基于路上实验的地下互通立交合流区交通流特性研究

周 灿， 王 红， 陈 勇

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

近年来[1,2]，随着我国经济发展，城市化进程逐渐加快，汽车拥有量不断增加,与此同时，城市地面可用空间却越来越少，城市交通需求与供应之间的矛盾日益突出，因此为了缓解城市交通压力，全国各大城市都在进行地下道路的规划与建设，地下互通也势必成为研究的焦点。目前，国内外对于地下交通流的研究很少且主要集中在速度特性和通行能力。杨扬等[3]通过实地调查分析不同交通组成情况下的交通流分布特性；随后刘硕等[4]和方守恩等[5]基于实车测速实验，通过多元逐步线性回归建立运行车速预测模型，并通过驾驶模拟器重点研究地下道路匝道入口段的速度运行特性。李素艳等[6]则结合地下道路的交通特性，对原有模型参数进行修改，得到地下道路通行能力计算模型。而对于地下互通立交的研究主要集中在选型研究[7]、结构研究[8]及运营安全[9]三个方面，对其交通流的研究十分稀少。

由于本文研究的是合流点，其主要驾驶行为是加速车道车辆换道与主路车辆进行合流，因此可用合流点的分布来表征驾驶员选择换道的时机，再结合地面道路对交通流的研究以及临界间隙能表征次路驾驶员接受主路车道换道的最小间隙这一特性[10]，因此最终选择从交通组成、车速、合流点分布以及临界间隙四个方面展开分析。为了获取以上四方面的数据，本文设计了实验方案，进行路上实车实验，获取了实验车以及监控视频的原始数据，通过对视频处理及数据提取得到了合流区的交通组成、断面车速、合流点分布以及合流时主线最外侧车道的车头时距，总结得到地下互通立交合流区交通流特性，为后续地下互通匝道的设计和建设提供一定参考。

1 实车实验调查

1.1 实验场景搭建

本文的调查方案采用的是实验车进行实地调查，基于本文的实验目的，本文选取的实验地点为厦门万石山隧道与钟鼓山隧道的互通立交，如图1所示，该实验点共有3处合流点。

图1 实车实验地点

考虑到该实验在地下进行，本次调查的实验车如图2所示,采用可脱离GPS使用的RT2500来采集车辆的坐标和轨迹。实验车除照度仪外所有的设备进行时间同步，同步后实验时段内走时误差低于0.01 s。

图2 实验设备

1.2 调查方案

根据公安部交管部门统计数据显示，男性驾驶人占74%；女性驾驶人占26%，约为2.8∶1，考虑到女性驾驶人比例有升高趋势，本次实验共7名驾驶员，男女被试比例取为2.5。

本次调查的实验路径如图3所示，调查时间为7 d，在实验过程中为了避免驾驶员走相同路段，免除适应性问题。首先，从A洞口出发，沿路径1行驶；随后，再从D洞口出发，沿路径2行驶；最后，从C洞口出发，沿路径3行驶，最终回到a洞口，完成一个回路的行驶。整个过程中有3个合流点，6次合流。

图3 实验路径

为了保证车辆能够自由行驶，将每天的试验划分为早高峰后、午高峰后以及夜间自由流3个时间段进行，每天在划分的3个时间段内分别完成一次上述规定的回路，因此合流点的样本量为126个。为了满足实验观测数据的精度，对理想条件下行车特征观测的最小样本量进行估算，按下式计算[11]:

式中：n为控制精度的最小样本量；∂为估计样本的标准偏差，城市道路通常取∂=7.7；K为置信水平系数，一般取95%的置信度水平，即K取1.96；E为观测允许误差，根据研究需求和实验设备的测量精度，E取2.5 km/h。计算得到最小样本量为40，而本文合流点的样本量为126，满足最小样本量要求。

2 地下互通立交合流区交通流特性分析

2.1 合流区交通组成特性分析

通过对视频监控的人工统计，将一天划分为24个小时段来分别统计匝道及主线的交通组成，发现主线交通量的平均值是1 315 veh/h，匝道交通量平均值是151 veh/h，均值为0.11；合流区小型车比例超过90%，因此本文后续对交通流研究时暂不考虑其他车型的影响。

绘制交通量折线图如图4所示，早晚高峰对主线交通量的影响严重，但加速车道成功汇入主线的交通量受早晚高峰影响很小，且一直处于一个较低水平，这是因为当匝道车流量较大时，主线车流大造成汇入困难。

图4 合流区小时交通量

2.2 合流区速度特性分析

本文研究的合流区范围为合流鼻端上游50 m到加速车道末端，设计速度为60 km/h。为了方便分析，以合流鼻端为零点，鼻端上游为负轴，下游为正轴，以25 m为间隔建立一根横轴，如图5所示。

图5 合流区断面划分

按照以上方式划分之后，计算加速车道和主线的每个断面一段时间内的平均车速，如图6所示。

图6 合流区各断面加速车道和主线平均速度

由图6可知，主线车流的速度一直保持在一个相对平稳的状态，在50 m和200 m存在极值，而加速车道的车速则是先增大，在离鼻端150 m达到最大，随后减小。对比两条速度折线发现，主线车速始终大于加速车道，这也符合我们对主线速度大于匝道速度特性的认知，还发现在离鼻端100～175 m加速车道与主线速度基本相等，这也说明大多数车辆是在离鼻端50～100 m开始合流，在离鼻端100～175 m这一路段已成功汇入主线，之后加速车道速度急剧下降是因为错过最佳合流时机，为避免撞到路缘石而减速。而主线速度存在极小值的原因分别为：在50 m处主线车流为配合加速车道准备合流而减速，200 m处是因为支路车流即将错过合流机会而选择强行汇入导致主线车流减速。

2.3 合流区合流点分布特性分析

匝道车辆可以在加速车道的任意位置进行合流，对合流点进行研究既可以对断面速度特征进行验证，也能够更好地了解主线上的车头时距，帮助分析临界间隙。选择上述编号为2、4、6、8、10的断面，将鼻端下游分为5个区域，每个区域50 m，利用视频观测统计出加速车道上每一辆合流车辆的合流点位置以及对应的主路车头时距，合流点分布如图7所示，主线车头时距分布如图8所示。

图7 合流区加速车道合流点位置分布

图8 不同区域合流区车头时距均值分布

从图7可知，76.66%的车辆选择在离鼻端50～150 m的区域进行合流，这一区域也是加速车道中部，也验证了前面速度断面分析得出的结论。同样也有22.67%的车辆是在加速车道末端合流，这是因为此时合流区交通量过大，主线最外侧车道上已经占满了车辆，加速车道车辆已错过了最佳合流时机，这种情况下，驾驶员心情急迫，可能强行变道合流。

从图8中可以很明显看出车头时距均值与距离鼻端的距离呈负相关，即距离鼻端越远，合流点的车头时距越小。这是因为当加速车道越来越短，驾驶员完成合流的心情更加迫切，导致其对于能完成合流的车头时距要求降低，甚至会为了合流出现短时间内加速强行变道的驾驶行为，这也是出现加速车道终点渐变段车头时距低至1.386 s的原因。

2.4 合流区临界间隙特性分析

临界间隙不能直接观测到，只能通过测定不同驾驶员接受和拒绝的主路车流的间隙来间接计算临界间隙。临界间隙的计算方法主要分为两类，一类是回归方法，另一类是估计概率分布的方法。经过多种方法的比较，最终采用Ashworth法[12]来计算临界间隙，计算公式如下：

表1 合流区临界间隙分布统计

分析表1中的数据可以得知，临界间隙与车头时距一样同离鼻端的距离呈负相关，其变化趋势也符合驾驶员在加速车道上的驾驶心理及驾驶行为。

综上所述，经过对合流区交通组成、速度、合流点、车头时距四个方面的分析，归纳出了合流区基本交通流的规律。

(1) 在自由流状态下，整个合流区的主线交通量受早晚高峰影响较大，而加速车道汇入主线的数量受主线交通量和自身交通量的影响，合流比基本维持在0.11左右。

(2) 地下互通合流区的速度，在横向上，主线车速均高于加速车道；纵向上，主线车道的速度总体趋于平稳，加速车道上的车辆合流行为会导致主线速度减低，但影响程度不大，而加速车道上的车速则受主线车速、加速车道长度等影响呈现先增后减的趋势。在整个加速车道上，76.66%的车辆选择在加速车道中部50～150 m的区域进行合流，50～150 m也是加速车道速度最接近主线车速的区域。速度特性和合流点分布的关联分析可以发现两者共同说明了加速车道中部是最佳合流点，并且发现主线车道的驾驶行为与加速车道的驾驶行为互相影响。

通过对比分析车头时距和临界间隙发现,合流过程中驾驶员对于合流点以及合流条件的判断受加速车道剩余长度及主线车流的影响，加速车道剩余长度越长，驾驶员对换道条件要求越高，随着加速长度减少，对换道条件逐渐降低。

3 结束语

本文是有关地下互通系列研究中关于合流区的阶段性研究成果，通过研究，得出：① 主线交通组成和加速车道交通组成的关系；② 加速车道行驶距离和速度对合流区分布的影响规律；③ 加速车道临界间隙规律。在探讨交通流特性时发现在加速车道末端由于外界环境以及驾驶员心理导致的驾驶行为会造成合流的不安全性。因此,后续研究可以进一步对整个合流过程中外部环境和驾驶员心理进一步分析，以发现整个过程中的潜在危险因素并提出有针对性的措施，为后续建设更加安全的地下道路匝道和加速车道提供一定的参考。