陈宽民，田 甜，夏立品

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

通常所说的互通立交间距是指相邻互通立交主线间距，即两条横向道路和主线交叉点的距离S，受地形及用地等条件的限制，城市快速路互通间距会出现小于规范值的情况，当S≤2.5 km时，则称为小间距互通。互通立交间距如果过短，不仅造成工程投资的浪费，而且会引起交通流频繁地交织，从而导致城市快速路上交通流的紊乱，影响城市快速路功能的正常发挥, 易引发交通事故。研究小间距互通交织区交通流特性可为交通管理措施的制定提供依据。互通立交间距示意如图1。国内针对匝道分合流区交通流特性的研究起步较晚，科研成果主要集中在快速路系统规划、布局设计、交通组织、交通控制以及交通流特性分析等方面。且相关研究主要局限于常规分流区与合流区分离独立的交通流运行特性。

图1 互通立交间距示意Fig. 1 Sketch map of interchange distance

钟连徳等[1]对我国城市快速路与国外高速公路的交通运行特性进行了详细的对比分析，认为大多数城市快速路与高速公路的交通运行特性相似，但也有少部分存在较大差异。薛行健等[2]以实际交通调查和交通仿真数据为基础，对城市快速路匝道合流区与基本路段的交通特性进行了对比分析，证实了快速路匝道合流区的交通运行规律的复杂性与不确定性，提出快速路入口匝道控制方法应该选用与普通交叉口相区别的控制方法。陈学文[3]以实际交通调查数据为基础，建立了入口匝道和出口匝道的控制模型，包括入口匝道感性控制，入口匝道实时优化控制，以及出口匝道感性控制和出口匝道辅路调节控制。该模型可以一定程度上提高快速路的通行效率，减少交通流之间的冲突现象，保障车辆运行安全。李洪萍[4]以快速路系统目标为起点，通过层次分析法和模糊理论分析法，建立了不同评价指标下的城市快速路系统服务水平评价体系，并且进行了算例分析。D.NGODUY等[5]指出现有的宏观交通流模型并不能够准确地描述快速路多车道交通流的动态特性，特别是出入口匝道区域，提出了一个涉及车道变换的交通流模型，该模型主要在微观上考虑出入口匝道区域的车辆换道行为，进而根据气体动力学理论建立了一个快速路多车道交通流模型。D.H. NI 等[6]运用交通仿真手段研究了匝道连接段的分合流行为，假设进出匝道车辆总是具有通过合流区和分流排队的优先权，但实际上的交通流运行情况要自由的多。

相关研究表明车流汇入主线影响范围在加速车道与主线最外侧两车道从加速车道开始后457.2m处[7]，但未提供详细的沿线车速变化数据，可应用海量实测数据对合理车辆加速区范围进行识别。

综上所述，城市快速路出入口匝道交通流特性及运行规律研究取得了很多成果，为匝道分合流区交通管理与控制提供了技术支持和理论基础，但大部分研究把合流区和分流区分开来进行研究，缺乏对小间距互通交织区连续性交通特性的研究。笔者根据交通流运行特性将交织区分为5个部分，即匝道入口(区域)、合流区域、交叉段、分流区域、匝道出口(区域)，交叉段指交织区内车辆通过匝道入口加速之后到达匝道出口减速之前的过渡段，如图2。利用出租车GPS数据对小间距互通出入匝道间交织区交通流进行连续性分析，分析不同交通量条件下分、合流区与主线交通流特性。

图2 小间距互通交织区分段示意Fig. 2 Schematic diagram of small interval interchange area

1 研究思路

笔者选择西安市东三环快速路、绕城高速上符合条件的小间距互通交织区为研究对象，基于GIS技术利用西安市2015年出租车GPS数据(将车辆定位点数据与空间路网数据相匹配)进行分析，得到互通交织区连续速度特性。根据数据分析结果，得到小间距互通交织区交通流运行交通特性。

2 出租车GPS数据预处理

数据库中的原始数据主要保存了出租车上装配的GPS终端所采集的数据，这些数据包括序号、车牌号码、GPS时间、经度、纬度、车辆状态(空车、重车)、车辆速度、车辆方向等信息。

由于出租车具有特殊的行驶特性，部分数据信息不能如实的反映车辆的运行状况，必须进行奇异数据的排除。出租车有载客和空载两种状态。出租车载客时，驾驶员通常试图以较快的速度到达目的地。这种状态下的GPS信息可以比较真实的反映车辆的运行状态；当出租车空载时，驾驶员处于觅客中，通常不会以较快的速度行驶，甚至停车待客。由于出租车在运行过程中GPS定位会出现漂移现象，所以在GIS分析与路网匹配时，需要把道路以外的数据点删除，降低数据的统计误差，因此分析之前需要对奇异数据进行剔除。

3 基于出租车GPS数据的互通交织区交通流特性分析方法

互通交织区交通流特性包括分合流区的速度特性、分合流区交通流对主线的影响范围等。根据高速公路沿线车速统计分布特性，车辆在接近互通立交时车速会有一定程度的降低，然后保持相对稳定的车速通过互通立交，经过匝道合流点后，车速逐步提升至正常水平[8]。主线上的车辆进入合流区时，在右侧匝道驶入车流的影响下，主线右侧最外侧车道上的车流将受到干扰。当匝道流量较大时，迫使最外侧车道上的部分车流转移到左侧车道。合流区内这种运行特性必然影响到主线上的交通流，在一定情况下，降低主线车流的运行速度，影响车流稳定性，影响范围波及到合流区上下游的一定距离。在车辆进入分流区时，需要驶出车辆进行减速以完成换道，从而影响其他车辆的正常行驶，引起交通流紊乱。

在图2所示的交织区的合流区内，以合流点为起始点，10 m为单位长度将下游受合流区影响范围分成n段(n>30)，上游受合流区影响范围分为m段(m>30)；同理，在分流区，以分流点为起始点，10 m为单位长度将下游受分流区影响范围分成l段(l>30)，上游受分流区影响范围分为k段(k>30)，道路基本单元分段如图3。

图3 高速公路基本分段及与GPS数据对应关系Fig. 3 Basic segmentation of expressway and its correspondence with GPS data

(1)

其相邻路段速度的增长率计为wm-1依次为：(V2-V1)/V1、(V3-V2)/V2、(V4-V3)/V3、…、(Vm-Vm-1)/Vm-1；由于在高速公路或城市快速路等等级较高路段上，车辆运行较平稳，车辆间速度离差较小，同时，在外界条件干扰较小的条件下，同一辆车在较长一段距离内能够保持相对的匀速行驶，所以，笔者假定在相邻路段内速度标准差差距较小(小于阈值ψ)且相邻基本路段单元平均车速增长率小于阈值w(w由基本路段平均速度及分、合流区处的平均速度来确定)，认定为超出分流区、合流区影响范围。计合流点上、下游影响范围长度分别为Lm、Ln，则合流区影响范围长度为L合=Lm+Ln；分流点上下游影响范围长度分别为Ll、Lk，则分流区影响范围长度为L分=Ll+Lk；道路基本路段平均车速为V主，合流点处平均速度为V合，交叉段内平均车速为V交、分流点处的平均速度为V分。分、合流区影响范围识别判断流程如图4。

图4 分、合流区影响范围识别判断流程Fig. 4 Identification flow of influencing range of confluence area

4 城市快速路小间距互通交织区交通流速度特性分析

三环城市快速路是西安城市道路网骨架的重要组成部分，在市内道路交通网和区域公路网中发挥着重要的作用。主线全长74.8 km，有互通式立交桥29座，互通平均间距2.57 km，最小互通间距约为1.5 km。互通立交间距如果过短，不仅造成工程投资的浪费，而且会引起交通流频繁地交织，从而导致城市快速路上交通流的紊乱，影响城市快速路功能的正常发挥, 还容易引起交通事故。有必要研究小间距互通交叉段交通流特性，为其交通管理措施的制定提供依据。笔者选取互通组道路特性如表1。

表1 所选互通组道路特性Table 1 Selected set of Road Interchange characteristics

东三环互通A、东三环互通B、外环高速互通C各选取若干时段数据出租车GPS数据来分析各组互通的交通流速度特性。每一时段内，出租车的样本量在一定程度上反应该时段的交通流量，数据样本量越大，该时段内交通流越大。为研究交通流量的大小对分流、合流区速度特性的影响，特选取交通流量具有梯度变化的时段进行分析。各互通速度特性分析结果如表2，图5。由表2，图5可见，东三环互通A组4个时段样本量分别为806、267、2 017、3 286个，对应主线速度分别为79、84、78、69 km/h；合流区平均速度分别为交叉段速度的84.8%、80.9%、79.5%、85.5%；分流区速度分别为交叉段速度的67.1%、78.6%、87.2%、82.6%。东三环互通B组4个时段样本量分别为657、235、1 821、3 165个，对应的主线速度分别为80、77、71、65 km/h；合流区平均速度分别为交叉段速度的66.3%、89.3%、77.5%、89.2%；分流区速度分别为交叉段速度的81.3%、74.7%、74.6%、69.2%。外环高速互通C组主线速度为103 km/h，合流区车速为84 km/h，分流区车速为83 km/h，交叉段内速度基本保持稳定，平均车速为91 km/h，最大速度差为10 km/h。交叉段车速比基本路段上低，其平均车速为主线车速的89%；在匝道与主线连接处车速为交叉段平均车速的81%。

表2 三组互通交织区分时段连续速度特性Table 2 Three groups of interwoven continuous time-division rate characteristics

注：样本交通量为某一时段的GPS数据速度样本，样本量越大，在一定程度上也反映出该时段内交通量越大。

图5 互通组交织区各分区交通流特性图示Fig. 5 Traffic flow characteristics of each area

通过上述数据统计分析，主线流量驶入合流区受相连入口匝道车流量影响，速度会适当降低，通过匝道与主线连接处之后，车速又逐渐恢复。受互通间距较小的影响，车流在相对较短的间距内需完成交织变道的过程，流量速度在恢复一定程度后保持相对均衡的速度行驶，但较匝道入口前主线要低，其速度大小受交织流量大小的影响，交通流越大，速度越低，在车辆进入分流区，车流速度受分流车辆的影响，速度将会降低。结果表明，在同一时段交通量相同的条件下，分流区交通流速度下降幅度普遍比合流区大，分流区受分流交通流影响程度比合流区受合流车辆的影响程度要大。在不同时段交通量不同的条件下，对同一互通组各时段的速度特性进行分析，结果表明：分流区、合流区、交叉段速度受交通量大小的影响，交通量越大，速度越小；分流区、合流区相对于交叉段的速度下降幅度基本不受交通量大小的影响，在交通量较小的情况下，主线车辆运行速度较大，在通过分流区、合流区时速度降低至相对较大值。在交通量较大的情况下，主线车辆运行速度较小，在通过分流区、合流区时速度降低至相对较小值，但两种交通量状态下，速度下降幅度基本相同，与交通量大小没直接的关系。

5 匝道出、入口对主线交通流影响范围的分析

研究城市快速路及高速公路小间距互通匝道出、入口对主线的影响范围对小间距互通最小间距的确定具有重要意义。笔者选择东三环和外环高速符合条件的互通作为研究对象，为尽可能的反应交通流在自由流速度条件下的特性，选择城市快速路东三环非高峰时段数据及高速公路数据进行研究。在速度特性研究的基础上确定匝道出、入口对主线的影响范围，并对比东三环与外环高速的数据得出相关结论。

通过对小间距互通各区段速度特性研究结果可知，车辆通过入口匝道后车速先增大达到平稳值，随后受分流交通流的影响，在到达出口匝道前速度开始减小。主线交通流通过合流区、分流区时，受合流、分流交通流的影响，主线车辆分为减速、相对匀速、加速3个阶段，研究出入匝道车流对主线交通流的影响范围，应考虑以上3个阶段。笔者设定分合流影响区内平均速度低于主线平均速度的80%时，为受影响范围。东三环、外环高速匝道出入口对主线影响范围数据分析结果如表3。

表3 东三环、外环高速匝道出、入口对主线影响范围数据分析Table 3 Analysis of East Third Ring Road outer ring expressway entrance ramp in main influence range of data

由表3可见，东三环出口影响范围平均长度为227 m，入口影响范围平均长度为168 m。外环高速出口影响范围平均长度为273 m，入口影响范围平均长度为214 m。分流交通流对主线的影响范围要比合流交通流对主线的影响范围大。汇入交通流通过入口匝道进入主线之前进入辅助车道上行驶，寻找合适车头间距汇入主线交通流，由于此过程具有选择性，所以对主线的交通流影响较小；分流交通流在进入出口匝道之前需要从主线交通流分离出来，由于此过程具有强制性，部分驾驶员驾驶较为谨慎，需要在距离出口匝道较远距离变换车道，因此对主线的交通流影响较大。东三环交叉段平均速度为 80.3 km/h，出口影响范围平均长度为227 m，入口影响范围平均长度为168 m。外环高速交叉段速度为91 km/h，出口影响范围平均长度为273 m，入口影响范围平均长度为214 m。对比东三环与外环高速数据分析表明：交叉段主线速度越大，匝道出入口受影响范围长度越长。运行速度越高，驾驶员的驾驶特性也表现为越谨慎，在即将进入出入口匝道之前，受前方车辆的影响，为保证驾驶的安全性，运行车速越高，减速位置越提前。

6 结 论

笔者选择西安市东三环快速路、外环高速符合条件的小间距互通为研究对象，利用出租车GPS数据对小间距互通出、入匝道间交织区交通流特性进行连续性分析，分别研究了相同交通量及不同交通量条件下分、合流区与主线交通流特性。得到了小间距互通匝道出、入口纵向速度分布特性及分、合流区速度与主线速度关系，具体结论如下。

1)小间距互通匝道出、入口范围内，交通流速度受交通量影响，交通量越大，交通流速度越小。

2)分、合流区速度相对主线速度的下降幅度基本稳定，与交通量大小没有太大关系。

3)分流区受分流车辆的影响程度要比合流区受合流车辆的影响程度大，影响程度体现在车速下降幅度对主线车流的影响范围。

参考文献(References)：

[1] 钟连德，荣健,周荣贵，等.城市快速路与高速公路交通流特性的对比分析[J].公路交通科技,2005,22(1)：48-51.

ZHONG Liande, RONG Jian, ZHOU Ronggui, et al. Contrasting analysis of traffic stream characteristics between urban and intercity expressways[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2005,22(1)：48-51.

[2] 薛行健，宋睿，晏克非，等.城市快速路匝道合流区车速限制研究[J]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学学报，2012,44 (6)：144-148.

XUEXingjian, SONG Rui, YAN Kefei, et al. Speed restriction on ramp merging area of urban expressway[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology, 2012, 44 (6)：144-148.

[3] 陈学文.城市快速路匝道优化控制策略与方法研究[D].长春：吉林大学，2008.

CHEN Xuewen.ResearchonRampOptimizationMeteringStrategyandMethodinUrbanExpressway[D]. Changchun: Jilin University, 2008.

[4] 李洪萍.快速路系统服务水平评价理论与方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

LI Hongping.StudyontheLevelofServiceEvaluationTheoryandMethodforUrbanExpresswaySystem[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2007.

[5] NGODUY D， HOOGENDOORN S P, HENK J V.Modeling and simulation of multilane and multiclass traffic flow at on and off ramps[C]//The5thTriennialSymposiumonTransportationAnalysis.Berlin:[s.n.]，2004：1-9.

[6] LI D H, LEONAR J D. Simulation of freeway merging and diverging behavior[C]//Proceedingofthe2003WinterSimulationConference.Atlanta:[s.n.]，2003：1693-1700.

[7] ROESS R P,PRASSAS E S.TheHighwayCapacityMannual:AConceptual

andResearchHistory[M].New York:Springer Internatial Publishing,2014.

[8] 赵晓翠，杨峰，赵妮娜. 高速公路互通立交分流区的驾驶行为[J]. 公路交通科技，2012,29(9)：143-145.

ZHAO Xiaocui, YANG Feng, ZHAO Nina. Driving behavior in diverging area of expressway interchange[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2012,29(9)：143-145.