車道變換行為對交通流運行速度的影響

車道變換行為對交通流運行速度的影響

在車輛變化過程中，會出現(xiàn)碰撞點，影響交通運行的效率，降低道路系統(tǒng)的道路通行能力、道路服務(wù)和運行安全，容易造成道路交通堵塞和事故，造成經(jīng)濟損失。特別是我國存在部分駕駛員無視交通法規(guī),安全意識淡薄,在駕駛車輛的過程中發(fā)生任意車道變換行為,甚至違章車道變換行為,因此同國外相比我國車道變換行為特性尤為復雜。車道變換行為造成自身車輛的運行情況發(fā)生變化,影響周邊車輛的運行狀態(tài),反之,應對于車道變換行為,周邊車輛作出如何反應則取決于駕駛員的性格,兩者的協(xié)同作用造成了速度和車頭時距等交通流參數(shù)的改變。發(fā)現(xiàn)和揭示車道變換行為和速度之間的關(guān)系,構(gòu)建兩者的理論關(guān)系模型,進而建立微觀的車道變換行為和宏觀的交通流之間的關(guān)系具有一定的實際應用價值。1交通流理論分析交通流理論中關(guān)于交通量和速度的關(guān)系如圖1所示。在虛線的左側(cè),車道變換行為發(fā)生率隨(定義為單位時間內(nèi),固定橫斷面上游一定距離內(nèi)發(fā)生車道變換行為的車輛占通過該橫斷面單車道車輛的比例,筆者取50m)交通量的增加而增加,速度隨交通量的增加而減少,在虛線的右側(cè),車道變換行為發(fā)生率隨交通量的增加而減少,速度隨交通量的增加而減少,據(jù)此推斷一定交通狀態(tài)下(虛線的左側(cè))車道變換行為與速度之間存在一定的關(guān)系。分析車道變換行為與速度的對應關(guān)系,根據(jù)實測數(shù)據(jù),分別選取平均速度、25%位速度、50%位速度和75%位速度作為變量,車道變換行為發(fā)生率作為因變量,做出速度統(tǒng)計特征值與車道變換行為發(fā)生率的關(guān)系如圖2所示。分析圖2可知,隨著速度的增加,車道變換行為發(fā)生率的改變沒有表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,在觀測到的速度區(qū)間內(nèi),車道變換行為發(fā)生率均在[0.05,0.30]區(qū)間內(nèi)波動。圖3為車道變換行為發(fā)生率的標準差圖,圖中的方框區(qū)域表示離散程度。針對以上現(xiàn)象的解釋如下:車道變換行為是速度發(fā)生改變的原因之一,但是不能忽視交通量改變帶來的影響。開展車道變換行為對速度的影響研究,需要剔出交通量改變帶來的影響。根據(jù)交通流理論可知,相同的速度可對應不同交通量,而交通量對車道變換行為發(fā)生率亦產(chǎn)生影響。由于車道變換行為調(diào)查不能保證獲取相同交通量下的速度,因此,速度統(tǒng)計特征值與車道變換行為發(fā)生率的關(guān)系圖沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性,需要通過理論分析揭示兩者的關(guān)系。根據(jù)圖1的曲線規(guī)律得到啟發(fā),根據(jù)數(shù)據(jù)點分布的集中程度,將實測數(shù)據(jù)劃分為10個對應的數(shù)據(jù)集聚點(見圖4)。從圖4中發(fā)現(xiàn),車道變換行為發(fā)生率較低的時候,速度較大,車道變換行為發(fā)生率較高的時候,速度較小,在一定的限制條件下,兩者的乘積出現(xiàn)一定的規(guī)律性,為了便于表述,將之稱為評判因子。評判因子定義為一定交通條件下速度和車道變換行為發(fā)生率的乘積。例如:根據(jù)實測數(shù)據(jù),在540pcu/(h·ln)<Q<640pcu/(h·ln)區(qū)間內(nèi),評判因子具有一定的常量性質(zhì),推薦評判因子取值為4,其他交通量區(qū)間評判因子的具體數(shù)值見表1。由于來源于調(diào)查數(shù)據(jù),評判因子存在精度不高的缺點。圖5~9是來源于不同實測數(shù)據(jù)的評判因子和最優(yōu)中心(定義為車道變換行為發(fā)生率和速度的乘積值的幾何中心),最優(yōu)中心是不同交通量區(qū)間推薦評判因子的依據(jù)。評判因子的優(yōu)缺點分析:判斷因子來源于實測數(shù)據(jù),其客觀存在一定的規(guī)律性。例如,速度越高,評判因子的觀測值越大,離散程度越大,尤其在低速的情況下,評判因子具有常量性。受樣本數(shù)量的限制,表1中只給出了部分區(qū)間的評判因子,多集中在低速區(qū)間。當速度為[20km/h,30km/h]時,Q<360pcu/(h·ln)條件下,評判因子為3;當360pcu/(h·ln)<Q<480pcu/(h·ln)時,評判因子為4;當480pcu/(h·ln)<Q<600pcu/(h·ln)時,評判因子為5;當600pcu/(h·ln)<Q<720pcu/(h·ln)時,評判因子為3;當Q>720pcu/(h·ln)時,評判因子為2。速度一定時,交通處于通暢狀態(tài)和擁擠狀態(tài)時,車道變換行為的發(fā)生頻率均很小。評判因子作為來源于實測數(shù)據(jù)的數(shù)值,存在固有的缺點,根據(jù)表1可知,相對于每個推薦的評判因子的交通量區(qū)間,車道變換行為發(fā)生率的離散程度均很大,例如Q<360pcu/(h·ln)時,車道變換行為發(fā)生率在區(qū)間[0.084,0.125]內(nèi)波動,根據(jù)評判因子不能獲取車道變換行為發(fā)生率區(qū)間的端點值。雖然精確度不高,但是評判因子能夠反映區(qū)間中值的情況,由此可知,實測數(shù)據(jù)量越大,交通環(huán)境越豐富,評判因子將越具有統(tǒng)計學規(guī)律。加之評判因子直觀易操作的特點,推廣難度小,可為是否設(shè)置管理車道變換行為的交通標志標線提供決策依據(jù)。2速度影響模型的理論推導和參數(shù)校正2.1影響模型的建立車道變換行為對速度的影響模型的構(gòu)建存在2種方法:第一種,從微觀角度出發(fā),計算每一車輛由于車道變換行為造成速度的改變,通過疊加得到對交通流速度的影響;第二種,從宏觀角度出發(fā),研究車道變換行為發(fā)生率對速度的影響。第一種方法適用于特定的車道變換行為,而第二種方法的適用范圍更廣。這里選用第二種方法構(gòu)建影響模型:為建立車道變換行為發(fā)生率和速度之間的關(guān)系,需要借助交通量作為聯(lián)系紐帶。具體過程為:首先根據(jù)實際實測數(shù)據(jù)獲取車道變換行為發(fā)生率和交通量之間的關(guān)系,該部分主要依靠大量的實測數(shù)據(jù)進行參數(shù)標定;其次,通過自由流速度和阻塞密度標定交通量與速度之間的傳統(tǒng)模型;最后,借助交通量作為紐帶(中間變量),建立速度與車道變換行為發(fā)生率之間的關(guān)系。為提高曲線擬合效果,令根據(jù)實測數(shù)據(jù)可知,車道變換行為發(fā)生率和交通量呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系,構(gòu)建交通量和車道變換行為發(fā)生率的關(guān)系式如式(2)和式(3):根據(jù)交通流理論,關(guān)于速度和交通量的關(guān)系模型為將交通量作為中間關(guān)系參數(shù)有聯(lián)立公式(2)和公式(4),并移項可得將配方移項,即可得到車道變換行為發(fā)生率與速度的關(guān)系為因此,通過理論推導獲得模型的4種表達式,此模型的推導沒有局限于車道變換行為的微觀影響程度,而是從交通流運行角度出發(fā),對速度的改變做出了理論分析,符合理論分析結(jié)論和實際交通流狀況,具有一定的實際應用價值。2.2交通流量數(shù)據(jù)特征針對以上問題,需要對典型路段的數(shù)據(jù)進行深層次處理,揭示出交通量與車道變換行為發(fā)生率的統(tǒng)計學規(guī)律。車道變換行為對速度的影響模型需要標定參數(shù)a、b、c。觀測對象的交通狀態(tài)各不相同,觀測時段內(nèi),北京建國門南大街、南京太平北路、南京洪武路、蘇州東環(huán)路、青島山東路、濟南師大南路、濟南經(jīng)十路、沈陽遼師大路和哈爾濱中山路的交通狀態(tài)波動較小,上海長春路、上海天目街、廣州東風路、廣州西頭路和深圳濱河路的交通狀態(tài)波動較大。采用典型路段交通流數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標定存在以下問題:1)數(shù)據(jù)的不完整性。由于交通狀態(tài)的差異,典型路段可能在觀測時段內(nèi)都處于交通量過大或者過小的情況,以北京建國門南大街交通數(shù)據(jù)為例進行分析:交通量多處于120pcu/(h·ln)和480pcu/(h·ln)左右,而320pcu/(h·ln)點(1個觀測樣本)車道變換行為發(fā)生率的大小決定了曲線的形狀,非常不合理,并且交通量處于120pcu/(h·ln)狀態(tài)下車道變換行為發(fā)生率的離散度較大。2)數(shù)據(jù)的差異性。相同的交通流量狀態(tài)下,車道變換行為發(fā)生率存在差異性。以上海長春路和南京太平北路為例進行分析:2條典型路段的交通狀態(tài)波動均較大,但是擬合出曲線的形狀存在差異性。上海長春路車道變換行為發(fā)生率的改變較小,車道變換車輛數(shù)占總數(shù)的比例近乎為常值,而南京太平北路車道變換行為發(fā)生率的改變較大。3)數(shù)據(jù)的離散性。幾乎每一個觀測路段的數(shù)據(jù)均存在離散性,廣西西頭路尤為嚴重,交通量在600pcu/(h·ln)的條件下,車道變換行為發(fā)生率離散在0.12~0.48的范圍之內(nèi)。針對以上問題,需要對典型路段的數(shù)據(jù)進行深層次處理,揭示出交通量與車道變換行為發(fā)生率的統(tǒng)計學規(guī)律。由于典型路段交通流數(shù)據(jù)存在以上問題,因此模型參數(shù)(a、b、c)采取處理后的數(shù)據(jù)進行標定,來源于哈爾濱、北京和大連等12個城市(相同交通量的數(shù)據(jù)合并取中值),采取二次曲線方程進行擬合,得到車道變換行為發(fā)生率和交通量之間的關(guān)系如下(最佳應用區(qū)間為實測數(shù)據(jù)較為集中的區(qū)間,偏離該區(qū)間則擬合變差)。得到:a=3.375,b=3.402,c=0.649(kj=111.1pcu/(h·ln)),即筆者理論推導出了車道變換行為對速度的影響,除此之外,還可以采用多因素分析法,從數(shù)理統(tǒng)計角度出發(fā)得到車道變換行為對速度的影響,該種方法需要大量的觀測數(shù)據(jù)進行標定,并且應用具有一定的局限性,但是如果針對于一條具體的道路,該方法具有一定的應用價值。3車道變換行為影響交通流速度的模型構(gòu)建通過分析大量的觀測數(shù)據(jù),揭示了車道變換行為與運行速度的相關(guān)性,構(gòu)建車道變換行為對速度的影響模型,進行量化分析,結(jié)果表明,在運行速度為60、80、100km/h時,由于車道變換行為引起的速度改變量分別為[-1.60km/h,1.50km/h],[-1.68km/h,1.50km/h]和[-1.85km/h,1.52km/h]。根據(jù)公式(7),作不同車道變換行為發(fā)生率情況下的差值即可得到車道變換行為對速度的影響模型。關(guān)于上述構(gòu)建的模型,有4種表達形式,以下做出解釋:相同的車道變換行為發(fā)生率對應2種交通量(自由態(tài)和擁擠態(tài)),每種