加速车道几何参数对合流区交通状况的影响分析*

张 鑫，张卫华，宋军军，郭永乐

(1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥市重点工程建设管理局，安徽 合肥 230001；3.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

合流区因位置特殊交通状况比较复杂，车流运行不稳定、易发生交通冲突，严重时甚至引发交通事故，影响车辆运行安全，产生交通“瓶颈”，降低合流区通行效率。

目前，针对合流区交通安全和通行效率，部分学者开展研究：温惠英等[1]建立冲突概率与冲突严重性的融合模型，以评估合流区交通安全性；Wang等[2]建立多级泊松对数正态分布事故模型，以实时预测事故风险；魏中华等[3]基于实测数据分析合流区汇入角对通行能力的影响；薛行健等[4]发现车道平衡设计有利于提升匝道合流区通行能力；Dabbour等[5]建立1种考虑驾驶员实际行为和车辆加速能力的加速车道长度确定方法；李宗平等[6]结合合流区交通流breakdown发生概率，构建加速车道长度计算模型；李霞等[7]构建考虑车辆安全合流的加速车道长度计算模型，以此确定加速车道安全长度；罗京等[8]结合交通仿真和服务水平，得出快速路合流区加速车道最小长度推荐值；唐宗鑫等[9]构建1种基于可靠度概率方法的加速车道长度计算模型，确定的加速车道长度更接近车辆实际运行特性；李文权等[10]建立了1种平行式加速车道长度计算方法，该方法考虑期望初始速度和主线交通水平等因素。

但目前关于加速车道几何参数的研究存在一定局限性，现有研究以加速车道长度为主要对象，缺乏加速车道宽度因素影响研究，没有综合考虑加速车道长度和宽度对合流区交通状况的影响。因此，本文基于交通状况综合评价指标，设计合理的实验方案并构建有效实验平台，结合控制变量法和仿真实验，分析加速车道长度、宽度对合流区交通状况的影响。

1 实验方案设计

1.1 道路交通参数及实验方案

为便于分析，根据《城市快速路设计规程》(CJJ 129—2009)[11]选取平行式1车道的加速车道为对象，如图1所示。其中合流区主线为单向3车道，入口匝道为1车道，且车道宽度均设置为3.5 m，而加速车道车道长度l和宽度w是待研究的2个几何参数，且l以60，260 m为上下限，20 m为间隔，设置11种取值水平，w以2.5，4 m为上下限，0.3 m为间隔，设置6种取值水平。此外，车辆组成主要为小汽车。

图1 平行式加速车道几何构成Fig.1 Geometric composition of parallel acceleration lane

交通参数主要包括设计速度和服务交通量。由文献[12]可知，合流区主线速度v主选取60，80 km/h，入口匝道速度v匝道保持40 km/h不变；对于服务交通量，结合实际道路交通流状况及规范要求，主线交通量q主选取1 800，5 400 pcu/h为上下限，400 pcu/h为间隔，设置10种取值水平，入口匝道交通量q匝道保持800 pcu/h不变。

本文主要目的是综合分析加速车道长度和宽度对快速路合流区交通状况的影响，结合上述参数分析，确定实验方案及对应参数值，见表1。实验共需开展1 320次。

表1 实验方案及参数Table 1 Experimental scheme and parameters

1.2 综合评价指标确定

通行效率Etra为合流区下游驶出交通量qout与总驶入交通量q的比值，体现合流区实际通行效果，在一定程度上改善通行能力因条件过于理想化而难以真实反映道路实际通行状况的不足，且该值越大，表明合流区通行效果越好。结合文献[13]可知，交通冲突率fTC为在长度l、交通量q的合流区内，有效时间内发生的交通冲突数FTC，在一定程度改善交通事故因随机性和不可预测性而短时间内无法大量获取的不足，且该值越大，表明合流区交通安全性越低。

为综合考虑合流区交通安全和通行效率，结合文献[14]定义通行效率与交通冲突率的差值为效率-冲突率差Dvalue，以其作为综合评价指标，如式(1)所示：

(1)

Dvalue仅为Etra与fTC的数值差，反映合流区综合交通状况。Dvalue越大，合流区通行效率越大且交通安全性越高，合流区整体交通状况越好；反之，合流区通行效率越小且交通安全性越低，合流区整体交通状况越差。

1.3 实验平台构建

VISSIM包含跟弛和换道2种微观驾驶模型，可较好地模拟真实的驾驶环境，且输出的评价文件可用于评价交通流内部运行特征。SSAM主要依赖Time To Collision(简称TTC)和Post Encroachment Time(简称PET)2个指标从冲突轨迹特征文件中提取交通冲突数。2者可共同用于分析合流区交通状况。

驾驶行为主要包括跟弛与换道，其中跟弛包括自由行驶、跟弛以及紧急刹车3种状态，换道受同车道前车以及相邻车道车辆制约，主要依赖换道间隙。结合文献[15]确定驾驶行为参数的校正值，对于SSAM中的参数TTC和PET，可结合已有文献[16-17]依次确定为1.5，5.0 s，其它参数选用默认值，道路交通参数直接依据表1进行标定，此处不展开详细叙述。

2 加速车道几何参数对合流区的影响分析

2.1 实验平台有效性分析

为使结果更具合理性，需先验证实验平台的有效性。首先，结合文献[18]选用速度偏差E和交通冲突相关系数r2个指标，其中仅当E<0.05且r>0.8时，实验平台有效，数学表达如式(2)～(3)所示，其次以合肥快速路为研究对象，采集不同实际场景交通数据标定实验平台并开展实验，同时为降低实验误差，每种场景均开展3次，取平均值作为最终分析数据。提取各场景下断面速度和交通冲突数实际值与仿真值，计算出E和r，最后从最大/小偏差(Emax/Emin)、平均/标准偏差(Eaverage/Estandard)以及r5个方面展开分析，E表达式如式(2)所示：

(2)

式中：νsim表示仿真断面速度，km/h；νact表示实际断面速度，km/h。

r如式(3)所示：

(3)

计算可得Emax=4.782%，Emin=0.863%，Eaverage=2.394%，Estandard=4.782%，均小于5%且r=88.905%>80%，结果符合要求，验证实验平台有效性。

2.2 加速车道几何参数对合流区影响分析

实验过程中统计对应实验数据，采用控制变量法依次分析v主为60，80 km/h时加速车道长度l和宽度w对合流区交通状况的影响。以Dvalue作为分析指标，选取1 800，2 600，3 400，4 200，5 000 pcu/h 5种主线交通流，得到2种v主下Dvalue随加速车道长度l、宽度w的变化而变化，如图2～3所示。

1)车道长度l对合流区的影响

①由图2可知，对于v主=60 km/h，当q主=1 800 pcu/h时，当l由60 m增大至160 m，Dvalue先逐步增大后保持不变；当l由160 m增大至260 m，Dvalue出现略微减小，表明当q主较小时，适当地增大加速车道长度有利于改善合流区交通状况；在2 600 ≤q主≤3 400 pcu/h时，当l由60 m增大至100 m，Dvalue均逐渐增大，当l由100 m增大至260 m，Dvalue均基本保持不变，表明当q主进一步增大时，所需l会增大，同时合流区交通状况变好，且在l不低于100 m时，合流区交通状况基本处于最好程度。

图2 Dvalue随l的变化Fig.2 Change of Dvalue with l

②对于v主=80 km/h，在q主≤3 400 pcu/h时，无论w取何值，当l由60 m增大至100 m，Dvalue均先逐步增大后保持不变，表明无论q主较低或较高时，适当增大l将改善合流区交通状况。

③对于2种v主，当q主=4 200 pcu/h，w≤3.1 m时，Dvalue在l=120 m时降至最低，当3.4 ≤w≤4.0 m，Dvalue在l=140 m时降至最低，而在l=160 m后达到最大值且保持不变，表明当q主继续增大，l也继续增大且当l达到160 m时，合流区交通状况基本处于相对最优程度。当q主=5 000 pcu/h，w≤3.1 m时，Dvalue在l=120 m时降至最低，当3.4 ≤w≤4.0 m，Dvalue在l=140 m时降至最低，而在l=220 m后达到最大值且保持不变，表明当q主继续增大，l也继续增大，且l达到220 m时合流区交通状况基本处于相对最好程度。

2)w对合流区的影响

①由图3可知，在v主=60 km/h，q主=1 800 pcu/h时，无论l取何值,Dvalue随w增大保持不变，表明当q主较小时，w对合流区交通状况几乎无影响；当q主=2 600 pcu/h，l=60 m时，Dvalue随w的增大呈先减小后增大再减小的变化趋势，且在w=3.1 m处Dvalue达到最大，当l>60 m后，Dvalue随w增大保持不变，表明当q主略微增大时，增大w至3.1 m有利于改善合流区交通状况；在q主=3 400 pcu/h，当l=60 m时，Dvalue随w增大略有降低，当l>60 m时，Dvalue随w增大保持较大值不变，表明当q主继续增大时，适当增大l后，w对合流区交通状况的影响较小；在q主=4 200 pcu/h，当l=60 m时，Dvalue随w的增大波动较大，当l=140 m且w>3.1 m时，Dvalue随w增大而减小，表明进一步增大q主时，l增大至140 m且w增大至3.1 m，合流区交通状况达到最好；在q主=5 000 pcu/h，l=60 m时，Dvalue随w增大呈先减小后增大再减小的变化趋势，当l=140 m且w>3.1 m时，Dvalue随w增大而减小，表明当l增大至140 m且w增大至3.1 m后，增大q主，合流区交通状况仍处于最优状态。

图3 Dvalue随w的变化Fig.3 Change of Dvalue with w

②对于v主=80 km/h，当q主=1 800 pcu/h，仅当l=60 m且w>3.1 m时，Dvalue随w的增大而减小，其余均保持不变，表明在q主较小时，过度增大w将使合流区交通状况变差；在q主=2 600 pcu/h，l=60 m时，Dvalue随w增大逐渐减小，当l>60 m时，Dvalue随w增大保持不变，表明当q主略微增大，适当增大l，w对合流区交通状况几乎无影响；当q主=3 400 pcu/h，l=60 m时，Dvalue随w的增大逐渐减小，当l>60 m时，Dvalue随w增大保持较大值不变，表明在q主继续增大时，适当增大l，w对合流区交通状况影响较小；当q主=4 200 pcu/h，l=60 m时，Dvalue随w增大频繁变化，当l=140 m，w>3.1 m时，Dvalue随w的增大而减小，表明进一步增大q主，并增大l至140 m，w增大至3.1 m，合流区交通状况达到最优；当q主=5 000 pcu/h，l=60 m时，Dvalue随w的增大呈先减小后增大再减小的变化趋势，当l=140 m，w>3.1 m时，Dvalue随w的增大而减小，表明当l增大至140 m，w增大至3.1 m后，增大q主，合流区交通状况仍处于最优状态。

3 结论

1)基于交通状况综合指标及仿真技术，分析加速车道几何参数对合流区交通状况的影响。

2)针对v主为60,80 km/h 2种情形，随主线交通量的变化，加速车道长度l对合流区的影响相对较大，而加速车道宽度w对合流区的影响相对较小。 适当增加加速车道长度有利于改善合流区交通状况。