基于交通波理论的山地城市快速路拥堵研究

蔡明

摘 要：基于交通波基本理论，从山地城市快速路的特性着手，考虑了常见的快速路入口匝道瓶颈问题，分析了其中的波动机理，并以重庆市渝鲁大道为例，研究了江州立交主线拥堵的原因，最后对城市快速路拥堵研究作出了展望。

关键词：交通波理论；山地城市；快速路；拥堵；交通流

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672 3198.2016.22.085

0 引言

随着我国城镇化水平及机动车保有量的快速上升，交通拥堵已成为各大城市的通病，正在制约着各大城市未来的发展。当交通拥堵产生时，将会带来时间、能耗、污染等成本的大大增加，损失巨大。据《2011北京市交通发展年度报告》统计，北京市2011年因交通拥堵问题直接损失1056亿元，并呈上升趋势。为解决或缓解交通拥堵这一世界性问题，不少学者对此研究。

1 山地城市快速路交通特性

快速路是指在城市内修建的具有中央隔离、供汽车行驶、全部控制出入口的城市道路，其单向不低于2车道，配备相应交通安全与管理措施。快速路是城市交通的路网骨架，联系着各大功能分区或组团，承担着大量中长距离交通流，是大运量快速交通干道，具有畅通、快速、舒适的特点。然而，近些年来，快速路这些特点正在消失，拥堵已成“家常便饭”，特别是在早晚高峰。

山地城市结合地形的分散组团式结构和自由式道路系统呈现出“多中心、多组团”的特点，各组团间的联系通道少，可替代路径不多，路网连通性较差，快速路作为联系各大组团的桥梁其重要性不言而喻。与平原城市快速路相比，山地城市快速路跨组团的服务面临的压力更大，同时由于不受非机动车干扰，车行需求大，而道路断面又不一致，其呈现的交通特征与平原城市相差较大，同等交通输入下拥堵更甚。因此，研究山地城市快速路的拥堵机理具有重要的现实意义。

2 基于交通波理论拥堵分析

2.1 交通波基础理论

假设道路上相邻有两个交通流，规定向x轴正方向运行，密度分别为kA和kB（kA≠kB）。一垂直面S分割这两种密度，称为波阵面，产生与交通流方向一致的速度ωAB，如图1所示。

2.2 城市道路拥堵规律

交通拥堵（Traffic Congestion）指交通需求超过道路交通设施供给（通行能力）引起车辆滞留道路的现象，一般可分为常发性拥堵和偶发性拥堵。限于篇幅，本文仅对常发性拥堵分析。

常发性拥堵在时间上表现出周期性和相似性。调查一周某道路的排队情况可以发现：排队长度曲线波形在每天的表现略有不同，但基本形状工作日大体一致，非工作日也差不多，每天的排队长度在晚高峰呈现出周期性变化。对每天的排队长度变化曲线仔细观察，还会发现：同一周星期一至星期五的曲线波形类似，而星期六和星期日的曲线波形一致。

常发性拥堵在空间上亦有规律，一般而言，常发性拥挤的空间扩散过程有以下几个过程：第1阶段，车辆在交叉口前发生拥挤，产生排队现象；第2阶段，排队向后延伸，并且影响到上游的若干交叉口；第3阶段：上游交叉口同样产生排队。随着交通需求的不断增大，交通流在局部路网中将形成过饱和循环，产生“交通堵塞”。通常理论上对常发性拥挤的空间扩散及分布特点可以模糊归纳为三类：点拥挤、线拥挤、面拥挤。

2.3 山地城市快速路交通瓶颈分析

为便于梳理清楚，本文只针对山地城市快速路常见瓶颈情况—入口匝道的瓶颈汇入问题（主线流量较大）进行分析。

这种情况下主路流量较大，入口匝道对主路影响不能忽略。

假设后续车辆没有换道现象，即认为后续车辆仍沿外侧车道行驶，分成三个阶段进行分析。

第1阶段：车流B的汇入过程，对于车流B，头部车流A和尾部车流C相邻部分将形成两个波，入口匝道车辆在E区（空白区）成股汇入，如图3所示。显然，qB>qA，kB>kA，即ωAB>0，向前传播。

3 实例分析

本部分以重庆市快速路纵线渝鲁大道为例，基于交通波理论对山地城市快速路拥堵机理分析。

渝鲁大道是重庆市快速路纵线之一，北起五童立交，南至石黄隧道，快速路长度约为6.8公里，是联系江北区和南岸区的重要通道，交通量大，整条道路贯穿海尔路立交、五里店立交、江州立交和黄花园立交。

笔者通过调查2016年4月13日上午7∶00-11∶00渝鲁大道北往南方向交通量（视频图像如图4）整理得到渝鲁大道主线以及海尔路立交、五里店立交、江州立交和黄花园立交各匝道5min流量。在现场的调查中，笔者发现，五里店立交上游主线以北整个上午交通运行良好，无拥堵现象，从7∶15左右开始，五里店下游以南开始排队直至拥堵产生，9∶30左右开始发生消散。主线车流量数据特征如表1，选取江州立交分析，流量时变图如图5。

从表1可以看出，渝鲁大道整条快速路主线流量大，呈明显的波动性，波动幅度均超过25%，黄花园立交下游主线波幅最大，达到54.84%，海尔路立交下游主线和五里店立交上游主线波幅最小，为29.38%。

从图5可以看出，江州立交上下游主线最高流量跟道路通行能力（单向三车道）有较大的差距，但持续波动的流量图表明主线车流处于紊乱（拥堵）状态。笔者推测有以下两个原因：

（1）黄花园下游进入石黄隧道路段从单向四车道（经过渠化）变成两车道，道路通行能力下降，产生向后传播的交通波，对江州立交主线车辆的通行造成很大影响；

（2）五里店立交下游入口匝道和主线有信号灯控制，当主线由红灯转为绿灯时，大量排队的主线车辆启动时产生往前传波的交通波，也会对江州立交主线车辆的通行造成较大影响。

4 结论

本文基于交通波理论对山地城市快速路入口匝道的汇入过程（主线流量较大）波动特性进行了分析，同时以重庆市快速路渝鲁大道早高峰拥堵现象为原型考虑了交通波传播的机理，这是对交通波理论应用的一个拓展。本文的不足之处是只考虑了山地城市快速路常发性拥堵的入口匝道瓶颈汇入问题，未对其他瓶颈问题分析，今后将对其余问题进行深入探讨。

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