徐良杰　 王志軍,2　 余金林　 奚少新

(1武漢理工大學(xué)交通學(xué)院, 武漢 430063)(2吉林省高等級(jí)公路建設(shè)局計(jì)劃處, 長春 130033)(3中國管理科學(xué)院武漢分院城市交通管理研究所, 武漢 430001)

不同車型對(duì)城市道路并入型漸變段的通行影響

徐良杰1王志軍1,2余金林3奚少新1

(1武漢理工大學(xué)交通學(xué)院, 武漢 430063)(2吉林省高等級(jí)公路建設(shè)局計(jì)劃處, 長春 130033)(3中國管理科學(xué)院武漢分院城市交通管理研究所, 武漢 430001)

摘要:為了探討車型對(duì)城市道路并入型漸變段處交通流的影響,研究了大型車和小汽車在漸變段處并入主線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以及對(duì)路段通行的影響．根據(jù)大小型車通過漸變段不同的加減速度以及排隊(duì)規(guī)律,分析車輛通過漸變段影響區(qū)域的車均延誤;根據(jù)不同大車率條件導(dǎo)致的通行能力差異,分析車輛通過漸變段影響區(qū)域的行程時(shí)間;建立了大型車和小汽車通過漸變段的延誤模型和行程時(shí)間模型.以武漢市和平大道某并入型漸變段為例,利用VISSIM仿真平臺(tái)驗(yàn)證延誤模型和行程時(shí)間模型的有效性．結(jié)果表明,大車率的增加會(huì)對(duì)并入型漸變段的交通產(chǎn)生較大影響,使車輛的行程時(shí)間和平均延誤增加．

關(guān)鍵詞:城市道路;并入型漸變段;大車率;延誤模型;車速模型

由于道路施工、紅線寬度限定、路內(nèi)停車、公交直線式停靠等原因造成的車道數(shù)量縮減對(duì)道路通行能力有較大影響,行駛在最外側(cè)或者最內(nèi)側(cè)車道的車輛需要變道并入臨近車道,會(huì)對(duì)周圍車輛產(chǎn)生較大干擾,導(dǎo)致漸變段處通行能力下降．并入型漸變段成為城市道路路段交通瓶頸之一,并且存在車輛合流沖突造成的交通安全問題,因此,有必要針對(duì)城市道路車道數(shù)量壓縮的并入型漸變段的設(shè)置和適用性進(jìn)行研究．

國外對(duì)于車道合流區(qū)的交通影響進(jìn)行了廣泛的研究．早期,Kou等[1]根據(jù)高速路匝道的交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)合流區(qū)駕駛員的合流并道行為開展了研究,Bunker等[2]研究了合流區(qū)并道車輛的延誤特性,Hall等[3]對(duì)道路合流區(qū)通行能力進(jìn)行研究．近期,Weng等[4]對(duì)合流區(qū)的速度流關(guān)系及駕駛員的合流行為進(jìn)行研究,并以車道為基礎(chǔ),結(jié)合車道間的交通沖突,建立速度流模型．Lü等[5]研究考慮合并效應(yīng)的城市道路瓶頸點(diǎn)前的車道變換行為,并提出一種綜合交通模型,通過模型計(jì)算換道可能性和并入車道的可能性．Chu等[6]通過研究合流區(qū)車輛并入速度和并入位置的規(guī)律,提出合流區(qū)的交通改善策略．Cassidy等[7]提出了一種雙車道公路在封閉一條車道情況下的車輛延誤和排隊(duì)長度計(jì)算方法,可以為漸變段延誤分析提供參考．

國內(nèi)針對(duì)漸變段的研究主要集中在漸變段的設(shè)置長度方面．《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB 5768.1—2009)[8]對(duì)漸變段設(shè)置給出了一些建議,但存在部分與實(shí)際情況不符合的問題.美國通行能力手冊(cè)[9]給出了各種類型漸變段長度設(shè)置的計(jì)算公式,但未考慮車型對(duì)漸變段長度的影響.文獻(xiàn)[10-11]研究了混合車流合流的運(yùn)行模式,利用概率理論和計(jì)算機(jī)模擬,得到混合車流可接受間隙的概率分布,以及合流區(qū)長度和車道設(shè)計(jì)對(duì)道路通行的影響．曹瑾鑫等[12]比較分析了國內(nèi)外的漸變段長度設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)公式,得出了漸變段長度設(shè)置只適用于限速條件下而不適用于城市道路漸變段的結(jié)論.李喜華[13]研究了城市道路施工區(qū)對(duì)路段通行能力的影響,利用流體動(dòng)力學(xué)分析了施工區(qū)上游過渡區(qū)的交通流波動(dòng)特征.馬聰?shù)萚14]提出了基于V/C的公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)交通延誤研究,利用數(shù)學(xué)解析方法建立施工區(qū)的減速延誤、排隊(duì)延誤、限速延誤和加速延誤模型．馮偉[15]提出路邊停車對(duì)機(jī)動(dòng)車的延誤影響包括減速延誤、跟馳延誤和加速延誤．

本文以車型為影響因素,分析不同大車率對(duì)并入型漸變段處交通流的影響,為施工區(qū)域的漸變段長度合理設(shè)置、適用性分析以及公交車輛合理路線規(guī)劃提供理論依據(jù)．

1城市道路并入型漸變段特點(diǎn)

根據(jù)城市道路漸變段的平面幾何形狀和功能的不同,可將其分為5種類型:并入型漸變段、平移型漸變段、路肩型漸變段、下游漸變段以及單線雙向漸變段．每種漸變段所需的長度不同．并入型漸變段是臨時(shí)交通管制中最常見的一種漸變段,其所需要的漸變段長度最長．

不同于高速公路匝道與匝道合流點(diǎn)或匝道與高等級(jí)公路的連接點(diǎn),在城市道路并入型漸變段上,車輛行駛速度低,車流量大,車型也相對(duì)較復(fù)雜．由于道路施工、發(fā)生交通事故等原因,會(huì)使得在城市道路上臨時(shí)出現(xiàn)車道合并的并入點(diǎn),因沒有明顯的道路警示設(shè)施及標(biāo)志,車輛往往到并入點(diǎn)前才發(fā)現(xiàn)需要車道合并,因此在并入型漸變段會(huì)造成一定的阻塞,甚至引發(fā)二次事故．車輛行駛在城市道路并入型漸變段上時(shí),根據(jù)駕駛員自身特點(diǎn)的不同,并入車道的行為主要分為以下幾類:

1) 駕駛員性格趨向激進(jìn)型,在行駛過程中主要考慮自身駕駛能力及行車狀態(tài),在合流變道時(shí)發(fā)起強(qiáng)制并入的概率最大,存在搶道的危險(xiǎn)行為．當(dāng)出現(xiàn)誤判情況時(shí)容易出現(xiàn)刮擦等事故,且對(duì)并入主線正常行駛的車輛有很大影響．

2) 駕駛員感知較為機(jī)敏,在并入車道時(shí)會(huì)綜合考慮自身及周邊的交通狀況,會(huì)選擇協(xié)同并入而非強(qiáng)迫并入,而在正常主線上行駛的車輛會(huì)減速進(jìn)行協(xié)同．此行為屬于比較好的合流方式,既保證自身行駛,又不影響正常主線上車輛的行駛．

3) 駕駛員比較保守,性格趨向善于忍耐,易低速行車且少超車,在并入主線時(shí)傾向于在完全保證安全的情況下才并入主線,不會(huì)干擾主線上車輛的行駛．此行為安全性較高,但并入主線費(fèi)時(shí)較多,且使后方車輛延誤增大．

2并入型漸變段長度

城市道路上形成并入型漸變段的原因不同,所需的并入型漸變段長度也不同．根據(jù)GB 5768.1—2009[8],并入型漸變段長度的計(jì)算公式如下:

(1)

式中,L為并入型漸變段長度;W為車道偏移寬度;V為車速．

根據(jù)城市不同車道偏移寬度以及不同的車速條件,計(jì)算出并入型漸變段長度的取值標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果如表1所示．

3城市道路車型參數(shù)分析

由于城市道路中心區(qū)主要以公交車和小汽車

表1不同車道偏移寬度下城市道路并入型漸變段長度取值標(biāo)準(zhǔn)

車速/(km·h-1)L/mW=3.25mW=3.5mW=3.75mW=4m80163175188200607581879340343639413019202223

為主,中型車輛較少,因此不考慮中型車對(duì)城市道路并入型漸變段的影響．參考Oketeh[16]提出的各車型加減速取值,得到在混合交通條件下城市道路的主要車型對(duì)應(yīng)參數(shù)，如表2所示．

表2　城市道路主要車型對(duì)應(yīng)參數(shù)值

4漸變段處車輛延誤模型

4.1基本假設(shè)

漸變段影響區(qū)域包括漸變段直接影響區(qū)域和漸變段前的減速排隊(duì)間接影響區(qū)域.為便于分析漸變段不同車型所產(chǎn)生的延誤,做如下假設(shè):

1) 路段車道偏移寬度為3.5 m,車速為30～40 km/h．根據(jù)表1可以確定漸變段長度為36 m.

2) 車流的到達(dá)服從負(fù)指數(shù)分布,且不受上下游交叉口的影響.

3) 大小型車在漸變段處的并入行為一致,忽略駕駛員的駕駛行為影響.

4) 車輛在進(jìn)入漸變段減速排隊(duì)區(qū)域前,保持初始速度V0行駛,經(jīng)過漸變段減速排隊(duì)區(qū)域和漸變段區(qū)域并入主線后,速度恢復(fù)到V0.

5)車輛在進(jìn)入漸變段前采用a1減速度,從初始速度V0減速到安全跟車車速V1;車輛并入主線采用a2加速度,從排隊(duì)速度0加速到V0或者從安全跟車車速V1加速到V0．

漸變段處車輛延誤D包括進(jìn)入漸變段前的減速延誤D1、在漸變段區(qū)域的排隊(duì)延誤D2和加速并入主線的延誤D3,即

D=D1+D2+D3

(2)

根據(jù)不同階段大小型車的行車特性,大型車和小型車在并入型漸變段處的延誤特征見圖1．

4.2車輛延誤模型

根據(jù)大小型車輛加減速值的區(qū)別,從減速延誤、排隊(duì)延誤和加速并入主線延誤3個(gè)方面建立車均延誤模型．

圖1　大小型車在漸變段處的延誤特征

(3)

(4)

3) 排隊(duì)延誤．假設(shè)車輛到達(dá)服從負(fù)指數(shù)分布,則車輛到達(dá)模型如下:

Ft=P{h≤t}=1-e-λt

(5)

式中,Ft為到達(dá)車頭時(shí)距h小于等于t的概率；λ為單位時(shí)間間隔的平均到達(dá)率,1/λ為平均車頭時(shí)距; t為計(jì)數(shù)間隔持續(xù)時(shí)間．

當(dāng)漸變車道處的車輛并入主線所需要的穿插臨界間隙大于主線車流的車頭時(shí)距時(shí),漸變車道處的車輛需要排隊(duì)等待．美國通行能力手冊(cè)[9]推薦的穿插臨界間隙和隨車時(shí)距的值見表3．

表3　穿插臨界間隙和隨車時(shí)距推薦值　s

由表3可確定車輛的平均車頭時(shí)距1/λ以及車輛能夠并入的臨界間隙時(shí)間t0．因此,每輛車的平均排隊(duì)延誤計(jì)算公式如下:

(6)

5漸變段處車輛行程時(shí)間模型

美國聯(lián)邦公路局(BRP)提出的路阻函數(shù)模型[17]描述了行車時(shí)間與交通量之間的關(guān)系:

(7)

式中,T為路段實(shí)際行程時(shí)間;Tf為路段自由流行程時(shí)間;v為路段交通量;c為路段實(shí)際通行能力,pcu/h;α,β為回歸系數(shù),當(dāng)?shù)缆方煌鳛榉菗頂D狀態(tài)時(shí),α=0.15,β=4．

文獻(xiàn)[18]給出了基本通行能力和實(shí)際通行能力之間的關(guān)系:

c=c0fCWfSWfHV

(8)

式中,c0為基本通行能力,取1 800pcu/(h·ln);fCW為行車道寬度對(duì)通行能力的修正系數(shù),漸變車道取值0.5,主線車道取值1;fSW為側(cè)向余寬對(duì)通行能力的修正系數(shù),城市道路取值0.93;fHV為交通組成對(duì)通行能力的修正系數(shù),fCW=1/(1+P),P為大車率．

由式(7)和(8)可知,行程時(shí)間與大車率之間的關(guān)系模型如下:

(9)

6VISSIM仿真驗(yàn)證

6.1仿真參數(shù)設(shè)定

為了驗(yàn)證本文提出的并入型漸變段車輛的延誤模型和行程時(shí)間模型,利用VISSIM仿真軟件,采用武漢市和平大道某漸變段的交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)．該漸變段交通量為2 538pcu/h,設(shè)定車輛的到達(dá)服從負(fù)指數(shù)分布,車型分為公交車和小汽車,車速為30～40km/h．穿插臨界間隙下限為4.1s,上限為4.6s;隨車時(shí)距下限為2.6s,上限為3.1s;漸變段長度為36m．為了能夠?qū)崿F(xiàn)車輛安全減速,減速區(qū)域長度設(shè)定為30m．具體參數(shù)設(shè)置見表1和表2．另外,在漸變段影響區(qū)域(包括漸變段前30m減速區(qū)域)設(shè)置檢測(cè)器,檢測(cè)車輛行程時(shí)間和延誤．仿真場(chǎng)景如圖2所示．

圖2　漸變段處的仿真場(chǎng)景設(shè)定

6.2仿真運(yùn)行結(jié)果

對(duì)VISSIM仿真軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,軟件運(yùn)行3 600s后得到的漸變段影響區(qū)的行程時(shí)間和車輛的平均延誤結(jié)果如表4所示．

表4　不同大車率下車輛的行程時(shí)間和平均延誤

從表4可看出,隨著大車率的增大,漸變段影響區(qū)車輛的行程時(shí)間和平均延誤均有所增加.當(dāng)大車率從0.05增加到0.20時(shí),行程時(shí)間增加15.8%,平均延誤增加16.7%,表明大車率對(duì)并入型漸變段的影響非常大．

6.3模型驗(yàn)證分析

根據(jù)漸變段處車輛行程時(shí)間模型,可計(jì)算出在不同大車率條件下的行程時(shí)間;根據(jù)漸變段處車輛延誤模型,可計(jì)算得到在不同大車率條件下的車均延誤．針對(duì)并入型漸變段車輛的行程時(shí)間和車均延誤,將模型計(jì)算值與仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表5所示．

由圖2和表5可見,并入型漸變段區(qū)域交通流的行程時(shí)間和平均延誤均隨著大車率的增加而增加,其增加趨勢(shì)相同．在道路交通事故發(fā)生后,設(shè)置并入型漸變段時(shí),應(yīng)對(duì)車道的大車率加以控制,以減少車輛的行程時(shí)間和平均延誤．而當(dāng)大車率大于0.15時(shí)，則應(yīng)盡可能避免并入型漸變段的設(shè)置.

表5　模型計(jì)算值與仿真值結(jié)果對(duì)比

7結(jié)論

1) 漸變段處的延誤與大車率正相關(guān),行程時(shí)間與大車率負(fù)相關(guān),且均呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系,大車率的增大會(huì)對(duì)并入型漸變段的交通產(chǎn)生較大影響,增加車輛的行程時(shí)間和平均延誤．

2) 通過不同的大車率對(duì)比,得到車型對(duì)交通流的影響規(guī)律.建議在大車率大于0.15時(shí),應(yīng)盡可能避免并入型漸變段的設(shè)置;在必須設(shè)置并入型漸變段的路段,可通過調(diào)整公交車的線路,降低并入型漸變段路段的大車率,或者調(diào)整漸變段長度．

3) 模型與仿真存在一定的誤差,但不同大車率條件下車均延誤和行程時(shí)間的變化規(guī)律存在一致性,因此漸變段處車輛行程時(shí)間模型能夠在一定程度上反映大車率對(duì)并入型漸變段通行的影響．

參考文獻(xiàn) (References)

[1]Kou C C, Machemehl R B. Modeling driver behavior during merge maneuvers[R]. Austin, Texas, USA:Southwest Region University Transportation Center and Center for Transportation Research, University of Texas, 1997.

[2]Bunker J M, Troutbeck R J. The probability of delay to minor stream drivers at a limited priority freeway merge[J].Road&TransportResearch, 1996, 5(1): 16-25.

[3]Hall F L, Agyemang-Duah K. Freeway capacity drop and the definition of capacity[J].TransportationResearchRecord, 1991, 1320: 91-98.

[4]Weng J X, Meng Q. Modeling speed-flow relationship and merging behavior in work zone merging areas[J].TransportationResearchPartC:EmergingTechnologies, 2011, 19(6):985-996. DOI:10.1016/j.trc.2011.05.001.

[5]Lü W, Song W G, Fang Z M, et al. Modelling of lane-changing behaviour integrating with merging effect before a city road bottleneck[J].PhysicaA:StatisticalMechanicsanditsApplications, 2013, 392(20):5143-5153.DOI:10.1016/j.physa.2013.06.034.

[6]Chu T D, Miwa T, Morikawa T. An analysis of merging maneuvers at urban expressway merging sections[J].Procedia—SocialandBehavioralSciences, 2014, 138:105-115. DOI:10.1016/j.sbspro.2014.07.186.

[7]Cassidy M J, Han L D. Predicting vehicle delays, and queue lengths on two-lane highways during maintenance activity[C]//TRB71stAnnualMeeting. Washington, DC, USA, 1992.

[8]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 5768.1—2009 道路交通標(biāo)志和標(biāo)線[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[9]Transportation Research Board.Highwaycapacitymanual2000[M]. Washington, DC, USA: National Research Council, 2000.

[10]羅霞. 混合車流合流運(yùn)行模式研究[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000, 35(1):36-39. DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.2000.01.009.

Luo Xia. On confluence movement modes of mixed traffic flow[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity, 2000, 35(1):36-39. DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.2000.01.009.(in Chinese)

[11]李愛增, 李文權(quán). 路段多車型混合車流通行能力[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 37(5):926-929. DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2007.05.037.

Li Aizeng, Li Wenquan. Capacity of mixed traffic flow composed of multi-type vehicles on sections[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2007, 37(5):926-929. DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2007.05.037.(in Chinese)

[12]曹瑾鑫, 楊新苗, 錢劭武, 等. 工作區(qū)漸變段設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)探討[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化, 2006(4):23-26. DOI:10.3869/j.issn.1002-4786.2006.04.032.

Cao Jinxin, Yang Xinmiao, Qian Shaowu, et al. Discussion on criterion setting of gradually varied taper in work area[J].CommunicationsStandardization, 2006(4):23-26. DOI:10.3869/j.issn.1002-4786.2006.04.032.(in Chinese)

[13]李喜華. 城市占道施工對(duì)路段交通影響的研究[D].北京:北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,2011.

[14]馬聰, 張生瑞, 王晉. 基于V/C比的公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)交通延誤研究[J]. 公路交通科技, 2013, 30(7):133-139. DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2013.07.022.

Ma Cong, Zhang Shengrui, Wang Jin. Research of traffic delay in highway maintenance work zone based onV/Cratio[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2013, 30(7):133-139. DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2013.07.022.(in Chinese)

[15]馮偉. 路邊停車對(duì)路段交通流的影響研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,2008.

[16]Oketeh T. Modeled performance characteristics of heterogeneous traffic streams containing non-motorized vehicles[C/OL].TransportationResearchBoard82thAnnualMeeting. Washington, DC, 2003. http://www.ltrc.lsu.edu/TRB-82/TRB2003-000721.pdf.

[17]王元慶, 周偉, 呂連恩. 道路阻抗函數(shù)理論與應(yīng)用研究[J]. 公路交通科技, 2004, 21(9):82-85. DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2004.09.022.

Wang Yuanqing, Zhou Wei, Lü Lian’en. Theory and application study of the road traffic impedance function[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2004, 21(9):82-85. DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2004.09.022.(in Chinese)

[18]李杰.交通工程學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社, 2010:94-100.

Effects of different vehicle types on the capacity of merging transition section in urban road

Xu Liangjie1Wang Zhijun1,2Yu Jinlin3Xi Shaoxin1

(1School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China) (2Planning Department, Jilin Province Highway Construction Bureau, Changchun 130033, China) (3Urban Traffic Management Institute, Wuhan Branch of Chinese Academy of Management, Wuhan 430001,China)

Abstract:In order to explore effects of vehicle types in the merging transition section in urban roads on traffic flow, the rules of movement of oversized vehicles and cars in the transition section merging to main road and its influence on the road capacity are studied. The average delay of vehicles when passing through the transition affecting area is analyzed based on different acceleration and deceleration speeds and the queuing rules of oversized vehicles and cars. The travel time of vehicles when passing through the transition affecting area is analyzed based on capacity differences caused by different oversized vehicle conditions. The delay model and travel time model of oversized vehicles and cars passing through the transition section are established. The effectiveness of the two models is verified with the help of VISSIM simulation platform by taking the merging transition section of Heping road in Wuhan city as an example. Results show that the increase of oversized vehicles will cause a influence on the merging transition section of the road, thus increasing the travel time and average delay of cars.

Key words:urban road; merging transition section; oversized vehicle rate; delay model; speed model

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.032

收稿日期:2015-11-21.

作者簡介:徐良杰(1968—),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,laurrie119@163.com．

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578433)、教外司留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)資助項(xiàng)目 ([2013]1792)、吉林省交通運(yùn)輸科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014-1-8)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015-zy-024).

中圖分類號(hào):U491.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-0505(2016)03-0646-05

引用本文: 徐良杰,王志軍,余金林,等.不同車型對(duì)城市道路并入型漸變段的通行影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(3):646-650. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.032.