基于路上實驗的地下互通立交合流區交通流特性研究

周 燦， 王 紅， 陳 勇

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

近年來[1,2]，隨著我國經濟發展，城市化進程逐漸加快，汽車擁有量不斷增加,與此同時，城市地面可用空間卻越來越少，城市交通需求與供應之間的矛盾日益突出，因此為了緩解城市交通壓力，全國各大城市都在進行地下道路的規劃與建設，地下互通也勢必成為研究的焦點。目前，國內外對于地下交通流的研究很少且主要集中在速度特性和通行能力。楊揚等[3]通過實地調查分析不同交通組成情況下的交通流分布特性；隨后劉碩等[4]和方守恩等[5]基于實車測速實驗，通過多元逐步線性回歸建立運行車速預測模型，并通過駕駛模擬器重點研究地下道路匝道入口段的速度運行特性。李素艷等[6]則結合地下道路的交通特性，對原有模型參數進行修改，得到地下道路通行能力計算模型。而對于地下互通立交的研究主要集中在選型研究[7]、結構研究[8]及運營安全[9]三個方面，對其交通流的研究十分稀少。

由于本文研究的是合流點，其主要駕駛行為是加速車道車輛換道與主路車輛進行合流，因此可用合流點的分布來表征駕駛員選擇換道的時機，再結合地面道路對交通流的研究以及臨界間隙能表征次路駕駛員接受主路車道換道的最小間隙這一特性[10]，因此最終選擇從交通組成、車速、合流點分布以及臨界間隙四個方面展開分析。為了獲取以上四方面的數據，本文設計了實驗方案，進行路上實車實驗，獲取了實驗車以及監控視頻的原始數據，通過對視頻處理及數據提取得到了合流區的交通組成、斷面車速、合流點分布以及合流時主線最外側車道的車頭時距，總結得到地下互通立交合流區交通流特性，為后續地下互通匝道的設計和建設提供一定參考。

1 實車實驗調查

1.1 實驗場景搭建

本文的調查方案采用的是實驗車進行實地調查，基于本文的實驗目的，本文選取的實驗地點為廈門萬石山隧道與鐘鼓山隧道的互通立交，如圖1所示，該實驗點共有3處合流點。

圖1 實車實驗地點

考慮到該實驗在地下進行，本次調查的實驗車如圖2所示,采用可脫離GPS使用的RT2500來采集車輛的坐標和軌跡。實驗車除照度儀外所有的設備進行時間同步，同步后實驗時段內走時誤差低于0.01 s。

圖2 實驗設備

1.2 調查方案

根據公安部交管部門統計數據顯示，男性駕駛人占74%；女性駕駛人占26%，約為2.8∶1，考慮到女性駕駛人比例有升高趨勢，本次實驗共7名駕駛員，男女被試比例取為2.5。

本次調查的實驗路徑如圖3所示，調查時間為7 d，在實驗過程中為了避免駕駛員走相同路段，免除適應性問題。首先，從A洞口出發，沿路徑1行駛；隨后，再從D洞口出發，沿路徑2行駛；最后，從C洞口出發，沿路徑3行駛，最終回到a洞口，完成一個回路的行駛。整個過程中有3個合流點，6次合流。

圖3 實驗路徑

為了保證車輛能夠自由行駛，將每天的試驗劃分為早高峰后、午高峰后以及夜間自由流3個時間段進行，每天在劃分的3個時間段內分別完成一次上述規定的回路，因此合流點的樣本量為126個。為了滿足實驗觀測數據的精度，對理想條件下行車特征觀測的最小樣本量進行估算，按下式計算[11]:

式中：n為控制精度的最小樣本量；?為估計樣本的標準偏差，城市道路通常取?=7.7；K為置信水平系數，一般取95%的置信度水平，即K取1.96；E為觀測允許誤差，根據研究需求和實驗設備的測量精度，E取2.5 km/h。計算得到最小樣本量為40，而本文合流點的樣本量為126，滿足最小樣本量要求。

2 地下互通立交合流區交通流特性分析

2.1 合流區交通組成特性分析

通過對視頻監控的人工統計，將一天劃分為24個小時段來分別統計匝道及主線的交通組成，發現主線交通量的平均值是1 315 veh/h，匝道交通量平均值是151 veh/h，均值為0.11；合流區小型車比例超過90%，因此本文后續對交通流研究時暫不考慮其他車型的影響。

繪制交通量折線圖如圖4所示，早晚高峰對主線交通量的影響嚴重，但加速車道成功匯入主線的交通量受早晚高峰影響很小，且一直處于一個較低水平，這是因為當匝道車流量較大時，主線車流大造成匯入困難。

圖4 合流區小時交通量

2.2 合流區速度特性分析

本文研究的合流區范圍為合流鼻端上游50 m到加速車道末端，設計速度為60 km/h。為了方便分析，以合流鼻端為零點，鼻端上游為負軸，下游為正軸，以25 m為間隔建立一根橫軸，如圖5所示。

圖5 合流區斷面劃分

按照以上方式劃分之后，計算加速車道和主線的每個斷面一段時間內的平均車速，如圖6所示。

圖6 合流區各斷面加速車道和主線平均速度

由圖6可知，主線車流的速度一直保持在一個相對平穩的狀態，在50 m和200 m存在極值，而加速車道的車速則是先增大，在離鼻端150 m達到最大，隨后減小。對比兩條速度折線發現，主線車速始終大于加速車道，這也符合我們對主線速度大于匝道速度特性的認知，還發現在離鼻端100～175 m加速車道與主線速度基本相等，這也說明大多數車輛是在離鼻端50～100 m開始合流，在離鼻端100～175 m這一路段已成功匯入主線，之后加速車道速度急劇下降是因為錯過最佳合流時機，為避免撞到路緣石而減速。而主線速度存在極小值的原因分別為：在50 m處主線車流為配合加速車道準備合流而減速，200 m處是因為支路車流即將錯過合流機會而選擇強行匯入導致主線車流減速。

2.3 合流區合流點分布特性分析

匝道車輛可以在加速車道的任意位置進行合流，對合流點進行研究既可以對斷面速度特征進行驗證，也能夠更好地了解主線上的車頭時距，幫助分析臨界間隙。選擇上述編號為2、4、6、8、10的斷面，將鼻端下游分為5個區域，每個區域50 m，利用視頻觀測統計出加速車道上每一輛合流車輛的合流點位置以及對應的主路車頭時距，合流點分布如圖7所示，主線車頭時距分布如圖8所示。

圖7 合流區加速車道合流點位置分布

圖8 不同區域合流區車頭時距均值分布

從圖7可知，76.66%的車輛選擇在離鼻端50～150 m的區域進行合流，這一區域也是加速車道中部，也驗證了前面速度斷面分析得出的結論。同樣也有22.67%的車輛是在加速車道末端合流，這是因為此時合流區交通量過大，主線最外側車道上已經占滿了車輛，加速車道車輛已錯過了最佳合流時機，這種情況下，駕駛員心情急迫，可能強行變道合流。

從圖8中可以很明顯看出車頭時距均值與距離鼻端的距離呈負相關，即距離鼻端越遠，合流點的車頭時距越小。這是因為當加速車道越來越短，駕駛員完成合流的心情更加迫切，導致其對于能完成合流的車頭時距要求降低，甚至會為了合流出現短時間內加速強行變道的駕駛行為，這也是出現加速車道終點漸變段車頭時距低至1.386 s的原因。

2.4 合流區臨界間隙特性分析

臨界間隙不能直接觀測到，只能通過測定不同駕駛員接受和拒絕的主路車流的間隙來間接計算臨界間隙。臨界間隙的計算方法主要分為兩類，一類是回歸方法，另一類是估計概率分布的方法。經過多種方法的比較，最終采用Ashworth法[12]來計算臨界間隙，計算公式如下：

表1 合流區臨界間隙分布統計

分析表1中的數據可以得知，臨界間隙與車頭時距一樣同離鼻端的距離呈負相關，其變化趨勢也符合駕駛員在加速車道上的駕駛心理及駕駛行為。

綜上所述，經過對合流區交通組成、速度、合流點、車頭時距四個方面的分析，歸納出了合流區基本交通流的規律。

(1) 在自由流狀態下，整個合流區的主線交通量受早晚高峰影響較大，而加速車道匯入主線的數量受主線交通量和自身交通量的影響，合流比基本維持在0.11左右。

(2) 地下互通合流區的速度，在橫向上，主線車速均高于加速車道；縱向上，主線車道的速度總體趨于平穩，加速車道上的車輛合流行為會導致主線速度減低，但影響程度不大，而加速車道上的車速則受主線車速、加速車道長度等影響呈現先增后減的趨勢。在整個加速車道上，76.66%的車輛選擇在加速車道中部50～150 m的區域進行合流，50～150 m也是加速車道速度最接近主線車速的區域。速度特性和合流點分布的關聯分析可以發現兩者共同說明了加速車道中部是最佳合流點，并且發現主線車道的駕駛行為與加速車道的駕駛行為互相影響。

通過對比分析車頭時距和臨界間隙發現,合流過程中駕駛員對于合流點以及合流條件的判斷受加速車道剩余長度及主線車流的影響，加速車道剩余長度越長，駕駛員對換道條件要求越高，隨著加速長度減少，對換道條件逐漸降低。

3 結束語

本文是有關地下互通系列研究中關于合流區的階段性研究成果，通過研究，得出：① 主線交通組成和加速車道交通組成的關系；② 加速車道行駛距離和速度對合流區分布的影響規律；③ 加速車道臨界間隙規律。在探討交通流特性時發現在加速車道末端由于外界環境以及駕駛員心理導致的駕駛行為會造成合流的不安全性。因此,后續研究可以進一步對整個合流過程中外部環境和駕駛員心理進一步分析，以發現整個過程中的潛在危險因素并提出有針對性的措施，為后續建設更加安全的地下道路匝道和加速車道提供一定的參考。