不良车辆行为图谱及其在匝道区精细化车道管理中的应用

常 鑫，李海舰，张子涵，黄珠妃

(北京工业大学交通工程北京市重点实验室，北京 100124)

0 引言

交通是城市发展的纽带，一方面为城市经济发展提供支撑，另一方面也会受到城市资源和生态条件的限制.近些年在各大城市中，交通供需的矛盾日益尖锐，由此引发的城市交通拥堵问题逐渐成为制约大城市经济发展和人民生活水平进一步提高的重要因素，也制约着经济、能源、环境的可持续发展.

随着经济的快速发展和居民生活水平的提高，我国机动车保有量和驾驶人数量迅猛增长，给道路交通系统造成了严重的负荷，我国大部分城市面临交通拥堵日益严重的问题，根据交通运输部发布的数据显示，由于道路拥堵导致的经济损失大致相当于我国每年GDP的5%～8%[1].城市交通拥堵产生的原因不是单一的，除由于道路通行能力的制约外，还有可能是由于交通管控、交通事故、不良天气等引起；另外，因为环境综合因素的影响，引起的驾驶员生理、心理特征的变化而产生的不规则的驾驶行为也会导致交通拥堵的发生.

纵观各大城市交通建设情况，交通基础设施和道路设施在不断完善和定型，交通供给水平正趋于饱和.随着交通需求的增加，出行周期性拥堵可以说无法避免.部分城市采取各类政策限制机动车数量的增长，以此缓解拥堵加剧的势头.然而，需要关注的是，交通参与者不规范、不理性、不优化的行为同样可以成为拥堵的致因，城市中违法违章行驶、车辆乱停乱放、交通事故等导致的拥堵时有发生，这些现象在基础设施相对完善的情况下会造成拥堵的加剧和扩散.从“主要受基础设施制约”转向“受交通参与者行为影响”，对交通拥堵致因分析和解决提供了一个新的视角；同时，对道路车辆行为特征的分析，构建车辆行为图谱和拥堵致因链，可以探究微观层面上车辆行为特性对宏观交通流的影响.

1 车辆行为特征描述

人、车、路、环境是交通的基本要素，人的因素是车辆行为产生的主导因素；交通系统驾驶环境中的一切信息，包括车辆信息、路况信息、交通信息、交通标志标线、诱导和约束干预信息、驾驶人自身的感觉变化等，都是依靠驾驶人的经验、安全意识和个体生理心理特性进行综合处理的.道路、交通和环境限定了驾驶人的信息来源和车辆行驶轨迹；驾驶人在动态驾驶过程中，通过感觉器官不断感知道路、交通和环境信息，并按照驾驶期望经过大脑的加工处理，支配运动器官操控车辆，使车辆适应不断变化的道路、交通和环境信息；同时感觉器官不断感知车辆对道路及环境的适应情况信息，并对车辆进一步的微调；这种驾驶人与道路、交通和环境的互动，形成驾驶行为，进而外在表现为车辆的行为.道路上车辆的行为包括停驶行为、加速行为、减速行为、跟车行为、换道行为等，车辆的驾驶人作为车辆的操纵者、城市道路的使用者、环境条件的感受者，对于保证交通系统的稳定性有着较大的能动性，在协调和控制交通要素中起着主导的作用.

车辆行为是影响交通流运行状态的关键因素之一，通过对驾驶员引导和车辆行为规范能够大大缓解交通拥堵.在车辆的行驶的过程中，车辆行为的描述主要包括车辆行为的生理心理特征描述和车辆行为的运行特征描述2方面.在交通领域，交通心理学所研究的就是，交通参与者的心理特征及由此产生的各种行为[2-4].人是交通的主体，人的行为决定了交通的状态与特性.应用心理学的观点、方法和原则，研究交通参与者在道路交通中的行为规律，科学有效地规避不安全行为动机，最终达到减少交通事故、保证交通安全的目的[5].在道路交通系统中，驾驶人作为车辆运行的主体由于个体特性和交通环境的影响，驾驶员生理和心理也会发生变化，此变化会体现在车辆的运行特征上[6].在不同的交通环境下，车辆运行具有一定的自身特性并对交通运行产生影响，直接影响交通流密度和运行速度.

2 不良车辆行为图谱及拥堵致因

大城市基础设施建设不断地完善和定型，致使交通拥堵的主要矛盾从基础设施制约的源生拥堵转向有交通参与者不规范、不理性、不优化的交通行为导致的次生拥堵.为挖掘和直观展示不同的车辆行为与交通拥堵的关系，需要寻找有效的方法对拥堵的致因进行准确的描述和表达.

2.1 不良车辆行为图谱

不良车辆行为是指车辆驾驶员受当时驾驶环境下生理心理期望的影响，在信息的感知、处理、判断和操作上某一环节上做出不规范、不理性或不优化的决策，进而形成不良车辆行为.如果道路上的行驶车辆存在不良的车辆行为，轻则造成交通流扰动，车辆运行混乱致使交通拥堵，重则导致交通事故的发生.不良车辆行为不仅影响道路系统的通行效率，也可能会对车辆驾驶员自身或他人的人身安全造成危害.图1给出了不良车辆行为图谱及相互关系.不良因素往往导致驾驶员忽视一般驾驶规则，车辆运行稳定性降低，促使不良车辆行为产生，进而引发交通事故和交通拥堵.

图1 不良车辆行为图谱

导致不良车辆行为的驾驶人因素包括：外界干扰因素导致驾驶员受刺激后采取的不理智操作或者操作失控，例如，夜间对向来车使用远光灯不当，导致驾驶员对前方判断失误而采取的不当操作等；驾驶人特征差异导致的不良行为，例如驾驶员技术不娴熟导致反应时间长、操作失误等；另外，还包括驾驶员态度和驾驶员身体状况等.交通标志标线设置不当或没有设置都会使得驾驶员信息感知和判断决策失误，导致错误的反应操作，从而产生不良车辆行为，例如，快速路出入口匝道附近如果没有标志标线的指引和限制，驾驶员随意换道，就会造成交通混乱甚至交通事故的发生.天气，车辆性能等非人为因素也同样会导致不良车辆行为的产生，例如高速公路路段突然出现一团雾致使能见度迅速下降，此时到达车辆因不能判断前方道路情况，会采取突然加减速，从而易产生事故；另外，车辆在道路上行驶突然抛锚或自燃等情况的发生同样会造成后方车辆紧急操作，易导致事故和交通拥堵的发生.典型的不良车辆行为有突然加减速、频繁换道、不按照道路引导标识行驶、不使用或误用转向灯等.

2.2 基于不良车辆图谱的交通拥堵致因链分析

交通拥堵的形成与所有交通参与者都有着密不可分的关系[7].人们在心理感知、判断及实际应对措施中，任一行为出现差错，都可能会引起交通事故，继而造成交通拥堵或拥堵加剧；另外，由于部分交通参与者分心、犹豫、随意换道等行为的干扰，使得道路实际的通行效率降低，造成交通拥堵范围增加或拥堵时间延长.

拥堵致因链是从交通拥堵现象中挖掘出的拥堵形成规律，是导致拥堵发生的最可能路径关系；研究将从行为-心理学的角度，分析交通参与人在道路交通中的行为和大城市交通拥堵致因.

3 基于出口匝道区不良车辆行为图谱的精细化车道管理

随意、无序换道行为，尤其是出口匝道附近的不良换道行为，会严重影响城市快速路的通行能力.车辆在出口匝道区域行驶时，由于驾驶员的自身驾驶习惯、出行路线需求、道路拥堵状况以及道路条件等原因，不可避免会产生换道行为；出口匝道区域车辆分为2类——不出匝道车辆以及出匝道车辆；许多研究人员主要通过微、宏观仿真数据，或者通过分析传感器实测的交通流数据对道路换道行为进行研究[8-12].本章针对出匝道车辆的换道行为进行分析.通过分析车辆换道中的不良车辆行为，分析归纳车辆在出口匝道区域的不良换道行为，进而建立面向匝道区精细化车道管理的拥堵致因链；并通过优化车流换道空间规范车辆换道行为，最后利用VISSIM交通仿真平台进行了验证.

3.1 出口匝道区车辆换道行为特征及拥堵致因链分析

出口匝道区域理想的交通状况是车辆在出口匝道区域前，完成换道行为，即准备出匝车辆已经完成其换道行为，驶向最右侧车道，直行车辆驶向直行车道.所有车辆在出口匝道区域均无换道行为，这样所有车辆在道路瓶颈段的出口匝道区域各行其道，呈现出较为简单的分流行为，如图2.

图2 理想条件下出口匝道区交通流组织

而在不良驾驶情况下，快速路分流匝道区域交通拥堵致因链分析如图3.本章重点分析车辆在出匝道区域换道行为造成的拥堵现象，由于驾驶员不熟悉路况或其自身驾驶习惯等原因，并未在出口匝道区域前完成由内侧车道向出匝专用道的换道行为，与直行车辆发生换道干扰，造成后方直行车辆行驶速度降低，通行效率下降；此时，交通流线形式如图4.不足的换道空间易引发拥堵.由于换道空间不足，准备出匝道车辆在行驶至出口匝道区域时会集中换道，这会影响主线行驶车流，导致主线车辆无法快速通过出口匝道区域，在该区域形成拥堵.由于拥堵的形成，出匝道车辆也无法正常换道.需要通过优化合理的换道空间，引导匝道区域车辆的换道行为，避免因不良驾驶行为造成合理的换道空间压缩，形成局部拥堵.

图3 出口匝道区域拥堵致因链

图4 不良驾驶行为存在条件下出口匝道区交通流组织

图5 仿真场景搭建

3.2 出口匝道区车辆驾驶行为建模及仿真

3.2.1 实地调查及仿真场景搭建

本研究节将利用实际的调研数据对城市快速路出口匝道交通流车辆驾驶行为进行VISSIM微观行为仿真，得到不同换道空间下的交通流状态指标.

选取北京二环路永定门桥东的一个外环出口匝道，具体阐述车辆在出口匝道区域的换道行为对匝道区车辆通行效率的影响，通过对不同比例出匝道车辆在不同换道空间上的车辆行为图谱构建，分析和验证不良换道行为对匝道区域通行效率的影响.

通过实地调研发现，道路因部分出匝道车辆占用直行车道，导致后方直行车辆发生延误，从而导致拥堵.这是因为车辆未在出口匝道区域前完成向外侧车道的换道行为，而选择在出口匝道附近完成换道，这种不良的换道行为将导致后方车辆减速，造成延误.若这些车辆在出口匝道区域前完成其向外侧车道的换道行为，则可以大大增加直行车道的行驶速度，提高直行车道的通行能力.

1)基础仿真场景(场景1)

以调研场景为基础，通过设定调研区域交通流近似参数(如小时流量、出匝道比例)及调研区域基础交通设施参数(如限速、匝道几何尺寸、车道数等)对出口匝道区域交通流进行仿真.仿真环境为VISSIM，换道模型采用自由换道模型.仿真路段长度分别为匝道前约1 300 m和匝道后约500 m区域，如图5所示.

结合实际道路情况，车道参数如下：匝道前出匝道区域路段为单向4车道，匝道后主路路段为单向3车道，匝道为1车道，辅路为单向2车道.

结合调研数据及实际道路状况，道路中车型以小客车为主，流量单位为标准小汽车数，流量及限速参数如下：主线出匝道前区域的流量为(1 200 pcu·h-1)/车道，限速为80 km/h；辅路流量为(400 pcu·h-1)/车道，限速为50 km/h；主线出匝道比例：(20%·h-1)/车道，匝道限速为40 km/h.

令S表示车辆换道空间，即所有进主线车辆根据行驶方向(出主线、出匝道)可以自由换道的空间的大小，该空间从允许自由换道断面起至出匝道与主线分离点所在的断面止.在车辆进入允许自由换道断面之前，车辆沿各自车道行驶，各车道车辆数及出匝道车辆数均匀分布于各车道.在本次仿真实验中，为确保仿真结果的可靠性和专一性，研究换道空间这一单一因素对出匝道区域交通流状态的影响，消除其他因素的影响，对场景做了以下假设：①主线前方无拥堵；②辅路前方无拥堵.

断面平均速度和区间旅行时间能够有效反映交通流运行状况，在仿真场景中设置2类交通检测器，一类是交通流检测器，可以获得统计时段内经过该断面的车流量和断面平均车速；一类是区间旅行时间检测器，能够检测经过给定两断面统计时段内车辆的平均旅行时间.为了深入研究换道空间与出口匝道通行能力之间的关系，在基础仿真场景的基础上，研究不同流量和出匝比例下换道空间与交通流状态之间的关系，并通过断面车速和旅行时间这2个指标对仿真结果进行分析.

2)多变量仿真场景(场景2)

该场景的换道空间向量S=[50，100，150，…，1 200](单位：m)，出匝道车辆比例向量r=[5%，10%，…，50%].给定交通流量为(1 200 pcu·h-1)/车道，通过S和r的不同组合，研究不同换道空间和换道比例下的交通流状态及不良的换道行为对出口匝道区通行能力的影响情况.每种组合的仿真时间均1 h，仿真场景与其他参数同基础仿真场景.

3.2.2 仿真结果及分析

1)断面平均速度指标

深入研究换道空间与出口匝道通行能力之间的关系，以断面速度指标和旅行时间指标为评价标准，图6给出了场景2仿真后的速度指标三维状态图.通过三维状态图可以直观看出断面速度在各个参数影响下的变化趋势，进而确定各参数下的合适的换道空间.

图6 断面平均速度指标下的场景2仿真结果

从图6可以看出，在交通量一定时，换道空间越大，平均速度越大.在同一换道空间下，交通量越小，平均速度越大.在理想条件下，车速最终趋于理想车速.在交通量小于(1 200 pcu·h-1)/车道时，车辆换道空间应不低于500 m，而且在交通量小于(1 000 pcu·h-1)/车道时，车辆换道空间只要大于300 m的换道空间，车辆就能达到理想行驶速度.交通量在(1 200～1 500 pcu·h-1)/车道时，所需的换道空间为500～1 200 m.当交通量大于(1 500 pcu·h-1)/车道时，1 200 m的换道空间已无法满足车辆的换道需求，此时车辆换道相互间的影响较大，车速低于理想车速，但是尽可能大的换道空间依旧可以提高断面车速.

2)区间旅行时间指标Analyzing travel time index (TTI)

图7给出了旅行时间指标下的场景2仿真结果.在交通量一样时，换道空间越大，车辆旅行时间越小，最终旅行时间会趋向于最短旅行时间.在同一交通量下，较大的换道空间可以分散车辆换道时对其他车辆带来的影响，减小相互间的冲突，保证车速.当交通量越大时，车辆所需的换道空间也会越大.从数据来看，交通量为(900 pcu·h-1)/车道时，只需200 m的换道空间便可以保证车辆以最短旅行时间驶出，之后交通量每增加(100 pcu·h-1)/车道，换道空间需要相应增加50 m才能保证车辆以最短旅行时间驶出出口匝道区域.

图7 区间旅行时间指标下的场景2仿真结果

通过仿真结果可以看出，工程上需要足够的换道空间满足出匝道车辆的换道行为.若换道空间不足，必然会引发不良驾驶行为特别是不良换道行为的增加，进而降低匝道通行能力.

3.3 讨论

通过研究不同换道空间对城市快速路通行能力的影响，分析了车辆在城市快速路出口匝道区域内的换道行为.结合实际调查数据，对城市快速路出口匝道区进行了车辆驾驶行为的建模仿真分析，得出了在不同交通量和不同出匝道比例下的车辆最佳换道空间.不足的换道空间，会进一步引发不良驾驶行为.通过合理的换道空间的确定及车辆的行为引导与约束，可以降低关键区域的车辆拥堵及行驶延误.此外，目前国内普遍存在的出口匝道区的不良车辆换道行为其实质是在压缩有效的换道空间，即工程上设计的实际有效换道空间并没有得到很好的利用.借助教育、执法、工程等手段，规范车辆换道行为，充分利用有效换道空间是降低匝道区交通拥堵的一种有效途径.通过不良驾驶行为图谱，研究典型区域的交通拥堵致因链，便于揭示交通拥堵的引发机理，从而为交通设计与管理者提供精细化的交通管理方案.

4 结论

合适的换道空间是提高道路行车安全，提高道路通行能力的基本保障.合理规范驾驶员的换道行为，减少驾驶员不必要的换道，可以提高道路交通流的通行效率，避免因为强行换道而引发交通事故.不良车辆行为图谱与交通拥堵之间的致因链的建立与分析，能够使技术人员更加明晰交通拥堵的致因，更有针对性的提出截断拥堵致因链的拥堵缓解方案.通过分析车辆换道中的不良车辆行为，建立面向匝道区精细化车道管理的拥堵致因链截断方法，利用合理的车辆换道行为引导方法减少和避免不良驾驶行为的发生，从而减少车辆在出口区域内的延误，提高出口匝道通行能力，防止因为匝道饱和所导致的主线车流的延误或者拥堵.

基于不良车辆行为图谱研究及仿真结果，预期可以在以下方面的得到应用：1)建立不同场景的交通拥堵致因链，为进一步分析特定致因链的截断方案提供参考；2)针对出口匝道区的仿真研究可为城市快速路出入口的位置选择与设计、换道空间的优化提供参考依据；3)结合不良车辆行为模式，为不良车辆行为约束与引导方案提供基础等.

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