包家烁

(1. 中交远洲交通科技集团有限公司，石家庄 050035；2. 中交远洲(北京)研究院，北京 100010)

交织区是城市快速路的瓶颈路段.快速路交织区存在大量的换道交织行为，这是导致交通状态紊乱、运行质量下降的主要原因，同时也相应地增加了交通安全隐患.交织区的瓶颈特点会在很大程度上影响快速路的运行情况，且在多个交织区的共同作用下，会对整条快速路的运行造成不利的影响，极易引发交通拥堵和交通事故.因此，对快速路交织区的通行能力进行分析，得到影响交织区通行能力的关键因素，对于改善交织区的运行状况具有重要意义.

国内外学者对城市快速路交织区的交通运行与通行能力展开了广泛的研究.美国HCM 手册根据大量实验与调查结果，提供了交织区的交织速度、交织比等基本参数的计算方法，并将交织区进行了分类，同时还提供了服务水平等相关评价指标的计算方法[1]；Lertworawnich 等[2]提出了一种B 型交织区通行能力的估算方法；Awad[3]基于神经网络，建立了快速路交织区通行能力的估计模型.

在国内的研究中，孙剑等[4]提出了一种更加符合城市快速路交织区运行特征的交织区通行能力计算模型；陈亮等[5]基于元胞自动机建立了多车道交织区离散模型，仿真模拟饱和状态下多车道交织区交通流的演变过程，解释了交织区产生拥堵的原因与机制；龙科军等[6]提出了城市高架下匝道与地面交织区的通行能力的计算模型.然而，现有的研究缺少从运行现状分析到仿真优化的一个完整流程.因此，本文拟对城市快速路交织区的通行能力进行分析，从现状调查入手，剖析快速路交织区的运行特性，并在此基础上建立快速路交织区的微观仿真模型，得到快速路交织区的运行规律，以期为交通管理部门对交织区这一瓶颈路段进行优化与改善提供参考和依据.

1 快速路交织区交通运行特性分析

1.1 交通调查

本文以长沙市万家丽快速路交织区为例进行研究，具体研究对象为位于万家丽中路，紧邻长沙大道立交的南部高架交织区，其全长共450 m，主线为3 车道，车道宽度为3.75 m，另加1 附加车道，具体位置如图1 所示.

图1 交织区位置示意

调查以视频的方式对晚高峰期间交织区的运行特性与相关参数进行采集，其具体内容包括由交织区构型、交织区长度、交织区内车道数和车道宽度组成的几何参数，以及由总交通量、交织交通量与交织车速、非交织交通量与非交织车辆速度、车型比例与各交通量的车道分布等组成的交通参数.调查录像截屏如图2 所示.

图2 交织区调查录像视频截图

根据调查结果，得到了该交织区的几何特性与交通运行特性，发现该交织区为A 型交织区，即仅需要换1 次道便能完成交织.

1.2 交织区交通流特性分析

该交织区高峰时段各车道流量的变化情况如图3 所示.

图3 交织区高峰时段各车道流量

由图3 可以看出，在时间分布上，交织区5组车道的车流量随着时间变化较小，且相对稳定，这说明其整个高峰时段的车流量变化不大；在空间分布上，由于交织行为主要发生在外侧，通行车辆为了避免互相干扰，会往内侧靠拢，故内侧车道车辆数要大于外侧车道，其空间占有强度更大.通过对车流量统计分析得知，主线至主线的车流量为4 282 pcu/h，主线至匝道出口的车流量为983 pcu/h，入口匝道至主线的车流量为852 pcu/h；高峰小时总流量为6 117 pcu/h；交织流量比为0.30；交织比为0.464.根据道路通行能力手册[1]中在不同条件下的交织区通行能力经验参考值，在长度为450 m、自由流速度为80 km/h 和交织流量比为0.3 的条件下，交织区的通行能力约为5 900 pcu/h.由此可知，万家丽快速路交织区高峰小时流量略大于其通行能力，且其运行现状比较紊乱、服务水平较低，在高峰时段不能满足交通需求，需要进行相应的改善.

该交织区通行车辆可分为交织车辆与非交织车辆，其速度变化情况如图4 所示.

图4 交织与非交织车辆速度时变图

由图4 可以看出，交织车辆速度在35 km/h上下波动，其变化程度不大；非交织车辆速度在55 km/h 上下波动，与前者的速度变化趋势基本相同.这说明两者在交织区内存在着相互影响，即交织行为会对非交织车辆造成干扰，非交织车辆也会占用相应空间对交织车辆造成干扰；交织车辆为了安全地完成交织换道行为，会以较低的速度通过交织区，非交织车辆因受其干扰，速度也会有所下降.

1.3 交织区换道特性分析

本文分别按主线直行、主线驶出与驶入主线3 种流向的车辆来分析其换道的特性，并将交织区划分为交织区上游、交织区前半段和交织区后半段3 段.主线直行车辆在各区域的换道频率分布如图5 所示.

图5 主线直行车辆各区域换道频率分布

由图5 可以看出，主线直行车辆大部分在交织区上游与交织区后半段进行换道.前者是因为车辆为了避免前方交织区的干扰，选择往内侧变换车道；后者是因为交织行为主要发生在前半段的外侧车道，随着后半段交织行为的减少，交织车辆干扰也减小，车辆换道空间较为充足，为达到更高的行车速度，司机选择在此往外侧换道.

主线驶出和驶入主线的车辆在各区域的换道频率分布分别如图6～图7 所示.

图6 主线驶出车辆各区域换道频率分布

由图6～图7 可以看出，在高峰时段，主线驶出和驶入主线的车辆大多数均在前半段发生换道行为，这是因为驾驶员必须要在交织区内完成换道，具有较高的强制性.

图7 驶入主线车辆各区域换道频率分布

1.4 交织区跟驰特性分析

根据视频调查的结果，该交织区在晚高峰期处于比较拥堵的状态，其交织程度较高，因此所反映的交织区的跟驰特点也更加明显.非交织车辆的跟驰特点与基本路段相似，为了尽量保证最大的行驶速度，均只与前车保持最小的安全车头间距；交织车辆由于其主要目的是换道，在未完成换道之前，其跟驰特点为当与前车车头间距增大时也并不会紧跟.由于此时交织流量大，可换道的机会较少，车辆会出现减速等待的情况，因此影响到了其他车辆的正常通行，给交织区的交通流带来了干扰.

2 快速路交织区微观仿真模型

2.1 微观仿真模型概述与建模流程

微观仿真模型是交通仿真模型的一种，它能利用计算机技术较为真实地将道路的运行状态模拟出来，可克服现场实验实施不易、成本高的缺点，是目前交通流研究、分析与评价领域应用较广的实验平台[7].其主要构成为：1)属于静态模型的路网模型，关键参数有车道、路段、周围环境等；2)由各种车辆与行人组成的交通对象；3)车辆产生模型，即针对交通流的输入情况；4)还原真实驾驶行为的交通规则模型；5)最短路径选择模型.

为保证仿真的真实性，交织区微观仿真模型应与实际的交通情况相匹配，因此需要对仿真模型进行参数标定[8-9].首先，将调查得到的该交织区交通数据作为仿真模型的构建基础；其次，利用VISSIM 交通仿真平台对交织区进行建模、参数标定和校验，以确保所建立的模型与实际情况相符.具体的建模流程如图8 所示.

图8 微观交通仿真模型建立流程

2.2 模型构建与参数标定

1)建立路网模型.首先，结合调查所得交织区的几何参数，在CAD 软件中绘制出该交织区的路网结构图(包括交织区长度、车道数、车道宽度等几何拓扑结构)，并将其导入VISSIM 仿真平台；其次，输入交通调查得到的交织区的各分车道流量，同时，还可以通过该仿真平台中的禁止车道变换功能满足交织区的分段禁止车道变换的规则.所建立的路网模型如图9 所示.

图9 万家丽快速路交织区路网示意

2)标定期望车速.将交通调查所得的车辆速度累计分布作为期望车速，并根据该数据，选取几个累计的百分比速度值.本文选取30%、50%、70%和80%对应的速度值，即非交织车辆速度为45～70 km/h，交织车辆速度为25～40 km/h.

3)标定决策路径.根据实际情况，分车道按流向进行路径设置，即主线至主线(包括车道1 至主线、车道2 至主线和车道3 至主线)；主线至匝道出口(车道3 至匝道出口)；入口匝道至主线.

4)标定驾驶行为参数.根据交织区的交通运行特点，采用Wiedmann 74 模型作为跟车模型，其余参数均采用默认值.

2.3 仿真模型校验

对建好的模型进行仿真并输出交通参数，再将所得参数与实地调查的数据进行对比检验.如果检验结果相等，则证明模型具有有效性，可以进行下一步仿真实验；如果检验结果不相等，则重新校验.通过VISSIM 平台中布设在车道上的数据检测器，分别统计匝道驶入主线、从主线驶出和从出口匝道驶出的车辆，结果分别如图10～图12 所示.由图10～图12 可以看出，3 种车流的调查流量与仿真流量相差不大，即仿真效果良好，这初步说明了仿真模型的可靠性.

图10 匝道驶入主线的车流量对比

图11 从主线驶出的车流量对比

图12 从出口匝道驶出的车流量对比

为了更加严谨地证明模型的有效性，本文还采用了统计学上的校验方法进行验证，即分别对3 组数据进行统计检验，采用95%置信度水平下的双样本F检验，判断其方差是否相等，其结果见表1.

表1 95%置信度水平下F 检验结果

由表1 可以看出，从主线通过、从入口匝道驶入和从出口匝道驶出3 种情形下对应的调查数据与仿真数据的方差并不相等，需要进行异方差T检验，判断其均值是否相等，结果见表2.

表2 95%置信度水平下T 检验结果

由表2 可看出，所有T值均在拒绝域内，且均值相近，这表明模型具有有效性，能较好地反映实际交通运行情况，可以用于仿真实验分析.

3 快速路交织区微观仿真分析及其改善策略

利用在VISSIM 平台中建立的交织区模型进行仿真实验，如图13 所示.由于交织区的根本问题是大量的交织换道行为导致了其通行能力下降，因此提高交织区的通行能力是优化交织区的首要目的.影响交织区通行能力的主要因素有交织区长度、交织流量比和交织区宽度.其中，交织区长度是需要被重点考虑的因素；交织流量比作为交通参数具有一定的随机性，随着交织流量比的改变，交织区的通行能力也会随之发生变化.因此，本文主要探究在不同交织流量比下，交织区长度与通行能力的关系，以期为改善交织区的交通运行状况提供依据.

图13 交织区仿真结果

3.1 实验方法和步骤

1)确定实验参数.为使结果更加清晰和探究在大交织流量比下的交织区合理长度设置，在已构建的VISSIM 模型基础上改变交织区长度，将其设为150～850 m 共15 个不同长度值，交织流量比设为0.1～0.5 共5 个不同的值，其余几何参数如交织区宽度保持不变，仍为4 车道，车道宽度均为3.75 m.

2)求解通行能力.利用VISSIM 求解通行能力的实验方法为：在一定交织区长度下，保证所输入车流量的交织流量比不变，持续地增加从主线和入口匝道驶入的车流量，当流量大于其通行能力时，交织区的流量便会出现“溢出”现象，此时通过的最大流量便是该交织区长度和交织流量比下交织区的通行能力.

3)调节仿真参数.采用控制变量法进行仿真实验，即在一定交织流量比下仅改变交织区长度，探究此时交织区长度与通行能力之间的关系.

3.2 结果分析

按照上述方法和步骤，共计得到了15×5=75个不一样的通行能力值，如图14 所示.

图14 交织区长度与交织流量比对其通行能力的影响

由图14 可知，快速路交织区通行能力的变化规律如下：

1)交织区的通行能力与其长度呈正相关.在固定交织流量比下，当交织区的长度增加时，其通行能力也会随之增加，但是会出现一个临界值，使得当交织区长度的继续增加时其通行能力几乎不再增加，而是趋于一个稳定的值.根据交织区运行的特点与规律分析，其原因是交织区长度的增加会使车辆更容易进行换道交汇.随着交织区长度的不断增加，车辆换道频率也随之下降，车辆换道所受到的限制也越来越少，当交织区长度足够长时，车辆就有了充足的时间与空间来完成交织换道行为，由其所造成的紊乱程度也降到最低，此时便大致等同于基本路段的车道变换，通行能力达到了稳定的最大值，即使再增加交织区长度也并不能提高通行能力.

2)在一定交织流量比下，当交织区长度在150～400 m 范围增加时，交织区通行能力上升较快；当交织区长度在400～850 m 范围增加时，交织区通行能力上升较慢.这主要是因为，在一定交织流量比下，当交织区长度较小时，由于时间与空间有限，交织区车辆的车道变换处于较为频繁的状态，此时增加交织区长度，能大幅缓解交织区的紧张运行情况，对其通行能力的提升程度会更大.

3)交织区通行能力与交织流量比呈负相关.在一定交织区长度下，当交织流量比为较小的0.1～0.3 时，随着交织流量比的增大，交织区通行能力下降较慢；当交织流量比为较大的0.3～0.5时，随着交织流量比的增大，其通行能力下降较快.这是因为，在交织流量比较大时，交织区的交汇换道行为已经处于相对较为频繁的状态，此时增加交织流量比，更易使交织区交通拥堵，紊乱趋势会更明显，其通行能力下降会更快.

3.3 改善策略

根据快速路交织区通行能力变化规律的仿真结果，可为万家丽快速路交织区的交通运行提出相应的改善策略，并为今后快速路交织区的工程设计提供一些建议，具体如下：

1)增加交织区长度至600 m.根据仿真实验得知，当交织区的长度为550 m 时，其通行能力为6 127 pcu/h，大于现状高峰小时流量6 117 pcu/h，能够满足其交通需求并提高服务水平，但不应超过临界长度650 m，因为超过临界长度时通行能力基本不再增加，会导致资源浪费.

2)若上述实施条件不允许，可以通过入口匝道控制的方式进行调节，具体方法为：在入口匝道上布设红绿灯，在高峰时段通过定周期的红灯信号来禁止入口匝道车辆驶入，即通过限制匝道驶入流量来限制交织流量比，从而提高通行效率，优化交织区运行状况，如图15 所示.

图15 入口匝道信号控制示意

3)根据交织区通行能力的变化规律，在进行交织区工程设计时，可依据交通流预测数据，计算出交织流量比，得出交织区的临界长度，使得交织区通行能力达到理想的最大值，这样既能保证交织区的正常运行，也能降低施工难度和减少施工成本.

4 结论

1)本文以长沙市万家丽快速路交织区为研究对象，基于交通调查的结果对快速路交织区的运行特性进行了分析，并在VISSIM 交通仿真平台建立了快速路交织区微观仿真模型，得到了快速路交织区通行能力的变化规律.

2)交织区长度与交织流量比均对交织区的通行能力有着显著的影响.其中，交织区长度与通行能力呈正相关；交织流量比与通行能力呈负相关；当交织区的长度到达一个临界值之后，其通行能力会趋于稳定.

3)根据交织区通行能力的变化规律，本文提出了快速路交织区优化运行的改善策略和工程设计建议，可为城市快速路交织区的运行改善和工程设计提供参考.