城市快速路交织区长度对交通运行的影响分析研究

于世军 徐成 郦红艺 钱仕淋

摘要 快速路交织区长度是影响交通运行状况的重要因素指标，不适宜的交织区长度易造成交通运行紊乱及车辆拥堵等情况。文章首先基于快速路交织区实际运行情况，建立了包含入口匝道、出口匝道、主线车道和辅道的交织区交通仿真模型，然后研究了在不同交织区长度情况下的交通流运行指标变化特征，对比分析了车辆速度、车头时距、车辆的跟驰与换道特性等指标。结果显示，交通量一定，交织区长度较小时，交织区长度与通行能力呈正相关；交织区长度到达阈值后，长度的增加对通行能力影响不显著。交织区长度一定时，交织区流量的提升会导致服务水平的下降，直至拥堵。研究结果对指导快速路交织区长度的设置有指导意义。

关键词 交通工程；交通流特性；SUMO仿真；交织区

中图分类号 U491 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0034-04

0 引言

城市快速路交织区作为快速路交通流內外衔接的交汇段，是城市快速路产生拥堵、安全隐患等问题的主要瓶颈区域之一。交织区长度作为快速路的基本参数，对于快速路的通行能力与服务水平具有很大影响。不适宜的长度会导致交织区内因车辆换道等引发的交通紊乱、交通冲突等情况，也对交织区内的交通安全水平产生不良影响，并且当交织区内发生诸如拥堵等问题的时候，也会迅速扩散至其他区域，造成道路网的拥堵，影响城市快速路整体功能的发挥。

国外对快速路交织区长度的研究开展较早。Pignataro等^[1]通过研究后得到各因素对车速的影响程度随交织区长度增加而减小的结论。Hidas^[2]等对车辆换道行为进行了分类与定义。Kashani A等^[3]基于HCM2016开发了最大交织长度模型。Aries van Beinum等^[4]研究发现交织区长度的增加会导致更低水平的紊流。国内学者根据交织区交通流运行开展了相关研究。陈小鸿等^[5]分析了交织区长度、构造形式、车速等影响交织区的多种因素，并利用微观仿真分析交通流特性。赵靖等^[6]基于HCM2000发现交织区通行能力与长度符合双曲线模型。张琨等^[7]研究了交织区长度对车道变换频率的影响，并发现交织区长度的缩短会增强车辆换道的紧迫性。刘洋等^[8]基于交织区的服务水平，分析了A类交织区长度与密度的关系。

该文基于城市快速路交织区的实际交通流运行数据，构建交织区运行仿真模型，分析交织区的交通运行特性，从平均速度、车头间距以及冲突数等多指标进行比较分析，以此研究交织区长度对交通流运行的影响特征和规律，为快速路的运行管理和改善设计提供决策参考。

1 快速路交织区运行仿真模型构建与检验

为研究不同交织区长度对交通流运行特性的影响，该文选择以城市快速路A型交织区为研究对象，基于SUMO仿真软件，结合实际交织区交通流运行特征，构建了快速路交织区交通运行仿真模型。

1.1 仿真设定

基于SUMO仿真软件，对构建的仿真模型作出以下设定：

（1）所研究的城市快速路交织区中，通行的车种类别主要为小型汽车，因此为了简化研究过程，在后续的模型建立与分析中，忽略其他的车种，只选取有代表性的小型车辆为研究对象。

（2）因为交通事故为偶然事件，为确保仿真模型与结果的普适性，假设所有通行车辆严格遵守通行规则，避免偶然事件对仿真的影响。

（3）采用的跟驰模型是基于目前SUMO已有的成熟模型。

1.2 仿真参数设定

交织区的交通运行仿真模型构建过程包括路网构建及参数设定、检测器配置、车辆类型配置等。

（1）路网构建及参数设置。仿真对象为快速路A型交织区，为完全展现出车辆直行、匝道驶入、匝道驶出的过程，设置单向三条直行车道，驶入单向一条直行匝道，驶出单向一条直行匝道，其中进入匝道的车辆一律从最右侧车道汇入，明确交织区的避让规则，即驶入、驶出车辆需要避让直行车辆。在速度限制方面，依据实际快速路限速取限速80 km/h。

（2）检测器配置。对于交织区不同位置交通流运行数据的采集，使用SUMO仿真软件自带的交通参数检测器。将检测器分别设置在驶入匝道、驶出匝道、交织区域、各条直行车道等位置，通过各个检测器输出的车辆信息来确定在仿真时段内车流的交通参数。

（3）车辆类型配置。对于车辆类型主要以小汽车为主，跟驰模型采用Krauss跟驰模型。

Krauss跟驰模型是一种基于绝对安全假设构建的模型，并且前车的行为会影响后车，并在整个系统中传递。因此下一时段的速度应满足式（1），并仅当公式等号成立时，方为安全速度。

d_s≤d_p+g （1）

式中，d_s——当前时段车辆行驶距离；d_p——前车紧急制动距离；g——车间距。

安全车速的计算式如式（2）所示。

式中，v_t——车辆t时刻的车速；b——车辆最大加速度；v_max——车辆限制最大车速；v_safe——安全车速；v₀——实际情况下与期望速度产生最大差值时的速度；v₁——车辆期望速度；v_t+1——下一仿真步长选择的车速，在v₀到v₁之间随机选择；x_t+1——下一仿真步长车辆位置^[9]。

1.3 仿真模型检验

为了得到正确的结论，在对交织区影响因素进行系统性分析前，必须保证模型能够较准确地反映实际情况，并能在计算机上正确运行。因此，在仿真模型使用之前，需要检验模型的有效性。经前期交通调查，扬州城南快速路万达段交织区长度约为450 m，交织区内换道比例约为36.4%，因此，将SUMO仿真的车道设置为450 m，车道换道概率设为0.36，对交织区进行交通仿真，选取规定样本量，统计车速和车头时距结果，初步检验仿真模型。

统计结果的精确需要一定的样本量保证，从而避免偶然性，因此需要对样本量的最低值进行限制，样本量的最低值可按式（4）计算：

式中，N——最少样本量；S——计算的样本标准差（km/h）；K——相应于要求置信度的常数；E——车速计算的容许误差（km/h）^[9]。

S值可以根据交通区域与道路类型查用，如表1所示，可知平均标准差分布在6.8～8.5 km/h范围内。为了简单起见，选取S=8 km/h，以最大限度地保证统计结果精度。

K值根据要求的置信度来确定，K值的取用如表2所示。

车速计算的容许误差E，取决于车速计算所要求的精度。其取值范围从±1.5 km/h到±8.9 km/h。一般采用1.5～2 km/h^[10-11]。

当交通量较低时，路面交通状况简单，观测时间充裕，在调查时段内能够合理观测几乎所有车辆的车速。而当交通量较大时，路面交通状况相对复杂，跟驰与换道车辆占比较大，车速分布不均衡，如果测量每辆车的速度，就不可避免地会干扰整个调查结果，因而需要选择性测量，即进行抽样。

經式（5）计算，该次试验样本量的选取应大于62辆车。随机选取100辆车，对他们的车速以及车头时距进行统计和分析。其中，仿真模型的车速及车头时距数据由3次仿真结果取平均值，以消除偶然性对数据精度的影响，如表3～4所示。

由表3可得，实测速度均值为21.82 m/s，SUMO仿真的速度均值为20.43 m/s；由表4可得，实测车头时距为3.80 s，SUMO仿真车头时距为3.67 s。整体上除实测数据因调查情况的偶然性方差较大之外，仿真结果与实测数据间无显著差异。可以认为，所建立的仿真模型符合实际情况，可以适用于该研究。

1.4 仿真时长确定

在进行多情景仿真分析前，为了消除仿真时长对仿真结果的影响，首先要对系统仿真时长进行确定。设定系统仿真时长为100～3 600 s，对于高流量和低流量两种交通状态进行仿真，观察仿真时长对车头时距的影响。如图1所示，不管是高流量还是低流量状态，仿真时长小于500 s时，车辆不能完全驶出交织区，统计的车头时距值波动较大，500 s后车头时距逐渐趋于稳定。考虑仿真时长对仿真结果输出效率的影响，将系统仿真时长确定为3 600 s。

2 交织区长度对交通运行影响的仿真分析

2.1 不同交织区长度的仿真运行结果

为了研究交织区长度对交织区车辆运行的影响，模型模拟时，控制交织区交通量2 200 pcu/h，同时将SUMO仿真构建的路网交织区长度在90～720 m取值，间隔为45 m。得到相应的交织区车辆平均速度随交织区长度变化曲线如图2所示，车辆车头时距随交织区长度变化曲线如图3所示，仿真中冲突次数随交织区长度变化如图4所示，车辆在道路上的空间分布如图5所示，交织区长度对各参数的详细影响如表5所示。

2.2 结果分析

通过仿真的结果发现，A型交织区的车辆行驶状态受长度影响较大。在车流量为2 200 pcu/h、换道概率为0.36的情况下，交织车辆的平均速度、车头时距整体都随着交织区长度的增加而增大，当交织区长度达到400 m以后，这两类指标的增长趋势缓慢。对于冲突次数而言，近似呈现正态分布特征，峰值区域在300～400 m，随后又开始下降。

交织区长度的增加为车辆的跟驰和换道提供了更大的空间与时间，车辆在道路上的分布开始分散，拉开了车头间距，速度与车头时距也随之上升。而当交织区长度不足时，相同的交通量在道路上的分布就比较集中，车辆行驶空间受到压缩，驾驶员用于直行车道变换与跟驰的空间减小，加剧了交织区内交通流的紊乱程度，交织车辆的行驶速度缓慢。在交织路段足够长时，交织段内的车辆相当于在长路段上行驶，交织段长度的再次增加对于整体车辆运行的影响不大。

3 结论

该文首先选择平均速度、车头间距以及冲突数这三个参数作为交织区微观仿真模型的评价指标，利用这些数据将各种因素对交织区的影响进行量化，然后基于交织区交通影响参数，对交织区状态进行多情境仿真分析，研究交织区长度的改变引起的交织区车辆相关评价指标的变化。仿真结果显示，在交通量一定的情况下，交织区长度对交织区运行状态影响较大。在交织区长度一定的情况下，交通量的增加会使交织区服务水平下降。在实际工程设计中可根据各数据计算出交织区的临界长度，从而提升交织区通行能力与稳定性，并减少不必要的施工成本。

参考文献

[1]Pignataro L J， Mc Shane W R， Roess R P. Weaving Areas Design and Analysis[M]. Transportation Research Board， National Research Council， 1975.

[2]Hidas P. Modelling vehicle interactions in microscopic simulation of merging and weaving[J]. Transportation Research Part C， 2005（1）： 37-62.

[3]Kashani A， Shirgir B. Development of Maximum Weaving Length Model Based on HCM 2016. Transportation Research Record. 2021（4）： 135-145.

[4]Beinum A V， Farah H， Wegman F， et al. Driving behaviour at motorway ramps and weaving segments based on empirical trajectory data[J]. Transportation Research Part C： Emerging Technologies， 2018， 92： 426-441.

[5]陈小鸿， 肖海峰. 交织区交通特性的微观仿真研究[J]. 中国公路学报， 2001（S1）： 90-93.

[6]赵靖， 白玉， 杨晓光. 基于回归分析的交织区通行能力模型[J]. 城市交通， 2009（5）： 85-90.

[7]张琨， 裴玉龙. 交织区长度对车道变换频率的影响[J]. 城市交通， 2007（6）： 23-25+43.

[8]刘洋，金文皓，赵一飞. 基于交通密度的匝道交织区长度研究[C]//中国科学技术协会，交通运输部，中国工程院，湖北省人民政府. 2022世界交通运输大会（WTC2022）论文集（公路工程篇）. 人民交通出版社股份有限公司，2022： 7.

[9]崔居福， 胡本旭， 夏辉， 等. SUMO平台下多种车辆跟驰模型的仿真对比分析[J]. 重庆大学学报， 2021（7）： 43-54+98.

[10]严宝杰. 交通调查与分析[M]. 北京：人民交通出版社， 1997．

[11]任福田， 刘小明， 荣建， 等译. 道路通行能力手册[M]. 北京：人民交通出版社， 2007．

收稿日期：2023-12-08

作者简介：于世军（1978—），男，博士，副教授，研究方向：交通运输规划与管理。

通信作者：徐成（1997—），男，硕士，研究方向：交通运输规划与管理。

基金项目：教育部人文社会科学研究规划基金项目“保护与更新双重视角下历史城区多模式交通系统协同优化研究”（22YJAZH139）。