華 鋒

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引 言

交織區(qū)是城市快速路系統(tǒng)的重要組成部分，由于道路流向復(fù)雜和區(qū)段內(nèi)大量的交織換道操作，導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)極不穩(wěn)定，容易形成常發(fā)性擁擠瓶頸，成為快速路的瓶頸區(qū)域[1]，且極易在入口匝道與出口匝道處發(fā)生交通事故或擁堵，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響到基本路段，大幅降低快速路的通行能力，影響城市路網(wǎng)運(yùn)行。

對(duì)于影響交織區(qū)交通流特性的各方面因素，研究人員已經(jīng)從最佳交織區(qū)長(zhǎng)度[2]、路側(cè)指路信息[3]、交通流密度[4]、仿真[5]、換道行為[6]等多方面進(jìn)行了研究。

指路標(biāo)志是向駕駛員傳遞前進(jìn)方向、地點(diǎn)以及距離的主要交通設(shè)施。目前的研究主要集中于安裝位置[7]、駕駛員注意力分配[8]、字符高度[9-10]、認(rèn)知機(jī)理[11]等方面。

由于交織區(qū)對(duì)于城市路網(wǎng)運(yùn)行的重要性，對(duì)其通行能力與區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)影響因素進(jìn)行研究成為重要課題。通過(guò)對(duì)交織區(qū)的交通流特征進(jìn)行研究分析，能夠?yàn)槌鞘新肪W(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段提供一定的合理建議。本文著眼于交織路段內(nèi)的預(yù)告標(biāo)志設(shè)置與交織段交通流特征之間的關(guān)系，為交織區(qū)道路設(shè)計(jì)提供思路。

1 視頻數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析

1.1 視頻采集

對(duì)于城市快速路而言，其交織路段集中出現(xiàn)在入口與出口路段，并且長(zhǎng)度較為固定?？紤]到能夠更加直觀且容易地采集到快速路出口匝道附近的車流錄像，選擇在快速路出口附近的人行天橋上進(jìn)行視頻采集。

選擇的路段為雙向四車道(圖1、2)，快速路出口所在路段屬于平行式出口，此處設(shè)置的交通指路標(biāo)志為地點(diǎn)方向指路標(biāo)志。從拍攝所在天橋至快速路出口處全長(zhǎng)330 m，快速路限速60 km·h-1。選擇多時(shí)段進(jìn)行視頻錄制，獲得有效視頻15段，在檢測(cè)車流軌跡后進(jìn)行合成。

圖1 江東快速路草場(chǎng)門大街方向出口

圖2 觀測(cè)路段示意

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 車流軌跡

獲得穩(wěn)定且較為精確的車輛行駛軌跡首先需要能夠有效地將運(yùn)動(dòng)的車輛與視頻中其他的物體分離開(kāi)。使用OpenCV對(duì)視頻實(shí)現(xiàn)車輛識(shí)別[12](圖3)，并嘗試追蹤車輛畫出運(yùn)動(dòng)軌跡(圖4)。尋找識(shí)別對(duì)象的中心點(diǎn)并將其逐幀畫線連接起來(lái)生成車輛運(yùn)動(dòng)軌跡。為了保證最終形成的車輛軌跡完整有效，在軌跡檢測(cè)過(guò)程中將視頻起點(diǎn)幀中位于畫面最下端的車輛作為軌跡生成的起點(diǎn)。由于無(wú)法一次性同時(shí)對(duì)所有車輛進(jìn)行連續(xù)有效追蹤，通過(guò)后期處理合成獲得更加直觀、清晰的車流軌跡(圖5)。

圖3 車輛識(shí)別

圖4 尋找并連接識(shí)別框中心點(diǎn)得到軌跡

圖5 合成車流軌跡示意

1.2.2 車輛駛離比

由于出口附近指路標(biāo)志的主要功能是向駛離快速路的車輛指明行駛方向，提示車輛及時(shí)換道，而對(duì)直行車輛影響不大，故在此次觀測(cè)過(guò)程中將重點(diǎn)對(duì)外側(cè)3個(gè)車道進(jìn)行觀測(cè)。但在統(tǒng)計(jì)駛離快速路車輛數(shù)的同時(shí)，也需要對(duì)路段觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的總流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以得到路段的車輛比，后續(xù)數(shù)據(jù)分析與研究將在此駛離比上進(jìn)行。對(duì)于分別統(tǒng)計(jì)采集到的多段錄像中駛離快速路的車輛占比，最終得到車輛駛離比的均值，見(jiàn)表1。

表1 觀測(cè)路段車輛駛離比

1.2.3 車道變換持續(xù)時(shí)間

在觀察路段中，所有由主車道向車道4進(jìn)行變換的、由車道4向主車道進(jìn)行變換的換道行為均為強(qiáng)制換道，而在3個(gè)主車道間發(fā)生的車道變換行為均為自由換道。此外，在換道行為中單次換道與連續(xù)換道的特征與對(duì)交通流的影響也有著很大的區(qū)別。在本次研究過(guò)程中，僅對(duì)單次換道行為進(jìn)行研究。對(duì)于連續(xù)換道，將其視作連續(xù)進(jìn)行的多個(gè)單次換道處理。

在記錄車輛進(jìn)行車道變換的持續(xù)時(shí)間時(shí)，將車輛橫向位移連續(xù)單向變化的時(shí)間段作為一次換道所持續(xù)的時(shí)間。作為觀察對(duì)象的換道車輛，其換道動(dòng)作起點(diǎn)幀和終點(diǎn)幀與該視頻車輛軌跡開(kāi)始與結(jié)束檢測(cè)的幀之間間隔至少2 s，以保證觀察到的整個(gè)換道動(dòng)作的完整性。觀察路段內(nèi)車輛換道時(shí)間集中分布在7～9 s。換道持續(xù)時(shí)間分布見(jiàn)圖6。

圖6 車輛換道持續(xù)時(shí)間分布

1.3 采集結(jié)果分析

1.3.1 車輛換道次數(shù)

在此次采集到的錄像中共發(fā)生了220次有效換道動(dòng)作，其中自由換道占48.6%，強(qiáng)制換道占51.4%，自由換道與強(qiáng)制換道的占比基本相同。

在指路標(biāo)志所在道路斷面上游開(kāi)始實(shí)施的換道行為多在下游(63.34%)，且自由換道次數(shù)與強(qiáng)制換道次數(shù)相當(dāng)。而在指路標(biāo)志下游開(kāi)始的換道動(dòng)作中強(qiáng)制換道占多數(shù)(78.26%)。

1.3.2 車輛換道模型

在交織區(qū)內(nèi)，因?yàn)閺?qiáng)制換道行為的存在使得該區(qū)域的交通流比一般路段的交通流更為復(fù)雜，通行能力更低，容量下降。車輛進(jìn)行換道時(shí)所需要考慮的因素包括目標(biāo)車道后車車速、兩車相對(duì)速度、可接受間隙等。一次完整的換道過(guò)程可以被分為產(chǎn)生換道意圖、選擇目標(biāo)車道、實(shí)施換道行為3個(gè)步驟[13-14]。

根據(jù)采集的車輛換道數(shù)據(jù)，嘗試建立簡(jiǎn)單的車輛換道模型。對(duì)于必須進(jìn)行換道的強(qiáng)制換道行為，其生成換道意圖時(shí)判斷間距的標(biāo)準(zhǔn)為

結(jié)合視頻中觀察到的車輛換道現(xiàn)象，模型中假設(shè)當(dāng)換道車輛與目標(biāo)車道前后車的間距滿足換道條件時(shí)立即實(shí)施換道，若不滿足，則車輛開(kāi)始減速，并示意目標(biāo)車道后車減速，直至間距滿足換道條件時(shí)進(jìn)行換道。

對(duì)于希望換道加速或避免交織車流影響而換道至內(nèi)側(cè)的自由換道車輛，其進(jìn)行換道前判斷間距的標(biāo)準(zhǔn)為

根據(jù)視頻數(shù)據(jù)，車輛在指路標(biāo)志上游區(qū)域進(jìn)行換道，即對(duì)指路標(biāo)志視認(rèn)完成后立即做出換道決策時(shí)，對(duì)周圍車輛的影響較小，換道過(guò)程中的減速行為不明顯。在此區(qū)域內(nèi)交通流密度較低，車道占有率較低，換道車輛行駛速度與直行車輛行駛速度沒(méi)有明顯差別。在指路標(biāo)志下游，當(dāng)車輛選擇在臨近出口處實(shí)施強(qiáng)制換道時(shí)車輛減速明顯，強(qiáng)制換道車速相較上游區(qū)域沒(méi)有明顯差別。同時(shí)當(dāng)車輛在出口附近實(shí)施換道時(shí)，出口匝道及其臨近車道在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了明顯的流量增大、車速減緩現(xiàn)象。此外，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有車輛由內(nèi)部車道實(shí)施連續(xù)換道駛離快速路，且開(kāi)始實(shí)施時(shí)截面占有率較低時(shí)，車輛會(huì)加速完成連續(xù)強(qiáng)制變道，但對(duì)周圍車流影響較大，也會(huì)引起暫時(shí)的影響范圍內(nèi)車流密度上升、車速減緩現(xiàn)象。

1.3.3 車輛換道位置

根據(jù)行車軌跡圖觀察總結(jié)出，車輛由車道3換向車道4的動(dòng)作集中發(fā)生在兩個(gè)區(qū)域(圖7)。一個(gè)是指路標(biāo)志的上游影響范圍區(qū)域，從觀測(cè)所在人行天橋的道路截面開(kāi)始至前方50 m范圍內(nèi)為強(qiáng)制換道行為的集中發(fā)生區(qū)域，但區(qū)域內(nèi)的個(gè)體換道位置較為分散。另一個(gè)區(qū)域?yàn)榭焖俾烦隹谏嫌?0 m附近。數(shù)據(jù)表明，在快速路中，指路標(biāo)志的設(shè)置對(duì)新手駕駛員及不熟悉當(dāng)前路線的駕駛員影響更為明顯，可以使他們選擇接受信息后提前進(jìn)行換道，也有更多的時(shí)間進(jìn)行換道，更加從容地進(jìn)入出口匝道。對(duì)于在出口至指路標(biāo)志區(qū)域內(nèi)換道的車輛，有約15%的車輛并不會(huì)提前進(jìn)行換道，而是在臨近出口處迅速進(jìn)行換道，這樣的換道行為對(duì)于道路安全是十分不利的。

圖7 換道動(dòng)作多發(fā)區(qū)域

2 微觀交通仿真

為了驗(yàn)證本文的研究結(jié)論，采用在AnyLogic進(jìn)行仿真。

2.1 未設(shè)置指路標(biāo)志的情景

首先對(duì)未設(shè)置指路標(biāo)志的場(chǎng)景進(jìn)行模擬運(yùn)行。將車輛到達(dá)速率設(shè)置為2 000 輛·h-1，運(yùn)行120 s后由道路密度圖像可以看到在出口上游出現(xiàn)了暫時(shí)的緩行路段，見(jiàn)圖8。但運(yùn)行200 s后，緩行路段自行消散，見(jiàn)圖9。繼續(xù)運(yùn)行可以觀察到后續(xù)仍會(huì)出現(xiàn)車流密度大、車輛減速行駛的路段，且多由車輛強(qiáng)制換道行為引起，但后續(xù)均會(huì)自行消散而不會(huì)引起道路堵塞，見(jiàn)圖10。

圖8 到達(dá)率2 000 輛·h-1，運(yùn)行120 s時(shí)的演示

圖9 到達(dá)率2 000 輛·h-1，運(yùn)行200 s時(shí)的演示

圖10 到達(dá)率2 000 輛·h-1時(shí)路段最小車速變化

將車輛到達(dá)率調(diào)整為3 800 輛·h-1后運(yùn)行仿真模型。在第46 s時(shí)，出口上游即出現(xiàn)了車速明顯降低的路段。200 s時(shí)出現(xiàn)了大量車流減速行駛，即平均車速低于20 km·h-1，一部分車輛出現(xiàn)了排隊(duì)現(xiàn)象。

同時(shí)，在當(dāng)前情況下該緩行路段不會(huì)自行消散，最終穩(wěn)定存在于觀察路段的中部。由車輛動(dòng)畫可總結(jié)發(fā)現(xiàn)，模型中起始位置位于外側(cè)3個(gè)車道的車輛在進(jìn)入出口上游50 m區(qū)域之前不會(huì)進(jìn)行強(qiáng)制換道行為以駛?cè)氤隹谠训?，同時(shí)之前位于車道4的車輛也在同一區(qū)域進(jìn)行由外側(cè)車道換向主車道的換道動(dòng)作，構(gòu)成了典型的出口交織區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)車輛沖突點(diǎn)迅速增加，道路通行能力下降，在車流量大時(shí)造成車輛緩行和排隊(duì)，見(jiàn)圖11。

圖11 到達(dá)率3 800 輛·h-1，運(yùn)行10 min以上時(shí)的演示

2.2 設(shè)置指路標(biāo)志的情景

為了模擬駕駛員接收到指路信息后當(dāng)即實(shí)施換道的情景，參考實(shí)際場(chǎng)景中指路標(biāo)志的設(shè)置距離及影響范圍，人為在道路上游設(shè)置車輛換道區(qū)域，令一定比例的車輛在該區(qū)域內(nèi)提前進(jìn)行換道。其中包括目的地為exit的車輛進(jìn)行的強(qiáng)制換道與為了改變當(dāng)前駕駛環(huán)境進(jìn)行的自由換道。

設(shè)置到達(dá)率為2 000 輛·h-1，運(yùn)行模型。模型運(yùn)行60 s時(shí)，路段的運(yùn)行情況優(yōu)于未設(shè)置指路標(biāo)志的情況。出口上游仍會(huì)出現(xiàn)平均車速降低的路段，但總體車速高于之前結(jié)果。持續(xù)運(yùn)行模型，觀察到在人為設(shè)置變道區(qū)域上游會(huì)出現(xiàn)短暫的減速行駛區(qū)域，但平均車速始終高于30 km·h-1，出口上游原緩行區(qū)域道路通過(guò)壓力減小。

更改車輛到達(dá)率為3 800 輛·h-1，場(chǎng)景中出現(xiàn)緩行區(qū)域的時(shí)間為52.6 s，略晚于未設(shè)置指路標(biāo)志的情景。

繼續(xù)運(yùn)行模型，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間變化，道路車流密度情況趨于穩(wěn)定，相對(duì)緩行區(qū)域長(zhǎng)度穩(wěn)定，不會(huì)向上下游擴(kuò)散，并且不會(huì)出現(xiàn)明顯的排隊(duì)現(xiàn)象，車速最為緩慢的區(qū)域平均車速仍大于30 km·h-1。

對(duì)比不同指路標(biāo)志設(shè)置情況與到達(dá)率下的路段最小車速變化。到達(dá)率較低時(shí)，車速變化較為平穩(wěn)，隨著模型運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸趨于穩(wěn)定，其最小值維持在35 km·h-1左右。

車流量大且車輛換道動(dòng)作集中，未設(shè)置指路標(biāo)志的情況下，緩行車流無(wú)法自行疏散，路段內(nèi)最小車速迅速下降至15 km·h-1；設(shè)置指路標(biāo)志后，模型運(yùn)行初期的車速下降速度有所減緩，且持續(xù)運(yùn)行后在30～35 km·h-1范圍內(nèi)波動(dòng)，而不再出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這表明指路標(biāo)志的設(shè)置能夠使一部分駕駛員的換道行為提前，分散車輛換道位置分布，緩解交織區(qū)通行壓力，且在車流量大的情況下效果更加明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)快速路交織區(qū)在設(shè)置預(yù)告標(biāo)志情況下的交通流特征進(jìn)行觀察，主要通過(guò)采集視頻車流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輔以微觀交通仿真進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)出了快速路出口上游預(yù)告標(biāo)志設(shè)置與出口路段車輛換道特征及車流密度間的關(guān)系。

(1)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在車輛駛離比為25%的情況下，自由換道行為與強(qiáng)制換道行為次數(shù)占比基本相同，且換道持續(xù)時(shí)間均值在7～9 s，內(nèi)側(cè)車道換道次數(shù)高于外側(cè)車道。

(2)在快速路中，指路標(biāo)志的設(shè)置對(duì)新手駕駛員及不熟悉當(dāng)前路線的駕駛員的影響更為明顯，可以使他們選擇接受信息后提前進(jìn)行換道，有更多的時(shí)間進(jìn)行換道，更加從容地進(jìn)入出口匝道。

(3)在車輛到達(dá)率為2 000 輛·h-1時(shí)，路段是否設(shè)置指路標(biāo)志對(duì)道路密度影響不明顯，車輛最小車速最終維持在35～40 km·h-1。車輛到達(dá)率為3 800 輛·h-1時(shí)，未設(shè)置預(yù)告標(biāo)志路段出現(xiàn)了車輛排隊(duì)現(xiàn)象，模型持續(xù)運(yùn)行后最小車速下降至15 km·h-1以下；而設(shè)置了預(yù)告標(biāo)志的情景未出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象，且持續(xù)運(yùn)行模型后最小車速始終在0～35 km·h-1范圍內(nèi)，所得仿真結(jié)果明顯優(yōu)于未設(shè)置的場(chǎng)景。仿真結(jié)果表明，快速路中指路標(biāo)志的設(shè)置能夠提前部分駕駛員的換道行為，緩解出口路段道路通行壓力，并在車流量大時(shí)更為明顯。