顏冉，韓高峰，葉小群

(1.安徽建筑大學(xué) 規(guī)劃系，安徽 合肥 230022；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

大雨天氣下高速公路交通流特性分析

顏冉1，韓高峰2，葉小群1

(1.安徽建筑大學(xué) 規(guī)劃系，安徽 合肥 230022；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

為研究大雨對(duì)交通流特性的影響，以舊金山奧克蘭境內(nèi)的I880N高速公路98#大街南側(cè)路段為研究對(duì)象，在分析交通流速度隨時(shí)間變化的基礎(chǔ)上，研究不同車道位置在大雨天氣下交通流速度的變化情況；分析大雨時(shí)速度-流量散點(diǎn)圖的分布規(guī)律；采用實(shí)際數(shù)據(jù)標(biāo)定Van-Aerde、Greenshields兩種經(jīng)典的宏觀交通流模型。結(jié)果表明：與無雨相比，大雨時(shí)自由流速度、通行能力分別下降約11.2%和19.6%，阻塞密度升高約50%；大雨時(shí)車輛速度呈彌散分布，交通流趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，大雨更容易引起交通擁堵，且與內(nèi)側(cè)車道相比，外側(cè)車道的交通流速度分布較為離散。

大雨天氣；交通流特性；交通流模型

降雨使路面附著系數(shù)減小，車輛制動(dòng)性能降低，同時(shí)雨天能見度低，影響駕駛員的視距和心理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國公路50%的交通事故、71%的重特大交通事故發(fā)生在不良?xì)夂驐l件下[1]。雨天車輛撞車率增加71%，人員受傷率增加49%[2]。

如果車輛按照正常天氣的速度行駛，由于雨天道路濕滑、駕駛員視距減少等，很容易發(fā)生交通事故；如果車輛速度降低很多，則會(huì)降低道路的通行效率，造成資源浪費(fèi)。所以研究雨天道路交通流特性的變化規(guī)律，并采取相應(yīng)的調(diào)控措施，在確保安全的情況下提高通行效率，對(duì)解決雨天的交通問題具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不利天氣對(duì)于交通流特性的影響做了諸多研究。文獻(xiàn)[3-4]通過對(duì)不利天氣下交通流參數(shù)的調(diào)查，運(yùn)用虛擬變量多元回歸方法分析不同天氣條件下交通流運(yùn)行的特點(diǎn)；文獻(xiàn)[5]采用雨天交通流數(shù)據(jù)標(biāo)定Van Aerde模型對(duì)雨天高速公路交通流特性進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[6]以間隙-接受理論為基礎(chǔ)，引入天氣影響因子，建立基于隨機(jī)效用理論的換道模型；文獻(xiàn)[7]通過細(xì)化元胞尺寸引入速度因子參數(shù)和間距因子參數(shù)對(duì)冰雪條件下的交通流特性進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[8]結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析降雨對(duì)車輛平均速度以及離散分布的影響，并通過非線性回歸建立降雨量-速度模型；文獻(xiàn)[9]從微觀層面研究在不同交通密度下降雨對(duì)車輛運(yùn)行速度的影響；文獻(xiàn)[10]采用HLM模型分析降雨對(duì)交通流速度的影響；文獻(xiàn)[11]采用t檢驗(yàn)分析，指出降雨對(duì)車輛速度具有顯著影響，并用相關(guān)系數(shù)描述降雨與速度之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[12]獲取了降雨時(shí)機(jī)場(chǎng)高速路段的交通參數(shù)，對(duì)比分析降雨天氣和正常天氣下的交通流速度和車頭時(shí)距等參數(shù)的變化特性。根據(jù)美國高速公路通行能力手冊(cè)[13](HCM2010)，降雨條件下通行能力平均下降了2%～14%。

上述研究側(cè)重于從道路整體出發(fā)，對(duì)采集到的雨天交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，并與正常天氣比較得出雨天交通流平均速度、平均流量等的變化情況，對(duì)不同車道雨天交通流特性的具體變化情況的研究很少。本文從大雨對(duì)交通流影響的時(shí)間序列出發(fā)，在分析大雨天氣下不同車道位置上交通流速度、交通流率等參數(shù)變化的基礎(chǔ)上，標(biāo)定宏觀交通流模型，為制定高速公路可變限速、分析通行能力等提供參考。

1 交通流特性

1.1交通流的速度特性

圖1 降雨量時(shí)間分布圖

速度作為重要的交通流參數(shù)，較易被感知和觀測(cè)。選取2012-11-30(大雨)、2012-12-21T7:00：00—14:00：00(無雨)，舊金山奧克蘭境內(nèi)的I880N高速公路第98#大街南側(cè)路段98#檢測(cè)器(經(jīng)度37.730 698，緯度-122.187 572)檢測(cè)的交通流數(shù)據(jù)以及該檢測(cè)點(diǎn)附近的氣象站提供的降雨強(qiáng)度、能見度等氣象數(shù)據(jù)。該路段限速112.6 km/h，其中降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況如圖1所示。調(diào)查路段為4車道，車道排序由內(nèi)向外分別為1～4車道。

由圖1可知，在9：23：00前后為強(qiáng)降雨時(shí)段，對(duì)應(yīng)的道路上不同車道交通流率(指通過道路某一橫斷面，這里指檢測(cè)器在不足1 h時(shí)間段內(nèi)測(cè)得的車輛數(shù)換算成的1 h交通量，檢測(cè)器計(jì)數(shù)間隔為30 s。)與時(shí)間占有率[14](指在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，車輛占據(jù)某一路段的時(shí)間與觀測(cè)時(shí)間的比值，這里指占據(jù)檢測(cè)器的時(shí)間。)的時(shí)間序列圖如圖2、3所示；交通流的速度時(shí)間分布如圖4所示。

圖2 大雨時(shí)交通流率時(shí)間序列圖

由圖2～4可知：研究時(shí)段內(nèi)大雨對(duì)交通流率的影響較小，對(duì)時(shí)間占有率和車輛速度的影響較大。時(shí)間占有率對(duì)降雨的敏感性較大，在9:23：00的降雨強(qiáng)度下時(shí)間占有率較之前明顯增加，且車道3變化量最大、車道4變化量最小。大雨開始時(shí)4條車道的車輛速度均有所下降，但降幅不大；在9:23：00的降雨強(qiáng)度下4條車道的速度均有明顯降低，其中車道1和車道2的速度降幅很大，車道3和車道4降幅較小；且4條車道上車輛速度的降低均持續(xù)了一段時(shí)間，車道1和車道2速度降低持續(xù)時(shí)間較車道3和車道4長(zhǎng)。這些表明降雨對(duì)車輛速度的影響具有一定的持續(xù)性，且速度越高，持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，影響越大。

圖3 大雨時(shí)車輛時(shí)間占有率時(shí)間序列圖

圖4 大雨和無雨天氣下不同車道的交通流速度變化

無雨和大雨時(shí)4條車道車輛速度累計(jì)頻率(指小于等于某一速度的車輛數(shù)與總車輛數(shù)的比值)分布曲線[15]如圖5所示。由圖5a)可以看出：大雨條件下4條車道的速度累計(jì)頻率曲線均為S型，且4條S型曲線近似平行，其中車道1和車道2速度為60～110 km/h，車道3和車道4速度為30～75 km/h；由圖5b)可以看出：無雨天氣下4條車道的速度累計(jì)頻率分布曲線也均為S型，其中車道1和車道2速度為120～140 km/h，大多超出了限速；車道3和車道4速度為60～120 km/h。與無雨時(shí)相比，大雨天氣下4條車道速度集中分布的區(qū)間均降低，平均約下降40 km/h，這也表明降雨對(duì)車輛速度的影響很大。

圖5 無雨和大雨時(shí)4條車道車輛速度累計(jì)頻率分布曲線

1.2速度-交通流量特性

根據(jù)獲取的交通流參數(shù)，對(duì)4條車道的速度與交通流量之間的關(guān)系進(jìn)行分析，如圖6、7所示。

圖6 大雨天氣車輛速度-流量散點(diǎn)圖

從圖6、7中可以看出，無雨與大雨天氣下的速度-交通流量存在很大差別，無雨的速度-交通流量散點(diǎn)圖較為集中，大都集中在高速區(qū)域；大雨天氣下的散點(diǎn)圖較為分散，從高速到低速區(qū)域均有分布；與大雨天氣相比，無雨天氣下內(nèi)車道比外車道的交通流更穩(wěn)定。因此很有必要針對(duì)不同車道位置分別進(jìn)行有差別化的交通管制，且在不同的降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)段設(shè)置不同的可變限速控制。

2 大雨天氣下高速公路交通流模型

2.1交通流模型

選取Van-Aerde和Greenshields交通流模型，分析大雨天氣條件下高速公路的交通流特性。

q=kv，

圖7 無雨天氣速度-流量散點(diǎn)圖

速度-密度線性關(guān)系的Greenshields模型為：

v=vf(1-k/kj)，

由流量、速度、密度三者之間的基本關(guān)系可以得到流量與速度的關(guān)系表達(dá)式

q=kj(v-(v2/vf))。

2.2模型參數(shù)標(biāo)定

根據(jù)選取的Van-Aerde和Greenshields交通流模型，采用L-M(levenberg marquardt)算法，利用無雨和大雨天氣下第2車道的交通流數(shù)據(jù)分別對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，以無雨天氣的交通流特性為基礎(chǔ)，對(duì)大雨天氣下的交通流特性進(jìn)行分析?；赩an-Aerde的2種天氣參數(shù)標(biāo)定為：無雨天氣時(shí)vf、vc分別為143、121 km/h，kj=59輛/km，qc=1 800輛/h；大雨天氣時(shí)vf、vc分別為127、84 km/h，kj=116輛/km，qc=1 466輛/h?；贕reenshields的2種天氣參數(shù)標(biāo)定為：無雨天氣時(shí)vf、kj分別為181 km/h、28輛/km；大雨天氣時(shí)vf、kj分別為160 km/h、34輛/km。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與兩種模型的速度-流量曲線如圖8所示。

圖8 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與2種模型的速度-流量曲線

由圖8可以看出：無雨天氣下數(shù)據(jù)點(diǎn)比較集中，大都處在高速區(qū)，大雨天氣下數(shù)據(jù)點(diǎn)分布離散，少部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)分布在高速區(qū)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)分布在中低速區(qū)。大雨天氣下交通流最大流量和自由流速度與無雨相比分別下降了19.6%和11.2%，擁堵密度升高了約50%，擁堵密度的升高意味著交通流的不穩(wěn)定性。無論是無雨還是雨天Van-Aerde模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合效果均優(yōu)于Greenshields模型，這表明Van-Aerde模型更能真實(shí)地反應(yīng)大雨天氣高速公路的交通流特性。

3 結(jié)語

1)對(duì)比分析降雨和無雨天氣下4個(gè)車道的速度累計(jì)分布曲線的差異，表明降雨對(duì)車輛速度的影響具有一定的持續(xù)性，且速度越高，持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，影響越大。

2)分析無雨和大雨4條車道車輛速度累積分布概率，得到大雨天氣下4條車道速度集中分布的區(qū)間均比無雨天氣低，平均約下降40 km/h。

3)根據(jù)速度-交通流量散點(diǎn)圖，大雨時(shí)散點(diǎn)圖處于較為彌散的狀態(tài)，交通流表現(xiàn)出不穩(wěn)定傾向；與1、2車道相比，3、4車道的交通流速度呈彌散分布。

4)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Van-Aerde、Greenshields 2種交通流模型的速度-流量擬合曲線表明，大雨時(shí)交通流的自由流速度和最大流量分別降低了約11.2%和19.6%，擁堵密度升高了約50%，2種宏觀交通流模型中，Van-Aerde模型更能真實(shí)地反應(yīng)大雨天氣高速公路交通流特性。

5)本文僅分析了大雨強(qiáng)度下不同車道的交通流特性，其他降雨強(qiáng)度下交通流速度、流量的變化是下一步需要完善的內(nèi)容。其次在對(duì)模型參數(shù)標(biāo)定時(shí)，選用車道2的實(shí)際交通流數(shù)據(jù)，得出交通流模型參數(shù),因此，分析結(jié)果不能完全反應(yīng)降雨強(qiáng)度對(duì)其他車道交通流的影響，但分析方法相同。

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AnalysisofTrafficFlowCharacteristicsofExpresswayUnderHeavyRainWeather

YANRan1,HANGaofeng2，YEXiaoqun1

(1.DepartmentofPlanning,AnhuiJianzhuUniversity,Anhui230022,China；2.AnhuiTransportPlanning&DesignInstituteCo.，Ltd.,Anhui230088,China)

To study the effect of heavy rain on traffic flow characteristics, the south section of No. 98 Avenue of I880N expressway in Oakland of San Francisco is taken as a research object, the change of the speed under heavy rain in different lanes is studied based on the analysis of the time variation of heavy rain and traffic flow rate. The distribution law of velocity-flow dispersion point is analyzed under the heavy rain intensity. Two typical macroscopic traffic flow models are calibrated by the use of the actual data. The results show that when compared with the condition without rain, during heavy rain the free flow speed and the capacity respectively decrease by about 11.2% and 19.6%, and the blocking density increases by about 50%. The speed of the heavy rain is dispersed, and the traffic flow tends to be unstable. Besides, the heavy rain is more likely to cause traffic congestion, and the lateral traffic flow velocity distribution is more discrete compared with the inside lane.

heavy rain; traffic flow characteristics; traffic flow model

U491.11

：A

：1672-0032(2017)02-0015-07

(責(zé)任編輯：楊秀紅)

2016-10-10

安徽省教育廳項(xiàng)目(SK2015A115);安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目資助(KJ2017JD04)

顏冉(1989—)，女，安徽亳州人，工學(xué)碩士，助教，主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理，E-mail: yanranjia@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.003