高速公路改擴建路段合流處瓶頸致因分析

文／交通運輸部科學研究院 李凱倫

1 高速公路改擴建合流處瓶頸形成影響因素

1.1 不同限速下道路容量影響分析

當高速公路路段沒有限速限制時，交通流處于自由行駛狀態，速度較低時，車流以自由流方式運行，隨著交通流量的增加，自由流逐漸轉變為干擾流，當交通流接近道路路段通行能力后，交通流通過量會逐步減小。通過已有的交通流密度與交通流速度關系可知[1]，當設置有限速條件時，兩者之間的關系可由下式表示。

1.2 合流車輛行為影響分析

高速公路改擴建合流處車輛匯入情況常常伴隨強制性，因此合流車輛多處于非理想匯入狀態。影響主線交通流量的主要合流行為有：①單車強行匯入。合流車輛靠近合流點而未提前合流，因此合流車輛會選擇在某個小于可穿越間隙的車頭間距間強行匯入，這種情況主要常見于合流車輛較少，被合流車道交通流量大，駕駛員駕駛行為激進的情況。②車隊強制匯入。合流車輛靠近合流點時，需合流車道上仍有大量車輛等待匯入，因此匯入車輛會以車隊方式跟隨頭車完成匯入，常見于合流路段全車道交通量較大的情況。③超低速匯入。合流車輛遵守規則等待可穿越間隙，但機會較少只能以開始降速，常見于被匯入車道交通流量較大，駕駛員駕駛行為保守的情況。

2 高速公路改擴建合流處瓶頸形成原因分析

2.1 新增匯入

匯入車輛并入被匯入車道，造成車道數縮減，交通密度增加是導致該路段會產生瓶頸現象的根本原因。當車道斷面整體交通流量較小時，匯入不會造成較大影響，但當車道斷面整體交通流量較大時，匯入會導致被匯入車道更快到達通行能力“驟降”水平，甚至更快達到擁堵水平。且被匯入車輛在臨近合流點處也會選擇向影響更小的車道并入，也是造成接近合流處易產生瓶頸路段的原因。更多的換道行為會造成駕駛員心理壓迫，影響交通流穩定性。

2.2 匯入沖突

當匯入車輛不能在可穿越間隙匯入時，就會形成匯入沖突，為了量化這種影響，提出匯入車輛的期望延誤：

圖1 三種交通流狀態下不同長度車隊匯入期望延誤圖

3 高速公路改擴建合流處瓶頸影響范圍

高速公路改擴建合流處交通流狀態變化傳遞符合跟馳理論[4]及車流波基本理論[5]，將交通流狀態劃分為穩定狀態（j=1）、失穩狀態（j=2）、新平衡狀態（j=3），sij表示第i輛車與前車在三種狀態的車頭間距，hij、vij表示第i輛車在不同狀態下車頭時距和速度，Ai、Bi、did、dia、i,d、i,a分別表示聚集波或消散波到達第i輛車的時空位置、第i-1和i輛車的距離差、第i-1和i輛車的時間差，Di、Ti為第i輛車受到的空間干擾長度和時間干擾長度。tz、tj,d分別為自由行駛時間及減速時間，T0為匯入車輛匯入至加速完成時間。因此減速波傳遞時間為i,d=tz+tj,d，加速波傳遞時間i,a=tj,a，因此，合流處瓶頸現象消失的位置為加速波與減速波迭代的位置，當瓶頸現象傳遞至第k輛車消失時，需滿足下式條件

通過上式分析可知，初始干擾T0長度影響顯著，當干擾消失后瓶頸路段會逐步達到平衡，因此初始干擾持續長度即匯入車隊長度是影響瓶頸路段長度的重要因素。在hn,1、hn,3、n,d、n,a固定前提下，T0結束后會形成新穩態，新穩態vn,3固定，因此另一關鍵因素為原穩態車速vn,1，即原穩態車速，該因素由限速條件影響。

4 結論

高速公路改擴建路段合流處是高速公路瓶頸路段的高發區，因此明確其瓶頸形成機理至關重要，通過定性及定量分析，可得限速條件和車輛匯入行為是影響高速公路合流路段運行狀態的重要因素，新增匯入的產生和匯入沖突是瓶頸路段行程的主要原因，匯入車隊長度和原穩態車速即限速條件是影響瓶頸路段長度的重要因素，這為后續改擴建合流路段運行保暢措施的制定提供了依據。