高　續(xù)

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院　成都　610031)

城市高架快速路車頭時(shí)距研究

高續(xù)

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院成都610031)

摘要城市高架快速路與普通城市道路在車輛通行、車輛構(gòu)成、管控規(guī)則等方面具有差異。其車頭時(shí)距的研究方法也存在不同之處。文中分析了車頭時(shí)距的構(gòu)成。以成都市二環(huán)高架快速路為實(shí)例，分析飽和車頭時(shí)距及不同交通狀態(tài)下的車頭時(shí)距。結(jié)果表明，交通流由暢通、穩(wěn)定至擁擠過程中，車頭時(shí)距呈現(xiàn)先下降，保持一定穩(wěn)定性的波動(dòng)后再呈上升趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞城市快速路車頭時(shí)距交通流狀態(tài)

車頭時(shí)距是交通流的重要因素，其大小對(duì)交通安全、服務(wù)水平、通行能力、駕駛者的駕駛行為等都有重要影響。車輛在道路上行駛時(shí)，需要保持一定的車頭時(shí)距，以保障安全，減少危險(xiǎn)事故的發(fā)生；駕駛者進(jìn)行超車、合流等行為也受到車頭時(shí)距分布的影響；車頭時(shí)距的分布及最小值與道路通行能力密切相關(guān)。

Carstens[1]針對(duì)信號(hào)交叉研究了車頭時(shí)距與車輛類型之間的關(guān)系，結(jié)果表明直行車輛的車頭時(shí)距最小。Lu Y.J.[2]針對(duì)信號(hào)交叉口車輛左轉(zhuǎn)行為進(jìn)行研究，結(jié)果表明左轉(zhuǎn)車輛車頭時(shí)距比直行、右轉(zhuǎn)等車輛的車頭時(shí)距小，隊(duì)首車輛類型造成的影響最大，車型越大其影響也越大。Lee H.S.等人[3]針對(duì)信號(hào)交叉的配時(shí)、調(diào)查時(shí)段、車道位置

等因素對(duì)車頭時(shí)距的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，內(nèi)側(cè)車道車輛車頭時(shí)距小于外側(cè)車道，車速越高，時(shí)距越小，交叉口越復(fù)雜，車頭時(shí)距越大。B.Sadoun[4]研究發(fā)現(xiàn)隊(duì)首車車頭時(shí)距相對(duì)較長，主要由于司機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)變后存在反應(yīng)時(shí)間和加速駛?cè)虢徊婵诘臅r(shí)間。

裴玉龍等[5-6]研究了由于快速路交織區(qū)中車流的頻繁交織行為而引發(fā)的車頭時(shí)距重分布現(xiàn)象，得到了城市快速路交織區(qū)內(nèi)車頭時(shí)距分布與斷面流率呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的結(jié)論。 臧曉冬等[7]對(duì)快速路立交合流區(qū)的車頭時(shí)距分布進(jìn)行研究，通過絕對(duì)韋布爾函數(shù)模擬交織區(qū)影響下的合流區(qū)的車頭時(shí)距分布，證明具有良好的擬合效果。

Modern Tram Intersection Safety Ensuring System

XuJingyi,OuDongxiu

(School of Transportation Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：The modern tram's long braking distance, faster running speed and conflict with the other traffic modes at the intersection will exist safety hazards. Contraposing the running tram's safety hazards at the intersection, this paper studied the tram intersection safety ensuring system. The system could realize the four main functions: tram intersection information tips,trams runningearly warning at the intersection, real-time monitoring of intersection obstruction and emergency rescue and scheduling. This paper focused on studying the key technologies of the main functions' realization. Combining the tram braking characteristics and the running parameters of other transportation modes, we completed the layout of system testing equipment at the intersection. There are differences in vehicles passing, vehicles components and traffic control rules between elevated expressway and ordinary roads. The study methods of time headway exist difference. This article analyzed the constitution of time headway. On basis of 2th ring elevated expressway in Chengdu, this article analyzed saturated time headway and time headway under different traffic conditions. When traffic status changed from free, steady to crowd, time headway declined first, then fluctuated steadily and rised again.

Key words:tram; intersection; information tips; early warning; obstacles monitoring; emergency rescue urban expressway; time headway; traffic flow status

城市高架快速路與普通城市道路存在區(qū)別，車輛構(gòu)成、出入口分布、交通流狀態(tài)等交通特性存在不同之處。本文分析車頭時(shí)距的構(gòu)成，給出跑圈法記錄觀測車頭時(shí)距表及觀測流量與車頭時(shí)距數(shù)據(jù)記錄表采集車頭時(shí)距數(shù)據(jù)，結(jié)合成都市二環(huán)高架快速路實(shí)例，分析飽和車頭時(shí)距及不同交通狀態(tài)下的車頭時(shí)距，具有一定的實(shí)際意義。

1高架快速路車頭時(shí)距分析

高架快速路與普通快速路有所區(qū)別，高架快速路車道數(shù)少，高架路面跨越道路時(shí)存在上下坡度，通過匝道與地面車道相接，匝道分布不均勻，限低速、高速的特點(diǎn)，國內(nèi)外基于高速公路、普通快速路的實(shí)測數(shù)據(jù)所建立的交通流理論和模型不能完全應(yīng)用于高架快速路。

本文采集的數(shù)據(jù)為成都市二環(huán)高架快速路，其不同之處體現(xiàn)在以下方面。

(1) 最左側(cè)車道為公交專用車道，只允許公交車輛通行，其他車輛禁止進(jìn)入。

(2) 高架快速路常規(guī)車道僅允許小型車輛通行，大中型車禁止通行，車種較為單一。

(3) 道路交通存在通勤高峰，上下班時(shí)間車輛較多，交通流為擁擠狀態(tài)。

(4) 大部分區(qū)段常規(guī)車道為2條，發(fā)生事故時(shí)疏散困難。

(5) 車輛通過匝道上下橋，匝道出入口不均勻分布。

(6) 高架道路跨越其他立交橋、高架道路時(shí)存在較大的上下坡度。

車頭時(shí)距對(duì)高架快速路上駕駛者的駕駛行為有重要影響。通過車頭時(shí)距，駕駛員判斷分析是否進(jìn)行車道變換；駕駛員通過匝道駛?cè)敫呒苈访婧?，距離加速車道終點(diǎn)處的距離越近，愈加嘗試匯入主線，駕駛者可以接受的穿越間隙越??；同時(shí)依據(jù)自己可接受的插車間隙，駕駛員會(huì)選擇匯入或減速慢行尋找可接受間隙。

因此，對(duì)高架快速路進(jìn)行道路設(shè)計(jì)、交通管理需要了解車頭時(shí)距及其分布特性。

車頭時(shí)距由2部分組成：前車從車頭到達(dá)觀測地點(diǎn)到車尾駛離觀測地點(diǎn)之間的時(shí)間，即車輛本身占用時(shí)間；前車車尾駛離觀測地點(diǎn)到后車車頭到達(dá)觀測地點(diǎn)間時(shí)間，即車輛間時(shí)間間隙。

由定義可以看出，總觀測時(shí)間T由所有車頭時(shí)距的總和構(gòu)成，見式(1)。

(1)

式中：hi為第i-1輛車與第i輛車的車頭時(shí)距。

交通流量和平均車頭時(shí)距的關(guān)系見式(2)。

(2)

選擇數(shù)據(jù)采集的地點(diǎn)應(yīng)考慮到飽和流率受到諸多因素的影響，包括車輛速度、車型、車道、幾何因素、交通流形式等，減少車流內(nèi)部的干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可行性，具體如下。

(1) 車道。外側(cè)車道受車輛匯入合流、駛出分流、變道交織影響較大，應(yīng)避免。

(2) 匝道出入口。匝道車輛匯入主路、主路車輛駛離，影響很大，應(yīng)避免選取出入口附近作為調(diào)查點(diǎn)。

(3) 幾何因素。道路坡度、轉(zhuǎn)彎處需調(diào)整車輛速度，前后車輛間距可能增加或減小，應(yīng)盡量選擇平緩直滑路段。

(4) 車道寬度。車道寬度不足時(shí)，車輛行駛會(huì)受到更多的橫向干擾，前后車的車頭時(shí)距會(huì)增大，應(yīng)選擇合適寬度的車道點(diǎn)位采集數(shù)據(jù)。

選擇成都市二環(huán)路北一段高架立交橋進(jìn)行調(diào)查，時(shí)間為2014年10月3日下午17:00~19:00以及10月6日下午16:00~19:00。

成都市二環(huán)高架路常規(guī)車道為2條，選擇臨近道路中央的車道，即公交專用道右側(cè)車道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在與行車方向相反的公交站臺(tái)上選取間隔一定距離的地點(diǎn)對(duì)車輛進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在道路上選擇標(biāo)線、路旁固定設(shè)施等作為固定參照點(diǎn)，當(dāng)車頭到達(dá)參照點(diǎn)時(shí)通過秒表計(jì)時(shí)，后續(xù)車輛依照相同方法記時(shí)。秒表記錄的時(shí)間差即為前后2輛車之間的車頭時(shí)距。數(shù)據(jù)記錄導(dǎo)出后見表1。

表1　跑圈法記錄觀測車頭時(shí)距表

跑圈為記錄號(hào)，即車輛標(biāo)號(hào)i；每圈計(jì)時(shí)為當(dāng)前車輛與前車輛間的車頭時(shí)距；總時(shí)間為總觀測時(shí)間，即第一次計(jì)時(shí)開始到此次計(jì)時(shí)的總時(shí)間。

不同交通狀態(tài)下車頭時(shí)距存在差異，在同一地點(diǎn)選取交通狀態(tài)暢通(04:00～04:30)、穩(wěn)定(04:30～05:30)與擁擠(05:30～06:00)3個(gè)時(shí)段進(jìn)行每分鐘流量與車頭時(shí)距觀測。觀測1 min內(nèi)通過路段車輛數(shù)，并觀測此時(shí)間內(nèi)通過的車輛的車頭時(shí)距。記錄見表2。

表2　觀測流量與車頭時(shí)距數(shù)據(jù)記錄表

2數(shù)據(jù)分析

飽和車頭時(shí)距是交通流的重要參數(shù)，可分析車道通行能力，有助于進(jìn)行道路交通管理控制。根據(jù)采集的641份數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為數(shù)據(jù)范圍正常，具有較高準(zhǔn)確性，樣本統(tǒng)計(jì)特征見表3。

表3　車頭時(shí)距樣本統(tǒng)計(jì)特征

圖1　車頭時(shí)距擬合曲線圖

3交通流狀態(tài)與車頭時(shí)距關(guān)系分析

各交通狀態(tài)下車頭時(shí)距不同，車速、車輛密度、交通量存在差異。根據(jù)交通安全、交通效率等，可對(duì)管控手段調(diào)整，控制信號(hào)燈設(shè)置、匝道開關(guān)閉合、交通誘導(dǎo)等，提高穩(wěn)定性、舒適性、效率。

根據(jù)不同交通流狀態(tài)下的車頭時(shí)距數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)100組，完成流量與車頭時(shí)距間的關(guān)系模型，自由流狀態(tài)、擁擠狀態(tài)下流量-車頭時(shí)距見圖2。

a)自由流狀態(tài)

b)　擁擠狀態(tài)

使用matlab對(duì)自由流狀態(tài)下流量-車頭時(shí)距函數(shù)進(jìn)行擬合，進(jìn)行平滑與歸一化處理后，擬合指數(shù)函數(shù)Q=116.3hs0.428 2，擬合指數(shù)為0.867 2，均方差誤差為3.645。

使用matlab對(duì)擁擠流狀態(tài)下的流量-車頭時(shí)距函數(shù)進(jìn)行擬合，可以得到傅里葉函數(shù)Q=5.88-0.545 cos(0.948 4x)-1.079sin(0.948 4x)，擬合指數(shù)：0.841 9，均方差誤差為：3.757，自由流狀態(tài)、擁擠狀態(tài)下擬合函數(shù)圖見圖3。不同交通流狀態(tài)情況下平均車頭時(shí)距見表4。

a)　自由流狀態(tài)

b)　擁擠狀態(tài)

交通流量/veh交通流狀態(tài)觀測數(shù)據(jù)組數(shù)平均車頭時(shí)距/s<800自由流408.975<800擁擠流305.492800~1500穩(wěn)定流203.097>1500穩(wěn)定流102.452

分析得知，自由流情況下由于車輛較少，將大于hs運(yùn)行；穩(wěn)定流情況下車輛將趨于hs運(yùn)行；擁擠流情況下受到前方交通流影響，車輛進(jìn)行排隊(duì)則將大于hs。車頭時(shí)距隨交通流的不斷增加，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)應(yīng)優(yōu)化匝道出口處交通，使車輛順利駛離主路，同時(shí)控制入口匝道車輛駛?cè)?，控制交通量以保證高架道路的交通效率。

隨著交通流狀態(tài)由暢通、穩(wěn)定至擁擠過程，呈現(xiàn)先下降，保持一定穩(wěn)定性的波動(dòng)后，出現(xiàn)上升趨勢(shì)，從效率、安全、舒適度角度出發(fā)，高架道路應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整交通總量，充分發(fā)揮快速路的功能。

4結(jié)語

本文給出的城市高架快速路車頭時(shí)距研究方法結(jié)果證實(shí)可行，飽和車頭時(shí)距分析結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。城市高架快速路具有獨(dú)特的交通流特性，通過分析車頭時(shí)距分布，有助于進(jìn)一步深入研究快速路交通控制、組織優(yōu)化、合理規(guī)劃。不同交通流狀態(tài)下車頭時(shí)距分析結(jié)果為：車頭時(shí)距隨交通流的不斷增加，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；隨交通流狀態(tài)由暢通、穩(wěn)定至擁擠過程，呈現(xiàn)先下降，保持一定穩(wěn)定性的波動(dòng)后，出現(xiàn)上升趨勢(shì)。城市高架快速路應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整匝道開閉，以保證高效交通。

由于條件所限，本次觀測時(shí)道路交通量飽和狀態(tài)、手機(jī)記錄等使結(jié)果存在一定偏差。以后可以選擇更佳地點(diǎn)，同時(shí)改進(jìn)數(shù)據(jù)記錄方法，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。

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Study on Time Headway of Urban Elevated Expressway

GaoXu

(School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)