預(yù)告標志對城市快速道路交織區(qū)交通流特性的影響

華 鋒

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引 言

交織區(qū)是城市快速路系統(tǒng)的重要組成部分，由于道路流向復(fù)雜和區(qū)段內(nèi)大量的交織換道操作，導(dǎo)致其運行狀態(tài)極不穩(wěn)定，容易形成常發(fā)性擁擠瓶頸，成為快速路的瓶頸區(qū)域[1]，且極易在入口匝道與出口匝道處發(fā)生交通事故或擁堵，嚴重時還會影響到基本路段，大幅降低快速路的通行能力，影響城市路網(wǎng)運行。

對于影響交織區(qū)交通流特性的各方面因素，研究人員已經(jīng)從最佳交織區(qū)長度[2]、路側(cè)指路信息[3]、交通流密度[4]、仿真[5]、換道行為[6]等多方面進行了研究。

指路標志是向駕駛員傳遞前進方向、地點以及距離的主要交通設(shè)施。目前的研究主要集中于安裝位置[7]、駕駛員注意力分配[8]、字符高度[9-10]、認知機理[11]等方面。

由于交織區(qū)對于城市路網(wǎng)運行的重要性，對其通行能力與區(qū)域內(nèi)各項影響因素進行研究成為重要課題。通過對交織區(qū)的交通流特征進行研究分析，能夠為城市路網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、運營等各個階段提供一定的合理建議。本文著眼于交織路段內(nèi)的預(yù)告標志設(shè)置與交織段交通流特征之間的關(guān)系，為交織區(qū)道路設(shè)計提供思路。

1 視頻數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析

1.1 視頻采集

對于城市快速路而言，其交織路段集中出現(xiàn)在入口與出口路段，并且長度較為固定。考慮到能夠更加直觀且容易地采集到快速路出口匝道附近的車流錄像，選擇在快速路出口附近的人行天橋上進行視頻采集。

選擇的路段為雙向四車道(圖1、2)，快速路出口所在路段屬于平行式出口，此處設(shè)置的交通指路標志為地點方向指路標志。從拍攝所在天橋至快速路出口處全長330 m，快速路限速60 km·h-1。選擇多時段進行視頻錄制，獲得有效視頻15段，在檢測車流軌跡后進行合成。

圖1 江東快速路草場門大街方向出口

圖2 觀測路段示意

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 車流軌跡

獲得穩(wěn)定且較為精確的車輛行駛軌跡首先需要能夠有效地將運動的車輛與視頻中其他的物體分離開。使用OpenCV對視頻實現(xiàn)車輛識別[12](圖3)，并嘗試追蹤車輛畫出運動軌跡(圖4)。尋找識別對象的中心點并將其逐幀畫線連接起來生成車輛運動軌跡。為了保證最終形成的車輛軌跡完整有效，在軌跡檢測過程中將視頻起點幀中位于畫面最下端的車輛作為軌跡生成的起點。由于無法一次性同時對所有車輛進行連續(xù)有效追蹤，通過后期處理合成獲得更加直觀、清晰的車流軌跡(圖5)。

圖3 車輛識別

圖4 尋找并連接識別框中心點得到軌跡

圖5 合成車流軌跡示意

1.2.2 車輛駛離比

由于出口附近指路標志的主要功能是向駛離快速路的車輛指明行駛方向，提示車輛及時換道，而對直行車輛影響不大，故在此次觀測過程中將重點對外側(cè)3個車道進行觀測。但在統(tǒng)計駛離快速路車輛數(shù)的同時，也需要對路段觀測時間內(nèi)的總流量進行統(tǒng)計，以得到路段的車輛比，后續(xù)數(shù)據(jù)分析與研究將在此駛離比上進行。對于分別統(tǒng)計采集到的多段錄像中駛離快速路的車輛占比，最終得到車輛駛離比的均值，見表1。

表1 觀測路段車輛駛離比

1.2.3 車道變換持續(xù)時間

在觀察路段中，所有由主車道向車道4進行變換的、由車道4向主車道進行變換的換道行為均為強制換道，而在3個主車道間發(fā)生的車道變換行為均為自由換道。此外，在換道行為中單次換道與連續(xù)換道的特征與對交通流的影響也有著很大的區(qū)別。在本次研究過程中，僅對單次換道行為進行研究。對于連續(xù)換道，將其視作連續(xù)進行的多個單次換道處理。

在記錄車輛進行車道變換的持續(xù)時間時，將車輛橫向位移連續(xù)單向變化的時間段作為一次換道所持續(xù)的時間。作為觀察對象的換道車輛，其換道動作起點幀和終點幀與該視頻車輛軌跡開始與結(jié)束檢測的幀之間間隔至少2 s，以保證觀察到的整個換道動作的完整性。觀察路段內(nèi)車輛換道時間集中分布在7～9 s。換道持續(xù)時間分布見圖6。

圖6 車輛換道持續(xù)時間分布

1.3 采集結(jié)果分析

1.3.1 車輛換道次數(shù)

在此次采集到的錄像中共發(fā)生了220次有效換道動作，其中自由換道占48.6%，強制換道占51.4%，自由換道與強制換道的占比基本相同。

在指路標志所在道路斷面上游開始實施的換道行為多在下游(63.34%)，且自由換道次數(shù)與強制換道次數(shù)相當。而在指路標志下游開始的換道動作中強制換道占多數(shù)(78.26%)。

1.3.2 車輛換道模型

在交織區(qū)內(nèi)，因為強制換道行為的存在使得該區(qū)域的交通流比一般路段的交通流更為復(fù)雜，通行能力更低，容量下降。車輛進行換道時所需要考慮的因素包括目標車道后車車速、兩車相對速度、可接受間隙等。一次完整的換道過程可以被分為產(chǎn)生換道意圖、選擇目標車道、實施換道行為3個步驟[13-14]。

根據(jù)采集的車輛換道數(shù)據(jù)，嘗試建立簡單的車輛換道模型。對于必須進行換道的強制換道行為，其生成換道意圖時判斷間距的標準為

結(jié)合視頻中觀察到的車輛換道現(xiàn)象，模型中假設(shè)當換道車輛與目標車道前后車的間距滿足換道條件時立即實施換道，若不滿足，則車輛開始減速，并示意目標車道后車減速，直至間距滿足換道條件時進行換道。

對于希望換道加速或避免交織車流影響而換道至內(nèi)側(cè)的自由換道車輛，其進行換道前判斷間距的標準為

根據(jù)視頻數(shù)據(jù)，車輛在指路標志上游區(qū)域進行換道，即對指路標志視認完成后立即做出換道決策時，對周圍車輛的影響較小，換道過程中的減速行為不明顯。在此區(qū)域內(nèi)交通流密度較低，車道占有率較低，換道車輛行駛速度與直行車輛行駛速度沒有明顯差別。在指路標志下游，當車輛選擇在臨近出口處實施強制換道時車輛減速明顯，強制換道車速相較上游區(qū)域沒有明顯差別。同時當車輛在出口附近實施換道時，出口匝道及其臨近車道在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了明顯的流量增大、車速減緩現(xiàn)象。此外，發(fā)現(xiàn)當有車輛由內(nèi)部車道實施連續(xù)換道駛離快速路，且開始實施時截面占有率較低時，車輛會加速完成連續(xù)強制變道，但對周圍車流影響較大，也會引起暫時的影響范圍內(nèi)車流密度上升、車速減緩現(xiàn)象。

1.3.3 車輛換道位置

根據(jù)行車軌跡圖觀察總結(jié)出，車輛由車道3換向車道4的動作集中發(fā)生在兩個區(qū)域(圖7)。一個是指路標志的上游影響范圍區(qū)域，從觀測所在人行天橋的道路截面開始至前方50 m范圍內(nèi)為強制換道行為的集中發(fā)生區(qū)域，但區(qū)域內(nèi)的個體換道位置較為分散。另一個區(qū)域為快速路出口上游50 m附近。數(shù)據(jù)表明，在快速路中，指路標志的設(shè)置對新手駕駛員及不熟悉當前路線的駕駛員影響更為明顯，可以使他們選擇接受信息后提前進行換道，也有更多的時間進行換道，更加從容地進入出口匝道。對于在出口至指路標志區(qū)域內(nèi)換道的車輛，有約15%的車輛并不會提前進行換道，而是在臨近出口處迅速進行換道，這樣的換道行為對于道路安全是十分不利的。

圖7 換道動作多發(fā)區(qū)域

2 微觀交通仿真

為了驗證本文的研究結(jié)論，采用在AnyLogic進行仿真。

2.1 未設(shè)置指路標志的情景

首先對未設(shè)置指路標志的場景進行模擬運行。將車輛到達速率設(shè)置為2 000 輛·h-1，運行120 s后由道路密度圖像可以看到在出口上游出現(xiàn)了暫時的緩行路段，見圖8。但運行200 s后，緩行路段自行消散，見圖9。繼續(xù)運行可以觀察到后續(xù)仍會出現(xiàn)車流密度大、車輛減速行駛的路段，且多由車輛強制換道行為引起，但后續(xù)均會自行消散而不會引起道路堵塞，見圖10。

圖8 到達率2 000 輛·h-1，運行120 s時的演示

圖9 到達率2 000 輛·h-1，運行200 s時的演示

圖10 到達率2 000 輛·h-1時路段最小車速變化

將車輛到達率調(diào)整為3 800 輛·h-1后運行仿真模型。在第46 s時，出口上游即出現(xiàn)了車速明顯降低的路段。200 s時出現(xiàn)了大量車流減速行駛，即平均車速低于20 km·h-1，一部分車輛出現(xiàn)了排隊現(xiàn)象。

同時，在當前情況下該緩行路段不會自行消散，最終穩(wěn)定存在于觀察路段的中部。由車輛動畫可總結(jié)發(fā)現(xiàn)，模型中起始位置位于外側(cè)3個車道的車輛在進入出口上游50 m區(qū)域之前不會進行強制換道行為以駛?cè)氤隹谠训溃瑫r之前位于車道4的車輛也在同一區(qū)域進行由外側(cè)車道換向主車道的換道動作，構(gòu)成了典型的出口交織區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)車輛沖突點迅速增加，道路通行能力下降，在車流量大時造成車輛緩行和排隊，見圖11。

圖11 到達率3 800 輛·h-1，運行10 min以上時的演示

2.2 設(shè)置指路標志的情景

為了模擬駕駛員接收到指路信息后當即實施換道的情景，參考實際場景中指路標志的設(shè)置距離及影響范圍，人為在道路上游設(shè)置車輛換道區(qū)域，令一定比例的車輛在該區(qū)域內(nèi)提前進行換道。其中包括目的地為exit的車輛進行的強制換道與為了改變當前駕駛環(huán)境進行的自由換道。

設(shè)置到達率為2 000 輛·h-1，運行模型。模型運行60 s時，路段的運行情況優(yōu)于未設(shè)置指路標志的情況。出口上游仍會出現(xiàn)平均車速降低的路段，但總體車速高于之前結(jié)果。持續(xù)運行模型，觀察到在人為設(shè)置變道區(qū)域上游會出現(xiàn)短暫的減速行駛區(qū)域，但平均車速始終高于30 km·h-1，出口上游原緩行區(qū)域道路通過壓力減小。

更改車輛到達率為3 800 輛·h-1，場景中出現(xiàn)緩行區(qū)域的時間為52.6 s，略晚于未設(shè)置指路標志的情景。

繼續(xù)運行模型，發(fā)現(xiàn)隨著時間變化，道路車流密度情況趨于穩(wěn)定，相對緩行區(qū)域長度穩(wěn)定，不會向上下游擴散，并且不會出現(xiàn)明顯的排隊現(xiàn)象，車速最為緩慢的區(qū)域平均車速仍大于30 km·h-1。

對比不同指路標志設(shè)置情況與到達率下的路段最小車速變化。到達率較低時，車速變化較為平穩(wěn)，隨著模型運行時間增加而逐漸趨于穩(wěn)定，其最小值維持在35 km·h-1左右。

車流量大且車輛換道動作集中，未設(shè)置指路標志的情況下，緩行車流無法自行疏散，路段內(nèi)最小車速迅速下降至15 km·h-1；設(shè)置指路標志后，模型運行初期的車速下降速度有所減緩，且持續(xù)運行后在30～35 km·h-1范圍內(nèi)波動，而不再出現(xiàn)下降趨勢。這表明指路標志的設(shè)置能夠使一部分駕駛員的換道行為提前，分散車輛換道位置分布，緩解交織區(qū)通行壓力，且在車流量大的情況下效果更加明顯。

3 結(jié) 語

本文對快速路交織區(qū)在設(shè)置預(yù)告標志情況下的交通流特征進行觀察，主要通過采集視頻車流數(shù)據(jù)進行分析，輔以微觀交通仿真進行驗證，總結(jié)出了快速路出口上游預(yù)告標志設(shè)置與出口路段車輛換道特征及車流密度間的關(guān)系。

(1)統(tǒng)計結(jié)果顯示，在車輛駛離比為25%的情況下，自由換道行為與強制換道行為次數(shù)占比基本相同，且換道持續(xù)時間均值在7～9 s，內(nèi)側(cè)車道換道次數(shù)高于外側(cè)車道。

(2)在快速路中，指路標志的設(shè)置對新手駕駛員及不熟悉當前路線的駕駛員的影響更為明顯，可以使他們選擇接受信息后提前進行換道，有更多的時間進行換道，更加從容地進入出口匝道。

(3)在車輛到達率為2 000 輛·h-1時，路段是否設(shè)置指路標志對道路密度影響不明顯，車輛最小車速最終維持在35～40 km·h-1。車輛到達率為3 800 輛·h-1時，未設(shè)置預(yù)告標志路段出現(xiàn)了車輛排隊現(xiàn)象，模型持續(xù)運行后最小車速下降至15 km·h-1以下；而設(shè)置了預(yù)告標志的情景未出現(xiàn)排隊現(xiàn)象，且持續(xù)運行模型后最小車速始終在0～35 km·h-1范圍內(nèi)，所得仿真結(jié)果明顯優(yōu)于未設(shè)置的場景。仿真結(jié)果表明，快速路中指路標志的設(shè)置能夠提前部分駕駛員的換道行為，緩解出口路段道路通行壓力，并在車流量大時更為明顯。