平衡狀態下流量、時間占有率和速度參數的變化情況來分析兩種設計的差異，研究所用的數據為一周24 h線圈數據，采集自上海延安高架南側，位置和相關信息如表1和圖2，圖2匝道間數據由上至下依次為路段編號、匝道間距、車道數和線圈數，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生干擾。

從圖4可知，采用了車道平衡設計的匝道合流區無論上/下游，相對不平衡的匝道合流區都表現出了流量上升，突變范圍縮小，速度、占有率突變幅度明顯降低的現象，其中上游區域特征更加明顯。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，說明車道平衡設計的匝道合流區通行能力更大，交通狀態更穩定和更易控制，服務水平更高。通過分析更多類型上匝道上游交通流狀態數據，獲得了兩種設計條件下的交通運行狀態比較，如圖4。

圖4匝道合流區交通流參數關系對比
Fig.4Comparisonoftrafficflowparameter-relationatrampmergingarea

從時間占有率(o)-流量(q)關系分析，江蘇路上匝道上游頂部數據缺失嚴重，在流量80 veh/5 min時突變發生，突變時占有率數據變化較大，最大流量約120 veh/5 min。而下游相對上游數據頂部數據趨于飽滿，突變時占有率缺口明顯縮小，擁擠區數據離散性減小，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據相對較多，突變通常產生在100 veh/5 min以上，突變時占有率數據變化相對較小，最大流量約160 veh/5 min。而下游頂部數據飽滿，突變現象較少，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；而下游圖型頂部數據飽滿，速度突變現象較少，最優車速相對不平衡時低，這是因為合流行為產生的干擾。

從時間占有率(o)與速度(v)時序對比進行分析，江蘇路上匝道上游突變產生時，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%；下游突變現象較少，速度和占有率變化的幅度較小。

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

表2 匝道合流區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 車道平衡設計的交通影響機理

如圖1，分析車道平衡設計對交通運行的影響機理，主要有以下3點優勢。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節中分析。

2.1 車道不平衡導致換道次數增多

匝道合流區存在的大量強制性換道(類型見表3)對匝道合流區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，導致通行能力降低。

實際使用中，采用車道平衡設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)而產生大量跨障需求的位置應特別重視車道平衡設計，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判性換道，上游外側車道部分車輛為避免受到匝道車流的干擾而向內側換道；而采用車道平衡設計，此干擾會因為主線外側兩車道之間的換道，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)，而車道平衡設計的利用率基本一致(圖中用均色表示)。

2.2 車道不平衡導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。關于變速如何導致通行能力瓶頸國內外許多學者都進行了深入的研究。D.HELBING等[12]認為擾動導致暫時的擁擠，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)導致擾動，觸發了內部因素而使通行能力“自發的”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，換道將導致局部速度的降低和瓶頸附近密度的升高，出現局部擾動，此時駕駛員的反應較強，擾動呈增長趨勢，持續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：一是應對擾動而導致的車頭時距增加；二是速度降低導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，即瓶頸效應形成。事實上，駕駛員通常還會預判這種干擾而有意識的降速應對擾動，從而進一步加劇了瓶頸效應。

圖5 匝道合流區的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不一致，存在物理瓶頸，如圖1中A區。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，車道數量的不匹配將阻塞交通；而采用車道平衡設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。三者的關系如式(1)：

Cm+Cr≥CB>CNB

(1)

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

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 現有車道平衡設計的局限及對策

3.1 車道數匹配問題

目前CJJ129—2009《城市快速路設計規范》中對于匝道合流區車道數平衡的要求如式(2)，其中NC為匝道合流區下游車道數，NF為匝道合流區上游車道數，NE為匝道車道數。

NC≥NF+NE-1

(2)

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

1)當匝道數僅設計為1車道時，沒有實現車道平衡，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。在城市很多區域，受地面信號交叉口影響，駛入匝道的交通流呈脈沖式，時間段上高/低流量現象交替出現，此時匝道的設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，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計；對某些短途交通需求較大的地段則需更多車道數；此外，交織問題的處理也涉及車道數的增加。

3.2 形成交織區問題

車道平衡設計在匝道間距較短時(根據HCM2000的研究，交織長度通常在750 m的范圍內)，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計，交織區的交通運行如圖6。

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

分析原因如下：非平衡設計存在加速車道末端和減速車道末端兩個擁堵常發區，匝道車輛的匯入影響主要集中在主線外側車道，對內側車道影響較小，如圖7(a)；在減速車道末端，根據研究，通常90%的車輛在出口匝道前已經處以主線外側車道，這些車輛會大量換道到減速車道，從而提供大量空間給內側車道換道，使擁堵較易消散；合流區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側車道和向外側車道換道的需求，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 交織區交通運行示意Fig. 6 Sketch map of traffic operation at weaving area

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

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

經研究發現，保持路冠線外側車道(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鍵。B型交織構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車道B駛離，不增加路冠線外側車道的密度；②匝道車輛行駛到出口匝道可繼續行駛，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。仿真結果顯示，這種構型處理交織流的能力較強。