基于GIS技術的小間距互通交織區交通特性研究

陳寬民，田 甜，夏立品

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

通常所說的互通立交間距是指相鄰互通立交主線間距，即兩條橫向道路和主線交叉點的距離S，受地形及用地等條件的限制，城市快速路互通間距會出現小于規范值的情況，當S≤2.5 km時，則稱為小間距互通。互通立交間距如果過短，不僅造成工程投資的浪費，而且會引起交通流頻繁地交織，從而導致城市快速路上交通流的紊亂，影響城市快速路功能的正常發揮, 易引發交通事故。研究小間距互通交織區交通流特性可為交通管理措施的制定提供依據。互通立交間距示意如圖1。國內針對匝道分合流區交通流特性的研究起步較晚，科研成果主要集中在快速路系統規劃、布局設計、交通組織、交通控制以及交通流特性分析等方面。且相關研究主要局限于常規分流區與合流區分離獨立的交通流運行特性。

圖1 互通立交間距示意Fig. 1 Sketch map of interchange distance

鐘連徳等[1]對我國城市快速路與國外高速公路的交通運行特性進行了詳細的對比分析，認為大多數城市快速路與高速公路的交通運行特性相似，但也有少部分存在較大差異。薛行健等[2]以實際交通調查和交通仿真數據為基礎，對城市快速路匝道合流區與基本路段的交通特性進行了對比分析，證實了快速路匝道合流區的交通運行規律的復雜性與不確定性，提出快速路入口匝道控制方法應該選用與普通交叉口相區別的控制方法。陳學文[3]以實際交通調查數據為基礎，建立了入口匝道和出口匝道的控制模型，包括入口匝道感性控制，入口匝道實時優化控制，以及出口匝道感性控制和出口匝道輔路調節控制。該模型可以一定程度上提高快速路的通行效率，減少交通流之間的沖突現象，保障車輛運行安全。李洪萍[4]以快速路系統目標為起點，通過層次分析法和模糊理論分析法，建立了不同評價指標下的城市快速路系統服務水平評價體系，并且進行了算例分析。D.NGODUY等[5]指出現有的宏觀交通流模型并不能夠準確地描述快速路多車道交通流的動態特性，特別是出入口匝道區域，提出了一個涉及車道變換的交通流模型，該模型主要在微觀上考慮出入口匝道區域的車輛換道行為，進而根據氣體動力學理論建立了一個快速路多車道交通流模型。D.H. NI 等[6]運用交通仿真手段研究了匝道連接段的分合流行為，假設進出匝道車輛總是具有通過合流區和分流排隊的優先權，但實際上的交通流運行情況要自由的多。

相關研究表明車流匯入主線影響范圍在加速車道與主線最外側兩車道從加速車道開始后457.2m處[7]，但未提供詳細的沿線車速變化數據，可應用海量實測數據對合理車輛加速區范圍進行識別。

綜上所述，城市快速路出入口匝道交通流特性及運行規律研究取得了很多成果，為匝道分合流區交通管理與控制提供了技術支持和理論基礎，但大部分研究把合流區和分流區分開來進行研究，缺乏對小間距互通交織區連續性交通特性的研究。筆者根據交通流運行特性將交織區分為5個部分，即匝道入口(區域)、合流區域、交叉段、分流區域、匝道出口(區域)，交叉段指交織區內車輛通過匝道入口加速之后到達匝道出口減速之前的過渡段，如圖2。利用出租車GPS數據對小間距互通出入匝道間交織區交通流進行連續性分析，分析不同交通量條件下分、合流區與主線交通流特性。

圖2 小間距互通交織區分段示意Fig. 2 Schematic diagram of small interval interchange area

1 研究思路

筆者選擇西安市東三環快速路、繞城高速上符合條件的小間距互通交織區為研究對象，基于GIS技術利用西安市2015年出租車GPS數據(將車輛定位點數據與空間路網數據相匹配)進行分析，得到互通交織區連續速度特性。根據數據分析結果，得到小間距互通交織區交通流運行交通特性。

2 出租車GPS數據預處理

數據庫中的原始數據主要保存了出租車上裝配的GPS終端所采集的數據，這些數據包括序號、車牌號碼、GPS時間、經度、緯度、車輛狀態(空車、重車)、車輛速度、車輛方向等信息。

由于出租車具有特殊的行駛特性，部分數據信息不能如實的反映車輛的運行狀況，必須進行奇異數據的排除。出租車有載客和空載兩種狀態。出租車載客時，駕駛員通常試圖以較快的速度到達目的地。這種狀態下的GPS信息可以比較真實的反映車輛的運行狀態；當出租車空載時，駕駛員處于覓客中，通常不會以較快的速度行駛，甚至停車待客。由于出租車在運行過程中GPS定位會出現漂移現象，所以在GIS分析與路網匹配時，需要把道路以外的數據點刪除，降低數據的統計誤差，因此分析之前需要對奇異數據進行剔除。

3 基于出租車GPS數據的互通交織區交通流特性分析方法

互通交織區交通流特性包括分合流區的速度特性、分合流區交通流對主線的影響范圍等。根據高速公路沿線車速統計分布特性，車輛在接近互通立交時車速會有一定程度的降低，然后保持相對穩定的車速通過互通立交，經過匝道合流點后，車速逐步提升至正常水平[8]。主線上的車輛進入合流區時，在右側匝道駛入車流的影響下，主線右側最外側車道上的車流將受到干擾。當匝道流量較大時，迫使最外側車道上的部分車流轉移到左側車道。合流區內這種運行特性必然影響到主線上的交通流，在一定情況下，降低主線車流的運行速度，影響車流穩定性，影響范圍波及到合流區上下游的一定距離。在車輛進入分流區時，需要駛出車輛進行減速以完成換道，從而影響其他車輛的正常行駛，引起交通流紊亂。

在圖2所示的交織區的合流區內，以合流點為起始點，10 m為單位長度將下游受合流區影響范圍分成n段(n>30)，上游受合流區影響范圍分為m段(m>30)；同理，在分流區，以分流點為起始點，10 m為單位長度將下游受分流區影響范圍分成l段(l>30)，上游受分流區影響范圍分為k段(k>30)，道路基本單元分段如圖3。

圖3 高速公路基本分段及與GPS數據對應關系Fig. 3 Basic segmentation of expressway and its correspondence with GPS data

(1)

其相鄰路段速度的增長率計為wm-1依次為：(V2-V1)/V1、(V3-V2)/V2、(V4-V3)/V3、…、(Vm-Vm-1)/Vm-1；由于在高速公路或城市快速路等等級較高路段上，車輛運行較平穩，車輛間速度離差較小，同時，在外界條件干擾較小的條件下，同一輛車在較長一段距離內能夠保持相對的勻速行駛，所以，筆者假定在相鄰路段內速度標準差差距較小(小于閾值ψ)且相鄰基本路段單元平均車速增長率小于閾值w(w由基本路段平均速度及分、合流區處的平均速度來確定)，認定為超出分流區、合流區影響范圍。計合流點上、下游影響范圍長度分別為Lm、Ln，則合流區影響范圍長度為L合=Lm+Ln；分流點上下游影響范圍長度分別為Ll、Lk，則分流區影響范圍長度為L分=Ll+Lk；道路基本路段平均車速為V主，合流點處平均速度為V合，交叉段內平均車速為V交、分流點處的平均速度為V分。分、合流區影響范圍識別判斷流程如圖4。

圖4 分、合流區影響范圍識別判斷流程Fig. 4 Identification flow of influencing range of confluence area

4 城市快速路小間距互通交織區交通流速度特性分析

三環城市快速路是西安城市道路網骨架的重要組成部分，在市內道路交通網和區域公路網中發揮著重要的作用。主線全長74.8 km，有互通式立交橋29座，互通平均間距2.57 km，最小互通間距約為1.5 km。互通立交間距如果過短，不僅造成工程投資的浪費，而且會引起交通流頻繁地交織，從而導致城市快速路上交通流的紊亂，影響城市快速路功能的正常發揮, 還容易引起交通事故。有必要研究小間距互通交叉段交通流特性，為其交通管理措施的制定提供依據。筆者選取互通組道路特性如表1。

表1 所選互通組道路特性Table 1 Selected set of Road Interchange characteristics

東三環互通A、東三環互通B、外環高速互通C各選取若干時段數據出租車GPS數據來分析各組互通的交通流速度特性。每一時段內，出租車的樣本量在一定程度上反應該時段的交通流量，數據樣本量越大，該時段內交通流越大。為研究交通流量的大小對分流、合流區速度特性的影響，特選取交通流量具有梯度變化的時段進行分析。各互通速度特性分析結果如表2，圖5。由表2，圖5可見，東三環互通A組4個時段樣本量分別為806、267、2 017、3 286個，對應主線速度分別為79、84、78、69 km/h；合流區平均速度分別為交叉段速度的84.8%、80.9%、79.5%、85.5%；分流區速度分別為交叉段速度的67.1%、78.6%、87.2%、82.6%。東三環互通B組4個時段樣本量分別為657、235、1 821、3 165個，對應的主線速度分別為80、77、71、65 km/h；合流區平均速度分別為交叉段速度的66.3%、89.3%、77.5%、89.2%；分流區速度分別為交叉段速度的81.3%、74.7%、74.6%、69.2%。外環高速互通C組主線速度為103 km/h，合流區車速為84 km/h，分流區車速為83 km/h，交叉段內速度基本保持穩定，平均車速為91 km/h，最大速度差為10 km/h。交叉段車速比基本路段上低，其平均車速為主線車速的89%；在匝道與主線連接處車速為交叉段平均車速的81%。

表2 三組互通交織區分時段連續速度特性Table 2 Three groups of interwoven continuous time-division rate characteristics

注：樣本交通量為某一時段的GPS數據速度樣本，樣本量越大，在一定程度上也反映出該時段內交通量越大。

圖5 互通組交織區各分區交通流特性圖示Fig. 5 Traffic flow characteristics of each area

通過上述數據統計分析，主線流量駛入合流區受相連入口匝道車流量影響，速度會適當降低，通過匝道與主線連接處之后，車速又逐漸恢復。受互通間距較小的影響，車流在相對較短的間距內需完成交織變道的過程，流量速度在恢復一定程度后保持相對均衡的速度行駛，但較匝道入口前主線要低，其速度大小受交織流量大小的影響，交通流越大，速度越低，在車輛進入分流區，車流速度受分流車輛的影響，速度將會降低。結果表明，在同一時段交通量相同的條件下，分流區交通流速度下降幅度普遍比合流區大，分流區受分流交通流影響程度比合流區受合流車輛的影響程度要大。在不同時段交通量不同的條件下，對同一互通組各時段的速度特性進行分析，結果表明：分流區、合流區、交叉段速度受交通量大小的影響，交通量越大，速度越小；分流區、合流區相對于交叉段的速度下降幅度基本不受交通量大小的影響，在交通量較小的情況下，主線車輛運行速度較大，在通過分流區、合流區時速度降低至相對較大值。在交通量較大的情況下，主線車輛運行速度較小，在通過分流區、合流區時速度降低至相對較小值，但兩種交通量狀態下，速度下降幅度基本相同，與交通量大小沒直接的關系。

5 匝道出、入口對主線交通流影響范圍的分析

研究城市快速路及高速公路小間距互通匝道出、入口對主線的影響范圍對小間距互通最小間距的確定具有重要意義。筆者選擇東三環和外環高速符合條件的互通作為研究對象，為盡可能的反應交通流在自由流速度條件下的特性，選擇城市快速路東三環非高峰時段數據及高速公路數據進行研究。在速度特性研究的基礎上確定匝道出、入口對主線的影響范圍，并對比東三環與外環高速的數據得出相關結論。

通過對小間距互通各區段速度特性研究結果可知，車輛通過入口匝道后車速先增大達到平穩值，隨后受分流交通流的影響，在到達出口匝道前速度開始減小。主線交通流通過合流區、分流區時，受合流、分流交通流的影響，主線車輛分為減速、相對勻速、加速3個階段，研究出入匝道車流對主線交通流的影響范圍，應考慮以上3個階段。筆者設定分合流影響區內平均速度低于主線平均速度的80%時，為受影響范圍。東三環、外環高速匝道出入口對主線影響范圍數據分析結果如表3。

表3 東三環、外環高速匝道出、入口對主線影響范圍數據分析Table 3 Analysis of East Third Ring Road outer ring expressway entrance ramp in main influence range of data

由表3可見，東三環出口影響范圍平均長度為227 m，入口影響范圍平均長度為168 m。外環高速出口影響范圍平均長度為273 m，入口影響范圍平均長度為214 m。分流交通流對主線的影響范圍要比合流交通流對主線的影響范圍大。匯入交通流通過入口匝道進入主線之前進入輔助車道上行駛，尋找合適車頭間距匯入主線交通流，由于此過程具有選擇性，所以對主線的交通流影響較小；分流交通流在進入出口匝道之前需要從主線交通流分離出來，由于此過程具有強制性，部分駕駛員駕駛較為謹慎，需要在距離出口匝道較遠距離變換車道，因此對主線的交通流影響較大。東三環交叉段平均速度為 80.3 km/h，出口影響范圍平均長度為227 m，入口影響范圍平均長度為168 m。外環高速交叉段速度為91 km/h，出口影響范圍平均長度為273 m，入口影響范圍平均長度為214 m。對比東三環與外環高速數據分析表明：交叉段主線速度越大，匝道出入口受影響范圍長度越長。運行速度越高，駕駛員的駕駛特性也表現為越謹慎，在即將進入出入口匝道之前，受前方車輛的影響，為保證駕駛的安全性，運行車速越高，減速位置越提前。

6 結 論

筆者選擇西安市東三環快速路、外環高速符合條件的小間距互通為研究對象，利用出租車GPS數據對小間距互通出、入匝道間交織區交通流特性進行連續性分析，分別研究了相同交通量及不同交通量條件下分、合流區與主線交通流特性。得到了小間距互通匝道出、入口縱向速度分布特性及分、合流區速度與主線速度關系，具體結論如下。

1)小間距互通匝道出、入口范圍內，交通流速度受交通量影響，交通量越大，交通流速度越小。

2)分、合流區速度相對主線速度的下降幅度基本穩定，與交通量大小沒有太大關系。

3)分流區受分流車輛的影響程度要比合流區受合流車輛的影響程度大，影響程度體現在車速下降幅度對主線車流的影響范圍。

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