高速路瓶頸擾動特性及傳播規律研究

馬浩

（1.北方工業大學土木工程學院，北京 100144；2.招商新智科技有限公司，北京 100070）

0 引言

道路上突然變狹窄的路段，就是道路瓶頸。道路瓶頸是導致交通擁堵的主要原因，也往往是交通事故的高發、常發區域[1]。在高速公路路段上，時常由于人因、車輛、道路環境、天氣狀況等原因在空間上形成相對固定的瓶頸節點，對正常運行的交通流產生干擾，嚴重制約著高速公路安全和暢通方面的發展。瓶頸節點的出現會使高速路的交通運行產生不良影響，甚至引發道路擁堵或交通事故。

孟祥海等以四車道高速路為例，研究快車道占用區段的交通流特性規律[2]。張明亮等結合西安市二環快速路實例研究集結波對交通沖突的影響及減速車道長度的關系[3]。胡雁賓等運用VISSIM 對突發事件的影響范圍進行驗證研究[4]。任作武等以呼集高速為例研究重載車在瓶頸路段的集結消散規律[5]。長安大學的張文婷、張順利等對高速路交通事故的影響傳播機理和影響路徑進行了研究[6，7]。當前對高速路瓶頸的研究聚焦于事故、擁堵等典型場景，缺乏對瓶頸問題的系統梳理，對各類型瓶頸的差異特質研究不足?；诖?，本文將充分研究分析各類高速路瓶頸的本質特性和干擾傳播規律。見表1。

表1 高速路瓶頸分類

1 瓶頸干擾特性

1.1 偶發事件類瓶頸

偶發事件類瓶頸對車流運行狀態的干擾具有突然性和不確定性，本質是由于突發的交通事件對車道空間造成壓縮占用，導致車流中車輛減速、變換車道等行為激增，從而出現車流紊亂現象。

若遇到偶發事件類瓶頸出現，上游臨近的車輛駕駛員需要采取緊急應對措施。大部分成熟的老司機會遵循“讓速不讓路”的原則采取緊急剎車制動操作，待低速或停駐后，通過觀察其他車道車流情況，擇機通過變換車道駛離該區域；而對于駕駛經驗不夠豐富的駕駛員而言，遇到偶發事件類瓶頸時應對會比較匆忙，通常會下意識采取猛打方向盤變道躲避的操作，這樣會與其他行車道的行駛車輛產生嚴重的交織沖突，嚴重時甚至會干擾整個斷面全部車道的正常通行，產生交通擁堵或次生事故。無論是減速還是主動或被動變換車道，都會產生明顯的慣性干擾，影響司乘人員的駕駛感受。

1.2 計劃類瓶頸

計劃類瓶頸通常是在管理部門策劃審批后產生，如養護施工、交通管制等，一般會提前向公眾發布公告，駕駛員通行該路段有一定的思想準備，而且在管制或施工路段臨近位置，會配套設置相應的提示標識，車流靠近該路段會提前發現提示信息，駕駛員一般會明確地采取提前減速、提前主動變換車道等措施。此類瓶頸對于車道的占用界限比較清晰，包括起訖點、圍擋、警示裝置等，除斷路施工或封路管制的特殊情況，一般此類瓶頸都不會完全阻斷行車道通行。

1.3 異常氣象類瓶頸

高速公路地形環復雜，穿越山地、河流等極為普遍，易受到風、雷、雨、雪、霧等異常天氣的影響，形成不同程度、類型的異常氣象類瓶頸。我國由于天氣原因造成的高速路瓶頸極其常見，尤其是在北部山區、南方鄰水地區等，經常因異常天氣導致高速公路通行受阻或事故等發生?？傮w來看，異常天氣類瓶頸對于高速公路交通流運行的干擾，主要是因異常天氣會引起路面濕滑程度和能見度改變，導致駕駛員為了行車安全而降低行車速度；同時因團霧、冰坡等發生的區域性很強，因此駕駛員的降速會集中在一段區域發生，臨近該區域的車輛增多時，低速或減速的車輛就會增多形成集結擁堵。

1.4 道路結構類瓶頸

道路結構類瓶頸形成的本質原因是由于道路結構、線形等問題，導致車道變窄，影響車流的正常行駛，對上游車輛產生交通波沖擊。如浙江甬臺溫高速三都嶺段，因路隧銜接造成瓶頸，臨近車輛須經過“三改二”匯流才能通過，由于該路段車輛換道交織嚴重，上游極易出現擁堵。

2 瓶頸干擾的量化分析

2.1 瓶頸路段剩余通行能力

道路通行能力影響因素眾多，包括道路條件、交通組成、可通行車道數量等，在研究高速路瓶頸問題過程中，實際通行能力應該為各影響因子綜合修正后的剩余通行能力，可使用以下公式計算：

式（1）中：Cf——剩余通行能力；

C——設計通行能力；

fHV——基于大車比例的修正系數；

fB——基于車道占用/變少的修正系數；

flw——基于車道寬度的修正系數；

α、β、γ——權重參數。

2.1.1 基于大車比例的修正系數

根據《道路通行能力手冊》（HCM2010）和《公路工程設計標準》（JTG B01—2014），可得出如下基于大車比例的修正系數[8]：

式（2）中：fHV——基于大車比例的修正系數；

Pi——中型車及以上車型交通量占比；

Zi——中型車及以上車輛折算系數。

2.1.2 基于車道占用/變少的修正系數

占道行為對于通行能力的影響，并不是簡單的只是減小占用數（總車道數）的部分，《道路通行能力手冊》（HCM2010）針對不同占道情況對道路通行能力影響給出了詳細的通行能力折減系數[9]，如表2所示。

表2 基于車道占用/變少的修正系數對應表

在可通行車道數變少情況下，與“占道對于通行能力的影響”等同，對于通行能力的影響系數采用相同標準即可。

2.1.3 基于車道寬度的修正系數

我國高速公路單車道標準寬度為3.75m，但隨著各地高速公路交通量的逐漸增多，較多地區開展重點路段的應急車道改造工程，造成實際車道寬度＜3.75m。高速公路施工作業也會對行車道進行重新渠化，通過錐桶、信標等方式將車道進行壓縮，多數情況是通過調整每條車道的寬度而保證可通行車道數量。周榮貴等人通過總結分析，給出了車道寬度對于通行能力修正系數對應關系[10]，如表3所示。

表3 基于車道寬度的修正系數對應表

2.2 瓶頸路段的安全車速

瓶頸路段的安全車速是指，能夠保證在駕駛員發現瓶頸后采取制動措施且車輛不與瓶頸點發生碰撞或激烈沖突的最大行駛速度。國內學者李長城[11]等通過將機動車剎車距離、駕駛員反應距離、停車后安全距離、安全行車間距關聯整合，得出了一種最大安全車速的計算方法。本文結合高速公路瓶頸問題特性，對該方法進行如下修正，包括調整駕駛員反應時間參數、增加道路縱坡坡度參數、更新設計停車視距參數等，得到了一種適用于高速路瓶頸問題的最大安全車速計算方法：

式（3）中：D——停車視距，可用能見度替換；

v——安全行車速度；

μ——摩擦系數；

i——道路縱坡度。

2.3 瓶頸路段的車流密度

在瓶頸傳播范圍研究過程中，需對瓶頸段的交通密度進行預測取值，因此需要選取適用于高速公路特性的交通流模型進行密度預測。陳大山等通過對比研究提出Van aerde 模型的結構簡單容易標定，具有良好的通用性和適應性[12]。張寸保等在分別使用Greenshields 模型、Pipes 微觀模 型和Van aerde 模 型對高速公路真實數據進行擬合后，發現Van aerde 模型克服了其他模型的局限和不足，更適用于描述我國高速公路交通流特性[13]。羅例東等在應用Van aerde 模型進行高速公路異常事件影響范圍預測研究的過程中取得了較好的效果[14]。由于該研究所使用的實例數據主要來源于甬臺溫高速公路，通過對上述各模型進行數據擬合，驗證得出Van aerde 模型更適合研究高速路瓶頸問題。

3 瓶頸干擾傳播模型

基于上述對于高速路瓶頸特性及傳播規律的定性定量分析，本文提出一種適用于高速公路各類瓶頸情況下的干擾傳播模型，通過將該模型與軟件系統結合，可以在瓶頸出現后快速計算出瓶頸干擾傳播范圍，為運營管理者進行瓶頸問題處置應對提供決策支撐。瓶頸干擾傳播模型的算法設計流程為：第一步，通過視頻事件檢測、雷達、人工巡檢、接報等方式監測并發現瓶頸，確定瓶頸區段的位置、輸入瓶頸的特征信息。第二步，通過瓶頸區段的路側雷達、視頻等設備，及時獲取上游路段的實測數據，主要包括上游路段的交通流量和交通密度。第三步，辨識瓶頸類型。第四步，計算該瓶頸狀況下的剩余道路通行能力。第五步，基于管理單位需求，篩選瓶頸區段的速度值，并通過標定后的Van aerde 模型，計算出瓶頸區段的車流密度值。第六步，將第二步至第五步得出的各值輸入到車流波模型中，計算出瓶頸干擾傳播速度。第七步，基于該路段對于瓶頸發現時間、指揮中心響應時間、救援到達時間等經驗值，預測瓶頸傳播時間。第八步，基于瓶頸干擾傳播速度至和傳播時間值，輸出該瓶頸的干擾傳播范圍的預測值。運營管理者便可根據該預測值，確定在瓶頸上游進行管控處置措施的最佳位置。

4 結語

通過對各類高速路瓶頸的干擾規律特性的分析研究，挖掘出瓶頸對于通行能力、速度等量化影響指標，最終提出了一種適用于各類高速公路瓶頸的干擾傳播模型，可直接應用于高速公路運營管理中，為路方對于瓶頸狀況下的交通流管控策略提供理論支撐。未來應繼續圍繞瓶頸狀況下波速傳播時間進行研究，通過對于瓶頸發現時間、路方應急響應時間、救援處置力量到達現場時間等研究，輔助路方進行瓶頸事件處置時可以指定出最佳的管控方案，包括處置措施、介入時間、管控距離等，有助于提高管控方案的精準性和高效性，進一步提升高速公路的通行效率和安全水平。