城市快速路匝道合流区车道平衡对交通运行影响

薛行健，宋 聪，欧阳欢，陈 欢，李炳林

(1. 中南林业科技大学 物流与交通学院，湖南 长沙 410004；2. 长沙市规划勘测设计研究院 交通规划研究中心，湖南 长沙 410013)

0 引 言

城市快速路匝道合流区存在大量换道、变速等交通行为，易导致交通流紊乱，是快速路的瓶颈路段，其车道平衡设计(图1)是基于通过保持上下游断面车道数平衡来保障通行能力不发生突变的思路提出的。笔者早期研究发现采集到的匝道合流区流量-密度(或速度)关系图中的饱和流量数据点很少，相对理论模型描述出的抛物线关系，抛物线存在“顶部缺失”(图2)，交通状态在未达到通行能力时即从“非拥挤区”突变到了“拥挤区”[1-2]；尽管该瓶颈是否是导致突变的必要条件仍有争议[3]，但其能导致交通状态突变这一点没有争议。部分研究相信换道是导致通行瓶颈的主要原因[4-5]；由于车道不平衡，主线与匝道车辆在下游断面产生通行竞争[6]，匝道车辆汇入主线时，主线车辆或被迫或主动减速以保障安全车距；匝道车辆的这种压迫式或协作式汇入是引发通行能力降低的关键诱因[7]。目前对匝道合流区交通运行的研究主要基于间隙接受模型或离散选择模型[8-9]，均为参数化方法，所得出的结果均为解释变量的函数，近年来一些学者也引入了许多非参数方法进行研究[10-11]。

尽管研究人员都认识到未采用车道平衡设计的下游路段可能会由于车辆汇入而承担过饱和的交通量，但少有研究对平衡与否的交通运行状况做具体分析。目前已建的城市快速路大部分未进行车道平衡设计，导致匝道合流区上下游通行能力不匹配，造成合流区上游拥堵和排队蔓延，发生继发性拥堵。因此，将两者从实测数据和内在机理两方面进行深入比较，进而提出设计对策来降低这种瓶颈效应十分必要。

图1 城市快速路匝道合流区构型比较Fig. 1 Configuration comparison of ramp merging area of urbanexpressway

图2 研究对象匝道布局信息Fig. 2 Ramp layout information of the research object

分类江苏路上匝道车道不平衡上游下游华山路上匝道车道不平衡上游下游车道数3334匝道间距/m1 0411 5591 559611

图3 匝道合流区交通流参数关系图中的突变现象Fig. 3 Mutation phenomenon in traffic flow parameter diagram atramp merging area

1 车道平衡对匝道合流区交通运行的影响

通过对比车道在平衡与不平衡状态下流量、时间占有率和速度参数的变化情况来分析两种设计的差异，研究所用的数据为一周24 h线圈数据，采集自上海延安高架南侧，位置和相关信息如表1和图2，图2匝道间数据由上至下依次为路段编号、匝道间距、车道数和线圈数，其与上下游匝道距离均较远，可避免上下游匝道对研究点的交通运行产生干扰。

从图4可知，采用了车道平衡设计的匝道合流区无论上/下游，相对不平衡的匝道合流区都表现出了流量上升，突变范围缩小，速度、占有率突变幅度明显降低的现象，其中上游区域特征更加明显。从基本图分析，采用车道平衡后，自由流和稳定流的范围有所扩大，临界流的范围有所缩小，说明车道平衡设计的匝道合流区通行能力更大，交通状态更稳定和更易控制，服务水平更高。通过分析更多类型上匝道上游交通流状态数据，获得了两种设计条件下的交通运行状态比较，如图4。

图4匝道合流区交通流参数关系对比
Fig.4Comparisonoftrafficflowparameter-relationatrampmergingarea

从时间占有率(o)-流量(q)关系分析，江苏路上匝道上游顶部数据缺失严重，在流量80 veh/5 min时突变发生，突变时占有率数据变化较大，最大流量约120 veh/5 min。而下游相对上游数据顶部数据趋于饱满，突变时占有率缺口明显缩小，拥挤区数据离散性减小，由于下游没有合流行为，最大可达流量相对车道平衡更高。华山路上匝道上游顶部数据相对较多，突变通常产生在100 veh/5 min以上，突变时占有率数据变化相对较小，最大流量约160 veh/5 min。而下游顶部数据饱满，突变现象较少，最大流量为160 veh/5 min，由于下游仍存在合流行为，最大可达流量相对较少。

从流量(q)-速度(v)关系分析，江苏路上匝道上游车速在60 km/h时直接突变到20 km/h，其余情况与o-q图类似；而下游相对上游突变是速度变化幅度减小，由于下游没有合流行为，最优车速相对平衡时更高。华山路上匝道下游车速在50 km/h时突变到30 km/h，相对幅度较小，其余情况与o-q图类似；而下游图型顶部数据饱满，速度突变现象较少，最优车速相对不平衡时低，这是因为合流行为产生的干扰。

从时间占有率(o)与速度(v)时序对比进行分析，江苏路上匝道上游突变产生时，速度变化幅度通常达到50 km/h，占有率变化幅度达到30%以上；下游突变时速度和占有率变化的幅度有明显降低。华山路上匝道上游突变产生时，速度变化幅度约30 km/h，占有率变化幅度达到15%；下游突变现象较少，速度和占有率变化的幅度较小。

对两种设计型式的交通运行状态进行了比较，如表2，采用车道平衡后，自由流和稳定流的范围有所扩大，临界流的范围有所缩小，说明车道平衡设计的匝道合流区通行能力更大，交通状态更稳定和更易控制，服务水平更高。

表2 匝道合流区上游交通流特征比较 Table 2 Comparison of traffic flow characteristics of the upstream of the ramp merging area

2 车道平衡设计的交通影响机理

如图1，分析车道平衡设计对交通运行的影响机理，主要有以下3点优势。以下分析基于较长匝道间距情况，对于匝道间距较短而形成的交织段在第3节中分析。

2.1 车道不平衡导致换道次数增多

匝道合流区存在的大量强制性换道(类型见表3)对匝道合流区的交通运行有显著消极影响，匝道汇入的车流量少于因此减少的主线上游车流量，导致通行能力降低。

实际使用中，采用车道平衡设计可使部分短途车辆无需换道，否则需要换道2次，如图1中车辆B的行驶轨迹。这种情况在地面道路遇有障碍(如河流、铁路)而产生大量跨障需求的位置应特别重视车道平衡设计，否则会对主线造成较大干扰。

另一种难以察觉的换道则来自于主线车辆预判性换道，上游外侧车道部分车辆为避免受到匝道车流的干扰而向内侧换道；而采用车道平衡设计，此干扰会因为主线外侧两车道之间的换道，使得车道空间利用更加平衡，从而减少干扰，如图1，非平衡设计对于车道的利用率是不一的(图中用渐变色表示)，而车道平衡设计的利用率基本一致(图中用均色表示)。

2.2 车道不平衡导致变速频次和幅度上升

主线的物理瓶颈使得各路段车流密度不一致，速度也随之变化。关于变速如何导致通行能力瓶颈国内外许多学者都进行了深入的研究。D.HELBING等[12]认为扰动导致暂时的拥挤，驾驶员频繁加减速，从而形成延误，使通行能力降低。郝媛等[13]认为是外界条件(车辆汇入)导致扰动，触发了内部因素而使通行能力“自发的”崩溃(breakdown)。笔者分析，呈随机分布的主线车流车头间距大小不一，匝道车辆对车头间距较小的跟随车辆的影响可通过车头间距较大的跟随车辆在一定程度上消弭干扰，如图5(a)；在交通流量较大的情况下，驾驶员倾向保持较小的车头间距，换道将导致局部速度的降低和瓶颈附近密度的升高，出现局部扰动，此时驾驶员的反应较强，扰动呈增长趋势，持续下去会有车辆被迫急刹停车甚至追尾，如图5(b)；频繁的扰动降低了驾驶员对交通流稳定性的信心，他们“聪明”的选择增大车头时距、降低速度来保证充足的反应时间，避免频频变速带来的不适，如图5(c)。这种情况反映在车头时距这项指标上即为车头时距增加，包括两部分：一是应对扰动而导致的车头时距增加；二是速度降低导致通过固定车身长度所需的车头时距增大。车头时距的增加意味着在单位时间里通过的流量减少，即瓶颈效应形成。事实上，驾驶员通常还会预判这种干扰而有意识的降速应对扰动，从而进一步加剧了瓶颈效应。

图5 匝道合流区的3种典型扰动示意Fig. 5 Schematic of three typical interference on ramp merging area

2.3 车道不平衡导致匝道上下游通行能力不匹配

车道不平衡即快速路不同断面车道数不一致，存在物理瓶颈，如图1中A区。由于城市交通典型的潮汐性，高峰交通需求往往在主线和匝道两个方向同步增加，车道数量的不匹配将阻塞交通；而采用车道平衡设计则基本不存在物理瓶颈，尽管交织流使得通行能力受到一定折减，但通行能力仍有所提高。三者的关系如式(1)：

Cm+Cr≥CB>CNB

(1)

式中：Cm和Cr分别为匝道合流区上游主线和匝道的通行能力；CB和CNB分别为匝道合流区下游主线采用车道平衡和不平衡设计的通行能力。

表3 匝道车辆强制性汇入主线行为类型 Table 3 Behavior types of on-ramp vehicles mandatory inbound to the main line

3 现有车道平衡设计的局限及对策

3.1 车道数匹配问题

目前CJJ129—2009《城市快速路设计规范》中对于匝道合流区车道数平衡的要求如式(2)，其中NC为匝道合流区下游车道数，NF为匝道合流区上游车道数，NE为匝道车道数。

NC≥NF+NE-1

(2)

式(2)实际是一个经验公式，存在以下3个方面问题。在车道平衡设计中虽有一定规律可以遵循，但仍应根据具体情况进行分析，不能简单套用。

1)当匝道数仅设计为1车道时，没有实现车道平衡，快速路常用的方案是上匝道为1车道，下匝道为2车道。

2)没有考虑匝道的其他功能。在城市很多区域，受地面信号交叉口影响，驶入匝道的交通流呈脉冲式，时间段上高/低流量现象交替出现，此时匝道的设计需要考虑蓄车能力，以避免排队过长造成溢出，因此必要时需考虑额外增加车道数，特别是匝道较短的情况下。

3)没有考虑匝道所在的位置。如射线状快速路的尽端处交通需求少，可以考虑不进行车道平衡设计；对某些短途交通需求较大的地段则需更多车道数；此外，交织问题的处理也涉及车道数的增加。

3.2 形成交织区问题

车道平衡设计在匝道间距较短时(根据HCM2000的研究，交织长度通常在750 m的范围内)，其形成的交织流对通行能力的消极影响甚至要大于非平衡设计，交织区的交通运行如图6。

采用Vissim仿真对比同样匝道间距下，合/分流区分离的末端与不分离所形成的交织区末端的交通运行，如图7。发现流量较低(或是交织比较低)时采用车道平衡设计交通运行更顺畅，但当流量接近饱和或交织比较高时，车道平衡设计更易发生拥堵。

分析原因如下：非平衡设计存在加速车道末端和减速车道末端两个拥堵常发区，匝道车辆的汇入影响主要集中在主线外侧车道，对内侧车道影响较小，如图7(a)；在减速车道末端，根据研究，通常90%的车辆在出口匝道前已经处以主线外侧车道，这些车辆会大量换道到减速车道，从而提供大量空间给内侧车道换道，使拥堵较易消散；合流区部分车辆难以汇入主线在客观上使得减速车道的交通密度控制在了一定范围，如图7(b)；而交织车流由于同时存在向内侧车道和向外侧车道换道的需求，极易在出口匝道处形成阻塞，形成匝道车辆无法汇入、主线车辆无法驶离的双输局面，如图7(c)。

图6 交织区交通运行示意Fig. 6 Sketch map of traffic operation at weaving area

图7 匝道衔接区交通运行状况Fig. 7 Traffic operation condition at ramp connection area

图8 B型交织区交通运行示意Fig. 8 Sketch map of traffic operation at B-typed weaving area

经研究发现，保持路冠线外侧车道(即车道A)的畅通，保证其具有足够的换道空间并使行驶其上的车辆不堵塞出口匝道是解决交织问题的关键。B型交织构型能较好的解决这一问题，是对一般意义上“车道平衡”概念的补充，对于具有跨线桥功能的路段，建议保证有2条车道增加，如图8，其优点主要有以下3点：①对于无需汇入主线的匝道车流可直接经车道B驶离，不增加路冠线外侧车道的密度；②匝道车辆行驶到出口匝道可继续行驶，不会阻塞出口匝道；③对于驶出车辆换道到A车道后，可继续向B车道换道，即可以避开密度较高的A车道，也起到了降低车道密度的作用。仿真结果显示，这种构型处理交织流的能力较强。

4 结 语

实测数据显示，车道平衡对提升匝道合流区通行能力，提高运行速度，维持交通流稳定都具有积极作用。

车道平衡设计能大幅减少车辆的换道和变速行为，缓解瓶颈效应。

车道平衡设计并非简单的保持车道数一致，而需要综合考虑各种实际情况进行针对性分析与设计。