張 鑫，張衛(wèi)華，宋軍軍，郭永樂(lè)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230001；3.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

合流區(qū)因位置特殊交通狀況比較復(fù)雜，車流運(yùn)行不穩(wěn)定、易發(fā)生交通沖突，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)交通事故，影響車輛運(yùn)行安全，產(chǎn)生交通“瓶頸”，降低合流區(qū)通行效率。

目前，針對(duì)合流區(qū)交通安全和通行效率，部分學(xué)者開(kāi)展研究：溫惠英等[1]建立沖突概率與沖突嚴(yán)重性的融合模型，以評(píng)估合流區(qū)交通安全性；Wang等[2]建立多級(jí)泊松對(duì)數(shù)正態(tài)分布事故模型，以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)事故風(fēng)險(xiǎn)；魏中華等[3]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析合流區(qū)匯入角對(duì)通行能力的影響；薛行健等[4]發(fā)現(xiàn)車道平衡設(shè)計(jì)有利于提升匝道合流區(qū)通行能力；Dabbour等[5]建立1種考慮駕駛員實(shí)際行為和車輛加速能力的加速車道長(zhǎng)度確定方法；李宗平等[6]結(jié)合合流區(qū)交通流breakdown發(fā)生概率，構(gòu)建加速車道長(zhǎng)度計(jì)算模型；李霞等[7]構(gòu)建考慮車輛安全合流的加速車道長(zhǎng)度計(jì)算模型，以此確定加速車道安全長(zhǎng)度；羅京等[8]結(jié)合交通仿真和服務(wù)水平，得出快速路合流區(qū)加速車道最小長(zhǎng)度推薦值；唐宗鑫等[9]構(gòu)建1種基于可靠度概率方法的加速車道長(zhǎng)度計(jì)算模型，確定的加速車道長(zhǎng)度更接近車輛實(shí)際運(yùn)行特性；李文權(quán)等[10]建立了1種平行式加速車道長(zhǎng)度計(jì)算方法，該方法考慮期望初始速度和主線交通水平等因素。

但目前關(guān)于加速車道幾何參數(shù)的研究存在一定局限性，現(xiàn)有研究以加速車道長(zhǎng)度為主要對(duì)象，缺乏加速車道寬度因素影響研究，沒(méi)有綜合考慮加速車道長(zhǎng)度和寬度對(duì)合流區(qū)交通狀況的影響。因此，本文基于交通狀況綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案并構(gòu)建有效實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合控制變量法和仿真實(shí)驗(yàn)，分析加速車道長(zhǎng)度、寬度對(duì)合流區(qū)交通狀況的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 道路交通參數(shù)及實(shí)驗(yàn)方案

為便于分析，根據(jù)《城市快速路設(shè)計(jì)規(guī)程》(CJJ 129—2009)[11]選取平行式1車道的加速車道為對(duì)象，如圖1所示。其中合流區(qū)主線為單向3車道，入口匝道為1車道，且車道寬度均設(shè)置為3.5 m，而加速車道車道長(zhǎng)度l和寬度w是待研究的2個(gè)幾何參數(shù)，且l以60，260 m為上下限，20 m為間隔，設(shè)置11種取值水平，w以2.5，4 m為上下限，0.3 m為間隔，設(shè)置6種取值水平。此外，車輛組成主要為小汽車。

圖1 平行式加速車道幾何構(gòu)成Fig.1 Geometric composition of parallel acceleration lane

交通參數(shù)主要包括設(shè)計(jì)速度和服務(wù)交通量。由文獻(xiàn)[12]可知，合流區(qū)主線速度v主選取60，80 km/h，入口匝道速度v匝道保持40 km/h不變；對(duì)于服務(wù)交通量，結(jié)合實(shí)際道路交通流狀況及規(guī)范要求，主線交通量q主選取1 800，5 400 pcu/h為上下限，400 pcu/h為間隔，設(shè)置10種取值水平，入口匝道交通量q匝道保持800 pcu/h不變。

本文主要目的是綜合分析加速車道長(zhǎng)度和寬度對(duì)快速路合流區(qū)交通狀況的影響，結(jié)合上述參數(shù)分析，確定實(shí)驗(yàn)方案及對(duì)應(yīng)參數(shù)值，見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)共需開(kāi)展1 320次。

表1 實(shí)驗(yàn)方案及參數(shù)Table 1 Experimental scheme and parameters

1.2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

通行效率Etra為合流區(qū)下游駛出交通量qout與總駛?cè)虢煌縬的比值，體現(xiàn)合流區(qū)實(shí)際通行效果，在一定程度上改善通行能力因條件過(guò)于理想化而難以真實(shí)反映道路實(shí)際通行狀況的不足，且該值越大，表明合流區(qū)通行效果越好。結(jié)合文獻(xiàn)[13]可知，交通沖突率fTC為在長(zhǎng)度l、交通量q的合流區(qū)內(nèi)，有效時(shí)間內(nèi)發(fā)生的交通沖突數(shù)FTC，在一定程度改善交通事故因隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性而短時(shí)間內(nèi)無(wú)法大量獲取的不足，且該值越大，表明合流區(qū)交通安全性越低。

為綜合考慮合流區(qū)交通安全和通行效率，結(jié)合文獻(xiàn)[14]定義通行效率與交通沖突率的差值為效率-沖突率差Dvalue，以其作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，如式(1)所示：

(1)

Dvalue僅為Etra與fTC的數(shù)值差，反映合流區(qū)綜合交通狀況。Dvalue越大，合流區(qū)通行效率越大且交通安全性越高，合流區(qū)整體交通狀況越好；反之，合流區(qū)通行效率越小且交通安全性越低，合流區(qū)整體交通狀況越差。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

VISSIM包含跟弛和換道2種微觀駕駛模型，可較好地模擬真實(shí)的駕駛環(huán)境，且輸出的評(píng)價(jià)文件可用于評(píng)價(jià)交通流內(nèi)部運(yùn)行特征。SSAM主要依賴Time To Collision(簡(jiǎn)稱TTC)和Post Encroachment Time(簡(jiǎn)稱PET)2個(gè)指標(biāo)從沖突軌跡特征文件中提取交通沖突數(shù)。2者可共同用于分析合流區(qū)交通狀況。

駕駛行為主要包括跟弛與換道，其中跟弛包括自由行駛、跟弛以及緊急剎車3種狀態(tài)，換道受同車道前車以及相鄰車道車輛制約，主要依賴換道間隙。結(jié)合文獻(xiàn)[15]確定駕駛行為參數(shù)的校正值，對(duì)于SSAM中的參數(shù)TTC和PET，可結(jié)合已有文獻(xiàn)[16-17]依次確定為1.5，5.0 s，其它參數(shù)選用默認(rèn)值，道路交通參數(shù)直接依據(jù)表1進(jìn)行標(biāo)定，此處不展開(kāi)詳細(xì)敘述。

2 加速車道幾何參數(shù)對(duì)合流區(qū)的影響分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效性分析

為使結(jié)果更具合理性，需先驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性。首先，結(jié)合文獻(xiàn)[18]選用速度偏差E和交通沖突相關(guān)系數(shù)r2個(gè)指標(biāo)，其中僅當(dāng)E<0.05且r>0.8時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效，數(shù)學(xué)表達(dá)如式(2)～(3)所示，其次以合肥快速路為研究對(duì)象，采集不同實(shí)際場(chǎng)景交通數(shù)據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)為降低實(shí)驗(yàn)誤差，每種場(chǎng)景均開(kāi)展3次，取平均值作為最終分析數(shù)據(jù)。提取各場(chǎng)景下斷面速度和交通沖突數(shù)實(shí)際值與仿真值，計(jì)算出E和r，最后從最大/小偏差(Emax/Emin)、平均/標(biāo)準(zhǔn)偏差(Eaverage/Estandard)以及r5個(gè)方面展開(kāi)分析，E表達(dá)式如式(2)所示：

(2)

式中：νsim表示仿真斷面速度，km/h；νact表示實(shí)際斷面速度，km/h。

r如式(3)所示：

(3)

計(jì)算可得Emax=4.782%，Emin=0.863%，Eaverage=2.394%，Estandard=4.782%，均小于5%且r=88.905%>80%，結(jié)果符合要求，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效性。

2.2 加速車道幾何參數(shù)對(duì)合流區(qū)影響分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用控制變量法依次分析v主為60，80 km/h時(shí)加速車道長(zhǎng)度l和寬度w對(duì)合流區(qū)交通狀況的影響。以Dvalue作為分析指標(biāo)，選取1 800，2 600，3 400，4 200，5 000 pcu/h 5種主線交通流，得到2種v主下Dvalue隨加速車道長(zhǎng)度l、寬度w的變化而變化，如圖2～3所示。

1)車道長(zhǎng)度l對(duì)合流區(qū)的影響

①由圖2可知，對(duì)于v主=60 km/h，當(dāng)q主=1 800 pcu/h時(shí)，當(dāng)l由60 m增大至160 m，Dvalue先逐步增大后保持不變；當(dāng)l由160 m增大至260 m，Dvalue出現(xiàn)略微減小，表明當(dāng)q主較小時(shí)，適當(dāng)?shù)卦龃蠹铀佘嚨篱L(zhǎng)度有利于改善合流區(qū)交通狀況；在2 600 ≤q主≤3 400 pcu/h時(shí)，當(dāng)l由60 m增大至100 m，Dvalue均逐漸增大，當(dāng)l由100 m增大至260 m，Dvalue均基本保持不變，表明當(dāng)q主進(jìn)一步增大時(shí)，所需l會(huì)增大，同時(shí)合流區(qū)交通狀況變好，且在l不低于100 m時(shí)，合流區(qū)交通狀況基本處于最好程度。

圖2 Dvalue隨l的變化Fig.2 Change of Dvalue with l

②對(duì)于v主=80 km/h，在q主≤3 400 pcu/h時(shí)，無(wú)論w取何值，當(dāng)l由60 m增大至100 m，Dvalue均先逐步增大后保持不變，表明無(wú)論q主較低或較高時(shí)，適當(dāng)增大l將改善合流區(qū)交通狀況。

③對(duì)于2種v主，當(dāng)q主=4 200 pcu/h，w≤3.1 m時(shí)，Dvalue在l=120 m時(shí)降至最低，當(dāng)3.4 ≤w≤4.0 m，Dvalue在l=140 m時(shí)降至最低，而在l=160 m后達(dá)到最大值且保持不變，表明當(dāng)q主繼續(xù)增大，l也繼續(xù)增大且當(dāng)l達(dá)到160 m時(shí)，合流區(qū)交通狀況基本處于相對(duì)最優(yōu)程度。當(dāng)q主=5 000 pcu/h，w≤3.1 m時(shí)，Dvalue在l=120 m時(shí)降至最低，當(dāng)3.4 ≤w≤4.0 m，Dvalue在l=140 m時(shí)降至最低，而在l=220 m后達(dá)到最大值且保持不變，表明當(dāng)q主繼續(xù)增大，l也繼續(xù)增大，且l達(dá)到220 m時(shí)合流區(qū)交通狀況基本處于相對(duì)最好程度。

2)w對(duì)合流區(qū)的影響

①由圖3可知，在v主=60 km/h，q主=1 800 pcu/h時(shí)，無(wú)論l取何值,Dvalue隨w增大保持不變，表明當(dāng)q主較小時(shí)，w對(duì)合流區(qū)交通狀況幾乎無(wú)影響；當(dāng)q主=2 600 pcu/h，l=60 m時(shí)，Dvalue隨w的增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)，且在w=3.1 m處Dvalue達(dá)到最大，當(dāng)l>60 m后，Dvalue隨w增大保持不變，表明當(dāng)q主略微增大時(shí)，增大w至3.1 m有利于改善合流區(qū)交通狀況；在q主=3 400 pcu/h，當(dāng)l=60 m時(shí)，Dvalue隨w增大略有降低，當(dāng)l>60 m時(shí)，Dvalue隨w增大保持較大值不變，表明當(dāng)q主繼續(xù)增大時(shí)，適當(dāng)增大l后，w對(duì)合流區(qū)交通狀況的影響較?。辉趒主=4 200 pcu/h，當(dāng)l=60 m時(shí)，Dvalue隨w的增大波動(dòng)較大，當(dāng)l=140 m且w>3.1 m時(shí)，Dvalue隨w增大而減小，表明進(jìn)一步增大q主時(shí)，l增大至140 m且w增大至3.1 m，合流區(qū)交通狀況達(dá)到最好；在q主=5 000 pcu/h，l=60 m時(shí)，Dvalue隨w增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)l=140 m且w>3.1 m時(shí)，Dvalue隨w增大而減小，表明當(dāng)l增大至140 m且w增大至3.1 m后，增大q主，合流區(qū)交通狀況仍處于最優(yōu)狀態(tài)。

圖3 Dvalue隨w的變化Fig.3 Change of Dvalue with w

②對(duì)于v主=80 km/h，當(dāng)q主=1 800 pcu/h，僅當(dāng)l=60 m且w>3.1 m時(shí)，Dvalue隨w的增大而減小，其余均保持不變，表明在q主較小時(shí)，過(guò)度增大w將使合流區(qū)交通狀況變差；在q主=2 600 pcu/h，l=60 m時(shí)，Dvalue隨w增大逐漸減小，當(dāng)l>60 m時(shí)，Dvalue隨w增大保持不變，表明當(dāng)q主略微增大，適當(dāng)增大l，w對(duì)合流區(qū)交通狀況幾乎無(wú)影響；當(dāng)q主=3 400 pcu/h，l=60 m時(shí)，Dvalue隨w的增大逐漸減小，當(dāng)l>60 m時(shí)，Dvalue隨w增大保持較大值不變，表明在q主繼續(xù)增大時(shí)，適當(dāng)增大l，w對(duì)合流區(qū)交通狀況影響較?。划?dāng)q主=4 200 pcu/h，l=60 m時(shí)，Dvalue隨w增大頻繁變化，當(dāng)l=140 m，w>3.1 m時(shí)，Dvalue隨w的增大而減小，表明進(jìn)一步增大q主，并增大l至140 m，w增大至3.1 m，合流區(qū)交通狀況達(dá)到最優(yōu)；當(dāng)q主=5 000 pcu/h，l=60 m時(shí)，Dvalue隨w的增大呈先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)l=140 m，w>3.1 m時(shí)，Dvalue隨w的增大而減小，表明當(dāng)l增大至140 m，w增大至3.1 m后，增大q主，合流區(qū)交通狀況仍處于最優(yōu)狀態(tài)。

3 結(jié)論

1)基于交通狀況綜合指標(biāo)及仿真技術(shù)，分析加速車道幾何參數(shù)對(duì)合流區(qū)交通狀況的影響。

2)針對(duì)v主為60,80 km/h 2種情形，隨主線交通量的變化，加速車道長(zhǎng)度l對(duì)合流區(qū)的影響相對(duì)較大，而加速車道寬度w對(duì)合流區(qū)的影響相對(duì)較小。 適當(dāng)增加加速車道長(zhǎng)度有利于改善合流區(qū)交通狀況。