基于仿真分析的快速路左入加速车道长度取值研究

赵 恒

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

快速路作为城市道路的主动脉，在城市道路总里程所占比重较低，却承担了较大的交通负荷，具有连续通行、干扰小、容量大的特性。然而，早晚高峰期车辆间摩擦多，潜在危险多，事故频发，一旦发生交通事故，往往事故严重程度大，且事故后对交通影响也较深。根据2016年公安部交通管理局发布的《中华人民共和国道路交通事故统计年报》[1]的统计数据，发生在出入口匝道及合流区内的事故占比达35%以上。

变速车道是加速车道与减速车道的总称，作为主线车道和匝道之间的衔接车道，起到了为车辆提供变速、合流及分流的作用。影响快速路合、分流区运行安全和效率的因素主要是变速车道的布置形式和车道长度。Skabardonis[2]通过微观模拟模型，评价了道路几何特征对匝道、变速车道运行安全的影响。Campbell等[3]经过实地调查，验证了不同形式的加速车道车辆合流特性不同，直接式加速车道所需要的车道长度大于《美国道路线形设计规范》[4]的规定长度。Sarhan等[5]将道路流量、变速车道几何特征与碰撞概率联系起来，通过回归分析量化出入口匝道间距和交通量对安全性的影响。国内学者在CJJ 129-2009《城市快速路设计规程》(以下简称《规程》)[6]基础上，深入研究变速车道的布置形式及其特性。孙剑等[7]对上海城市快速路监控系统3年内记录的48325件交通事故进行调查，研究表明事故发生率与交通拥堵状况、车辆汇合比例、车辆分流比例、车道宽度、匝道曲率半径(影响视距)等因素相关，且各因素在拥堵时段和非拥堵时段所占影响的比例不同。万晓敏等[8]通过快速路的实地调查，比较左入与右入合流区的交通组织，分析其在通行能力和临界占有率的差异，提出了适用于左入快速路的交通管控方案。

变速车道的长度也是影响快速路交通运行的重要因素。Bared等[9]指出道路交通量是造成变速车道事故发生的主要原因，此外还有车道数、变速车道长度、天气状况等影响因素。Maher等[10]通过混合概率模型，研究了日本的一条城市快速路入口匝道运行情况，结果表明右侧入口匝道相较于左侧布置能给驾驶员提供更好的舒适性，并建议左侧布置的入口匝道长度应比右侧布置长50%。黄兰可等[11]分析了城市快速路左进左出变速车道长度的影响因素，通过公式法和实地调查数据计算出变速车道长度推荐值，并通过仿真模型验证其可行性。张慧娟[12]从快速路出口匝道的几何条件和交通组织影响着手，分析了减速车道长度、渠化长度和交织区长度对左出型定向匝道通行能力的影响。尹露[13]阐述了减速车道的特点，并结合二次减速理论提出减速车道长度模型，计算出不同匝道限速下减速车道长度取值。邢小亮等[14～16]结合国内规范关于变速车道长度的设置，考虑了多种因素对其影响，确定了以设计速度为依据的变速车道长度推荐值。李敏[17]对不同车型的运行参数进行研究，分别分析了大、小型车所需的变速车道长度。孔令臣[18]结合车头时距模型和加、减速理论，分析影响变速车道交通特性的因素，从而推导出变速车道长度基本取值。此外，叶宇[19]考虑了成本效益，构建变速车道的建设成本模型、事故与损失模型，将建设成本与事故损失转化为现值进行比较，给出最佳效益成本比值所对应的变速车道长度推荐值。

目前已有研究大多以匝道右侧布置的加速车道作为研究对象，且未能从交通运行效率和安全性两个层面综合考虑合流区交通设计参数。变速车道的交通参数一旦设计不合理，极易影响交通流运行状态，从而诱发交通事故。若变速车道长度设计过短，驾驶人难以在规定路段内完成变速过程，易造成道路拥堵和事故发生；若变速车道长度设计过长，又会造成工程经济的浪费。因此，合理确定变速车道长度对于改善快速路交通拥堵与安全问题具有重要意义。

1 问题描述

城市快速路在出入口匝道的布置上，通常采用右侧布置的形式，然而受地面路况与施工可行性的制约，少数情况下也会采用左侧布置的形式。对于左侧出口，易给不熟悉路况的驾驶人造成困扰，高速行车情况下的犹疑往往会出现错过出口的情况，且短时间内的变道亦会对直行车流造成较大干扰，从而导致事故发生。对于左侧入口，车辆从左侧加速车道汇入主线时运行速度较低，而我国快速路左侧车道均为快车道，加速车道车流与主线车流运行速度相差较大，车辆运行协调性差也极易造成追尾等交通事故的发生。

以左入加速车道为例，匝道车辆并入主线可分为两步，即加速和车道变换，因此左入加速车道的长度就是经过该过程所需长度之和。图1为左入加速车道示意图。

图1 左入加速车道示意

目前国内《规程》确定的变速车道基本长度仅针对右侧布置的匝道，并不能满足匝道左侧布置形式下变速车道的要求。左入匝道设置可较好解决城市交通设施建设受到用地制约的问题。本研究以南京机场快速路左入加速车道为例，通过仿真研究，从道路运行安全和效率两个方面来确定左入加速车道的合理长度取值。该研究路段满足：(1)符合加速车道通常选取的平行式；(2)适合采用航拍方式采集数据，视野条件好，无遮挡；(3)道路线形指标较好；(4)高峰时期交通运行状况可满足《规程》中的三级服务水平要求，故该合流区可作为典型研究对象。

2 左入匝道的合流区加速车道交通调查与分析

2.1 调查仪器、地点及时间选取

本次调查采用航拍方式，所用无人机为大疆MAVIC 2，电池最长续航时间为30 min，能在500 m高空实现稳定悬停。此外，配备一部手机作为监视器，用于观测所拍摄画面，以便实时调整无人机位置和相机角度。

选取南京机场快速路左入合流区作为调查对象，根据《道路通行能力手册HCM》中合流影响区的定义，选取入口匝道与主线合并处至下游457 m范围内，包含加速车道及与加速车道相邻的第1，2车道在内的区域作为研究区域，如图2所示。调查时间选取2020年1月8日的晚高峰时期16:00—18:00，用于仿真参数的校正和结果验证。

图2 南京机场快速路左入合流区航拍图

2.2 验证指标选取

验证指标的筛选应保证以尽量少的评价指标全面反映道路的真实状况，同时应保证评价指标易从仿真模型中直接获取且便于现场采集。

交通运行效率和安全分析是对快速路综合评价的两个关键因素，二者的最佳平衡是一种理想化的追求目标，然而多数情况下，选择安全性较高的道路设计方案往往意味着要牺牲道路运行效率。

在交通运行效率指标中，交通密度主要受道路交通量影响，而本研究拟采取调查所得固定交通流量进行参数标定，因此筛除该验证指标。而平均行程速度和平均行程延误相关度较高，故选择其一即可。

在道路安全评价指标中，TTC(Time to Collision)模型主要用于追尾冲突的分析，而PET(Post Encroachment Time)模型并不适用于研究同一行驶方向的跟驰车辆。

综上所述，本研究将选取平均行程延误作为变速车道的运行效率评价指标，选取TTC冲突数作为变速车道的安全性评价指标。

2.3 调查数据确定

根据左入加速车道交通运行特性的影响因素分析和验证指标选取，确定如下调查数据，主要包括道路几何参数和交通流参数：(1)道路几何参数：车道数、车道宽度、匝道及变速车道布置形式、道路限速；(2)交通流数据：道路交通量、交通组成、车辆运行速度分布、平均行程延误、交通冲突数。

道路数据通过实地调查和航拍录像的方式进行采集，其中道路交通量和交通组成可以直接通过视频数据获取，而车辆运行速度、平均行程延误及交通冲突数需通过对视频数据进一步处理获得。

2.4 交通流运行特性分析

通过调查所得交通流数据，开展合流区交通运行特性分析，包括高峰小时交通量特性、合流区速度分布特性和交通冲突特性，可为仿真模型的参数标定及加速车道布置形式的改善提供依据。

2.4.1 高峰小时交通量特性

将调查所得交通量数据按时间绘制成合流区基本路段和匝道的交通饱和度趋势图(图3)。

图3 合流区基本路段和匝道的交通饱和度趋势

由图3可知，匝道交通各时段平均饱和度接近90%，个别时段超过90%，服务水平极差。

2.4.2 合流区速度分布特性

按加速车道的功能可将其分为加速段L1(0～195 m)、渐变段L2(196～300 m)及缓冲段L3(301～457 m)。

为比较主路两条车道的车速分布，绘制车辆经过各段的平均车速对比图(图4)。

图4 与加速车道相邻第1，2车道各段平均车速对比

第1车道由于车辆从加速车道直接汇入，因此该车道车辆受汇流过程影响较大，该车道各段平均速度较第2车道均更低，但在中段基本完成加速过程；第2车道基本不受汇流过程的影响，各划分段的平均速度较为稳定。

2.4.3 交通冲突特性

绘制交通冲突类型划分及TTC均值表(表1)。

表1 交通冲突类型划分及TTC均值

由交通冲突类型划分表可知，对追尾冲突而言，冲突多发生在前段和中段。一方面，由于匝道车辆未完全加速便汇入主线车道，造成后方正常行驶的主线车辆被迫减速，易发生追尾冲突；另一方面，匝道的大车比例较高，而快速路货车道一般位于最外侧，大车若要汇入主路货车道，势必要经过中间两车道，对后方主线车辆的影响较大，也较易发生追尾冲突。

对侧向冲突而言，冲突多发生在中段，表明车辆在加速车道前半段未能顺利并入主线，只能行驶至加速车道末段，停车等待合适的临界间隙以完成合流过程，从而易与主线车流发生侧向冲突。

3 仿真模型建立

VISSIM软件可实现对道路、车辆、行人及交通运行规则的模拟，以反映真实的道路交通状况。本研究依据南京机场快速路的实地调查数据，选用VISSIM进行模型的构建，通过运行结果分析其运行效率，并采用SSAM软件分析交通冲突数以评价变速车道的安全性。

3.1 仿真参数标定

仿真参数的标定包含参数的校正和验证两个阶段，通过调整单个或多个校正参数，使仿真模型输出的验证指标落于实测指标允许的误差范围内，其目的是为了获取适用于实际情况下的驾驶行为参数。

第一阶段，开展默认参数的可行性分析和敏感性分析，筛选出待校正参数，从合流区的交通运行效率和安全性两个方面着手，应用均值化法消除指标量纲，对道路交通状况进行综合性评价，运用改进的SPSA(Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation)算法对参数进行校正；第二阶段，从合流区的交通运行效率和安全性两个方面完成校正参数的有效性验证。

本研究主要对平均停车间距、安全距离附加系数、安全距离倍数系数、最小车头间距和安全距离折减系数这五个参数进行调整，调整后的参数值如表2所示。

表2 校正后参数值

3.2 仿真实验设计

根据本文的研究需求，在调查的交通条件下，变更加速车道的布置条件，包括车道数量、加速段长度及渐变段长度，以进行仿真试验。

(1)车道数量

车道数量取决于交通量的大小，经本研究调查可知，高峰时期下匝道的实际运行交通量远超过其设计通行能力，故本研究拟在仿真实验中增加车道数量，分析其对合流区的交通影响。

(2)加速段长度

根据《规程》，80 km/h的主线设计车速下，单车道加速段规定最小长度为110 m，双车道为170 m。本研究调查区域的加速车道加速段长度为195 m，因此选取加速段长度的设计范围是110～270 m，步长为40 m。

(3)渐变段长度

根据《规程》，80 km/h的主线设计车速下，渐变段规定最小长度为50 m。本研究调查的加速车道渐变段长度为105 m，因此选取渐变段长度的设计范围是50～150 m，步长为50 m。

综上所述，并结合规范标准，加速车道的布置条件仿真参数取值如表3所示，共需设计36组仿真实验，每组实验运行100次，单次仿真时长为10 min。

表3 加速车道的布置条件仿真参数设置

4 仿真结果分析

4.1 不同布置条件加速车道的仿真运行结果

本实验的研究对象是快速路左入匝道合流区，包括加速车道及与加速车道相邻的第1，2车道在内的457 m区域。为便于结果比较分析，选取平均行程延误和交通冲突数作为对合流区的运行效率和安全性的评价指标，具体仿真方案及运行结果如表4所示。

表4 仿真运行结果

4.2 车道数量对合流区交通运行特征影响规律

由表4分析可知，在同一加速段和渐变段长度的水平条件下，双车道匝道下的车辆平均行程延误低于单车道的布置形式，表明双车道的布置形式可较好地缓解原先单车道匝道设计通行能力不足的问题。

而双车道匝道下的交通冲突数和追尾冲突比例均大幅增加，该现象表明双车道的布置形式虽在整体上增加了合流区的通行效率，但是一定程度上改变了原来匝道车辆的汇入过程，双车道下左侧汇入的车辆加剧影响了主线车辆的正常行驶，造成追尾冲突数大量增加，合流区的交通运行安全性显著降低。

4.3 加速段长度对合流区交通运行特征的影响规律

根据实验设计，加速段长度分为110，150，190，230，270，310 m，分别统计在各加速段长度的水平下，车辆平均行程延误及交通冲突数的平均值变化情况，如图5，6所示。

图5 不同加速段长度水平下的平均行程延误变化曲线

图6 不同加速段长度水平下的交通冲突数变化曲线

由以上两组曲线图可知，随着加速段长度的增加，车辆的平均行程延误逐渐呈下降趋势，故加速段长度对平均行程延误有显著影响；对于交通冲突数而言，加速段长度增加初期，交通冲突数显著下降，但随着长度继续增加，交通冲突数的变化趋势趋于平缓，其边际效应逐渐降低。

4.4 考虑运行效率和安全性的加速车道总长度确定

由表4可得加速车道在不同总长度下的平均行程延误和交通冲突数的变化情况，其变化趋势如图7，8所示。

图7 不同加速车道总长度下的平均行程延误变化曲线

图8 不同加速车道总长度下的交通冲突数变化曲线

由以上两组折线图可知，随着加速车道总长度的增加，车辆的平均行程延误呈下降趋势，当总长度增加至380 m时，延误基本达到最低值，若继续增加变速车道总长度，延误改善的边际收益极低；对于交通冲突数而言，当变速车道总长度增加至260 m后，交通冲突数的改善收益逐渐降低，若继续增加变速车道总长度，对交通冲突数的影响并不显著。该现象表明，加速车道总长度的增加能显著降低车辆的平均行程延误，但是对于交通冲突数的改善情况有限，故加速车道总长度的选取应当结合交通运行效率、安全性及工程造价综合考虑。

因此，建议主路限速为80 km/h的左入加速车道最小长度应不小于260 m，该长度大于我国《规程》中对于加速车道最小长度(210 m)的规定，与左入加速车道需要更长的长度相契合。研究通过仿真实验得出基于运行效率和安全性的加速车道长度取值区间，填补了《规程》中对于左入加速车道长度取值建议的空白。

5 结 论

(1)本研究以合流区交通特性分析为基础，选取合适的验证指标，通过航拍方式获取南京机场快速路左入合流区的交通运行数据，可较全面地观察交通流的运行特征，也为后续仿真建模提供了数据来源。

(2)本研究根据调查的交通流数据构建VISSIM仿真模型，并开展默认参数的可行性分析和敏感性分析，校正参数以获取适用于实际情况下的驾驶行为参数；通过仿真实验设计不同布置形式的变速车道，分析不同因素对合流区交通特性的影响；实验中控制了匝道车道数、加速段长度及变速段长度三个影响因素，共设计出36组仿真实验。

(3)本研究通过比较车辆的平均行程延误和交通冲突数，分析各因素对交通运行结果的影响；根据结果，可知双车道匝道的布置形式虽能弥补设计通行能力不足的问题，但出于交通运行安全性的考虑，对于左侧汇入的匝道仍建议采取单车道匝道的布置形式；本文建议在满足道路安全性的条件下，主路限速为80 km/h的左入加速车道最小长度应不小于260 m，若在此基础上增加车道长度，可进一步降低车辆的平均行程延误，合流区的交通运行效率在车道长度增加至380 m后基本达到最高，因此在满足施工可行性和工程经济预算的条件下，左入加速车道的长度应尽可能达到380 m。

(4)本研究以80 km/h设计速度的快速路为例，提出适用于相同条件下左入匝道的快速路加速车道长度取值。该方法同样适用于设计速度为60，100 km/h的快速路变速车道长度取值研究。值得注意的是，对于气候条件、城市快速路的出入口间距、断面、视距、标志标线等产生的影响，可结合驾驶行为特性、交通运行安全性和建设成本进行更深入的研究，得出更加科学合理的变速车道长度推荐值。