临时变向车道的交通流速度及冲突特性分析

曹弋，杨忠振，左忠义

（1.大连海事大学交通运输工程博士后流动站，辽宁大连116026；2.大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连116028；3.大连海事大学交通运输管理学院，辽宁大连116026）

临时变向车道的交通流速度及冲突特性分析

曹弋*1,2，杨忠振3，左忠义2

（1.大连海事大学交通运输工程博士后流动站，辽宁大连116026；2.大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连116028；3.大连海事大学交通运输管理学院，辽宁大连116026）

为了揭示临时变向车道所存在的交通运行问题，针对其方向变更时段的交通流速度特性与交通冲突特性进行分析.选择具有代表性意义的黄浦路为调查对象，分别对其方向变更前后的交通流特性参数进行调查.采用数理统计的方法，对比分析方向变更前后的交通流速度特性与交通冲突特性.采用回归分析的方法，构建该类车道的密度与速度关系模型及交通冲突预测模型.研究表明，临时变向车道在方向变更前后的交通流速度及交通冲突方面具有明显的规律性差异，速度与密度之间及冲突数与流量、密度之间存在定量关系.

城市交通；交通冲突；回归分析；临时变向车道；交通流速度

1 引言

随着我国城市化进程的不断加快，各大城市的用地布局不断向市外方向拓展.这使得城市中各条进出城通道的交通潮汐现象愈发明显.相关研究表明，交通潮汐现象将导致重交通方向交通供给设施不足，严重时会产生交通拥堵；同时会导致轻交通方向的道路资源闲置[1].为了充分利用现有道路资源并缓解交通潮汐现象所带来的方向不均匀性，各城市主要进出城通道相继采用了临时变向车道的交通组织模式[2].因此，有必要对这一交通组织模式下的交通运行状况进行定量分析并揭示其规律，为该交通组织方式的实施与改进奠定理论基础.

目前，国内外学者对变向车道均进行了相应研究.Dey S等[3,4]介绍了美国城市走廊在上下班高峰时段设置变向车道以改善交通流量的实施经验，研究了变向车道在临时性紧急疏散，维护交通或发生交通事故时的应用.Wolshon B等[5]基于国家合作公路研究计划(NCHRP)，研究了变向车道的应用范围，包括保证变向车道使用的安全性，对环境的影响，以及设计和实施要求.Sheu J B等[6]研究了变向车道实施时段的车道变换行为，并为之构建了随机预测模型.国内张好智等[7]提出了双向流量不平衡道路的车道调整方法，并建立了离散双层规划模型，其中处于上层的交管部门通过调整双向道路的车道分配方案，使得城市交通网的总阻抗最小.陈坚等[8]对成都市蜀西路进行了交通调查，分析了该路段的交通流量、服务水平等交通特性.通过交通仿真的手段，论证了变向车道的交通运行效率.刘英舜等[9]运用VISSIM系统对变向车道进行了交通仿真，发现旅行时间与平均行车延误均大大降低.宫晓燕等[10]针对潮汐交通现象,提出了基于有序样本类和非参数回归交通流预测的通行方向切换算法.孙璐等[11]借助交通冲突分析技术，研究了交织区的交通安全状况评价方法.

尽管国内外对该领域进行了不少研究，但多针对具有明确信号指示及完整标线的变向车道，而非临时变向车道.此外，对于交通冲突现象缺乏定量的对比分析.鉴于上述情况，在交通调查的基础上，分析临时变向车道的交通流速度特性与交通冲突特性，对于该类车道的实施与改进具有一定的理论指导意义与实际应用价值.

2 交通调查

2.1 调查地点

临时变向车道是指在变向车道附属设施不完善或不具备的条件下，根据交通潮汐现象的显著程度，临时采用物理隔离或人工指挥的方式，将某一条车道的行车方向改变的交通组织方式.选择大连市具有代表性的黄浦路(凌源街至高能街)为调查路段，全长1.4 km，双向六车道.该路是大连市内通往旅顺的重要通道，高峰时段交通潮汐现象明显.但由于该路段在设计时并未考虑交通潮汐问题，因此没有设置变向车道的信号及标线等设施，仅根据交通需求临时采用变向车道的交通组织模式.故而该路段能够反映临时变向车道的基本特征，具有普遍代表性意义，适合本研究的交通调查.

2.2 调查时段

考虑到周一及周五交通出行时空分布的特殊性，调查选择在周二至周四进行，共调查两周.由于该路段变向车道晚高峰方向变更时刻为16:30左右，为使调查数据包含变向车道方向变更前后的特性参数，每天的调查时间段选定为15:30至17:30.

2.3 调查方法

调查分为外业观测与内业整理两个阶段.外业观测利用数码摄像机记录调查时段内的交通流运行状况.采用便携式雷达测速仪对调查断面内的车道1、车道2及车道3中的车辆进行速度观测，其中车道2为临时变向车道，如图1所示.本调查配置7名调查员，其中1名负责控制摄像机，其余6名位于测速断面，分别观测并记录上述3条车道中的车辆行驶速度与交通冲突及其发生时间.内业整理则利用人工计数法，对视频观测资料进行统计，可以获得不良驾驶行为种类与数量、交通冲突数、流量、密度等数据.

2.4 交通组织模式

通过对黄浦路的观测，归纳临时变向车道交通组织方式的实施步骤，包括3个环节.

（1）清空车道.利用专用作业车，以轻交通上游方向为起点设置隔离墩，使得轻交通方向的车流由原有的n条车道通行，合流为n-1条车道通行，如图1所示.而后，作业车在该车道内沿着轻交通方向行驶，并每隔一段距离在变向车道外侧设置隔离墩，直至变向车道终点.该过程中，只完成轻交通并道行驶，而变向车道本身暂时无车辆通行.

图1 起点处设置隔离墩Fig.1 Isolation piers at the starting point

（2）方向变更，人工监管.当作业车驶至变向车道终点时，开放重交通方向的车道通行权.重交通方向由原有的n条车道通行，分流为n+1条车道通行.在临时变向车道运行过程中，每隔一段距离及沿线交叉口处都需要有交警人工监视并指挥交通.

（3）回收隔离设施，恢复原交通.当路段交通潮汐现象减弱后，需要恢复原交通.该过程中作业车的行进方向与第（1）步骤相反.即由重交通上游方向行驶至轻交通上游方向，同时回收隔离设施.

3 交通流速度特性分析

3.1 个体车辆的速度分布

根据第一周3天内的个体车辆地点速度调查结果，分别选取变向车道方向变更前后的连续50辆车为研究对象，将其地点车速按照车辆通过调查地点的先后次序汇总于图2中.三天内个体车辆地点车速的分布状况如图3所示.

从图2与图3中可以明显看出，变向车道方向变更前的个体车辆地点速度，普遍高于方向变更后的数值.方向变更前的速度主要分布在30～60 km/h区间内，而变更后的速度主要分布在20 km/h以下.此外，图2中显示，方向变更前的速度较为稳定，而方向变更后的初期，车辆地点速度较高，后期稳定运行时，平均速度较低，且二者差异较大.实际观测表明，在变向车道方向变更初期，该车道上的车辆数较少，车辆可以较自由的通行，这也是导致方向变更初期，变向车道内车辆地点速度较高的主要原因之一.

图2 个体车辆地点速度Fig.2 The individual spot speed

图3 个体车辆地点速度分布Fig.3 The individual spot speed distribution

3.2 交通流平均运行速度

将第一周3天内观测到的方向变更前后50辆车的地点车速再取平均值，可以得到该车队的交通流平均速度.计算表明，方向变更前的车队平均速度为49.3 km/h，方向变更后的车队平均速度为19.0 km/h，不足变更前的一半.由此说明，临时变向车道上的车流速度，明显低于普通车道的车流速度；临时变向车道的运行效率无法达到普通车道的运行水平.研究除对变向车道本身的车速进行分析外，还对其相邻普通车道的车流平均速度进行了统计分析，如表1所示，其中2道为变向车道.

表1 相邻车道平均速度Table 1The average velocity at adjacent lanes

表1中的数据说明了，方向变更前后，不仅变向车道上车流运行速度受到影响，其相邻车道上的速度同样受到影响.此外，方向变更后，对于变向车道起点上游的车速影响大于起点下游路段.

3.3 交通密度与平均速度的关系模型

分别选取临时变向车道方向变更前后的15分钟进行数据统计.每3分钟为一个时间间隔，统计该段时间内每辆车的速度，然后换算为平均速度.在3分钟的时间段内，取初始时刻、中间时刻及终止时刻三个瞬态，确定三个瞬态下，已知长度车道内的车辆数，从而获得三个瞬态密度及平均密度.所得速度与密度数据如表2所示.对表2数据进行线性回归，得图4.

表2 方向变更前后的速度与密度数据Table 2The velocity and density before and after direction changing

图4 方向变更前后的速度与密度关系Fig.4 The relationship between velocity and density before and after direction changing

上述研究表明，临时变向车道上的交通密度与平均速度仍然具有较好的线性关系，只是表达式及数据分布区域与普通车道不同.方向变更前的速度值分布区域为35 km/h至50 km/h，方向变更后的速度值分布区域为10 km/h至32 km/h.实际应用时，应结合实际问题，开展交通调查.在利用调查数据进行模型参数标定后，方可用于实际计算.

4 交通冲突特性分析

4.1 交通冲突的界定

本文主要研究由于临时变向车道的设置而产生的交通冲突现象.故而仅针对临时变向车道及其相邻车道内所发生的交通冲突进行统计.实地调研时，先由位于测速断面的调查员，观测交通冲突现象.当发现上述车道内有车辆进行车道变换时，若相邻车辆行驶速度明显降低，即车辆的制动尾灯启亮时，则认为发生1次交通冲突并记录其发生时间.然后，依据视频资料，核对交通冲突及发生时间并统计其发生次数.交通冲突界定依据如图5所示.

图5 交通冲突界定示意Fig.5 The sketch of traffic conflict definition

4.2 冲突数对比分析

临时变向车道不同于门架式变向车道，没有明确的交通信号控制系统，而且其交通标线并不随着车道方向的改变而变化.故而，这种交通组织方式在实际运行时，将存在较严重的交通冲突现象.将临时变向车道方向变更前后，各15分钟的交通冲突数统计结果进行对比.以每3分钟为一个时段，整理于表3中.分析表明，临时变向车道运营时的交通冲突数明显高于普通车道，近似为普通车道交通冲突数的2倍.值得注意的是，本次调查获得的交通冲突数，是在有交警人工指挥的条件下获取的.其交通管理条件优于方向变更前.

表3 方向变更前后的交通冲突数Table 3The quantity of traffic conflict before and after direction changing

4.3 交通冲突原因分析

实践表明，路段上的交通冲突多由不良驾驶行为所导致.通过调查，发现调查路段上常见的不良驾驶行为包括：压线行驶、强行变换车道及路边停车三类，其构成关系如图6所示.

图6 变向车道不良驾驶行为构成Fig.6 The component of aggressive driving behavior at reversible lane

通过甄别视频调查资料中不良驾驶行为与交通冲突的关系发现，尽管图5中压线行驶行为的发生次数较多，但它并不是导致路段交通冲突的主要原因，而强行变道是诱发交通冲突的主要原因，而且在交通密度较大的情况下，车辆一次强行变道，往往会与多辆汽车发生交通冲突.此外发现，除路段上的交通冲突外，在变向车道起点处的交通冲突现象极为严重.这是因为该处不论轻交通方向还是重交通方向，车辆都是合流运行，故而由并道引发的交通冲突非常严重.而变向车道终点处的双向交通，由于都是分流运行，故而车辆较少发生冲突.

4.4 交通冲突预测模型

视频观测发现，当交通流密度较低且交通流量较小时，车辆行驶条件较好，驾驶员在这种条件下，通常没有强行变换车道的必要，即便存在个别不良驾驶行为，也不至于导致与相邻车辆产生冲突.但对于交通密度较大且流量较大的饱和流来说，驾驶员在争道抢行时，容易导致交通冲突.鉴于上述分析，认为临时变向车道上的交通冲突数，应与交通密度和流量有关.依据第一周调查所得数据，按3分钟为一个时间区间，整理出交通冲突数、密度及流量的平均值，如表4所示.采用Matlab进行非线性多元回归，得到曲面如图7所示，回归的交通冲突预测模型如式(1)所示.再依据第二周调查得到的上述数据，对回归出的交通冲突预测模型进行验证分析，计算结果如表5所示.

表4 变向车道的流量、密度及冲突数据Table 4The flow,density and conflicts of reversible lane

表5 交通冲突预测模型计算结果Table 5The calculation result of the prediction model of traffic conflict

图7 交通冲突与流量及密度的关系Fig.7 The relationship between the traffic conflicts,flow and density

c=0.588 1Q-1.805K+0.006 2K2-7.771 1(1)式中c为交通冲突数，次；Q为交通流量，辆/h；K为交通流密度，辆/km.

5 研究结论

（1）临时变向车道在方向变更初期的车辆个体速度较高，中后期稳定运行时速度较低，但二者均低于方向变更前的速度；其交通流平均速度明显低于普通车道；变向车道上交通流密度与速度的关系具有线性特性.

（2）临时变向车道上的交通冲突数普遍高于普通车道，产生原因为少数车辆的强行变道行为；临时变向车道起点处交通冲突严重，产生原因为饱和状态下车辆的合流行驶；交通冲突次数可由交通流量及密度参数进行预测.

（3）临时变向车道能够一定程度上缓解交通潮汐现象所带来的方向不均匀性，但存在设施不完善、交通运行速度较低及交通冲突现象突出等问题.

由于调查路段交通运行与组织模式所限，本次调查，在临时变向车道方向变更前后的交通负荷状态有所变化，且为有交警人工指挥下的交通状态.故而，上述交通负荷条件及人为因素对交通流速度与冲突特性的影响，应在后续研究中予以排除.

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Traffic Flow Speed and Conflict Characteristic on Temporary Reversible Lane

CAO Yi1,2，YANG Zhong-zhen3，ZUO Zhong-yi2
（1.Post-doctoral Station of Communication and Transportation Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026, Liaoning,China;2.School of Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning,China; 3.Transportation Management College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning,China）

In order to reveal the existing traffic operation problems of temporary reversible lane,the characteristics of traffic flow speed and traffic conflict in period of direction changing are analyzed. Selecting Huangpu road with representative significance as the investigation object,the characteristic parameters of traffic flow before and after direction changing are investigated respectively.By mean of mathematical statistics,the characteristics of traffic flow speed and traffic conflict before and after direction changing are compared and analyzed.Using method of regression analysis,not only the relationship model between speed and density is constructed,but also the prediction model of traffic conflict is proposed.The research indicates that,in terms of traffic flow speed and traffic conflict of temporary reversible lane,there are obvious and regular differences between them before and after direction changing.There is a quantitative relationship between the speed and density.The relationship among the quantity of traffic conflict,volume and density also exists.

urban traffic;traffic conflict;regression analysis;temporary reversible lane;traffic flow speed

1009-6744（2015）05-0074-07

U491.1

A

2015-04-24

2015-06-08录用日期：2015-06-18

中国博士后科学基金(2014M561214)；辽宁省博士科研启动基金(20141109).

曹弋（1982-），男，辽宁大连人，讲师，博士后. ＊

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