城市快速路匝道合流區與基本路段交通流特征對比

薛行健，宋 睿，晏克非

(1.中南林業科技大學物流學院，湖南長沙410004;2.同濟大學 道路與交通工程重點實驗室，上海201804)

匝道合流區作為車輛進入城市快速路的必經之處，其與主線的銜接區存在大量合流、交織等交通行為，是快速路通行能力的瓶頸路段(圖1)，其與基本路段區別很大，不應該混為一談;隨著交通壓力的增大，瓶頸效應帶來的負面影響也日趨增大;因此，有必要對匝道合流區與基本路段的交通流特征進行對比分析，使得相關的規劃、設計、管控工作能有針對性的展開。

筆者通過對上海市快速路進行數據采集，從交通流基本圖、交通流狀態的空間傳播、匝道與主線流量關系和車道橫向分布特征4個方面對匝道合流區與基本路段的交通流特征進行了對比分析，可為相關研究工作的開展提供支撐。

1 數據采集

研究所需的數據主要來自于2部分:第1部分采集布設在上海市快速路每條車道上的雙線圈環形檢測線圈，通過對基本數據進行處理，得到5分鐘的研究數據;第2部分采用攝像機對研究路段進行高空拍攝，再進行后期數據統計與分析。

圖1 城市快速路匝道合流區基本形式Fig.1 Schematic diagram of urban freeway merge area

2 交通流基本圖對比分析

匝道合流區的瓶頸特性可以通過對比基本路段與匝道合流區的基本圖(流量和密度的關系圖)進行分析。采用基本圖中的頂部數據缺失和交通狀態突變這一現象來對比分析基本路段與匝道合流區在交通流狀態上的區別是一個很好的方法。由于密度很難直接觀測到，而在各大城市用于檢測交通狀況而采集的數據中使用最廣泛的就是線圈數據，因此常用時間占有率(O)替代密度［1］。最早的基本圖是由Greenshields的線性速密關系推導出來的，呈拋物線形［2］，此后各國學者根據自己的研究提出了不同的基本圖圖型［3－9］，現給出6種基本圖圖型如圖2。此外，國內學者如郝媛等也對基本圖型進行了研究［10］。

圖2 6種基本圖圖形Fig.2 6 different basic graph types

圖3顯示的是某日上海市高架道路獲得的基本路段和入口匝道合流區在白天14 h的數據。

由圖3可知，根據這些數據可推測基本路段比較符合非對稱拋物線形;而入口匝道合流區獲得的數據表現出來的特征卻并不相同，絕大部分的基本圖都呈現大致3種特征:

1)拋物線頂端的數據嚴重缺失，代表車道通行能力附近的數據很少，即交通流狀態很少有能達到車道最大通行能力的情況。

2)數據點的變化并不是按照非對稱拋物線的路徑變化的，經常會出現數據點在還未到達通行能力值附近時，就有從非擁擠區跳到擁擠區及相反方向的突然變化，而中間的過渡數據幾乎沒有。

3)匝道合流區下游由于離開了合流區，車輛開始進行加速，紊亂的交通流也得到恢復，但流量受到合流區限制，因此流量無法達到通行能力。

當然，并不是所有從基本路段采集的數據其頂部數據都與圖3一樣具有完整的頂部數據，實際上，完全不受匝道影響的理想“基本路段”在現實中也是不存在的，更何況基本路段也存在頂部數據缺失和數據跳躍的現象;但根據大量的數據對比可以確定，匝道合流區的頂部數據缺失和數據跳躍的現象較基本路段更為嚴重;通常離入口匝道越遠，基本圖頂部數據越完整，狀態跳躍的現象越少，狀態跳躍的流量起點越高。

圖3 快速路各斷面典型基本圖對比Fig.3 Comparison of basic diagrams on each road section of expressway

3 交通流狀態的空間傳播分析

對交通流狀態的空間傳播進行分析也是進行對比分析的重要手段，圖4為研究路段示意。

圖4 研究路段示意Fig.4 Researched road section

圖5，位于上匝道下游附近的斷面3首先在6點15分開始出現速度大幅下降，速度從60 km/h左右一直下降到25 km/h，說明該區域發生了擁擠;緊接著，斷面2車流的速度也大幅下降;從7點開始，斷面1的速度也開始下降，但是斷面1的速度時而有大幅的速度回升，而位于上匝道下游較遠處的斷面4，速度僅出現了小幅下降，較為穩定。到11點15分時早高峰結束，斷面1的車速首先開始大幅上升，由20 km/h上升到70 km/h左右，基本達到了自由流速度;5分鐘后的斷面2和15分鐘后的斷面3的車流速度也大幅回升，而斷面4此時也有了小幅回升，基本與斷面3的車速一致，到11點20分擁擠結束，見圖5。

圖5 入口匝道外側車道速度時變Fig.5 Speed-time variety of outer lane in on-ramp

從上述分析可知，速度下降的發生基本上是首先從距離上匝道下游不遠處的斷面開始，然后逐漸向上游發展的，消散則正好相反，是從上游逐漸發展到下游的，而遠離下游的斷面則始終變化較小。這個擁擠向上游蔓延的過程是這樣的:在早高峰來到前，主線上游和匝道的流量都比較小，即使是合流，相互之間的干擾也很小，所以能保持較高的速度;當早高峰來到時，主線上游和匝道的流量都在短時間里大幅的增加，相互之間的干擾增大，為了適應其它車輛的速度和避免碰撞，車輛不得不頻繁減速，導致在短時間內出現了速度的大幅下降，在匝道合流區形成擁擠區域，但并不堵塞，仍然保持了約20 km/h的速度，此時上游流量和匝道流量之和超過了匝道合流區的通行能力，擁擠區域開始向上游蔓延，因此呈現了速度突降從斷面3依次到斷面1的速度突降順序;但是上游流量和匝道流量之和并不總是大于匝道通行能力的，當其小于匝道合流區通行能力時，擁擠區域就開始消散，這個秩序正好與之前相反;在這個過程中，到達的流量時大時小，所以擁擠區域也會不斷呈現蔓延和消散的變化，這也是為什么斷面1的速度出現過幾次大幅的回升，原因就在于在該時段擁擠區域消散以致沒有覆蓋斷面1的檢測器，這也說明，離上匝道合流區越遠，受到干擾的可能性越低，時間持續越短。斷面4在擁擠時段只出現了小幅的速度下降(大約下降了30 km/h)，這是因為該斷面遠離匝道合流區，而交通流在離開匝道合流區后，由于沒有了干擾因素，所以車輛逐漸開始加速，到達斷面4時，速度已經有了較大的回升，因此表現出了這樣的檢測結果。還要關注的一點就是下游斷面的速度沒有再回升到上游斷面達到的速度，這是因為盡管匝道和主線的流量減少了，但匝道合流區里的合流行為仍然存在，仍然對車流的運行速度造成了干擾，而上游車輛由于得到了充分的加速且沒有干擾，所以車流回到了自由行駛的狀態。通過各斷面速度下降的先后次序和時序，還可以計算出集結波傳播的速度，相反，消散的時序和持續也可以推出消散比的速度，而同一斷面從速度突降到速度回升所持續的時間即為該斷面處擁擠持續的時間。

4 匝道匯入流量與主線流量相互關系

入口匝道合流區與基本路段在交通運行上的主要區別在于后者同時服務于主線與匝道交通流。由于在實際的快速路交通狀況中，通常無法獲得全部匝道與主線流量關系，所以筆者采用vissim微觀仿真軟件仿真獲得了匝道與主線流量關系，如圖6。從圖6中可以看出，隨著匝道流量從大到小，主線上游流量基本呈現了線性上升的關系，但擬合線略微有些向下彎曲，這說明并不是匝道流量增加的數量與主線上游減少的數量完全一致，即其總和在數據中段出現了下降;這一點從主線下游流量與匝道匯入流量關系可以看得更加清晰，從圖6中還可以看到匝道合流區的通行能力總體上呈現了先降后升的變化，這說明匝道車流的匯入對匝道合流區的通行能力形成了不利影響，導致了通行能力的損失。

圖6 匝道與主線流量關系Fig.6 Volume realationship between ramp and mainline

5 車道橫向分布特征

為了分析匝道銜接區的車道橫向分布特征，筆者選擇了上海市內環高架內圈武夷路上匝道進行數據采集，如圖7。采用的分析指標為不同流量下不同車道分擔的流量比例以及在6:00—12:00點時間段采集的不同車道速度變化的對比，通過這兩項數據，能夠獲得匝道合流區交通流橫向分布特征。

圖7 研究路段Fig.7 Researched road section

如圖8(從上至下依次為斷面1～斷面4)，在遠離入口匝道的斷面1，主線各車道的流量分擔率差別較小，基本上是均衡承擔了流量;但在接近入口匝道的斷面2，內側車道流量的分擔率就很明顯高于外側車道了，這種差別隨車流量的增加而降低，總流量在達到220 pcu/h后，比例基本穩定在6∶4;臨近入口匝道下游的斷面3，雖然仍呈現了明顯的內側車道分擔率高于外側車道，但有2點不同，一是在流量較小時，內外側車道的分擔率差別更大，二是在流量較大時內外側車道的分擔率差別更小;在遠離入口匝道的下游斷面4的橫向分布特征基本與斷面1一致。而從速度分布可以看到無論是在自由流狀態還是在擁擠流狀態還是在匝道上下游的各個斷面，各車道的速度差異都很小，基本上一致。

圖8 交通流橫向分布特征Fig.8 Transverse distribution characteristics of traffic flow

要理解這樣的數據特征，就需要充分的理解匝道合流區的交通流運行。在遠離入口匝道的上游斷面，由于車流基本不受匝道車流的干擾，而是受到交通波的影響，因此無論流量大小，各車道的流量分擔率基本都保持了均衡;在臨近入口匝道時，當駕駛員看到匯合標志或是感受到來自匝道車流匯入帶來的擾動后，會向內側車道變換以減少影響，導致上游各車道交通流分擔率的不同;在臨近匝道合流區的下游，其交通狀態仍然基本保持了合流區內的狀態，流量小時內外側車道分擔率差別更大是因為盡管分擔率高但流量并不大，車輛在經過匝道合流區后，有更大比例的車輛變道到了內側車道;而流量較大時，由于下游已經沒有了匝道合流的干擾，而此時外側車道由于之前流量較少，行車條件相對要好于內側車道，因此有大量的內側車道車輛變道到外側車道，形成平衡，而上游因為有預期的干擾則不存在內側向外側車道變道的車輛。

各車道速度基本一致的特征與通常理解的不一致，因為通常外側車道受到的干擾比較大，應該相對速度較低;而事實上，數據顯示的是外側車道甚至要略高于內側車道，這種情況應該是這樣的:快速路各車道始終能夠保持一種平衡，在遠離匝道的位置，各個車道車流條件基本一致，因此速度也基本一致;而在接近匝道的斷面，當有車輛通過向內側變道以避免合流帶來的干擾，則外側車道出現了密度降低，車輛之間出現了較大的間距，車輛處于一種不斷加速和減速的狀態，一方面匝道車流的干擾讓他們減速，另一方面，前方車輛變道到內側車道帶來的空隙使得他們有加速的空間，這種行車狀態很不舒適，所以許多駕駛員選擇離開外側車道，但在統計的速度值上則完全有可能高于內側車道。

6 結論

筆者基于快速路實測數據和微觀仿真數據，從交通流基本圖、交通流狀態空間傳播、匝道與主線流量關系和車道橫向分布特征4個方面對比了匝道合流區與基本路段的交通流特征。結果表明:由于存在匝道車輛匯入主線的影響，匝道合流區與基本路段的交通流特征存在較大的差別，在城市快速路的規劃、設計、管理和控制中都應該區別對待。

［1］張生瑞.交通流理論與方法［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［2］Greenshields B D.A study of traffic capacity［J］.Highway Research Board，1934，14:448 －477.

［3］Greenberg H.An analysis of traffic flow［J］.Operations Research，1959，7(1):79－85.

［4］Edie L C.Following and Steady-State Theory for Non-Congested Traffic［J］.Operations Research，1961，9(1):66 －76.

［5］Koshi M，Iwasaki M，Ohkura I.Some Findings and an Overview on Vehicular Flow Characteristics［C］//Proc.8th Int.Symp.on Transportation Relationship and Traffic Flow Theory.Toronto:U-niversity of Toronto Press，1983:403 －426.

［6］Athol P J.Interdependence of certain operational characteristics within a moving traffic stream［J］.Highway Research Record，1965，72:57－58.

［7］Hillega B D，Houghton D G，Athol P I.Investigation of flowdensity discontinuity and dual-mode traffic behavior［J］.Trans Research Record，1974，495:53－60.

［8］Kerner B S，Rehborn H.Experimental properties of complexity in traffic flow［J］.Phys.Rev.E，1996，53(5):4275 －4278.

［9］Kerner B S.The physics of traffic［M］.Berlin:Springer，2004.

［10］郝媛，徐天東，孫立軍.城市快速路常發性交通擁擠分析［J］.交通與計算機，2007，25(2):92.HAO Yuan ，XU Tian-dong，SUN Li-jun.Recurrent traffic congestion analysis on urban experssway［J］.Computer and Communication，2007，25(2):92.