城市快速路匝道出口交织区交通冲突特性研究

梁春岩,曹 帅,汤庆如

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院,吉林 长春 130118)

随着国内经济的迅速增长，汽车保有量的急剧增加，由于人口基数大使人口数量依旧在逐年增加，导致城市内的道路交通问题日益恶化。为了缓解城市交通拥堵，保证汽车畅通连续行驶，能够提高城市内部运输效率的城市快速路被越来越多的大中城市所重视，并大规模的规划建设起来。近年来快速路的建设也带来了一系列的交通问题,快速路出入口及交织区附近的交通拥堵和交通事故成为快速路上常见现象。目前国内学者对于快速路交织区进行了多方面的研究，徐秀云等[1]通过对数据的整理对快速路交织区通行能力特性进行分析，曲昭伟等[2]采用间隙接受理论模型推导入口交织区基本通行能力模型，孙璐等[3]对交织区进行交通冲突的安全性评价。目前对城市快速路匝道出口的研究大多数为研究交织区的通行能力特性方面。本文通过对实测数据的统计整理，分析交通冲突、交通流量及交通密度特性，并建立关系模型，得出快速路出口处车辆冲突数与车流量呈线性关系，并与交通密度存在临界值。本研究可以为城市快速路匝道出口交通流特性研究提供参考，为城市快速路控制提供理论借鉴。

1 快速路出口组成

1.1 出口匝道分流区

快速路匝道出口具有着承载匝道的前端部分及匝道曲线部分的车辆运行速度的过渡功能。出口分流区则是在没有交通控制的情况下，车流被分成多股，然后驶入匝道出口，进而驶出主线，导致主线车流在匝道出口附近受到交通流分流冲突的影响，分流行为的车辆便需要被迫地在可接受的状态下进行减速运行，在相邻车道上完成换道行为。在整个运行过程中，分流行为车辆的速度在不断地调整，对相邻车道的运行状态不断地产生影响，主线上的交通运行状态也会因为该行为由平顺、稳定运行转变为紊流，这段区域便被称之为分流区。

1.2 匝道出口交织区

对于交织区的研究，早在20世纪60年代在美国《通行能力手册》(HCM)中就开始初步探索性研究,目前对交织区的定义一般为多个交通流在一段没有交通控制设施而向同一方向行驶形成车流交叉运行的现象，当分流区和合流区之间的距离比较近的时候，分流区和合流区中间的路段即交织区。快速路匝道出口交织区类型分为匝道出口下游为交叉口类型及匝道出口下游为下一处快速路入口两种，本文对以上两种交织区进行对比研究。

2 数据采集

2.1 调查方式及时间

本次快速路匝道出入口交通流参数调查，考虑到调查人员、条件以及数据资料的整理和重复利用性，采用录像调查法。录像调查法是根据调查位置的实际情况，选择某一至高点，通过摄像机对其进行连续拍摄，根据获得的拍摄视频，以人工统计各调查区段的交通流参数数据。考虑到气候条件的影响及研究时间和篇幅限制，本文选择在夏季晴朗的工作日。由于高峰时段更能够观察和捕捉到更多更复杂的现象，因此，各调查位置选取的数据观测时段均为早晚高峰时段。具体时间段为工作日的上午07：00—08:30、下午14:00—18:30，此时间段包含早高峰、平峰和晚高峰三个时间段。

2.2 调查地点

选定长春市南部快速路卫明街出口及东部快速路仙台大街出口为调查地点，东、南部快速路沿线的用地性质均属于住宅或商用用地，交通量大，承担了大部分的城市交通量，可为本研究提供充足的样本量。东部快速路仙台大街匝道出口下游150 m为交叉口路段，南部快速路匝道出口与下游的快速路入口相距较近，约150 m，两快速路匝道驶出主线的车流与辅路的直行车流和驶入快速路的射流之间均有交叉冲突，是快速路进匝道出口交织区中的典型代表。

本文主要研究路段为长春市南部快速路卫光街匝道出口交织区及东部快速路匝道出口交织区，路段卫星示意图及实景图如图1—图3所示。

2.3 数据整理

参考国内外有关高速公路匝道出口研究方法，结合调查路段实际情况，取交通流参数统计间隔为5 min。即分别统计各个调查位置、各个区段5 min间隔内的车流量和交通密度。通过整理调查数据发现，长春市南部快速路卫明街匝道出口处驶出车辆与辅路的车辆有80%以上集中在图2车道分布图所示的第1、2车道，20%以下的数据来自于图2所示的3、4车道，1、2车道冲突比较严重，是本研究路段中交织冲突的主要承担车道。具体相关数据分析按双车道整理。

具体南部快速路匝道出口与辅路各个车道车流量占总交通量的分布情况如表1所示。

图1 南部快速路调查路段卫星示意图

图2 南部快速路调查路段实景图及调查路段车道分布图

图3 东部快速路调查路段卫星示意图及实景图

表1 匝道出口与辅路各车道车流量占总交通量的百分比 %

南部快速路匝道出口交织区冲突数、交通量与交通密度在车道上的分布如表2所示。东部快速路匝道出口各道路车流量分布较为均匀具体相关数据分析按6车道整理。

南部快速路匝道出口部分基础数据见表2，东部快速路匝道出口基础数据均按平均辆车道整理，数据见表3。

3 交通特性分析

3.1 交通量—交通冲突数关系

交通流量是指在单位时间段内通过道路某一指定地点、某一断面或道路上某一条车道的交通实体数。一般用q示，在交通调查中，流量常用计算式(1)表示。根据研究的需要，本文中流量数据均为单方向。

表2 南部快速路冲突区部分调查数据表

表3 东部快速路冲突区部分调查数据表

(1)

式中：T为观察时段长度；N为观察时段内的车辆数。

交通流密度k是指某一瞬间单位长度道路上所存在的车辆数，见式(2)。

(2)

式中：L为观测路段的长度；N为观测路段上存在的车辆数。

交通冲突是指在可观测条件下，两辆或者多辆车之间相互影响正常行驶(其中一方采取非正常交通行为，如突然变速，突然转换方向)致使驾驶人员必须采取相应的紧急避让措施以防止发生交通事故的现象。出口分流区交通冲突可以分为换道冲突、合流冲突和交织冲突。通过实际调查发现该出口分流区的交通冲突形式主要为交织冲突，即在交织区范围内存在大量以换道为目的的交织车辆，所以很容易形成周期性拥堵，也会影响交织区上下游车辆的正常运行。

在交通流整个运行状态的调查过程中，交通冲突数始终与交通量具有较高的相关性，因此交通量-交通冲突数关系可为快速路交通冲突特性研究提供理论基础。如图4所示为南部快速路交通量-交通冲突之间的数据拟合关系。

图4南部快速路匝道出口交通量-交通冲突关系

由图4可以看出，南部快速路匝道出口(匝道出口下游为入口匝道类型交织区)交通量与交通冲突呈现明显的线性关系。随着交通量的增加冲突数也会随之增加，拟合式为：

y=0.828x-93.811

复相关系数，R2=0.802 6，达到精度要求，说明该线性关系拟合度较高。

同时,选择东部快速路的数据进行拟合，如图5所示。

图5 东部快速路匝道出口交通量-交通冲突关系

由图5可得到，东部快速路匝道出口(匝道出口下游为交叉口类型交织区)交通量明显大于南部快速路的交通量，交通冲突数随交通量的增加呈正相关变化，随着交通量达到280辆时，拥堵状态交通冲突数达到顶峰，当交通量持续增加，交通冲突便开始逐渐减少。

3.2 交通密度-交通冲突数关系

在实际观测中发现，在整体交通密度较低的情况下，绝大多数的驾驶员都能够较为轻松进行换道，但随着交通量与交通密度的增加，且驾驶员经验的不同，反应的不同，加之整个交织区距离等因素的影响，就会使得整个车辆的行驶条件变得较差，很多驾驶员便会争道抢行，随着交通密度的持续增大，交织车辆流之间的相互影响比较严重，换道几率大大降低，产生交通拥堵，导致冲突数降低。交通密度-交通冲突之间的拟合关系如图6所示。

图6 南部快速路匝道出口交通密度-交通冲突关系

由图6统计结果可见，交通密度-交通冲突关系拟合曲线为:

Y=-0.008 8x2+2.295X-5.511 2.

复相关系统R2=0.831 2，达到精度要求，拟合度较高。不难发现当交通密度为零时，冲突数为零，当交通密度达到131辆/km时，交通冲突数达到最大。交通密度小于131辆/km时，冲突数会随着密度的增加而增加，交通密度大于131辆/km时交通流为强制流，车辆间相互制约，大大降低了变道可能性，导致冲突数降低。当交通密度达到阻塞密度260辆/km时，车辆处于停止状态，冲突数为零。

同时，东部快速路匝道出口交通密度-交通冲突关系拟合结果如图7所示。

图7 东部快速路匝道出口交通密度-交通冲突关系

由图7统计结果可见，交通密度-交通冲突关系拟合曲线为:

Y=-0.008x2+2.067X+7.988 6.

复相关系统R2=0.853 8，达到精度要求，拟合度较高。同样可以看出当交通密度为零时，冲突数为零，当交通密度达到132辆/km时，交通冲突数达到最大。交通密度小于132辆/km时，冲突数会随着密度的增加而增加，交通密度大于132辆/km时交通流为强制流，车辆间相互制约，大大降低了变道可能性，导致冲突数降低。当交通密度达到阻塞密度260辆/km时，车辆处于停止状态，冲突数为零。

4 结 论

本文以长春南部快速路卫明街处匝道出口及东部快速路仙台大街匝道出口为研究对象，实际调查得到的交通流相关数据为基础，研究了交通流量与密度的关系，建立了交通冲突与交通流量和交通密度之间的定量关系模型，复相关系数均在0.8以上。结果表明，在城市快速路(2车道)交织区上的交通冲突数随着交通流量(小于280辆/5min)的增加而增加，呈现单调递增的关系；交通量大于280辆/5min时交通冲突数逐渐减少；而车辆冲突数与交通密度的关系则是在交通密度较低的情况下，车辆行驶状态良好，冲突数随交通密度的增加而增加，当交通密度到达临界值，即131(或132)辆/km(交通流变为强制流)以后，冲突数将会随着交通密度的继续增加而减少，直到交通密度达到260辆/km时交织区上的车辆均处于停滞状态，冲突数减为零。

本文研究结果可为研究城市快速路匝道出口交通流特性提供参考，为城市快速路匝道出口控制提供理论借鉴。