城市快速路匝道合流区与基本路段交通流特征对比

薛行健，宋 睿，晏克非

(1.中南林业科技大学物流学院，湖南长沙410004;2.同济大学 道路与交通工程重点实验室，上海201804)

匝道合流区作为车辆进入城市快速路的必经之处，其与主线的衔接区存在大量合流、交织等交通行为，是快速路通行能力的瓶颈路段(图1)，其与基本路段区别很大，不应该混为一谈;随着交通压力的增大，瓶颈效应带来的负面影响也日趋增大;因此，有必要对匝道合流区与基本路段的交通流特征进行对比分析，使得相关的规划、设计、管控工作能有针对性的展开。

笔者通过对上海市快速路进行数据采集，从交通流基本图、交通流状态的空间传播、匝道与主线流量关系和车道横向分布特征4个方面对匝道合流区与基本路段的交通流特征进行了对比分析，可为相关研究工作的开展提供支撑。

1 数据采集

研究所需的数据主要来自于2部分:第1部分采集布设在上海市快速路每条车道上的双线圈环形检测线圈，通过对基本数据进行处理，得到5分钟的研究数据;第2部分采用摄像机对研究路段进行高空拍摄，再进行后期数据统计与分析。

图1 城市快速路匝道合流区基本形式Fig.1 Schematic diagram of urban freeway merge area

2 交通流基本图对比分析

匝道合流区的瓶颈特性可以通过对比基本路段与匝道合流区的基本图(流量和密度的关系图)进行分析。采用基本图中的顶部数据缺失和交通状态突变这一现象来对比分析基本路段与匝道合流区在交通流状态上的区别是一个很好的方法。由于密度很难直接观测到，而在各大城市用于检测交通状况而采集的数据中使用最广泛的就是线圈数据，因此常用时间占有率(O)替代密度［1］。最早的基本图是由Greenshields的线性速密关系推导出来的，呈抛物线形［2］，此后各国学者根据自己的研究提出了不同的基本图图型［3－9］，现给出6种基本图图型如图2。此外，国内学者如郝媛等也对基本图型进行了研究［10］。

图2 6种基本图图形Fig.2 6 different basic graph types

图3显示的是某日上海市高架道路获得的基本路段和入口匝道合流区在白天14 h的数据。

由图3可知，根据这些数据可推测基本路段比较符合非对称抛物线形;而入口匝道合流区获得的数据表现出来的特征却并不相同，绝大部分的基本图都呈现大致3种特征:

1)抛物线顶端的数据严重缺失，代表车道通行能力附近的数据很少，即交通流状态很少有能达到车道最大通行能力的情况。

2)数据点的变化并不是按照非对称抛物线的路径变化的，经常会出现数据点在还未到达通行能力值附近时，就有从非拥挤区跳到拥挤区及相反方向的突然变化，而中间的过渡数据几乎没有。

3)匝道合流区下游由于离开了合流区，车辆开始进行加速，紊乱的交通流也得到恢复，但流量受到合流区限制，因此流量无法达到通行能力。

当然，并不是所有从基本路段采集的数据其顶部数据都与图3一样具有完整的顶部数据，实际上，完全不受匝道影响的理想“基本路段”在现实中也是不存在的，更何况基本路段也存在顶部数据缺失和数据跳跃的现象;但根据大量的数据对比可以确定，匝道合流区的顶部数据缺失和数据跳跃的现象较基本路段更为严重;通常离入口匝道越远，基本图顶部数据越完整，状态跳跃的现象越少，状态跳跃的流量起点越高。

图3 快速路各断面典型基本图对比Fig.3 Comparison of basic diagrams on each road section of expressway

3 交通流状态的空间传播分析

对交通流状态的空间传播进行分析也是进行对比分析的重要手段，图4为研究路段示意。

图4 研究路段示意Fig.4 Researched road section

图5，位于上匝道下游附近的断面3首先在6点15分开始出现速度大幅下降，速度从60 km/h左右一直下降到25 km/h，说明该区域发生了拥挤;紧接着，断面2车流的速度也大幅下降;从7点开始，断面1的速度也开始下降，但是断面1的速度时而有大幅的速度回升，而位于上匝道下游较远处的断面4，速度仅出现了小幅下降，较为稳定。到11点15分时早高峰结束，断面1的车速首先开始大幅上升，由20 km/h上升到70 km/h左右，基本达到了自由流速度;5分钟后的断面2和15分钟后的断面3的车流速度也大幅回升，而断面4此时也有了小幅回升，基本与断面3的车速一致，到11点20分拥挤结束，见图5。

图5 入口匝道外侧车道速度时变Fig.5 Speed-time variety of outer lane in on-ramp

从上述分析可知，速度下降的发生基本上是首先从距离上匝道下游不远处的断面开始，然后逐渐向上游发展的，消散则正好相反，是从上游逐渐发展到下游的，而远离下游的断面则始终变化较小。这个拥挤向上游蔓延的过程是这样的:在早高峰来到前，主线上游和匝道的流量都比较小，即使是合流，相互之间的干扰也很小，所以能保持较高的速度;当早高峰来到时，主线上游和匝道的流量都在短时间里大幅的增加，相互之间的干扰增大，为了适应其它车辆的速度和避免碰撞，车辆不得不频繁减速，导致在短时间内出现了速度的大幅下降，在匝道合流区形成拥挤区域，但并不堵塞，仍然保持了约20 km/h的速度，此时上游流量和匝道流量之和超过了匝道合流区的通行能力，拥挤区域开始向上游蔓延，因此呈现了速度突降从断面3依次到断面1的速度突降顺序;但是上游流量和匝道流量之和并不总是大于匝道通行能力的，当其小于匝道合流区通行能力时，拥挤区域就开始消散，这个秩序正好与之前相反;在这个过程中，到达的流量时大时小，所以拥挤区域也会不断呈现蔓延和消散的变化，这也是为什么断面1的速度出现过几次大幅的回升，原因就在于在该时段拥挤区域消散以致没有覆盖断面1的检测器，这也说明，离上匝道合流区越远，受到干扰的可能性越低，时间持续越短。断面4在拥挤时段只出现了小幅的速度下降(大约下降了30 km/h)，这是因为该断面远离匝道合流区，而交通流在离开匝道合流区后，由于没有了干扰因素，所以车辆逐渐开始加速，到达断面4时，速度已经有了较大的回升，因此表现出了这样的检测结果。还要关注的一点就是下游断面的速度没有再回升到上游断面达到的速度，这是因为尽管匝道和主线的流量减少了，但匝道合流区里的合流行为仍然存在，仍然对车流的运行速度造成了干扰，而上游车辆由于得到了充分的加速且没有干扰，所以车流回到了自由行驶的状态。通过各断面速度下降的先后次序和时序，还可以计算出集结波传播的速度，相反，消散的时序和持续也可以推出消散比的速度，而同一断面从速度突降到速度回升所持续的时间即为该断面处拥挤持续的时间。

4 匝道汇入流量与主线流量相互关系

入口匝道合流区与基本路段在交通运行上的主要区别在于后者同时服务于主线与匝道交通流。由于在实际的快速路交通状况中，通常无法获得全部匝道与主线流量关系，所以笔者采用vissim微观仿真软件仿真获得了匝道与主线流量关系，如图6。从图6中可以看出，随着匝道流量从大到小，主线上游流量基本呈现了线性上升的关系，但拟合线略微有些向下弯曲，这说明并不是匝道流量增加的数量与主线上游减少的数量完全一致，即其总和在数据中段出现了下降;这一点从主线下游流量与匝道汇入流量关系可以看得更加清晰，从图6中还可以看到匝道合流区的通行能力总体上呈现了先降后升的变化，这说明匝道车流的汇入对匝道合流区的通行能力形成了不利影响，导致了通行能力的损失。

图6 匝道与主线流量关系Fig.6 Volume realationship between ramp and mainline

5 车道横向分布特征

为了分析匝道衔接区的车道横向分布特征，笔者选择了上海市内环高架内圈武夷路上匝道进行数据采集，如图7。采用的分析指标为不同流量下不同车道分担的流量比例以及在6:00—12:00点时间段采集的不同车道速度变化的对比，通过这两项数据，能够获得匝道合流区交通流横向分布特征。

图7 研究路段Fig.7 Researched road section

如图8(从上至下依次为断面1～断面4)，在远离入口匝道的断面1，主线各车道的流量分担率差别较小，基本上是均衡承担了流量;但在接近入口匝道的断面2，内侧车道流量的分担率就很明显高于外侧车道了，这种差别随车流量的增加而降低，总流量在达到220 pcu/h后，比例基本稳定在6∶4;临近入口匝道下游的断面3，虽然仍呈现了明显的内侧车道分担率高于外侧车道，但有2点不同，一是在流量较小时，内外侧车道的分担率差别更大，二是在流量较大时内外侧车道的分担率差别更小;在远离入口匝道的下游断面4的横向分布特征基本与断面1一致。而从速度分布可以看到无论是在自由流状态还是在拥挤流状态还是在匝道上下游的各个断面，各车道的速度差异都很小，基本上一致。

图8 交通流横向分布特征Fig.8 Transverse distribution characteristics of traffic flow

要理解这样的数据特征，就需要充分的理解匝道合流区的交通流运行。在远离入口匝道的上游断面，由于车流基本不受匝道车流的干扰，而是受到交通波的影响，因此无论流量大小，各车道的流量分担率基本都保持了均衡;在临近入口匝道时，当驾驶员看到汇合标志或是感受到来自匝道车流汇入带来的扰动后，会向内侧车道变换以减少影响，导致上游各车道交通流分担率的不同;在临近匝道合流区的下游，其交通状态仍然基本保持了合流区内的状态，流量小时内外侧车道分担率差别更大是因为尽管分担率高但流量并不大，车辆在经过匝道合流区后，有更大比例的车辆变道到了内侧车道;而流量较大时，由于下游已经没有了匝道合流的干扰，而此时外侧车道由于之前流量较少，行车条件相对要好于内侧车道，因此有大量的内侧车道车辆变道到外侧车道，形成平衡，而上游因为有预期的干扰则不存在内侧向外侧车道变道的车辆。

各车道速度基本一致的特征与通常理解的不一致，因为通常外侧车道受到的干扰比较大，应该相对速度较低;而事实上，数据显示的是外侧车道甚至要略高于内侧车道，这种情况应该是这样的:快速路各车道始终能够保持一种平衡，在远离匝道的位置，各个车道车流条件基本一致，因此速度也基本一致;而在接近匝道的断面，当有车辆通过向内侧变道以避免合流带来的干扰，则外侧车道出现了密度降低，车辆之间出现了较大的间距，车辆处于一种不断加速和减速的状态，一方面匝道车流的干扰让他们减速，另一方面，前方车辆变道到内侧车道带来的空隙使得他们有加速的空间，这种行车状态很不舒适，所以许多驾驶员选择离开外侧车道，但在统计的速度值上则完全有可能高于内侧车道。

6 结论

笔者基于快速路实测数据和微观仿真数据，从交通流基本图、交通流状态空间传播、匝道与主线流量关系和车道横向分布特征4个方面对比了匝道合流区与基本路段的交通流特征。结果表明:由于存在匝道车辆汇入主线的影响，匝道合流区与基本路段的交通流特征存在较大的差别，在城市快速路的规划、设计、管理和控制中都应该区别对待。

［1］张生瑞.交通流理论与方法［M］.北京:中国铁道出版社，2010.

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［10］郝媛，徐天东，孙立军.城市快速路常发性交通拥挤分析［J］.交通与计算机，2007，25(2):92.HAO Yuan ，XU Tian-dong，SUN Li-jun.Recurrent traffic congestion analysis on urban experssway［J］.Computer and Communication，2007，25(2):92.