基于加速度干擾的城市隧道出入口交通流擁擠度評價

林　麗，蔣　聰，徐曉丹，過宇亮，陳　婷

(南京林業(yè)大學　汽車與交通工程學院, 江蘇　南京　210037)

基于加速度干擾的城市隧道出入口交通流擁擠度評價

林麗，蔣聰，徐曉丹，過宇亮，陳婷

(南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院, 江蘇南京210037)

摘要：為了研究城市隧道出入口交通流的運行狀態(tài)，以城市隧道交通流為研究對象，利用試驗車調(diào)查了玄武湖隧道、鼓樓隧道和九華山隧道內(nèi)交通流的動態(tài)加速度。借助加速度干擾計算模型，計算并分析了不同隧道交通流的加速度干擾值。借助仿真手段，得到城市隧道交通流狀態(tài)與加速度干擾的關系圖。根據(jù)該圖表現(xiàn)出來的不同車輛運行特征，將城市隧道單行雙車道服務水平劃分為4個等級，并相應給出各級之間平均速度的取值范圍。利用加速度干擾值可評價城市隧道出入口的交通流擁擠情況，從而為工程實踐提供參考依據(jù)。

關鍵詞：交通工程；加速度干擾；服務水平；仿真；城市隧道出入口

0引言

城市隧道在城市道路網(wǎng)中承擔著重要的交通功能，其道路功能等級與城市快速路相似。然而在高峰時段，由于城市隧道出入口的銜接方式復雜，車輛駕駛行為不一致，出入口車輛的運行速度動態(tài)變化，致使該區(qū)域的交通流通行能力低于隧道內(nèi)交通流，并易產(chǎn)生隧道交通流擁擠現(xiàn)象，無法保證交通流的快速通過。因此對城市隧道出入口交通流狀態(tài)進行合理劃分并對城市隧道服務水平提出科學的評價，有助于了解城市隧道交通流的運行狀況和城市隧道的服務質(zhì)量，同時為城市隧道出入口的組織設計、路況改善以及提高交通管理水平提供科學依據(jù)[1]。

衡量服務水平的主要指標有行車速度、行車時間、交通流密度、行車延誤、駕駛員心理、乘客舒適度、行車安全性和運行費用等。交通流評價一般根據(jù)相應的服務水平指標，采用等級劃分的方式來定性和定量地綜合分析[2]。這種評價方式簡單，結(jié)果直觀，被相關學者廣泛使用，但是其等級的界定主要采用經(jīng)驗法和模糊綜合評判法，有一定的模糊性，無法直觀反映微觀車輛的運行動態(tài)，存在缺陷。因此，有必要完善交通流評價體系，尋求更加科學嚴密的服務水平評價指標來評價城市隧道出入口的交通流擁擠情況，并為工程實踐提供參考。

1加速度干擾現(xiàn)狀評價

1.1加速度干擾概述

當車輛在城市隧道中行駛時，車速動態(tài)變化，無法保持某個絕對不變的速度行駛。當?shù)缆飞系慕煌枯^小時，車輛會在其所要求的速度左右擺動。當交通量較大時，跟馳現(xiàn)象明顯，在隧道出口的交織區(qū)范圍內(nèi)，一旦受到車輛換道行為的影響，跟馳車輛的速度更會出現(xiàn)擺動。當車流量逐漸增大時，車輛之間的相互干擾增加，最直接的變化就是速度出現(xiàn)明顯的波動，交通流狀態(tài)從離散到擁擠，車流速度減小，交通流從擁擠到離散狀態(tài)，車流又不斷加速。加速度干擾σ就是用來描述車輛速度擺動的一個量化指標[3]，該數(shù)值可以用來評價城市隧道出入口交通流中車輛之間的干擾程度。

1.2加速度干擾研究現(xiàn)狀

Jones等對各類道路不同的交通條件及不同的駕駛員進行了加速度干擾的測量，其中，與擁擠評價相關的結(jié)論有：交通量增加，σ增加；由于停車、公交停靠站、橫向交通等影響，增加了城市道路的交通擁擠，σ增加；與行駛時間和停車時間相比，σ值可能是交通擁擠更好的度量標準；σ的高值表明有潛在的危險情況[4]。文獻[5]指出，建議將加速度干擾作為評價道路服務水平的指標。Winzer研究了在不同交通流密度下車輛的加速度干擾情況，指出當交通流密度增加時，σ值逐漸增大，然而在交通流密度繼續(xù)增加到某個定值以后，σ值不再增加，而是開始逐漸降低。

國內(nèi)學者很少對加速度干擾進行研究[6]，最近幾年，開始有相關文獻通過加速度干擾指標來評價道路線形和行車舒適度[7-9]，但只是建立了相關的模型，并沒有構(gòu)建相應完善的評價體系，通過加速度干擾值來衡量城市道路服務水平等級的研究資料也很少。總之，國內(nèi)外對加速度干擾評價方面的研究均較少，國外已有的研究文獻年代也比較久遠，并沒有成熟完善的研究成果。

2加速度干擾的計算方法

車輛速度擺動的大小可用加速度對平均加速度的標準差σ來表示，稱σ為加速度干擾，單位與加速度的單位一致，其公式如下：

(1)

如果加速度的觀測以連續(xù)的時間間隔Δt來取樣，那么相應的計算公式如下：

(2)

式(1)、式(2)本身對現(xiàn)場研究中所搜集的數(shù)據(jù)不能減輕計算工作。適用于數(shù)據(jù)簡化和分析的加速度干擾方程為：

(3)

3加速度干擾特征分析

3.1城市隧道出入口車速變化特性

《公路隧道通風照明設計規(guī)范》(JTJ026.1—1999)[10]中根據(jù)照明亮度以及視覺適應性將隧道劃分為5個不同路段，因此本文將城市隧道具體劃分為：入口段、入口過渡段、中間段、出口過渡段和出口段，如圖1所示。

圖1　隧道分段示意圖Fig.1　Schematic diagram of tunnel subsection

為獲得城市隧道出入口車速變化的一般規(guī)律，研究城市隧道出入口交通流的加速度干擾特性，本文調(diào)查時間為工作日高峰小時時段(星期二至星期四16：30—18:30)，在南京主城區(qū)的3個隧道(玄武湖隧道、鼓樓隧道和九華山隧道)中，利用試驗車針對隧道交通流速度進行了跟車記錄，見圖2至圖4，分析了各隧道出入口駕駛行為的變化對其后續(xù)車流車速造成的影響。

圖2　玄武湖隧道速度變化圖Fig.2　Speed variation in Xuanwuhu tunnel

圖3　鼓樓隧道速度變化圖Fig.3　Speed variation in drum-tower tunnel

圖4　九華山隧道速度變化圖Fig.4　Speed variation in Jiuhuashan tunnel

根據(jù)圖2至圖4，可以發(fā)現(xiàn)城市隧道出入口交通流的速度有如下特點：

(1)一般情況下，車輛在接近隧道入口過渡段時開始加速，而在接近出口過渡段時開始減速，出口處的車速低于進口處的速度。通過計算發(fā)現(xiàn)，前者加速度的絕對值小于后者。計算結(jié)果如下：3處隧道6個方向，隧道進口加速度均值為0.498 m/s2；出口加速度均值為-0.256 m/s2。該結(jié)果與高速公路隧道進出口車速變化[11]存在非常明顯的差異，這是因為城市隧道出入口銜接著城市主干路或直接與平面信號交叉口相接，車流受到外部干擾較大，駕駛行為必然發(fā)生變化。以玄武湖隧道(由東向西)為例，距出口斷面100 m處存在著平面信號交叉口，左轉(zhuǎn)車流占60%以上，高峰時段交通流狀態(tài)不穩(wěn)定，由于前方車輛進入交叉口區(qū)域要發(fā)生減速換道，其換道波陣面沿著車流向后傳播，致使車輛在接近出口過渡斷面時，速度開始降低，并且降幅存在明顯的波動。

(2)變坡對車輛加減速變化明顯。隧道的出入口位置往往存在變坡點，以鼓樓隧道為例，其出入口的坡度在3條隧道中最大，其隧道出入口的變坡位置對應了出入口的過渡斷面，因此，該位置前后駕駛員是否及時換擋將影響車輛的動力性能，并且駕駛員要適應隧道外部的交通條件(包括銜接城市道路和銜接平面信號交叉口)而采取相應的減速。

(3)平面線形對車輛的速度影響程度有限。由于城市隧道長度較短，九華山隧道2 780 km，玄武湖隧道2 660 km，鼓樓隧道1 150 km，隧道內(nèi)部幾乎為直線路段，平面線形對車速的影響并不明顯。

3.2加速度干擾值計算

根據(jù)觀測記錄的數(shù)據(jù)，本節(jié)對3條城市隧道的車速進行加速度干擾的計算。以玄武湖隧道交通流車速為例，速度-時間軌跡見圖2。試驗車開始以46 km/h的初始速度進入隧道，隨后加速行駛，在30 s時，車速接近設計車速60 km/h，并以此速度小范圍浮動行駛。在130 s時，由于接近出口過渡段，車輛被迫調(diào)整到較低速度行駛，車速降幅明顯，記錄的加速度干擾實測數(shù)據(jù)見表1。

表1　玄武湖隧道加速度干擾實測數(shù)據(jù)(由東向西)

該案例中，進入隧道的初始速度μ0為46 km/h，離開隧道的末速度μT為20 km/h，在一般情況下，把1 s 作為計算σ值的統(tǒng)計時間間隔。從隧道出口過渡段開始，由于前方駕駛行為的變化，試驗車速度出現(xiàn)明顯波動，假設Δμ=1 km/h，將在每一時間間隔結(jié)束時的速度μ從km/h換算成m/s，利用式(3)計算得到σ值為：

通過試驗車法，對城市隧道的交通流速度進行多次觀測記錄，分別得到交通流的σ值，見表2。

3.3仿真加速度干擾

上述調(diào)查試驗是采用1輛試驗車來得到σ值，未必能夠代表大多數(shù)車輛的運行狀況，并且在實際情況中，通過檢測儀對車輛處于不同交通流狀態(tài)的動態(tài)速度采集過程比較耗時費力，效率也較低。因此，為了更全面地反映出不同交通流狀態(tài)下的車輛運行特征，計算出相應的σ值，從而判斷交通流所處的狀態(tài)，對道路服務水平進行分級。本研究利用VISSIM模擬城市隧道單方向雙車道道路環(huán)境，每隔0.01 s記錄車輛的狀態(tài)，同時根據(jù)所選的時空區(qū)域以1 s為統(tǒng)計時間間隔，計算車輛的σ值。圖5為通過VISSIM仿真得到的車輛正常行駛時加速度的波動圖。將仿真值與實測數(shù)據(jù)進行驗證后，認為該仿真可以用來分析車輛的加速度干擾特性。

表2　南京主城區(qū)主要隧道交通流的加速度干擾值

圖5　正常行駛時車輛縱向加速度的波動圖Fig.5　Vehicle longitudinal acceleration fluctuation during normal operation

具體的仿真交通流狀態(tài)(用飽和度表示)與σ值的關系見圖6。由圖可知，該關系曲線上有幾個關鍵的特征點：A，B，C，D。在OA階段，隨著飽和度的增加，σ值由低值逐漸變大，這主要是因為隨著交通流狀態(tài)由離散轉(zhuǎn)化為跟馳，車輛之間的相互干擾增大，需要通過不斷調(diào)整車速來滿足自身的期望車頭間距，在該段曲線上就表現(xiàn)為σ值隨著飽和度的增大而增加，直至達到最大值。

圖6　交通飽和度和加速度干擾關系Fig.6　Relation between traffic saturation and acceleration interference

曲線過了A點之后，交通流狀態(tài)是由跟馳轉(zhuǎn)化為擁擠的過程，σ值不斷下降，直至降低至一個較低的穩(wěn)定值。這主要是因為隨著交通量的增大，交通流越來越擁擠，車輛間的干擾也變得越來越大，車輛之間只存在車頭間距變小，超車和換道變得越來越困難，車輛無法自由調(diào)整車速，故隨著流量的增加，σ值逐漸變小。在整個AD區(qū)間中，AB階段的曲線呈上凸趨勢，σ值變化幅度不大，表明車輛在該階段的相互干擾逐漸增大。然而有變換車道需求的駕駛員仍然可以尋找機會換道，如果駕駛員期望換道的頻率較多，σ值就會偏大。在BC階段，曲線斜率變化明顯，開始下凹，σ值降低較為明顯，說明車輛已經(jīng)無法自由變換車道了。當交通量繼續(xù)增加時，車輛之間的相互干擾也繼續(xù)增加，幾乎無法超車，整體車流的運行受到限制，只能跟車前進，車速的波動開始變小，從而使在CD階段的σ值減至某較小值附近。當?shù)缆返耐ㄐ心芰Φ陀诮煌髁繒r，交通流呈現(xiàn)擁堵狀態(tài)，車輛停車排隊，在極限情況下，σ值降至零。故根據(jù)圖6，將交通流狀態(tài)劃分為4個區(qū)域，各個區(qū)域之間有著各自相對應的車輛運行特征。

4基于加速度干擾的服務水平劃分

4.1基于加速度干擾的現(xiàn)狀交通流狀態(tài)評價

σ值主要受駕駛員、道路和交通情況3種因素的影響。在高峰時段，交通情況對σ值的影響大于前兩者，因此，根據(jù)表2計算的結(jié)果，本文主要分析交通環(huán)境的變化與σ的關系，發(fā)現(xiàn)有如下特點：

(1)當城市隧道出口銜接大型平面信號交叉口時，隧道內(nèi)的跟馳車流被迫調(diào)整到較低速度來適應隧道外部環(huán)境的變化，包括換道、超車甚至停車排隊等。這些駕駛行為使跟馳車流車速受到較大的干擾，加速度干擾值超過0.5 m/s2，發(fā)生擁擠的概率最大。

(2)當城市隧道出口銜接封閉的道路(如立交匝道)時，隧道車流車速受到外界干擾較小。車輛從出口過渡段到離開洞口的過程存在一個完整封閉的過渡區(qū)，因此發(fā)生換道、超車等駕駛行為的情形相對較少，從而對隧道交通流的加速度干擾最小，發(fā)生擁擠的概率也最小。

(3)當城市隧道出口銜接城市主干路時，隧道跟馳車流的車速受到的干擾程度介于上述兩種情形之間。這主要是因為隧道內(nèi)的跟馳車流通過出口斷面后匯入城市主干路，隧道口的跟馳車流受到的干擾主要來自于隧道外平面車流的橫向干擾，干擾程度有限。另外，當車輛駛出隧道，駛?cè)氤鞘械缆?，不久就會進入平面交叉口區(qū)域，出現(xiàn)車速降低甚至停車排隊的現(xiàn)象在所難免，從而產(chǎn)生波陣面，波速沿著跟馳車流向后傳播，傳至隧道出口斷面時，交通波的波速已變小，從而使隧道交通流受到的加速度干擾較小，降低了發(fā)生擁擠的概率。

(4)鼓樓隧道全長最短，車輛從入口行駛到出口離開的整個過程中，由于變坡、照明等因素，車輛的車速始終在不斷變化調(diào)整，導致加速度整體波動偏大。

4.2基于加速度干擾的服務水平劃分標準

由圖6呈現(xiàn)的曲線特征可知，4個階段的車輛運行特征存在著明顯差異，對應的σ值變化特性也有所區(qū)別。由于城市隧道的設計速度為60 km/h，因此，參考《城市道路工程設計規(guī)范》(CJJ37—2012)[12]中快速路的服務水平分級，并綜合考慮交通流的速度、飽和度等指標，基于σ值，將城市隧道單向交通流的服務水平分成4個等級，見表3。

表3　基于加速度干擾的服務水平等級劃分標準

表3的劃分標準與圖6呈現(xiàn)的特征是一致的。當服務水平較高時，車速較快，交通流處于離散狀態(tài)，車流之間的相互干擾少，σ值較低；當交通流的飽和度逐漸變大時，車流之間的干擾增多，此時，駕駛員為尋求期望的車頭間距而頻繁調(diào)整車速，σ值就逐漸提高；當?shù)缆分械慕煌咳栽诔掷m(xù)增多時，車流運行時受到的阻礙也開始逐漸增加，車速的波動幅度越來越小，因此，σ值開始降低；當?shù)缆烦尸F(xiàn)擁擠狀態(tài)時，飽和度接近1，車輛行駛緩慢，車速變化受到的限制達到最大，此時車速幾乎無法改變，σ值也降至最低。因此，車流的σ值可以體現(xiàn)出不同的道路服務水平。

由表3的劃分標準也可以看出，在同一等級交通流狀態(tài)的評價指標中，只有σ值同時出現(xiàn)兩種分級標準，這是由于同一個σ值可能會表示出完全不同的兩種交通流狀態(tài)。例如，當服務水平為四級，交通流處于強制流狀態(tài)時，車輛幾乎處于停滯狀態(tài)，因此車輛之間便難以再產(chǎn)生干擾，此時，σ值小于0.2 m/s2；然而當服務水平為一級，交通流處于自由流狀態(tài)時，車流密度小，車速較高，相互干擾小，σ值也非常有可能小于0.2 m/s2，因此，在利用σ值進行服務水平劃分時，參考速度、飽和度以及最大服務交通量等指標的分析，能夠更全面地呈現(xiàn)出基于σ值的服務水平評價方法的特點。

5結(jié)論

闡述了加速度干擾用于道路服務水平評價的實踐意義，介紹了加速度干擾的計算方法，利用實測和仿真數(shù)據(jù)，得到了城市隧道交通流σ值的關系圖，根據(jù)該圖表現(xiàn)出來的不同車輛運行特征，可以將城市隧道單行雙車道服務水平分為4個等級，并相應給出了各級之間平均速度的取值范圍。通過對不同隧道交通流σ值的計算分析，發(fā)現(xiàn)城市隧道出入口銜接類型與城市隧道交通流內(nèi)部干擾程度密切相關，并指出短距離隧道對交通流車速的波動影響明顯。

σ值是對車輛之間相互干擾程度的一個量化指標，它衡量了車流在不同狀態(tài)下的相互影響度，并且能夠從加速度干擾的變化趨勢上劃分出交通流隨流量變化的內(nèi)在特性，因此將σ值作為劃分道路服務水平的標準具有現(xiàn)實意義，但是利用σ值評價仍然存在著不足：變化的趨勢圖中有轉(zhuǎn)折點，在該值附近具有兩種不同的交通流狀態(tài)，故在實際情況評價時，必須將速度、飽和度等其他評價指標與σ值相結(jié)合，進行綜合分析，對道路服務水平提出更完善的評判標準。

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Evaluation of Congestion Degree of Traffic Flow at Urban Tunnel Access Based on Acceleration Interference

LIN Li，JIANG Cong，XU Xiao-dan，GUO Yu-liang，CHEN Ting

(School of Automobile and Traffic Engineering，Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037, China)

Abstract：In order to study the running state of the traffic flow that occurred at urban tunnel access, the urban tunnel traffic flow is taken as the study object. The dynamic accelerations of traffic flow in Xuanwu Lake tunnel, Drum-tower tunnel and Jiuhua Mountain tunnel are investigated by testing vehicles. The acceleration noise values of different tunnels’ traffic flow are calculated and analyzed based on computational model of acceleration interference. The graphed relationship between traffic flow state and acceleration interference in urban tunnel is obtained by the simulation approach. According to the graphed different operating characteristics of vehicles, the service level of unidirectional two-lane in urban tunnels is categorized into 4 classes, and the corresponding value ranges of average travel speeds are determined. The result about the traffic congestion can be evaluated by the indicators of acceleration interference, which could provide a reference for engineering practices.

Key words：traffic engineering; acceleration interference; service level; simulation; urban tunnel access

收稿日期：2015-06-29

基金項目：住房城鄉(xiāng)建設部2014年科學技術(shù)計劃項目(2014-K5-007)

作者簡介：林麗(1974-)，女，福建漳州人，碩士，副教授.(linli401@njfu.com.cn)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.018

中圖分類號：U491.1+12

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)06-0113-06