快速路交织区车辆换道行为对交通流的影响分析

刘浩敏，曲大义，王少杰，李海洋

(青岛理工大学 机械与汽车工程学院，青岛 266525)

作为城市的交通枢纽，城市快速路在城市交通系统的运行中起着极为重要的作用。快速路交织区是快速路必不可少的功能模块，在引入和疏导驶入和驶出城市快速路匝道的车辆方面发挥着作用。如今，大中型城市的快速路工程建设已经快速进行，然而并没有从长期角度考虑其是否能够满足城市的未来发展需求。结果，城市快速路的承载力早已超出了负荷，快速路拥堵状况已然成为了常态。车辆频繁的换道行为是快速路交织区车辆运行的典型表现。由于存在大比例交织的车辆，上游车辆在出入车辆的影响下被迫拥挤并排队等候，在极端情况下，还可能会发生交通事故。交织区的车道变换问题已经成为城市快速路交织区研究的核心问题。因此，要解决交织区的拥堵管理问题，就应该从换道问题着手。

1986年，GIPPS[1]对城市道路环境下的变道模型进行了系统研究，提出了加减速度接受模型来判断变道的可行性；JORGE等[2]研究分析了换道行为在交通流中对道路流量的影响； ELENA等[3]在 HCM2020中提出城市快速路交织区内车辆换道特性与基本路段的显著区别，以及影响交织区内换道特性的因素。

由于国内外的交通发展现状不相同，因此难以直接照搬国外现有的技术，但是可以参考国外的相关技术，运用到国内对于道路交织区换道研究中来。彭博等[4]基于元胞自动机研究了车辆换道速度差、间距对快速路交织区换道安全的影响；汪宝等[5]运用统计分析的方法对快速路交织区车辆运行特性和换道过程进行分析；曲大义等[6-7]基于车辆运动学方程，对车辆换道交互行为进行了分析并建立了换道模型；钟异莹等[8]建立了换道模型，研究了换道对分流区交通流的影响。

综上所述，可以看出目前国内外专家学者对于车辆换道特性以及换道模型的研究已经颇为成熟，对于车辆换道交互行为的研究也取得了较大进展，但多停留于微观层面，对于车辆换道与宏观交通流相互影响的相关研究还较少，尤其是在快速路交织区这样具有特殊性且易发生交通问题的相关路段，对于此问题目前还未进行针对性研究。

针对快速路交织区日益严重的交通拥堵问题，本文从交织区的车道变换行为入手，研究了换道行为对快速路交织区交通流量的影响。研究内容对解决交织区排队拥堵、缓解快速路交通压力、释放快速路的主要功能、确保快速路交通安全具有重要的理论和实践价值。

1 车辆换道行为分析

车辆换道行为是车辆运行过程的一种基本操作，是指驾驶员在周围交通场景的影响下，为了尽快实现驾驶目的而变换车道的过程。

在快速路入口交织区，汇入的车辆在进入加速车道时，受到由加速车道汇入车辆的影响，这种影响会迫使处于外侧行车道的车辆开始往内侧行车道行驶，进而影响整条道路的交通流状态。在驶入车辆汇入主线交通运行的过程中，主线交通流会发生明显的波动。车辆换道时，驾驶员需要对即将换入的车道进行空间需求判断，确定前方、后方和侧方具有足够的安全空间，如图1所示。

图1 快速路入口交织区换道行为示意

从主线驶入减速车道过程中，驶离的车辆首先要从主线行车道的其他车道换道进入外侧车道，驶离车辆对主线交通流的换道影响牵制整个交通流的正常运行。在道路出口交织区处，如果由于车辆过多而导致减速车道车辆拥堵，会进一步影响主线交通流的正常运行，从而影响整个道路的通行效率，如图2所示。

图2 快速路出口交织区换道行为示意

根据驾驶员动机的不同，变道行为可以分为强制型车道变换和自主型车道变换两大类。

1) 强制型车道变换：驾驶员为了完成正常行驶目的而必须采取的换道行为；

2) 自主型车道变换：为了获取更为理想的运行方式，驾驶员采取的换道行为。

根据上述换道行为的分类，快速路交织区汇入和驶出车辆的换道行为是一种典型的强制型车道变换。根据快速路交织区内车辆之间的相互作用，强制性换道行为一般可细分为3类：自由换道、协同换道和强迫换道。

1) 自由换道：驶入、驶出车辆在换道过程中不会对主线车辆产生干扰的换道行为；

2) 协同换道：主线车辆通过加减速而主动让行汇入、驶出车辆的换道行为；

3) 强迫换道：通过强制主线车辆让道而驶入、驶出车辆的换道行为，这种换道行为将对主线车辆的运行造成明显干扰。

2 交织区交通流宏观特性

调查选取山西省长治市境内光明路快速路创业桥车辆由北向南运行的交织区路段作为数据基础，调查时间选取工作日17：30—18：30时段，因此时间段为晚高峰时段，车辆换道频繁。调查采集快速路交织区的交通流数据，对交通流时空特性进行系统分析。

2.1 交通量时空分布

受出入口处交通流分合流以及变换车道的干扰，快速路交织区各个车道的交通流也随之改变，为了研究快速路交织区交通流在各车道的交通量时空分布规律，选择晚高峰17：30-18：30作为调查交通流量的研究时间，以5 min为间隔对交织区的交通流调查数据进行实时统计，得到高峰时段不同位置以及不同车道上交通流的分布情况(图3)。

分析图3得：

1) 快速路入口交织区的上游处，外侧的交通流小于内侧的交通流，表明入口交织区的驾驶人员能够及时获取信息，并及时向内侧换道，避免了对于其他车辆的交通影响(图3(a))；在出口交织区的上游处，各个行车道的交通量处于均衡状态(图3(b))。

2) 在入口交织区处，当交通流逐渐驶入内侧行车道时，会导致刚驶入交织区的交通流过多集中于外侧车道，导致各行车道的交通分布不均匀(图3(c))；在出口交织区处，交通流逐渐驶入外侧车道，进而驶离主线，导致外侧行车道的交通流变化最大(图3(d))。

3) 在入口交织区的下游处，外侧的交通流逐渐往内侧驶入，各行车道交通流又回归均衡状态(图3(e))；在出口交织区的下游处，随交通流逐渐驶离，各行车道交通流重新回归均衡状态(图3(f))。

2.2 运行速度特性

为研究快速路交织区交通流在各行车道的运行速度变化规律，选择晚高峰17：30—18：30作为调查行车速度的研究时间，分别以出入口交织区为原点，按照50 m为间隔距离对交织区交通流的调查数据进行分析，得到高峰时期交织区各个行车道交通流的运行速度分布。

2.2.1 入口交织区速度特性

分析图4可知：

1) 在快速路入口交织区上游处，由于该处交通流汇集导致的交通干扰，外侧行车道车辆的行驶速度比内侧行车道车辆的行驶速度低。

2) 在快速路入口交织区处，受到驶入主线的交通流的干扰，外侧行车道的行驶速度明显下降，与内侧行车道交通流的行驶速度差距显著。

3) 在快速路入口交织区下游处，汇入的交通流开始逐渐往内侧行车道行驶，导致了内侧的交通流的行驶速度有所下降。行驶一段距离之后，主线上各个行车道的行驶速度趋于均衡。

2.2.2 出口交织区速度特性

由图5分析得到以下规律：

1) 在快速路出口交织区上游处，行车道的交通流运行速度受到的影响很大。

2) 在快速路出口交织区处，已有部分车辆驶离，交通流的速度有所上升。

3) 在快速路出口交织区下游，各个行车道的车流逐渐恢复正常车速，且各个行车道的车速回归均衡。

2.3 车流密度特性

为研究快速路交织区交通流密度的变化规律，选择晚高峰17：30—18：30作为调查车流密度的研究时间，以5 min为间隔对交织区的车流密度进行实时统计，得到在高峰时段快速路交织区车流密度的分布情况(图6)。

图6 快速路交织区密度分布

由图6可知，17：30—17：40时段，交织区车流整体运行良好；17：40—17：50时段，密度逐渐增大，逐步演变为交通拥堵状态；17：50—18：10时段，随着车流开始消散，密度逐渐减小，交通拥堵现象逐渐消失；18：10之后，密度波动幅度减小，交通流趋于稳定状态。整个过程，未出现严重的交通瘫痪现象。

3 车辆换道行为对交通流运行的影响

研究分析快速路交织区换道次数与交通流特性参数之间的相关关系，深入挖掘快速路交织区换道行为与交通流时空特性的关系，进而剖析交织区车辆换道对交通流的影响。

交通流的状态变化是微观交通行为的宏观表现，交通环境对车辆的换道行为有影响，换道行为对交通环境也产生影响。作为最基本的驾驶行为之一，道路系统中车辆的换道行为很容易在其频繁操作期间引起交通流状态的变化。为探究车辆换道行为对快速路交织区交通流运行状态的影响，选取17：30-18：30高峰时间段作为研究时间，根据交织区车辆换道次数与交通流的关系进行分析。

3.1 交织区车辆换道次数对总交通流量的影响

如图7所示，随着交通量的增加，车道变换的次数先增加然后减少，这表明当交通流处于自由流状态时，车道变换空间足够，驾驶人有换道需要并满足车道变换条件，随着交通流量的增加，换道次数逐渐增加。当交通流处于拥挤状态时，换道空间减小，尽管驾驶员需要变换车道但不满足车道变换的条件，随着交通流量的增加，换道的次数也减少。

图7 交通量与换道次数的相关关系

3.2 交织区车辆换道次数对车流密度的影响

由图8可知，随着交通密度的增大，换道次数先增加而后减小。在此交通流高峰状态下，道路交通密度占很大比例，因此对交织区域的换道行为影响更大。车辆频繁驶入和驶出，导致自由流状态下车道变换的频率迅速增加。然后，随着交通流密度的持续增加，交通流变得拥挤时，车道变换次数逐渐减少。

图8 车流密度与换道次数的相关关系

3.3 交织区车辆换道次数对车流平均速度的影响

从图9中可看出，随着换道次数的增加，交通流的速度先增大后减小，说明在临界状态下，车道变换对直行交通流平均速度的影响与交通流状态有关。自由流状态下，速度较快，变道次数较多；在拥堵状态下，车速较慢，变道次数相对较少。

图9 车流速度与换道次数的相关关系

3.4 交织区交通流状态耦合作用对车辆换道次数的影响

通过交通量、密度、速度与换道次数的单一变量分析，并对比分析各因素耦合作用可知(图10)，交通流状态由自由流到临界状态而后到拥挤状态的过程中，车辆换道次数随着交通量与车流密度先增加后减少，交通流速度随着换道次数先增加后减小。不同之处在于，在自由流状态下，虽然满足换道条件，但是换道需求较小，车道变换次数显然最少；在临界状态下交织区满足车辆的换道动机与换道条件，尽管交通未达到饱和，但车道变换次数最大；交通流拥挤的状态下，车辆换道的次数仍然少于在适当地满足换道条件的临界状态下的换道次数，这表明在拥挤状态下尽管对换道的需求最大，但是不满足换道条件。

图10 交通流状态耦合作用与换道次数相关关系

4 结论

研究分析表明，城市快速路交织区的换道频繁现象使得交织区成为交通瓶颈路段，车辆交互耦合作用关系复杂，对其相关规律的研究，是保证快速路交通系统的通行效率和运行安全的关键。根据快速路交织区交通流运行特征，微观解析车辆换道行为特征，在此基础上展开交织区车辆换道行为对交通流的影响分析。

1) 随着车流密度不断增大，换道次数先增大后减小。交织区车辆换道影响车流运行状态，在自由流状态下，换道次数迅速增加，随着交通流密度的增加，交通流变为拥挤状态，换道次数便相应减小。

2) 车流速度随换道次数先增大后减小，在临界状态下，换道次数对直行的交通流平均速度的影响程度与交通流的运行状态有关。

3) 自由流动状态下的行驶条件最好，不触发换道动机，换道次数少。交通拥堵状态尽管满足换道动机，但不满足换道条件，换道次数较少。临界状态下换道条件与道路动机均得到满足，因此出现的结果是，在临界交通流状态下换道次数最多。