快速路交織區(qū)車輛換道行為對交通流的影響分析

劉浩敏，曲大義，王少杰，李海洋

(青島理工大學 機械與汽車工程學院，青島 266525)

作為城市的交通樞紐，城市快速路在城市交通系統(tǒng)的運行中起著極為重要的作用。快速路交織區(qū)是快速路必不可少的功能模塊，在引入和疏導駛入和駛出城市快速路匝道的車輛方面發(fā)揮著作用。如今，大中型城市的快速路工程建設已經快速進行，然而并沒有從長期角度考慮其是否能夠滿足城市的未來發(fā)展需求。結果，城市快速路的承載力早已超出了負荷，快速路擁堵狀況已然成為了常態(tài)。車輛頻繁的換道行為是快速路交織區(qū)車輛運行的典型表現(xiàn)。由于存在大比例交織的車輛，上游車輛在出入車輛的影響下被迫擁擠并排隊等候，在極端情況下，還可能會發(fā)生交通事故。交織區(qū)的車道變換問題已經成為城市快速路交織區(qū)研究的核心問題。因此，要解決交織區(qū)的擁堵管理問題，就應該從換道問題著手。

1986年，GIPPS[1]對城市道路環(huán)境下的變道模型進行了系統(tǒng)研究，提出了加減速度接受模型來判斷變道的可行性；JORGE等[2]研究分析了換道行為在交通流中對道路流量的影響； ELENA等[3]在 HCM2020中提出城市快速路交織區(qū)內車輛換道特性與基本路段的顯著區(qū)別，以及影響交織區(qū)內換道特性的因素。

由于國內外的交通發(fā)展現(xiàn)狀不相同，因此難以直接照搬國外現(xiàn)有的技術，但是可以參考國外的相關技術，運用到國內對于道路交織區(qū)換道研究中來。彭博等[4]基于元胞自動機研究了車輛換道速度差、間距對快速路交織區(qū)換道安全的影響；汪寶等[5]運用統(tǒng)計分析的方法對快速路交織區(qū)車輛運行特性和換道過程進行分析；曲大義等[6-7]基于車輛運動學方程，對車輛換道交互行為進行了分析并建立了換道模型；鐘異瑩等[8]建立了換道模型，研究了換道對分流區(qū)交通流的影響。

綜上所述，可以看出目前國內外專家學者對于車輛換道特性以及換道模型的研究已經頗為成熟，對于車輛換道交互行為的研究也取得了較大進展，但多停留于微觀層面，對于車輛換道與宏觀交通流相互影響的相關研究還較少，尤其是在快速路交織區(qū)這樣具有特殊性且易發(fā)生交通問題的相關路段，對于此問題目前還未進行針對性研究。

針對快速路交織區(qū)日益嚴重的交通擁堵問題，本文從交織區(qū)的車道變換行為入手，研究了換道行為對快速路交織區(qū)交通流量的影響。研究內容對解決交織區(qū)排隊擁堵、緩解快速路交通壓力、釋放快速路的主要功能、確保快速路交通安全具有重要的理論和實踐價值。

1 車輛換道行為分析

車輛換道行為是車輛運行過程的一種基本操作，是指駕駛員在周圍交通場景的影響下，為了盡快實現(xiàn)駕駛目的而變換車道的過程。

在快速路入口交織區(qū)，匯入的車輛在進入加速車道時，受到由加速車道匯入車輛的影響，這種影響會迫使處于外側行車道的車輛開始往內側行車道行駛，進而影響整條道路的交通流狀態(tài)。在駛入車輛匯入主線交通運行的過程中，主線交通流會發(fā)生明顯的波動。車輛換道時，駕駛員需要對即將換入的車道進行空間需求判斷，確定前方、后方和側方具有足夠的安全空間，如圖1所示。

圖1 快速路入口交織區(qū)換道行為示意

從主線駛入減速車道過程中，駛離的車輛首先要從主線行車道的其他車道換道進入外側車道，駛離車輛對主線交通流的換道影響牽制整個交通流的正常運行。在道路出口交織區(qū)處，如果由于車輛過多而導致減速車道車輛擁堵，會進一步影響主線交通流的正常運行，從而影響整個道路的通行效率，如圖2所示。

圖2 快速路出口交織區(qū)換道行為示意

根據(jù)駕駛員動機的不同，變道行為可以分為強制型車道變換和自主型車道變換兩大類。

1) 強制型車道變換：駕駛員為了完成正常行駛目的而必須采取的換道行為；

2) 自主型車道變換：為了獲取更為理想的運行方式，駕駛員采取的換道行為。

根據(jù)上述換道行為的分類，快速路交織區(qū)匯入和駛出車輛的換道行為是一種典型的強制型車道變換。根據(jù)快速路交織區(qū)內車輛之間的相互作用，強制性換道行為一般可細分為3類：自由換道、協(xié)同換道和強迫換道。

1) 自由換道：駛入、駛出車輛在換道過程中不會對主線車輛產生干擾的換道行為；

2) 協(xié)同換道：主線車輛通過加減速而主動讓行匯入、駛出車輛的換道行為；

3) 強迫換道：通過強制主線車輛讓道而駛入、駛出車輛的換道行為，這種換道行為將對主線車輛的運行造成明顯干擾。

2 交織區(qū)交通流宏觀特性

調查選取山西省長治市境內光明路快速路創(chuàng)業(yè)橋車輛由北向南運行的交織區(qū)路段作為數(shù)據(jù)基礎，調查時間選取工作日17：30—18：30時段，因此時間段為晚高峰時段，車輛換道頻繁。調查采集快速路交織區(qū)的交通流數(shù)據(jù)，對交通流時空特性進行系統(tǒng)分析。

2.1 交通量時空分布

受出入口處交通流分合流以及變換車道的干擾，快速路交織區(qū)各個車道的交通流也隨之改變，為了研究快速路交織區(qū)交通流在各車道的交通量時空分布規(guī)律，選擇晚高峰17：30-18：30作為調查交通流量的研究時間，以5 min為間隔對交織區(qū)的交通流調查數(shù)據(jù)進行實時統(tǒng)計，得到高峰時段不同位置以及不同車道上交通流的分布情況(圖3)。

分析圖3得：

1) 快速路入口交織區(qū)的上游處，外側的交通流小于內側的交通流，表明入口交織區(qū)的駕駛人員能夠及時獲取信息，并及時向內側換道，避免了對于其他車輛的交通影響(圖3(a))；在出口交織區(qū)的上游處，各個行車道的交通量處于均衡狀態(tài)(圖3(b))。

2) 在入口交織區(qū)處，當交通流逐漸駛入內側行車道時，會導致剛駛入交織區(qū)的交通流過多集中于外側車道，導致各行車道的交通分布不均勻(圖3(c))；在出口交織區(qū)處，交通流逐漸駛入外側車道，進而駛離主線，導致外側行車道的交通流變化最大(圖3(d))。

3) 在入口交織區(qū)的下游處，外側的交通流逐漸往內側駛入，各行車道交通流又回歸均衡狀態(tài)(圖3(e))；在出口交織區(qū)的下游處，隨交通流逐漸駛離，各行車道交通流重新回歸均衡狀態(tài)(圖3(f))。

2.2 運行速度特性

為研究快速路交織區(qū)交通流在各行車道的運行速度變化規(guī)律，選擇晚高峰17：30—18：30作為調查行車速度的研究時間，分別以出入口交織區(qū)為原點，按照50 m為間隔距離對交織區(qū)交通流的調查數(shù)據(jù)進行分析，得到高峰時期交織區(qū)各個行車道交通流的運行速度分布。

2.2.1 入口交織區(qū)速度特性

分析圖4可知：

1) 在快速路入口交織區(qū)上游處，由于該處交通流匯集導致的交通干擾，外側行車道車輛的行駛速度比內側行車道車輛的行駛速度低。

2) 在快速路入口交織區(qū)處，受到駛入主線的交通流的干擾，外側行車道的行駛速度明顯下降，與內側行車道交通流的行駛速度差距顯著。

3) 在快速路入口交織區(qū)下游處，匯入的交通流開始逐漸往內側行車道行駛，導致了內側的交通流的行駛速度有所下降。行駛一段距離之后，主線上各個行車道的行駛速度趨于均衡。

2.2.2 出口交織區(qū)速度特性

由圖5分析得到以下規(guī)律：

1) 在快速路出口交織區(qū)上游處，行車道的交通流運行速度受到的影響很大。

2) 在快速路出口交織區(qū)處，已有部分車輛駛離，交通流的速度有所上升。

3) 在快速路出口交織區(qū)下游，各個行車道的車流逐漸恢復正常車速，且各個行車道的車速回歸均衡。

2.3 車流密度特性

為研究快速路交織區(qū)交通流密度的變化規(guī)律，選擇晚高峰17：30—18：30作為調查車流密度的研究時間，以5 min為間隔對交織區(qū)的車流密度進行實時統(tǒng)計，得到在高峰時段快速路交織區(qū)車流密度的分布情況(圖6)。

圖6 快速路交織區(qū)密度分布

由圖6可知，17：30—17：40時段，交織區(qū)車流整體運行良好；17：40—17：50時段，密度逐漸增大，逐步演變?yōu)榻煌〒矶聽顟B(tài)；17：50—18：10時段，隨著車流開始消散，密度逐漸減小，交通擁堵現(xiàn)象逐漸消失；18：10之后，密度波動幅度減小，交通流趨于穩(wěn)定狀態(tài)。整個過程，未出現(xiàn)嚴重的交通癱瘓現(xiàn)象。

3 車輛換道行為對交通流運行的影響

研究分析快速路交織區(qū)換道次數(shù)與交通流特性參數(shù)之間的相關關系，深入挖掘快速路交織區(qū)換道行為與交通流時空特性的關系，進而剖析交織區(qū)車輛換道對交通流的影響。

交通流的狀態(tài)變化是微觀交通行為的宏觀表現(xiàn)，交通環(huán)境對車輛的換道行為有影響，換道行為對交通環(huán)境也產生影響。作為最基本的駕駛行為之一，道路系統(tǒng)中車輛的換道行為很容易在其頻繁操作期間引起交通流狀態(tài)的變化。為探究車輛換道行為對快速路交織區(qū)交通流運行狀態(tài)的影響，選取17：30-18：30高峰時間段作為研究時間，根據(jù)交織區(qū)車輛換道次數(shù)與交通流的關系進行分析。

3.1 交織區(qū)車輛換道次數(shù)對總交通流量的影響

如圖7所示，隨著交通量的增加，車道變換的次數(shù)先增加然后減少，這表明當交通流處于自由流狀態(tài)時，車道變換空間足夠，駕駛人有換道需要并滿足車道變換條件，隨著交通流量的增加，換道次數(shù)逐漸增加。當交通流處于擁擠狀態(tài)時，換道空間減小，盡管駕駛員需要變換車道但不滿足車道變換的條件，隨著交通流量的增加，換道的次數(shù)也減少。

圖7 交通量與換道次數(shù)的相關關系

3.2 交織區(qū)車輛換道次數(shù)對車流密度的影響

由圖8可知，隨著交通密度的增大，換道次數(shù)先增加而后減小。在此交通流高峰狀態(tài)下，道路交通密度占很大比例，因此對交織區(qū)域的換道行為影響更大。車輛頻繁駛入和駛出，導致自由流狀態(tài)下車道變換的頻率迅速增加。然后，隨著交通流密度的持續(xù)增加，交通流變得擁擠時，車道變換次數(shù)逐漸減少。

圖8 車流密度與換道次數(shù)的相關關系

3.3 交織區(qū)車輛換道次數(shù)對車流平均速度的影響

從圖9中可看出，隨著換道次數(shù)的增加，交通流的速度先增大后減小，說明在臨界狀態(tài)下，車道變換對直行交通流平均速度的影響與交通流狀態(tài)有關。自由流狀態(tài)下，速度較快，變道次數(shù)較多；在擁堵狀態(tài)下，車速較慢，變道次數(shù)相對較少。

圖9 車流速度與換道次數(shù)的相關關系

3.4 交織區(qū)交通流狀態(tài)耦合作用對車輛換道次數(shù)的影響

通過交通量、密度、速度與換道次數(shù)的單一變量分析，并對比分析各因素耦合作用可知(圖10)，交通流狀態(tài)由自由流到臨界狀態(tài)而后到擁擠狀態(tài)的過程中，車輛換道次數(shù)隨著交通量與車流密度先增加后減少，交通流速度隨著換道次數(shù)先增加后減小。不同之處在于，在自由流狀態(tài)下，雖然滿足換道條件，但是換道需求較小，車道變換次數(shù)顯然最少；在臨界狀態(tài)下交織區(qū)滿足車輛的換道動機與換道條件，盡管交通未達到飽和，但車道變換次數(shù)最大；交通流擁擠的狀態(tài)下，車輛換道的次數(shù)仍然少于在適當?shù)貪M足換道條件的臨界狀態(tài)下的換道次數(shù)，這表明在擁擠狀態(tài)下盡管對換道的需求最大，但是不滿足換道條件。

圖10 交通流狀態(tài)耦合作用與換道次數(shù)相關關系

4 結論

研究分析表明，城市快速路交織區(qū)的換道頻繁現(xiàn)象使得交織區(qū)成為交通瓶頸路段，車輛交互耦合作用關系復雜，對其相關規(guī)律的研究，是保證快速路交通系統(tǒng)的通行效率和運行安全的關鍵。根據(jù)快速路交織區(qū)交通流運行特征，微觀解析車輛換道行為特征，在此基礎上展開交織區(qū)車輛換道行為對交通流的影響分析。

1) 隨著車流密度不斷增大，換道次數(shù)先增大后減小。交織區(qū)車輛換道影響車流運行狀態(tài)，在自由流狀態(tài)下，換道次數(shù)迅速增加，隨著交通流密度的增加，交通流變?yōu)閾頂D狀態(tài)，換道次數(shù)便相應減小。

2) 車流速度隨換道次數(shù)先增大后減小，在臨界狀態(tài)下，換道次數(shù)對直行的交通流平均速度的影響程度與交通流的運行狀態(tài)有關。

3) 自由流動狀態(tài)下的行駛條件最好，不觸發(fā)換道動機，換道次數(shù)少。交通擁堵狀態(tài)盡管滿足換道動機，但不滿足換道條件，換道次數(shù)較少。臨界狀態(tài)下?lián)Q道條件與道路動機均得到滿足，因此出現(xiàn)的結果是，在臨界交通流狀態(tài)下?lián)Q道次數(shù)最多。