徐良杰　 王志军,2　 余金林　 奚少新

(1武汉理工大学交通学院, 武汉 430063)(2吉林省高等级公路建设局计划处, 长春 130033)(3中国管理科学院武汉分院城市交通管理研究所, 武汉 430001)

不同车型对城市道路并入型渐变段的通行影响

徐良杰1王志军1,2余金林3奚少新1

(1武汉理工大学交通学院, 武汉 430063)(2吉林省高等级公路建设局计划处, 长春 130033)(3中国管理科学院武汉分院城市交通管理研究所, 武汉 430001)

摘要:为了探讨车型对城市道路并入型渐变段处交通流的影响,研究了大型车和小汽车在渐变段处并入主线的运动规律,以及对路段通行的影响．根据大小型车通过渐变段不同的加减速度以及排队规律,分析车辆通过渐变段影响区域的车均延误;根据不同大车率条件导致的通行能力差异,分析车辆通过渐变段影响区域的行程时间;建立了大型车和小汽车通过渐变段的延误模型和行程时间模型.以武汉市和平大道某并入型渐变段为例,利用VISSIM仿真平台验证延误模型和行程时间模型的有效性．结果表明,大车率的增加会对并入型渐变段的交通产生较大影响,使车辆的行程时间和平均延误增加．

关键词:城市道路;并入型渐变段;大车率;延误模型;车速模型

由于道路施工、红线宽度限定、路内停车、公交直线式停靠等原因造成的车道数量缩减对道路通行能力有较大影响,行驶在最外侧或者最内侧车道的车辆需要变道并入临近车道,会对周围车辆产生较大干扰,导致渐变段处通行能力下降．并入型渐变段成为城市道路路段交通瓶颈之一,并且存在车辆合流冲突造成的交通安全问题,因此,有必要针对城市道路车道数量压缩的并入型渐变段的设置和适用性进行研究．

国外对于车道合流区的交通影响进行了广泛的研究．早期,Kou等[1]根据高速路匝道的交通统计数据对合流区驾驶员的合流并道行为开展了研究,Bunker等[2]研究了合流区并道车辆的延误特性,Hall等[3]对道路合流区通行能力进行研究．近期,Weng等[4]对合流区的速度流关系及驾驶员的合流行为进行研究,并以车道为基础,结合车道间的交通冲突,建立速度流模型．Lü等[5]研究考虑合并效应的城市道路瓶颈点前的车道变换行为,并提出一种综合交通模型,通过模型计算换道可能性和并入车道的可能性．Chu等[6]通过研究合流区车辆并入速度和并入位置的规律,提出合流区的交通改善策略．Cassidy等[7]提出了一种双车道公路在封闭一条车道情况下的车辆延误和排队长度计算方法,可以为渐变段延误分析提供参考．

国内针对渐变段的研究主要集中在渐变段的设置长度方面．《道路交通标志和标线》(GB 5768.1—2009)[8]对渐变段设置给出了一些建议,但存在部分与实际情况不符合的问题.美国通行能力手册[9]给出了各种类型渐变段长度设置的计算公式,但未考虑车型对渐变段长度的影响.文献[10-11]研究了混合车流合流的运行模式,利用概率理论和计算机模拟,得到混合车流可接受间隙的概率分布,以及合流区长度和车道设计对道路通行的影响．曹瑾鑫等[12]比较分析了国内外的渐变段长度设置的经验公式,得出了渐变段长度设置只适用于限速条件下而不适用于城市道路渐变段的结论.李喜华[13]研究了城市道路施工区对路段通行能力的影响,利用流体动力学分析了施工区上游过渡区的交通流波动特征.马聪等[14]提出了基于V/C的公路养护施工区交通延误研究,利用数学解析方法建立施工区的减速延误、排队延误、限速延误和加速延误模型．冯伟[15]提出路边停车对机动车的延误影响包括减速延误、跟驰延误和加速延误．

本文以车型为影响因素,分析不同大车率对并入型渐变段处交通流的影响,为施工区域的渐变段长度合理设置、适用性分析以及公交车辆合理路线规划提供理论依据．

1城市道路并入型渐变段特点

根据城市道路渐变段的平面几何形状和功能的不同,可将其分为5种类型:并入型渐变段、平移型渐变段、路肩型渐变段、下游渐变段以及单线双向渐变段．每种渐变段所需的长度不同．并入型渐变段是临时交通管制中最常见的一种渐变段,其所需要的渐变段长度最长．

不同于高速公路匝道与匝道合流点或匝道与高等级公路的连接点,在城市道路并入型渐变段上,车辆行驶速度低,车流量大,车型也相对较复杂．由于道路施工、发生交通事故等原因,会使得在城市道路上临时出现车道合并的并入点,因没有明显的道路警示设施及标志,车辆往往到并入点前才发现需要车道合并,因此在并入型渐变段会造成一定的阻塞,甚至引发二次事故．车辆行驶在城市道路并入型渐变段上时,根据驾驶员自身特点的不同,并入车道的行为主要分为以下几类:

1) 驾驶员性格趋向激进型,在行驶过程中主要考虑自身驾驶能力及行车状态,在合流变道时发起强制并入的概率最大,存在抢道的危险行为．当出现误判情况时容易出现刮擦等事故,且对并入主线正常行驶的车辆有很大影响．

2) 驾驶员感知较为机敏,在并入车道时会综合考虑自身及周边的交通状况,会选择协同并入而非强迫并入,而在正常主线上行驶的车辆会减速进行协同．此行为属于比较好的合流方式,既保证自身行驶,又不影响正常主线上车辆的行驶．

3) 驾驶员比较保守,性格趋向善于忍耐,易低速行车且少超车,在并入主线时倾向于在完全保证安全的情况下才并入主线,不会干扰主线上车辆的行驶．此行为安全性较高,但并入主线费时较多,且使后方车辆延误增大．

2并入型渐变段长度

城市道路上形成并入型渐变段的原因不同,所需的并入型渐变段长度也不同．根据GB 5768.1—2009[8],并入型渐变段长度的计算公式如下:

(1)

式中,L为并入型渐变段长度;W为车道偏移宽度;V为车速．

根据城市不同车道偏移宽度以及不同的车速条件,计算出并入型渐变段长度的取值标准,结果如表1所示．

3城市道路车型参数分析

由于城市道路中心区主要以公交车和小汽车

表1不同车道偏移宽度下城市道路并入型渐变段长度取值标准

车速/(km·h-1)L/mW=3.25mW=3.5mW=3.75mW=4m80163175188200607581879340343639413019202223

为主,中型车辆较少,因此不考虑中型车对城市道路并入型渐变段的影响．参考Oketeh[16]提出的各车型加减速取值,得到在混合交通条件下城市道路的主要车型对应参数，如表2所示．

表2　城市道路主要车型对应参数值

4渐变段处车辆延误模型

4.1基本假设

渐变段影响区域包括渐变段直接影响区域和渐变段前的减速排队间接影响区域.为便于分析渐变段不同车型所产生的延误,做如下假设:

1) 路段车道偏移宽度为3.5 m,车速为30～40 km/h．根据表1可以确定渐变段长度为36 m.

2) 车流的到达服从负指数分布,且不受上下游交叉口的影响.

3) 大小型车在渐变段处的并入行为一致,忽略驾驶员的驾驶行为影响.

4) 车辆在进入渐变段减速排队区域前,保持初始速度V0行驶,经过渐变段减速排队区域和渐变段区域并入主线后,速度恢复到V0.

5)车辆在进入渐变段前采用a1减速度,从初始速度V0减速到安全跟车车速V1;车辆并入主线采用a2加速度,从排队速度0加速到V0或者从安全跟车车速V1加速到V0．

渐变段处车辆延误D包括进入渐变段前的减速延误D1、在渐变段区域的排队延误D2和加速并入主线的延误D3,即

D=D1+D2+D3

(2)

根据不同阶段大小型车的行车特性,大型车和小型车在并入型渐变段处的延误特征见图1．

4.2车辆延误模型

根据大小型车辆加减速值的区别,从减速延误、排队延误和加速并入主线延误3个方面建立车均延误模型．

图1　大小型车在渐变段处的延误特征

(3)

(4)

3) 排队延误．假设车辆到达服从负指数分布,则车辆到达模型如下:

Ft=P{h≤t}=1-e-λt

(5)

式中,Ft为到达车头时距h小于等于t的概率；λ为单位时间间隔的平均到达率,1/λ为平均车头时距; t为计数间隔持续时间．

当渐变车道处的车辆并入主线所需要的穿插临界间隙大于主线车流的车头时距时,渐变车道处的车辆需要排队等待．美国通行能力手册[9]推荐的穿插临界间隙和随车时距的值见表3．

表3　穿插临界间隙和随车时距推荐值　s

由表3可确定车辆的平均车头时距1/λ以及车辆能够并入的临界间隙时间t0．因此,每辆车的平均排队延误计算公式如下:

(6)

5渐变段处车辆行程时间模型

美国联邦公路局(BRP)提出的路阻函数模型[17]描述了行车时间与交通量之间的关系:

(7)

式中,T为路段实际行程时间;Tf为路段自由流行程时间;v为路段交通量;c为路段实际通行能力,pcu/h;α,β为回归系数,当道路交通流为非拥挤状态时,α=0.15,β=4．

文献[18]给出了基本通行能力和实际通行能力之间的关系:

c=c0fCWfSWfHV

(8)

式中,c0为基本通行能力,取1 800pcu/(h·ln);fCW为行车道宽度对通行能力的修正系数,渐变车道取值0.5,主线车道取值1;fSW为侧向余宽对通行能力的修正系数,城市道路取值0.93;fHV为交通组成对通行能力的修正系数,fCW=1/(1+P),P为大车率．

由式(7)和(8)可知,行程时间与大车率之间的关系模型如下:

(9)

6VISSIM仿真验证

6.1仿真参数设定

为了验证本文提出的并入型渐变段车辆的延误模型和行程时间模型,利用VISSIM仿真软件,采用武汉市和平大道某渐变段的交通统计数据进行仿真实验．该渐变段交通量为2 538pcu/h,设定车辆的到达服从负指数分布,车型分为公交车和小汽车,车速为30～40km/h．穿插临界间隙下限为4.1s,上限为4.6s;随车时距下限为2.6s,上限为3.1s;渐变段长度为36m．为了能够实现车辆安全减速,减速区域长度设定为30m．具体参数设置见表1和表2．另外,在渐变段影响区域(包括渐变段前30m减速区域)设置检测器,检测车辆行程时间和延误．仿真场景如图2所示．

图2　渐变段处的仿真场景设定

6.2仿真运行结果

对VISSIM仿真软件进行参数设定,软件运行3 600s后得到的渐变段影响区的行程时间和车辆的平均延误结果如表4所示．

表4　不同大车率下车辆的行程时间和平均延误

从表4可看出,随着大车率的增大,渐变段影响区车辆的行程时间和平均延误均有所增加.当大车率从0.05增加到0.20时,行程时间增加15.8%,平均延误增加16.7%,表明大车率对并入型渐变段的影响非常大．

6.3模型验证分析

根据渐变段处车辆行程时间模型,可计算出在不同大车率条件下的行程时间;根据渐变段处车辆延误模型,可计算得到在不同大车率条件下的车均延误．针对并入型渐变段车辆的行程时间和车均延误,将模型计算值与仿真实验的结果进行对比,如表5所示．

由图2和表5可见,并入型渐变段区域交通流的行程时间和平均延误均随着大车率的增加而增加,其增加趋势相同．在道路交通事故发生后,设置并入型渐变段时,应对车道的大车率加以控制,以减少车辆的行程时间和平均延误．而当大车率大于0.15时，则应尽可能避免并入型渐变段的设置.

表5　模型计算值与仿真值结果对比

7结论

1) 渐变段处的延误与大车率正相关,行程时间与大车率负相关,且均呈现出线性变化关系,大车率的增大会对并入型渐变段的交通产生较大影响,增加车辆的行程时间和平均延误．

2) 通过不同的大车率对比,得到车型对交通流的影响规律.建议在大车率大于0.15时,应尽可能避免并入型渐变段的设置;在必须设置并入型渐变段的路段,可通过调整公交车的线路,降低并入型渐变段路段的大车率,或者调整渐变段长度．

3) 模型与仿真存在一定的误差,但不同大车率条件下车均延误和行程时间的变化规律存在一致性,因此渐变段处车辆行程时间模型能够在一定程度上反映大车率对并入型渐变段通行的影响．

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Effects of different vehicle types on the capacity of merging transition section in urban road

Xu Liangjie1Wang Zhijun1,2Yu Jinlin3Xi Shaoxin1

(1School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China) (2Planning Department, Jilin Province Highway Construction Bureau, Changchun 130033, China) (3Urban Traffic Management Institute, Wuhan Branch of Chinese Academy of Management, Wuhan 430001,China)

Abstract:In order to explore effects of vehicle types in the merging transition section in urban roads on traffic flow, the rules of movement of oversized vehicles and cars in the transition section merging to main road and its influence on the road capacity are studied. The average delay of vehicles when passing through the transition affecting area is analyzed based on different acceleration and deceleration speeds and the queuing rules of oversized vehicles and cars. The travel time of vehicles when passing through the transition affecting area is analyzed based on capacity differences caused by different oversized vehicle conditions. The delay model and travel time model of oversized vehicles and cars passing through the transition section are established. The effectiveness of the two models is verified with the help of VISSIM simulation platform by taking the merging transition section of Heping road in Wuhan city as an example. Results show that the increase of oversized vehicles will cause a influence on the merging transition section of the road, thus increasing the travel time and average delay of cars.

Key words:urban road; merging transition section; oversized vehicle rate; delay model; speed model

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.032

收稿日期:2015-11-21.

作者简介:徐良杰(1968—),女,博士,教授,博士生导师,laurrie119@163.com．

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51578433)、教外司留学回国人员科研启动资助项目 ([2013]1792)、吉林省交通运输科技计划资助项目(2014-1-8)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015-zy-024).

中图分类号:U491.1

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0646-05

引用本文: 徐良杰,王志军,余金林,等.不同车型对城市道路并入型渐变段的通行影响[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):646-650. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.032.