城市快速路交織區通行能力分析與改善策略研究

包家爍

(1. 中交遠洲交通科技集團有限公司，石家莊 050035；2. 中交遠洲(北京)研究院，北京 100010)

交織區是城市快速路的瓶頸路段.快速路交織區存在大量的換道交織行為，這是導致交通狀態紊亂、運行質量下降的主要原因，同時也相應地增加了交通安全隱患.交織區的瓶頸特點會在很大程度上影響快速路的運行情況，且在多個交織區的共同作用下，會對整條快速路的運行造成不利的影響，極易引發交通擁堵和交通事故.因此，對快速路交織區的通行能力進行分析，得到影響交織區通行能力的關鍵因素，對于改善交織區的運行狀況具有重要意義.

國內外學者對城市快速路交織區的交通運行與通行能力展開了廣泛的研究.美國HCM 手冊根據大量實驗與調查結果，提供了交織區的交織速度、交織比等基本參數的計算方法，并將交織區進行了分類，同時還提供了服務水平等相關評價指標的計算方法[1]；Lertworawnich 等[2]提出了一種B 型交織區通行能力的估算方法；Awad[3]基于神經網絡，建立了快速路交織區通行能力的估計模型.

在國內的研究中，孫劍等[4]提出了一種更加符合城市快速路交織區運行特征的交織區通行能力計算模型；陳亮等[5]基于元胞自動機建立了多車道交織區離散模型，仿真模擬飽和狀態下多車道交織區交通流的演變過程，解釋了交織區產生擁堵的原因與機制；龍科軍等[6]提出了城市高架下匝道與地面交織區的通行能力的計算模型.然而，現有的研究缺少從運行現狀分析到仿真優化的一個完整流程.因此，本文擬對城市快速路交織區的通行能力進行分析，從現狀調查入手，剖析快速路交織區的運行特性，并在此基礎上建立快速路交織區的微觀仿真模型，得到快速路交織區的運行規律，以期為交通管理部門對交織區這一瓶頸路段進行優化與改善提供參考和依據.

1 快速路交織區交通運行特性分析

1.1 交通調查

本文以長沙市萬家麗快速路交織區為例進行研究，具體研究對象為位于萬家麗中路，緊鄰長沙大道立交的南部高架交織區，其全長共450 m，主線為3 車道，車道寬度為3.75 m，另加1 附加車道，具體位置如圖1 所示.

圖1 交織區位置示意

調查以視頻的方式對晚高峰期間交織區的運行特性與相關參數進行采集，其具體內容包括由交織區構型、交織區長度、交織區內車道數和車道寬度組成的幾何參數，以及由總交通量、交織交通量與交織車速、非交織交通量與非交織車輛速度、車型比例與各交通量的車道分布等組成的交通參數.調查錄像截屏如圖2 所示.

圖2 交織區調查錄像視頻截圖

根據調查結果，得到了該交織區的幾何特性與交通運行特性，發現該交織區為A 型交織區，即僅需要換1 次道便能完成交織.

1.2 交織區交通流特性分析

該交織區高峰時段各車道流量的變化情況如圖3 所示.

圖3 交織區高峰時段各車道流量

由圖3 可以看出，在時間分布上，交織區5組車道的車流量隨著時間變化較小，且相對穩定，這說明其整個高峰時段的車流量變化不大；在空間分布上，由于交織行為主要發生在外側，通行車輛為了避免互相干擾，會往內側靠攏，故內側車道車輛數要大于外側車道，其空間占有強度更大.通過對車流量統計分析得知，主線至主線的車流量為4 282 pcu/h，主線至匝道出口的車流量為983 pcu/h，入口匝道至主線的車流量為852 pcu/h；高峰小時總流量為6 117 pcu/h；交織流量比為0.30；交織比為0.464.根據道路通行能力手冊[1]中在不同條件下的交織區通行能力經驗參考值，在長度為450 m、自由流速度為80 km/h 和交織流量比為0.3 的條件下，交織區的通行能力約為5 900 pcu/h.由此可知，萬家麗快速路交織區高峰小時流量略大于其通行能力，且其運行現狀比較紊亂、服務水平較低，在高峰時段不能滿足交通需求，需要進行相應的改善.

該交織區通行車輛可分為交織車輛與非交織車輛，其速度變化情況如圖4 所示.

圖4 交織與非交織車輛速度時變圖

由圖4 可以看出，交織車輛速度在35 km/h上下波動，其變化程度不大；非交織車輛速度在55 km/h 上下波動，與前者的速度變化趨勢基本相同.這說明兩者在交織區內存在著相互影響，即交織行為會對非交織車輛造成干擾，非交織車輛也會占用相應空間對交織車輛造成干擾；交織車輛為了安全地完成交織換道行為，會以較低的速度通過交織區，非交織車輛因受其干擾，速度也會有所下降.

1.3 交織區換道特性分析

本文分別按主線直行、主線駛出與駛入主線3 種流向的車輛來分析其換道的特性，并將交織區劃分為交織區上游、交織區前半段和交織區后半段3 段.主線直行車輛在各區域的換道頻率分布如圖5 所示.

圖5 主線直行車輛各區域換道頻率分布

由圖5 可以看出，主線直行車輛大部分在交織區上游與交織區后半段進行換道.前者是因為車輛為了避免前方交織區的干擾，選擇往內側變換車道；后者是因為交織行為主要發生在前半段的外側車道，隨著后半段交織行為的減少，交織車輛干擾也減小，車輛換道空間較為充足，為達到更高的行車速度，司機選擇在此往外側換道.

主線駛出和駛入主線的車輛在各區域的換道頻率分布分別如圖6～圖7 所示.

圖6 主線駛出車輛各區域換道頻率分布

由圖6～圖7 可以看出，在高峰時段，主線駛出和駛入主線的車輛大多數均在前半段發生換道行為，這是因為駕駛員必須要在交織區內完成換道，具有較高的強制性.

圖7 駛入主線車輛各區域換道頻率分布

1.4 交織區跟馳特性分析

根據視頻調查的結果，該交織區在晚高峰期處于比較擁堵的狀態，其交織程度較高，因此所反映的交織區的跟馳特點也更加明顯.非交織車輛的跟馳特點與基本路段相似，為了盡量保證最大的行駛速度，均只與前車保持最小的安全車頭間距；交織車輛由于其主要目的是換道，在未完成換道之前，其跟馳特點為當與前車車頭間距增大時也并不會緊跟.由于此時交織流量大，可換道的機會較少，車輛會出現減速等待的情況，因此影響到了其他車輛的正常通行，給交織區的交通流帶來了干擾.

2 快速路交織區微觀仿真模型

2.1 微觀仿真模型概述與建模流程

微觀仿真模型是交通仿真模型的一種，它能利用計算機技術較為真實地將道路的運行狀態模擬出來，可克服現場實驗實施不易、成本高的缺點，是目前交通流研究、分析與評價領域應用較廣的實驗平臺[7].其主要構成為：1)屬于靜態模型的路網模型，關鍵參數有車道、路段、周圍環境等；2)由各種車輛與行人組成的交通對象；3)車輛產生模型，即針對交通流的輸入情況；4)還原真實駕駛行為的交通規則模型；5)最短路徑選擇模型.

為保證仿真的真實性，交織區微觀仿真模型應與實際的交通情況相匹配，因此需要對仿真模型進行參數標定[8-9].首先，將調查得到的該交織區交通數據作為仿真模型的構建基礎；其次，利用VISSIM 交通仿真平臺對交織區進行建模、參數標定和校驗，以確保所建立的模型與實際情況相符.具體的建模流程如圖8 所示.

圖8 微觀交通仿真模型建立流程

2.2 模型構建與參數標定

1)建立路網模型.首先，結合調查所得交織區的幾何參數，在CAD 軟件中繪制出該交織區的路網結構圖(包括交織區長度、車道數、車道寬度等幾何拓撲結構)，并將其導入VISSIM 仿真平臺；其次，輸入交通調查得到的交織區的各分車道流量，同時，還可以通過該仿真平臺中的禁止車道變換功能滿足交織區的分段禁止車道變換的規則.所建立的路網模型如圖9 所示.

圖9 萬家麗快速路交織區路網示意

2)標定期望車速.將交通調查所得的車輛速度累計分布作為期望車速，并根據該數據，選取幾個累計的百分比速度值.本文選取30%、50%、70%和80%對應的速度值，即非交織車輛速度為45～70 km/h，交織車輛速度為25～40 km/h.

3)標定決策路徑.根據實際情況，分車道按流向進行路徑設置，即主線至主線(包括車道1 至主線、車道2 至主線和車道3 至主線)；主線至匝道出口(車道3 至匝道出口)；入口匝道至主線.

4)標定駕駛行為參數.根據交織區的交通運行特點，采用Wiedmann 74 模型作為跟車模型，其余參數均采用默認值.

2.3 仿真模型校驗

對建好的模型進行仿真并輸出交通參數，再將所得參數與實地調查的數據進行對比檢驗.如果檢驗結果相等，則證明模型具有有效性，可以進行下一步仿真實驗；如果檢驗結果不相等，則重新校驗.通過VISSIM 平臺中布設在車道上的數據檢測器，分別統計匝道駛入主線、從主線駛出和從出口匝道駛出的車輛，結果分別如圖10～圖12 所示.由圖10～圖12 可以看出，3 種車流的調查流量與仿真流量相差不大，即仿真效果良好，這初步說明了仿真模型的可靠性.

圖10 匝道駛入主線的車流量對比

圖11 從主線駛出的車流量對比

圖12 從出口匝道駛出的車流量對比

為了更加嚴謹地證明模型的有效性，本文還采用了統計學上的校驗方法進行驗證，即分別對3 組數據進行統計檢驗，采用95%置信度水平下的雙樣本F檢驗，判斷其方差是否相等，其結果見表1.

表1 95%置信度水平下F 檢驗結果

由表1 可以看出，從主線通過、從入口匝道駛入和從出口匝道駛出3 種情形下對應的調查數據與仿真數據的方差并不相等，需要進行異方差T檢驗，判斷其均值是否相等，結果見表2.

表2 95%置信度水平下T 檢驗結果

由表2 可看出，所有T值均在拒絕域內，且均值相近，這表明模型具有有效性，能較好地反映實際交通運行情況，可以用于仿真實驗分析.

3 快速路交織區微觀仿真分析及其改善策略

利用在VISSIM 平臺中建立的交織區模型進行仿真實驗，如圖13 所示.由于交織區的根本問題是大量的交織換道行為導致了其通行能力下降，因此提高交織區的通行能力是優化交織區的首要目的.影響交織區通行能力的主要因素有交織區長度、交織流量比和交織區寬度.其中，交織區長度是需要被重點考慮的因素；交織流量比作為交通參數具有一定的隨機性，隨著交織流量比的改變，交織區的通行能力也會隨之發生變化.因此，本文主要探究在不同交織流量比下，交織區長度與通行能力的關系，以期為改善交織區的交通運行狀況提供依據.

圖13 交織區仿真結果

3.1 實驗方法和步驟

1)確定實驗參數.為使結果更加清晰和探究在大交織流量比下的交織區合理長度設置，在已構建的VISSIM 模型基礎上改變交織區長度，將其設為150～850 m 共15 個不同長度值，交織流量比設為0.1～0.5 共5 個不同的值，其余幾何參數如交織區寬度保持不變，仍為4 車道，車道寬度均為3.75 m.

2)求解通行能力.利用VISSIM 求解通行能力的實驗方法為：在一定交織區長度下，保證所輸入車流量的交織流量比不變，持續地增加從主線和入口匝道駛入的車流量，當流量大于其通行能力時，交織區的流量便會出現“溢出”現象，此時通過的最大流量便是該交織區長度和交織流量比下交織區的通行能力.

3)調節仿真參數.采用控制變量法進行仿真實驗，即在一定交織流量比下僅改變交織區長度，探究此時交織區長度與通行能力之間的關系.

3.2 結果分析

按照上述方法和步驟，共計得到了15×5=75個不一樣的通行能力值，如圖14 所示.

圖14 交織區長度與交織流量比對其通行能力的影響

由圖14 可知，快速路交織區通行能力的變化規律如下：

1)交織區的通行能力與其長度呈正相關.在固定交織流量比下，當交織區的長度增加時，其通行能力也會隨之增加，但是會出現一個臨界值，使得當交織區長度的繼續增加時其通行能力幾乎不再增加，而是趨于一個穩定的值.根據交織區運行的特點與規律分析，其原因是交織區長度的增加會使車輛更容易進行換道交匯.隨著交織區長度的不斷增加，車輛換道頻率也隨之下降，車輛換道所受到的限制也越來越少，當交織區長度足夠長時，車輛就有了充足的時間與空間來完成交織換道行為，由其所造成的紊亂程度也降到最低，此時便大致等同于基本路段的車道變換，通行能力達到了穩定的最大值，即使再增加交織區長度也并不能提高通行能力.

2)在一定交織流量比下，當交織區長度在150～400 m 范圍增加時，交織區通行能力上升較快；當交織區長度在400～850 m 范圍增加時，交織區通行能力上升較慢.這主要是因為，在一定交織流量比下，當交織區長度較小時，由于時間與空間有限，交織區車輛的車道變換處于較為頻繁的狀態，此時增加交織區長度，能大幅緩解交織區的緊張運行情況，對其通行能力的提升程度會更大.

3)交織區通行能力與交織流量比呈負相關.在一定交織區長度下，當交織流量比為較小的0.1～0.3 時，隨著交織流量比的增大，交織區通行能力下降較慢；當交織流量比為較大的0.3～0.5時，隨著交織流量比的增大，其通行能力下降較快.這是因為，在交織流量比較大時，交織區的交匯換道行為已經處于相對較為頻繁的狀態，此時增加交織流量比，更易使交織區交通擁堵，紊亂趨勢會更明顯，其通行能力下降會更快.

3.3 改善策略

根據快速路交織區通行能力變化規律的仿真結果，可為萬家麗快速路交織區的交通運行提出相應的改善策略，并為今后快速路交織區的工程設計提供一些建議，具體如下：

1)增加交織區長度至600 m.根據仿真實驗得知，當交織區的長度為550 m 時，其通行能力為6 127 pcu/h，大于現狀高峰小時流量6 117 pcu/h，能夠滿足其交通需求并提高服務水平，但不應超過臨界長度650 m，因為超過臨界長度時通行能力基本不再增加，會導致資源浪費.

2)若上述實施條件不允許，可以通過入口匝道控制的方式進行調節，具體方法為：在入口匝道上布設紅綠燈，在高峰時段通過定周期的紅燈信號來禁止入口匝道車輛駛入，即通過限制匝道駛入流量來限制交織流量比，從而提高通行效率，優化交織區運行狀況，如圖15 所示.

圖15 入口匝道信號控制示意

3)根據交織區通行能力的變化規律，在進行交織區工程設計時，可依據交通流預測數據，計算出交織流量比，得出交織區的臨界長度，使得交織區通行能力達到理想的最大值，這樣既能保證交織區的正常運行，也能降低施工難度和減少施工成本.

4 結論

1)本文以長沙市萬家麗快速路交織區為研究對象，基于交通調查的結果對快速路交織區的運行特性進行了分析，并在VISSIM 交通仿真平臺建立了快速路交織區微觀仿真模型，得到了快速路交織區通行能力的變化規律.

2)交織區長度與交織流量比均對交織區的通行能力有著顯著的影響.其中，交織區長度與通行能力呈正相關；交織流量比與通行能力呈負相關；當交織區的長度到達一個臨界值之后，其通行能力會趨于穩定.

3)根據交織區通行能力的變化規律，本文提出了快速路交織區優化運行的改善策略和工程設計建議，可為城市快速路交織區的運行改善和工程設計提供參考.