基于路上實(shí)驗(yàn)的地下互通立交合流區(qū)交通流特性研究

周 燦， 王 紅， 陳 勇

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

近年來[1,2]，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程逐漸加快，汽車擁有量不斷增加,與此同時(shí)，城市地面可用空間卻越來越少，城市交通需求與供應(yīng)之間的矛盾日益突出，因此為了緩解城市交通壓力，全國各大城市都在進(jìn)行地下道路的規(guī)劃與建設(shè)，地下互通也勢(shì)必成為研究的焦點(diǎn)。目前，國內(nèi)外對(duì)于地下交通流的研究很少且主要集中在速度特性和通行能力。楊揚(yáng)等[3]通過實(shí)地調(diào)查分析不同交通組成情況下的交通流分布特性；隨后劉碩等[4]和方守恩等[5]基于實(shí)車測(cè)速實(shí)驗(yàn)，通過多元逐步線性回歸建立運(yùn)行車速預(yù)測(cè)模型，并通過駕駛模擬器重點(diǎn)研究地下道路匝道入口段的速度運(yùn)行特性。李素艷等[6]則結(jié)合地下道路的交通特性，對(duì)原有模型參數(shù)進(jìn)行修改，得到地下道路通行能力計(jì)算模型。而對(duì)于地下互通立交的研究主要集中在選型研究[7]、結(jié)構(gòu)研究[8]及運(yùn)營安全[9]三個(gè)方面，對(duì)其交通流的研究十分稀少。

由于本文研究的是合流點(diǎn)，其主要駕駛行為是加速車道車輛換道與主路車輛進(jìn)行合流，因此可用合流點(diǎn)的分布來表征駕駛員選擇換道的時(shí)機(jī)，再結(jié)合地面道路對(duì)交通流的研究以及臨界間隙能表征次路駕駛員接受主路車道換道的最小間隙這一特性[10]，因此最終選擇從交通組成、車速、合流點(diǎn)分布以及臨界間隙四個(gè)方面展開分析。為了獲取以上四方面的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行路上實(shí)車實(shí)驗(yàn)，獲取了實(shí)驗(yàn)車以及監(jiān)控視頻的原始數(shù)據(jù)，通過對(duì)視頻處理及數(shù)據(jù)提取得到了合流區(qū)的交通組成、斷面車速、合流點(diǎn)分布以及合流時(shí)主線最外側(cè)車道的車頭時(shí)距，總結(jié)得到地下互通立交合流區(qū)交通流特性，為后續(xù)地下互通匝道的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供一定參考。

1 實(shí)車實(shí)驗(yàn)調(diào)查

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景搭建

本文的調(diào)查方案采用的是實(shí)驗(yàn)車進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，基于本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模疚倪x取的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為廈門萬石山隧道與鐘鼓山隧道的互通立交，如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)點(diǎn)共有3處合流點(diǎn)。

圖1 實(shí)車實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

考慮到該實(shí)驗(yàn)在地下進(jìn)行，本次調(diào)查的實(shí)驗(yàn)車如圖2所示,采用可脫離GPS使用的RT2500來采集車輛的坐標(biāo)和軌跡。實(shí)驗(yàn)車除照度儀外所有的設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步，同步后實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)走時(shí)誤差低于0.01 s。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 調(diào)查方案

根據(jù)公安部交管部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，男性駕駛?cè)苏?4%；女性駕駛?cè)苏?6%，約為2.8∶1，考慮到女性駕駛?cè)吮壤猩呲厔?shì)，本次實(shí)驗(yàn)共7名駕駛員，男女被試比例取為2.5。

本次調(diào)查的實(shí)驗(yàn)路徑如圖3所示，調(diào)查時(shí)間為7 d，在實(shí)驗(yàn)過程中為了避免駕駛員走相同路段，免除適應(yīng)性問題。首先，從A洞口出發(fā)，沿路徑1行駛；隨后，再從D洞口出發(fā)，沿路徑2行駛；最后，從C洞口出發(fā)，沿路徑3行駛，最終回到a洞口，完成一個(gè)回路的行駛。整個(gè)過程中有3個(gè)合流點(diǎn)，6次合流。

圖3 實(shí)驗(yàn)路徑

為了保證車輛能夠自由行駛，將每天的試驗(yàn)劃分為早高峰后、午高峰后以及夜間自由流3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行，每天在劃分的3個(gè)時(shí)間段內(nèi)分別完成一次上述規(guī)定的回路，因此合流點(diǎn)的樣本量為126個(gè)。為了滿足實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，對(duì)理想條件下行車特征觀測(cè)的最小樣本量進(jìn)行估算，按下式計(jì)算[11]:

式中：n為控制精度的最小樣本量；?為估計(jì)樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差，城市道路通常取?=7.7；K為置信水平系數(shù)，一般取95%的置信度水平，即K取1.96；E為觀測(cè)允許誤差，根據(jù)研究需求和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量精度，E取2.5 km/h。計(jì)算得到最小樣本量為40，而本文合流點(diǎn)的樣本量為126，滿足最小樣本量要求。

2 地下互通立交合流區(qū)交通流特性分析

2.1 合流區(qū)交通組成特性分析

通過對(duì)視頻監(jiān)控的人工統(tǒng)計(jì)，將一天劃分為24個(gè)小時(shí)段來分別統(tǒng)計(jì)匝道及主線的交通組成，發(fā)現(xiàn)主線交通量的平均值是1 315 veh/h，匝道交通量平均值是151 veh/h，均值為0.11；合流區(qū)小型車比例超過90%，因此本文后續(xù)對(duì)交通流研究時(shí)暫不考慮其他車型的影響。

繪制交通量折線圖如圖4所示，早晚高峰對(duì)主線交通量的影響嚴(yán)重，但加速車道成功匯入主線的交通量受早晚高峰影響很小，且一直處于一個(gè)較低水平，這是因?yàn)楫?dāng)匝道車流量較大時(shí)，主線車流大造成匯入困難。

圖4 合流區(qū)小時(shí)交通量

2.2 合流區(qū)速度特性分析

本文研究的合流區(qū)范圍為合流鼻端上游50 m到加速車道末端，設(shè)計(jì)速度為60 km/h。為了方便分析，以合流鼻端為零點(diǎn)，鼻端上游為負(fù)軸，下游為正軸，以25 m為間隔建立一根橫軸，如圖5所示。

圖5 合流區(qū)斷面劃分

按照以上方式劃分之后，計(jì)算加速車道和主線的每個(gè)斷面一段時(shí)間內(nèi)的平均車速，如圖6所示。

圖6 合流區(qū)各斷面加速車道和主線平均速度

由圖6可知，主線車流的速度一直保持在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，在50 m和200 m存在極值，而加速車道的車速則是先增大，在離鼻端150 m達(dá)到最大，隨后減小。對(duì)比兩條速度折線發(fā)現(xiàn)，主線車速始終大于加速車道，這也符合我們對(duì)主線速度大于匝道速度特性的認(rèn)知，還發(fā)現(xiàn)在離鼻端100～175 m加速車道與主線速度基本相等，這也說明大多數(shù)車輛是在離鼻端50～100 m開始合流，在離鼻端100～175 m這一路段已成功匯入主線，之后加速車道速度急劇下降是因?yàn)殄e(cuò)過最佳合流時(shí)機(jī)，為避免撞到路緣石而減速。而主線速度存在極小值的原因分別為：在50 m處主線車流為配合加速車道準(zhǔn)備合流而減速，200 m處是因?yàn)橹奋嚵骷磳㈠e(cuò)過合流機(jī)會(huì)而選擇強(qiáng)行匯入導(dǎo)致主線車流減速。

2.3 合流區(qū)合流點(diǎn)分布特性分析

匝道車輛可以在加速車道的任意位置進(jìn)行合流，對(duì)合流點(diǎn)進(jìn)行研究既可以對(duì)斷面速度特征進(jìn)行驗(yàn)證，也能夠更好地了解主線上的車頭時(shí)距，幫助分析臨界間隙。選擇上述編號(hào)為2、4、6、8、10的斷面，將鼻端下游分為5個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域50 m，利用視頻觀測(cè)統(tǒng)計(jì)出加速車道上每一輛合流車輛的合流點(diǎn)位置以及對(duì)應(yīng)的主路車頭時(shí)距，合流點(diǎn)分布如圖7所示，主線車頭時(shí)距分布如圖8所示。

圖7 合流區(qū)加速車道合流點(diǎn)位置分布

圖8 不同區(qū)域合流區(qū)車頭時(shí)距均值分布

從圖7可知，76.66%的車輛選擇在離鼻端50～150 m的區(qū)域進(jìn)行合流，這一區(qū)域也是加速車道中部，也驗(yàn)證了前面速度斷面分析得出的結(jié)論。同樣也有22.67%的車輛是在加速車道末端合流，這是因?yàn)榇藭r(shí)合流區(qū)交通量過大，主線最外側(cè)車道上已經(jīng)占滿了車輛，加速車道車輛已錯(cuò)過了最佳合流時(shí)機(jī)，這種情況下，駕駛員心情急迫，可能強(qiáng)行變道合流。

從圖8中可以很明顯看出車頭時(shí)距均值與距離鼻端的距離呈負(fù)相關(guān)，即距離鼻端越遠(yuǎn)，合流點(diǎn)的車頭時(shí)距越小。這是因?yàn)楫?dāng)加速車道越來越短，駕駛員完成合流的心情更加迫切，導(dǎo)致其對(duì)于能完成合流的車頭時(shí)距要求降低，甚至?xí)榱撕狭鞒霈F(xiàn)短時(shí)間內(nèi)加速強(qiáng)行變道的駕駛行為，這也是出現(xiàn)加速車道終點(diǎn)漸變段車頭時(shí)距低至1.386 s的原因。

2.4 合流區(qū)臨界間隙特性分析

臨界間隙不能直接觀測(cè)到，只能通過測(cè)定不同駕駛員接受和拒絕的主路車流的間隙來間接計(jì)算臨界間隙。臨界間隙的計(jì)算方法主要分為兩類，一類是回歸方法，另一類是估計(jì)概率分布的方法。經(jīng)過多種方法的比較，最終采用Ashworth法[12]來計(jì)算臨界間隙，計(jì)算公式如下：

表1 合流區(qū)臨界間隙分布統(tǒng)計(jì)

分析表1中的數(shù)據(jù)可以得知，臨界間隙與車頭時(shí)距一樣同離鼻端的距離呈負(fù)相關(guān)，其變化趨勢(shì)也符合駕駛員在加速車道上的駕駛心理及駕駛行為。

綜上所述，經(jīng)過對(duì)合流區(qū)交通組成、速度、合流點(diǎn)、車頭時(shí)距四個(gè)方面的分析，歸納出了合流區(qū)基本交通流的規(guī)律。

(1) 在自由流狀態(tài)下，整個(gè)合流區(qū)的主線交通量受早晚高峰影響較大，而加速車道匯入主線的數(shù)量受主線交通量和自身交通量的影響，合流比基本維持在0.11左右。

(2) 地下互通合流區(qū)的速度，在橫向上，主線車速均高于加速車道；縱向上，主線車道的速度總體趨于平穩(wěn)，加速車道上的車輛合流行為會(huì)導(dǎo)致主線速度減低，但影響程度不大，而加速車道上的車速則受主線車速、加速車道長度等影響呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。在整個(gè)加速車道上，76.66%的車輛選擇在加速車道中部50～150 m的區(qū)域進(jìn)行合流，50～150 m也是加速車道速度最接近主線車速的區(qū)域。速度特性和合流點(diǎn)分布的關(guān)聯(lián)分析可以發(fā)現(xiàn)兩者共同說明了加速車道中部是最佳合流點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)主線車道的駕駛行為與加速車道的駕駛行為互相影響。

通過對(duì)比分析車頭時(shí)距和臨界間隙發(fā)現(xiàn),合流過程中駕駛員對(duì)于合流點(diǎn)以及合流條件的判斷受加速車道剩余長度及主線車流的影響，加速車道剩余長度越長，駕駛員對(duì)換道條件要求越高，隨著加速長度減少，對(duì)換道條件逐漸降低。

3 結(jié)束語

本文是有關(guān)地下互通系列研究中關(guān)于合流區(qū)的階段性研究成果，通過研究，得出：① 主線交通組成和加速車道交通組成的關(guān)系；② 加速車道行駛距離和速度對(duì)合流區(qū)分布的影響規(guī)律；③ 加速車道臨界間隙規(guī)律。在探討交通流特性時(shí)發(fā)現(xiàn)在加速車道末端由于外界環(huán)境以及駕駛員心理導(dǎo)致的駕駛行為會(huì)造成合流的不安全性。因此,后續(xù)研究可以進(jìn)一步對(duì)整個(gè)合流過程中外部環(huán)境和駕駛員心理進(jìn)一步分析，以發(fā)現(xiàn)整個(gè)過程中的潛在危險(xiǎn)因素并提出有針對(duì)性的措施，為后續(xù)建設(shè)更加安全的地下道路匝道和加速車道提供一定的參考。