大雨天氣下高速公路交通流特性分析

顏冉，韓高峰，葉小群

(1.安徽建筑大學 規劃系，安徽 合肥 230022；2.安徽省交通規劃設計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 規劃系，安徽 合肥 230022；2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

為研究大雨對交通流特性的影響，以舊金山奧克蘭境內的I880N高速公路98#大街南側路段為研究對象，在分析交通流速度隨時間變化的基礎上，研究不同車道位置在大雨天氣下交通流速度的變化情況；分析大雨時速度-流量散點圖的分布規律；采用實際數據標定Van-Aerde、Greenshields兩種經典的宏觀交通流模型。結果表明：與無雨相比，大雨時自由流速度、通行能力分別下降約11.2%和19.6%，阻塞密度升高約50%；大雨時車輛速度呈彌散分布，交通流趨于不穩定狀態，大雨更容易引起交通擁堵，且與內側車道相比，外側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減小，車輛制動性能降低，同時雨天能見度低，影響駕駛員的視距和心理。據統計，我國公路50%的交通事故、71%的重特大交通事故發生在不良氣候條件下[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，很容易發生交通事故；如果車輛速度降低很多，則會降低道路的通行效率，造成資源浪費。所以研究雨天道路交通流特性的變化規律，并采取相應的調控措施，在確保安全的情況下提高通行效率，對解決雨天的交通問題具有重要意義。

國內外學者針對不利天氣對于交通流特性的影響做了諸多研究。文獻[3-4]通過對不利天氣下交通流參數的調查，運用虛擬變量多元回歸方法分析不同天氣條件下交通流運行的特點；文獻[5]采用雨天交通流數據標定Van Aerde模型對雨天高速公路交通流特性進行分析；文獻[6]以間隙-接受理論為基礎，引入天氣影響因子，建立基于隨機效用理論的換道模型；文獻[7]通過細化元胞尺寸引入速度因子參數和間距因子參數對冰雪條件下的交通流特性進行研究；文獻[8]結合實測數據分析降雨對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[9]從微觀層面研究在不同交通密度下降雨對車輛運行速度的影響；文獻[10]采用HLM模型分析降雨對交通流速度的影響；文獻[11]采用t檢驗分析，指出降雨對車輛速度具有顯著影響，并用相關系數描述降雨與速度之間的關系；文獻[12]獲取了降雨時機場高速路段的交通參數，對比分析降雨天氣和正常天氣下的交通流速度和車頭時距等參數的變化特性。根據美國高速公路通行能力手冊[13](HCM2010)，降雨條件下通行能力平均下降了2%～14%。

上述研究側重于從道路整體出發，對采集到的雨天交通流數據進行統計回歸分析，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。本文從大雨對交通流影響的時間序列出發，在分析大雨天氣下不同車道位置上交通流速度、交通流率等參數變化的基礎上，標定宏觀交通流模型，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 降雨量時間分布圖

速度作為重要的交通流參數，較易被感知和觀測。選取2012-11-30(大雨)、2012-12-21T7:00：00—14:00：00(無雨)，舊金山奧克蘭境內的I880N高速公路第98#大街南側路段98#檢測器(經度37.730 698，緯度-122.187 572)檢測的交通流數據以及該檢測點附近的氣象站提供的降雨強度、能見度等氣象數據。該路段限速112.6 km/h，其中降雨強度隨時間的變化情況如圖1所示。調查路段為4車道，車道排序由內向外分別為1～4車道。

由圖1可知，在9：23：00前后為強降雨時段，對應的道路上不同車道交通流率(指通過道路某一橫斷面，這里指檢測器在不足1 h時間段內測得的車輛數換算成的1 h交通量，檢測器計數間隔為30 s。)與時間占有率[14](指在觀測時間內，車輛占據某一路段的時間與觀測時間的比值，這里指占據檢測器的時間。)的時間序列圖如圖2、3所示；交通流的速度時間分布如圖4所示。

圖2 大雨時交通流率時間序列圖

由圖2～4可知：研究時段內大雨對交通流率的影響較小，對時間占有率和車輛速度的影響較大。時間占有率對降雨的敏感性較大，在9:23：00的降雨強度下時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了一段時間，車道1和車道2速度降低持續時間較車道3和車道4長。這些表明降雨對車輛速度的影響具有一定的持續性，且速度越高，持續的時間越長，影響越大。

圖3 大雨時車輛時間占有率時間序列圖

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4條車道車輛速度累計頻率(指小于等于某一速度的車輛數與總車輛數的比值)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。與無雨時相比，大雨天氣下4條車道速度集中分布的區間均降低，平均約下降40 km/h，這也表明降雨對車輛速度的影響很大。

圖5 無雨和大雨時4條車道車輛速度累計頻率分布曲線

1.2速度-交通流量特性

根據獲取的交通流參數，對4條車道的速度與交通流量之間的關系進行分析，如圖6、7所示。

圖6 大雨天氣車輛速度-流量散點圖

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-交通流量散點圖較為集中，大都集中在高速區域；大雨天氣下的散點圖較為分散，從高速到低速區域均有分布；與大雨天氣相比，無雨天氣下內車道比外車道的交通流更穩定。因此很有必要針對不同車道位置分別進行有差別化的交通管制，且在不同的降雨強度和降雨時段設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-流量散點圖

速度-密度線性關系的Greenshields模型為：

v=vf(1-k/kj)，

由流量、速度、密度三者之間的基本關系可以得到流量與速度的關系表達式

q=kj(v-(v2/vf))。

2.2模型參數標定

根據選取的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車道的交通流數據分別對模型中的參數進行標定，以無雨天氣的交通流特性為基礎，對大雨天氣下的交通流特性進行分析。基于Van-Aerde的2種天氣參數標定為：無雨天氣時vf、vc分別為143、121 km/h，kj=59輛/km，qc=1 800輛/h；大雨天氣時vf、vc分別為127、84 km/h，kj=116輛/km，qc=1 466輛/h。基于Greenshields的2種天氣參數標定為：無雨天氣時vf、kj分別為181 km/h、28輛/km；大雨天氣時vf、kj分別為160 km/h、34輛/km。實測數據與兩種模型的速度-流量曲線如圖8所示。

圖8 實測數據與2種模型的速度-流量曲線

由圖8可以看出：無雨天氣下數據點比較集中，大都處在高速區，大雨天氣下數據點分布離散，少部分數據點分布在高速區，大部分數據點分布在中低速區。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定性。無論是無雨還是雨天Van-Aerde模型與實測數據的擬合效果均優于Greenshields模型，這表明Van-Aerde模型更能真實地反應大雨天氣高速公路的交通流特性。

3 結語

1)對比分析降雨和無雨天氣下4個車道的速度累計分布曲線的差異，表明降雨對車輛速度的影響具有一定的持續性，且速度越高，持續的時間越長，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間均比無雨天氣低，平均約下降40 km/h。

3)根據速度-交通流量散點圖，大雨時散點圖處于較為彌散的狀態，交通流表現出不穩定傾向；與1、2車道相比，3、4車道的交通流速度呈彌散分布。

4)實測數據與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模型更能真實地反應大雨天氣高速公路交通流特性。

5)本文僅分析了大雨強度下不同車道的交通流特性，其他降雨強度下交通流速度、流量的變化是下一步需要完善的內容。其次在對模型參數標定時，選用車道2的實際交通流數據，得出交通流模型參數,因此，分析結果不能完全反應降雨強度對其他車道交通流的影響，但分析方法相同。

[1]陳勇.不良氣候條件下道路交通安全事故預防系統研究[D].重慶：重慶大學，2007. CHEN Yong.Study on prevention system of road traffic safety accidents in rough weather[D].Chongging:Chongging University,2007.

[2]QIU L，NIXON W A.Effects of adverse weather on traffic crashes: systematic review and meta-analysis[J]. Transportation Research Board，2008，2055(1)：139-146.

[3]HALL F L， BARROW D.Effect of weather on the relationship between flow and occupancy on freeways[J]. Transportation Research Board，1988,1194:55-63.

[4]IBRAHIM A T，HALL F L.Effect of adverse weather conditions on speed-flow-occupancy relationships[J]. Transportation Research Board，1994,1457:184-191.

[5]張存保，萬平，梅朝輝，等.雨天環境下高速公路交通流特性及模型研究[J].武漢理工大學學報，2013，35(3)：63-67. ZHANG Cunbao，WAN Ping，MEI Zhaohui，et al.Traffic flow characteristics and models of freeway under rain weather[J].Journal of Wuhan University of Technology，2013，35(3)：63-67.

[6]陳秋香.基于匝道區數據的惡劣天氣下換道行為研究[D].成都：西南交通大學，2014. CHEN Qiuxiang.Study on lane-changing behavior in bad weather based data of ramp section[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University，2014.

[7]趙韓濤，聶涔，李靜茹.冰雪條件下的交通流元胞自動機模型[J].交通運輸系統工程與信息，2015，15(1)：87-92. ZHAO Hantao，NIE Cen，LI Jingru.Cellular automaton model for traffic flow under ice and snowfall conditions[J].Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology，2015，15(1)：87-92.

[8]李長城，劉小明，榮建.降雨條件下高速公路車輛行駛速度特性[J].北京工業大學學報，2015，41(3)：412-418. LI Changcheng，LIU Xiaoming，RONG Jian.Characteristics of vehicle speed for expressway under rain weather condition[J].Journal of Beijing University of Technology，2015，41(3)：412-418.

[9]張衛華，顏冉，馮忠祥，等.雨天高速公路車輛換道模型研究[J].物理學報，2016，65(6)：188-196. ZHANG Weihua，YAN Ran，FENG Zhongxiang，et al.Study of highway lane-changing model under rain weather [J].Acta Physica Sinica，2016，65(6)：188-196.

[10]林志恒，何兆成，戴秀斌，等.考慮降雨影響的城市交通流車速多層線形模型研究[J].公路交通科技，2014，31(10)：119-125. LIN Zhiheng，HE Zhaocheng，DAI Xiubin，et al.Research on urban traffic speed hierarchical linear model considering rainfall effect[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2014，31(10)：119-125.

[11]曾偉良，龔俊鋒，何兆成，等.降雨對城市道路交通行駛速度的影響分析[J].環境科學與技術，2011，34(12H)：202-208. ZENG Weiliang，GONG Junfeng，HE Zhaocheng，et al.Analysis of rainfall impact on urban road traffic speed[J].Environmental Science & Technology，2011，34(12H)：202-208.

[12]唐榛，朱興琳，劉泓君.烏魯木齊機場高速路降雨天氣的交通調查與特性分析[J].交通科技與經濟，2015，17(6):19-23. TANG Zhen，ZHU Xinglin，LIU Hongjun.The rain weather′s traffic survey and characteristics analysis[J].Technology & Economy in Areas of Communications，2015，17(6)：19-23.

[13]Transportation Research Board.Highway capacity manual 2010[M].Washington D.C.:Transportation Research Board，2010．

[14]翁小雄，杜高麗，譚國賢.基于時間占有率的短時交通預測模型[J].控制工程，2005，12(S):103-130. WENG Xiaoxiong，DU Gaoli，TAN Guoxian.Short-term traffic prediction model based on occupancy[J].Control Engineering of China，2005，12(S)：103-130.

[15]王煒.交通工程學[M].南京：東南大學出版社，2000:29-30.

[16]RAKHA H，CROWTHER B.A comparison of the greenshields，pipes，and van aerde car-following and traffic stream models[J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board，2002，1801(1)：248-262.

[17]RSKHA H，ARAFEH M.Calibrating steady-state traffic stream and car-following models using loop detector data[J]. Transportation Science，2010，44(2)：151-168.

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

(責任編輯：楊秀紅)

2016-10-10

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

顏冉(1989—)，女，安徽亳州人，工學碩士，助教，主要研究方向為交通運輸規劃與管理，E-mail: yanranjia@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.003