城市快速路交織區長度對交通運行的影響分析研究

于世軍 徐成 酈紅藝 錢仕淋

摘要 快速路交織區長度是影響交通運行狀況的重要因素指標，不適宜的交織區長度易造成交通運行紊亂及車輛擁堵等情況。文章首先基于快速路交織區實際運行情況，建立了包含入口匝道、出口匝道、主線車道和輔道的交織區交通仿真模型，然后研究了在不同交織區長度情況下的交通流運行指標變化特征，對比分析了車輛速度、車頭時距、車輛的跟馳與換道特性等指標。結果顯示，交通量一定，交織區長度較小時，交織區長度與通行能力呈正相關；交織區長度到達閾值后，長度的增加對通行能力影響不顯著。交織區長度一定時，交織區流量的提升會導致服務水平的下降，直至擁堵。研究結果對指導快速路交織區長度的設置有指導意義。

關鍵詞 交通工程；交通流特性；SUMO仿真；交織區

中圖分類號 U491 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0034-04

0 引言

城市快速路交織區作為快速路交通流內外銜接的交匯段，是城市快速路產生擁堵、安全隱患等問題的主要瓶頸區域之一。交織區長度作為快速路的基本參數，對于快速路的通行能力與服務水平具有很大影響。不適宜的長度會導致交織區內因車輛換道等引發的交通紊亂、交通沖突等情況，也對交織區內的交通安全水平產生不良影響，并且當交織區內發生諸如擁堵等問題的時候，也會迅速擴散至其他區域，造成道路網的擁堵，影響城市快速路整體功能的發揮。

國外對快速路交織區長度的研究開展較早。Pignataro等^[1]通過研究后得到各因素對車速的影響程度隨交織區長度增加而減小的結論。Hidas^[2]等對車輛換道行為進行了分類與定義。Kashani A等^[3]基于HCM2016開發了最大交織長度模型。Aries van Beinum等^[4]研究發現交織區長度的增加會導致更低水平的紊流。國內學者根據交織區交通流運行開展了相關研究。陳小鴻等^[5]分析了交織區長度、構造形式、車速等影響交織區的多種因素，并利用微觀仿真分析交通流特性。趙靖等^[6]基于HCM2000發現交織區通行能力與長度符合雙曲線模型。張琨等^[7]研究了交織區長度對車道變換頻率的影響，并發現交織區長度的縮短會增強車輛換道的緊迫性。劉洋等^[8]基于交織區的服務水平，分析了A類交織區長度與密度的關系。

該文基于城市快速路交織區的實際交通流運行數據，構建交織區運行仿真模型，分析交織區的交通運行特性，從平均速度、車頭間距以及沖突數等多指標進行比較分析，以此研究交織區長度對交通流運行的影響特征和規律，為快速路的運行管理和改善設計提供決策參考。

1 快速路交織區運行仿真模型構建與檢驗

為研究不同交織區長度對交通流運行特性的影響，該文選擇以城市快速路A型交織區為研究對象，基于SUMO仿真軟件，結合實際交織區交通流運行特征，構建了快速路交織區交通運行仿真模型。

1.1 仿真設定

基于SUMO仿真軟件，對構建的仿真模型作出以下設定：

（1）所研究的城市快速路交織區中，通行的車種類別主要為小型汽車，因此為了簡化研究過程，在后續的模型建立與分析中，忽略其他的車種，只選取有代表性的小型車輛為研究對象。

（2）因為交通事故為偶然事件，為確保仿真模型與結果的普適性，假設所有通行車輛嚴格遵守通行規則，避免偶然事件對仿真的影響。

（3）采用的跟馳模型是基于目前SUMO已有的成熟模型。

1.2 仿真參數設定

交織區的交通運行仿真模型構建過程包括路網構建及參數設定、檢測器配置、車輛類型配置等。

（1）路網構建及參數設置。仿真對象為快速路A型交織區，為完全展現出車輛直行、匝道駛入、匝道駛出的過程，設置單向三條直行車道，駛入單向一條直行匝道，駛出單向一條直行匝道，其中進入匝道的車輛一律從最右側車道匯入，明確交織區的避讓規則，即駛入、駛出車輛需要避讓直行車輛。在速度限制方面，依據實際快速路限速取限速80 km/h。

（2）檢測器配置。對于交織區不同位置交通流運行數據的采集，使用SUMO仿真軟件自帶的交通參數檢測器。將檢測器分別設置在駛入匝道、駛出匝道、交織區域、各條直行車道等位置，通過各個檢測器輸出的車輛信息來確定在仿真時段內車流的交通參數。

（3）車輛類型配置。對于車輛類型主要以小汽車為主，跟馳模型采用Krauss跟馳模型。

Krauss跟馳模型是一種基于絕對安全假設構建的模型，并且前車的行為會影響后車，并在整個系統中傳遞。因此下一時段的速度應滿足式（1），并僅當公式等號成立時，方為安全速度。

d_s≤d_p+g （1）

式中，d_s——當前時段車輛行駛距離；d_p——前車緊急制動距離；g——車間距。

安全車速的計算式如式（2）所示。

式中，v_t——車輛t時刻的車速；b——車輛最大加速度；v_max——車輛限制最大車速；v_safe——安全車速；v₀——實際情況下與期望速度產生最大差值時的速度；v₁——車輛期望速度；v_t+1——下一仿真步長選擇的車速，在v₀到v₁之間隨機選擇；x_t+1——下一仿真步長車輛位置^[9]。

1.3 仿真模型檢驗

為了得到正確的結論，在對交織區影響因素進行系統性分析前，必須保證模型能夠較準確地反映實際情況，并能在計算機上正確運行。因此，在仿真模型使用之前，需要檢驗模型的有效性。經前期交通調查，揚州城南快速路萬達段交織區長度約為450 m，交織區內換道比例約為36.4%，因此，將SUMO仿真的車道設置為450 m，車道換道概率設為0.36，對交織區進行交通仿真，選取規定樣本量，統計車速和車頭時距結果，初步檢驗仿真模型。

統計結果的精確需要一定的樣本量保證，從而避免偶然性，因此需要對樣本量的最低值進行限制，樣本量的最低值可按式（4）計算：

式中，N——最少樣本量；S——計算的樣本標準差（km/h）；K——相應于要求置信度的常數；E——車速計算的容許誤差（km/h）^[9]。

S值可以根據交通區域與道路類型查用，如表1所示，可知平均標準差分布在6.8～8.5 km/h范圍內。為了簡單起見，選取S=8 km/h，以最大限度地保證統計結果精度。

K值根據要求的置信度來確定，K值的取用如表2所示。

車速計算的容許誤差E，取決于車速計算所要求的精度。其取值范圍從±1.5 km/h到±8.9 km/h。一般采用1.5～2 km/h^[10-11]。

當交通量較低時，路面交通狀況簡單，觀測時間充裕，在調查時段內能夠合理觀測幾乎所有車輛的車速。而當交通量較大時，路面交通狀況相對復雜，跟馳與換道車輛占比較大，車速分布不均衡，如果測量每輛車的速度，就不可避免地會干擾整個調查結果，因而需要選擇性測量，即進行抽樣。

經式（5）計算，該次試驗樣本量的選取應大于62輛車。隨機選取100輛車，對他們的車速以及車頭時距進行統計和分析。其中，仿真模型的車速及車頭時距數據由3次仿真結果取平均值，以消除偶然性對數據精度的影響，如表3～4所示。

由表3可得，實測速度均值為21.82 m/s，SUMO仿真的速度均值為20.43 m/s；由表4可得，實測車頭時距為3.80 s，SUMO仿真車頭時距為3.67 s。整體上除實測數據因調查情況的偶然性方差較大之外，仿真結果與實測數據間無顯著差異。可以認為，所建立的仿真模型符合實際情況，可以適用于該研究。

1.4 仿真時長確定

在進行多情景仿真分析前，為了消除仿真時長對仿真結果的影響，首先要對系統仿真時長進行確定。設定系統仿真時長為100～3 600 s，對于高流量和低流量兩種交通狀態進行仿真，觀察仿真時長對車頭時距的影響。如圖1所示，不管是高流量還是低流量狀態，仿真時長小于500 s時，車輛不能完全駛出交織區，統計的車頭時距值波動較大，500 s后車頭時距逐漸趨于穩定。考慮仿真時長對仿真結果輸出效率的影響，將系統仿真時長確定為3 600 s。

2 交織區長度對交通運行影響的仿真分析

2.1 不同交織區長度的仿真運行結果

為了研究交織區長度對交織區車輛運行的影響，模型模擬時，控制交織區交通量2 200 pcu/h，同時將SUMO仿真構建的路網交織區長度在90～720 m取值，間隔為45 m。得到相應的交織區車輛平均速度隨交織區長度變化曲線如圖2所示，車輛車頭時距隨交織區長度變化曲線如圖3所示，仿真中沖突次數隨交織區長度變化如圖4所示，車輛在道路上的空間分布如圖5所示，交織區長度對各參數的詳細影響如表5所示。

2.2 結果分析

通過仿真的結果發現，A型交織區的車輛行駛狀態受長度影響較大。在車流量為2 200 pcu/h、換道概率為0.36的情況下，交織車輛的平均速度、車頭時距整體都隨著交織區長度的增加而增大，當交織區長度達到400 m以后，這兩類指標的增長趨勢緩慢。對于沖突次數而言，近似呈現正態分布特征，峰值區域在300～400 m，隨后又開始下降。

交織區長度的增加為車輛的跟馳和換道提供了更大的空間與時間，車輛在道路上的分布開始分散，拉開了車頭間距，速度與車頭時距也隨之上升。而當交織區長度不足時，相同的交通量在道路上的分布就比較集中，車輛行駛空間受到壓縮，駕駛員用于直行車道變換與跟馳的空間減小，加劇了交織區內交通流的紊亂程度，交織車輛的行駛速度緩慢。在交織路段足夠長時，交織段內的車輛相當于在長路段上行駛，交織段長度的再次增加對于整體車輛運行的影響不大。

3 結論

該文首先選擇平均速度、車頭間距以及沖突數這三個參數作為交織區微觀仿真模型的評價指標，利用這些數據將各種因素對交織區的影響進行量化，然后基于交織區交通影響參數，對交織區狀態進行多情境仿真分析，研究交織區長度的改變引起的交織區車輛相關評價指標的變化。仿真結果顯示，在交通量一定的情況下，交織區長度對交織區運行狀態影響較大。在交織區長度一定的情況下，交通量的增加會使交織區服務水平下降。在實際工程設計中可根據各數據計算出交織區的臨界長度，從而提升交織區通行能力與穩定性，并減少不必要的施工成本。

參考文獻

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[11]任福田， 劉小明， 榮建， 等譯. 道路通行能力手冊[M]. 北京：人民交通出版社， 2007．

收稿日期：2023-12-08

作者簡介：于世軍（1978—），男，博士，副教授，研究方向：交通運輸規劃與管理。

通信作者：徐成（1997—），男，碩士，研究方向：交通運輸規劃與管理。

基金項目：教育部人文社會科學研究規劃基金項目“保護與更新雙重視角下歷史城區多模式交通系統協同優化研究”（22YJAZH139）。