高速公路改扩建路段合流处瓶颈致因分析

文／交通运输部科学研究院 李凯伦

1 高速公路改扩建合流处瓶颈形成影响因素

1.1 不同限速下道路容量影响分析

当高速公路路段没有限速限制时，交通流处于自由行驶状态，速度较低时，车流以自由流方式运行，随着交通流量的增加，自由流逐渐转变为干扰流，当交通流接近道路路段通行能力后，交通流通过量会逐步减小。通过已有的交通流密度与交通流速度关系可知[1]，当设置有限速条件时，两者之间的关系可由下式表示。

1.2 合流车辆行为影响分析

高速公路改扩建合流处车辆汇入情况常常伴随强制性，因此合流车辆多处于非理想汇入状态。影响主线交通流量的主要合流行为有：①单车强行汇入。合流车辆靠近合流点而未提前合流，因此合流车辆会选择在某个小于可穿越间隙的车头间距间强行汇入，这种情况主要常见于合流车辆较少，被合流车道交通流量大，驾驶员驾驶行为激进的情况。②车队强制汇入。合流车辆靠近合流点时，需合流车道上仍有大量车辆等待汇入，因此汇入车辆会以车队方式跟随头车完成汇入，常见于合流路段全车道交通量较大的情况。③超低速汇入。合流车辆遵守规则等待可穿越间隙，但机会较少只能以开始降速，常见于被汇入车道交通流量较大，驾驶员驾驶行为保守的情况。

2 高速公路改扩建合流处瓶颈形成原因分析

2.1 新增汇入

汇入车辆并入被汇入车道，造成车道数缩减，交通密度增加是导致该路段会产生瓶颈现象的根本原因。当车道断面整体交通流量较小时，汇入不会造成较大影响，但当车道断面整体交通流量较大时，汇入会导致被汇入车道更快到达通行能力“骤降”水平，甚至更快达到拥堵水平。且被汇入车辆在临近合流点处也会选择向影响更小的车道并入，也是造成接近合流处易产生瓶颈路段的原因。更多的换道行为会造成驾驶员心理压迫，影响交通流稳定性。

2.2 汇入冲突

当汇入车辆不能在可穿越间隙汇入时，就会形成汇入冲突，为了量化这种影响，提出汇入车辆的期望延误：

图1 三种交通流状态下不同长度车队汇入期望延误图

3 高速公路改扩建合流处瓶颈影响范围

高速公路改扩建合流处交通流状态变化传递符合跟驰理论[4]及车流波基本理论[5]，将交通流状态划分为稳定状态（j=1）、失稳状态（j=2）、新平衡状态（j=3），sij表示第i辆车与前车在三种状态的车头间距，hij、vij表示第i辆车在不同状态下车头时距和速度，Ai、Bi、did、dia、i,d、i,a分别表示聚集波或消散波到达第i辆车的时空位置、第i-1和i辆车的距离差、第i-1和i辆车的时间差，Di、Ti为第i辆车受到的空间干扰长度和时间干扰长度。tz、tj,d分别为自由行驶时间及减速时间，T0为汇入车辆汇入至加速完成时间。因此减速波传递时间为i,d=tz+tj,d，加速波传递时间i,a=tj,a，因此，合流处瓶颈现象消失的位置为加速波与减速波迭代的位置，当瓶颈现象传递至第k辆车消失时，需满足下式条件

通过上式分析可知，初始干扰T0长度影响显著，当干扰消失后瓶颈路段会逐步达到平衡，因此初始干扰持续长度即汇入车队长度是影响瓶颈路段长度的重要因素。在hn,1、hn,3、n,d、n,a固定前提下，T0结束后会形成新稳态，新稳态vn,3固定，因此另一关键因素为原稳态车速vn,1，即原稳态车速，该因素由限速条件影响。

4 结论

高速公路改扩建路段合流处是高速公路瓶颈路段的高发区，因此明确其瓶颈形成机理至关重要，通过定性及定量分析，可得限速条件和车辆汇入行为是影响高速公路合流路段运行状态的重要因素，新增汇入的产生和汇入冲突是瓶颈路段行程的主要原因，汇入车队长度和原稳态车速即限速条件是影响瓶颈路段长度的重要因素，这为后续改扩建合流路段运行保畅措施的制定提供了依据。