基于車道的瓶頸交通流失效識(shí)別實(shí)證研究*

李曉慶王忠宇陳可心吳兵▲

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海201804)

摘要交通流失效識(shí)別是確定交通狀態(tài)、制定交通管理策略的關(guān)鍵。為精細(xì)化識(shí)別各車道交通狀態(tài)的差異，提出以車道為基礎(chǔ)，利用速度變形累積曲線將每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的速度波動(dòng)"轉(zhuǎn)折點(diǎn)"放大，較為精確和直觀地確定各車道的瓶頸交通流失效時(shí)間。相比于以往基于斷面和基于閾值的識(shí)別方法，該方法更為精細(xì)和客觀，不僅能有效識(shí)別路段的半擁擠狀態(tài)，也可以深入分析擁擠的橫向、縱向傳播特性。以上海市快速路軍工路出口匝道附近作為研究對(duì)象，結(jié)果表明，出口匝道附近的擁擠一般先由最外側(cè)車道開始，平均經(jīng)4min之后擴(kuò)散到最內(nèi)側(cè)車道，但在向上游縱向蔓延的過(guò)程當(dāng)中，內(nèi)側(cè)車道反而比外側(cè)車道更容易發(fā)生交通擁擠。

關(guān)鍵詞交通工程；交通流失效識(shí)別；車道速度變形累積曲線；出口匝道瓶頸；擁擠傳播

中圖分類號(hào)：U121文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-01-26修回日期：2015-04-18

作者簡(jiǎn)介：第一李曉慶(1991-)，碩士研究生. 研究方向：交通擁擠管理與控制. E-mail:zndxlxq@163.com

An Empirical Study for Identifying Traffic

Breakdown at Bottlenecks

LI XiaoqingWANG ZhongyuCHEN KexinWU Bing

(KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,

TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Abstract:Identification of traffic breakdown is critical for evaluating traffic flow states and making decision on traffic operation plan. In order to detect the differences of traffic conditions among the lanes in detail, a lane-based method is proposed, which is able to identify breakdown accurately and in an intuitive way. The occurring time of traffic breakdown is determined by enlarging the "turning point" of speed fluctuations at each time interval using speed transform cumulative curve. Compared to the traditional section-based and threshold-based methods, the proposed lane-based method is more accurate and objective which can not only differentiate the semi-congested states, where only some of lanes are congested, but also show the longitudinal and transverse propagation characters of traffic congestion in depth. The off-ramp at the Jungong Expressway Road in Shanghai is used as a case study and the results show that the breakdown actually occurs on the outermost lane firstly and then spread to innermost lane after an average of 4 minutes. When the congestion propagates to the upstream, the inner lanes tend to be more congested than the outer lanes.

Key words:traffic engineering; identification of traffic breakdown; lane-based speed transform cumulative curve; bottleneck near off-ramp; spreading of congestion

*國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51138003)資助

▲通信作者：吳兵(1960-)，教授，工學(xué)博士. 研究方向：交通系統(tǒng)分析與優(yōu)化、交通擁擠管理與控制. E-mail: wubing@#edu.cn

0引言

瓶頸交通流失效(breakdown)是指瓶頸點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)由暢通交通流變?yōu)閾頂D交通流的現(xiàn)象，是快速路擁擠的直接誘因。了解瓶頸點(diǎn)的交通特性是進(jìn)行交通管理和控制的基礎(chǔ)，而瓶頸交通流失效的判別則是確定交通流狀態(tài)和分析交通流演變規(guī)律的關(guān)鍵。

目前，交通流失效的識(shí)別方法大多是將所有車道看作為1個(gè)整體，基于斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因而該類方法假設(shè)同一斷面的所有車道同時(shí)發(fā)生失效。然而由相關(guān)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，交通流失效往往最先發(fā)生在1個(gè)車道上，然后再傳播至所有車道，各個(gè)車道之間的失效時(shí)間存在差異。Dehman等[1]證明了各個(gè)車道之間的交通流失效存在顯著差異。Muoz和Daganzo[2]認(rèn)為快速路出口匝道處存在全擁擠和半擁擠的2種交通狀態(tài)。Ma等[3]提出基于車道速度閾值的失效識(shí)別法，但該種方法在臨界速度的選取上較為復(fù)雜。

變形累積曲線法是目前廣泛運(yùn)用的1種瓶頸交通流失效識(shí)別方法，包括流量變形累積曲線、速度變形累積曲線和密度變形累積曲線。Cassidy，Bertini，Sun，王殿海等[4-10]利用變形累積曲線對(duì)失效前后的流量特征進(jìn)行了比較，但同樣是基于整個(gè)斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此，筆者在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出基于車道的瓶頸交通流失效識(shí)別方法，并與以往基于斷面的失效識(shí)別方法進(jìn)行比較分析。

1數(shù)據(jù)來(lái)源

筆者所采用的數(shù)據(jù)為上海市快速路感應(yīng)線圈檢測(cè)數(shù)據(jù)，該檢測(cè)數(shù)據(jù)以20s作為采樣間隔，包括每個(gè)車道的流量、地點(diǎn)速度、占有率等參數(shù)。由于檢測(cè)設(shè)備故障等原因，部分線圈數(shù)據(jù)存在缺失或錯(cuò)誤的情況，經(jīng)過(guò)篩選之后，最后實(shí)際利用2013年7月1日～7月3日、7月24日～7月27日共7d的線圈數(shù)據(jù)。選取上海市中環(huán)內(nèi)線軍工路出口匝道附近常發(fā)性瓶頸(recurring bottleneck)作為分析對(duì)象，其檢測(cè)線圈編號(hào)和布設(shè)圖見圖1。通過(guò)繪制每天的速度-時(shí)空分布圖(contour函數(shù))，可以證明線圈ZNNX09處為常發(fā)性獨(dú)立瓶頸點(diǎn)，擁擠范圍一般為ZHNX09至ZHNX12。

圖1　軍工路出口匝道附近線圈示意圖 Fig.1　Schematic of loop detector of the Jungong off-ramp bottleneck

2基于車道的瓶頸交通流失效識(shí)別方法

由流量-速度的關(guān)系圖可知，同1個(gè)流量值可能對(duì)應(yīng)飽和狀態(tài)或非飽和狀態(tài)，因此本文在分析交通流失效特征時(shí)，采用速度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2.1基于車道分析方法的必要性

以2013年7月2日(星期二)的數(shù)據(jù)為例，繪制軍工路出口匝道附近ZHNX09號(hào)線圈斷面處內(nèi)外車道的速度時(shí)變曲線，見圖2。

圖2　ZHNX09處內(nèi)外車道速度時(shí)變曲線(7月2日) Fig.2　Speed curves of inside and outside lanes at ZHNX09(July 2 nd)

分析圖2可知，軍工路出口匝道附近外側(cè)車道(車道4)的速度一直低于內(nèi)側(cè)車道(車道1)，故而每個(gè)車道從不擁擠狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閾頂D狀態(tài)的臨界速度存在較大差異。如采用常用的速度閾值識(shí)別方法[11]，將70km/h作為瓶頸交通流的失效閾值，則可能會(huì)將車道4一直判定為擁擠狀態(tài)，如果采用60km/h作為閾值，則有可能導(dǎo)致車道1在15：00～16：00時(shí)的擁擠狀態(tài)不能被有效識(shí)別。因此，鑒于每個(gè)車道的交通特性存在較大的差別，基于車道的失效識(shí)別方法對(duì)于更加微觀和精細(xì)地分析擁擠過(guò)程顯得十分重要。

2.2交通流失效識(shí)別基本方法

目前，瓶頸點(diǎn)交通流失效識(shí)別的方法主要分為閾值法和變形累積曲線法。閾值法是簡(jiǎn)單直觀的識(shí)別方法，只需設(shè)定合理閾值，但其選擇的主觀性較強(qiáng)，也容易受到數(shù)據(jù)噪聲干擾[3，10-13]。而變形累積曲線法能夠直接識(shí)別失效時(shí)刻，有效地減少數(shù)據(jù)噪聲，因此本文主要基于此種方法?；谲嚨赖钠款i交通流失效識(shí)別法，即利用各個(gè)車道的速度變形累積曲線來(lái)分析瓶頸點(diǎn)的失效過(guò)程。

速度變形累積曲線法是在每1個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，將累積速度減去1個(gè)背景速度值，從而可以將每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的速度波動(dòng)的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”放大，較為精確和直觀地確定瓶頸失效起止時(shí)刻。累積速度是指分析時(shí)段t內(nèi)通過(guò)同一斷面或車道的車輛速度之和，而背景速度的取值大小會(huì)影響變形累積曲線的圖樣，但不改變交通流的失效時(shí)刻，一般取分析時(shí)段內(nèi)的平均值[9]。其計(jì)算公式如下。

(1)

式中，V′(t)為變形累積速度值；V(t)為累積速度值；vi為第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的速度，即為感應(yīng)線圈檢測(cè)到的地點(diǎn)速度；v0為背景速度；t為距離起點(diǎn)的時(shí)間間隔。

3基于車道與基于斷面的識(shí)別方法比較

3.1失效時(shí)刻判定

以2013年7月2日Z(yǔ)HNX09線圈為例，繪制其斷面及各個(gè)車道的速度變形累積曲線，見圖3。圖中曲線的斜率代表了速度的變化趨勢(shì)，斜率逐漸增大意味著速度的上升，逐漸減小則速度下降。當(dāng)速度變形累積曲線的斜率出現(xiàn)明顯的降低，即出現(xiàn)“拐點(diǎn)”時(shí)，則認(rèn)為交通流發(fā)生了失效，將交通流從暢通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閾頂D狀態(tài)的時(shí)刻定義為“失效時(shí)間”。

圖3　ZHNX09處斷面及各車道速度變形累積曲線 (7月2日) Fig.3　Transformed cumulative curves of speed of the section and leach lanes at ZHNX09 (July 2 nd)

由圖3可知，軍工路出口匝道附近各個(gè)車道的交通流失效時(shí)間存在差異，比如車道1與車道2的失效的時(shí)間相差3min20s，與車道3和車道4的失效時(shí)間相差7min40s。如果采用斷面數(shù)據(jù)來(lái)判別交通流失效，則會(huì)早于最內(nèi)側(cè)車道4min40s，晚于最外側(cè)車道3min。對(duì)其他樣本數(shù)據(jù)采用同樣的方法進(jìn)行分析，可得如圖4所示的結(jié)果。

圖4　ZHNX09處斷面和車道瓶頸交通 流失效時(shí)間比較 Fig.4　The comparison of the timing of breakdown between section and lanes at ZHNX09

由圖4可知，軍工路出口匝道附近瓶頸的交通流失效最先由車道4開始，平均4min多之后才橫向蔓延至車道1，即瓶頸點(diǎn)處內(nèi)側(cè)車道的失效時(shí)間始終會(huì)晚于外側(cè)車道，而采用斷面數(shù)據(jù)的失效時(shí)間則處于兩者之間。因此，基于斷面和基于車道的瓶頸失效識(shí)別方法存在較大的差別，前者是對(duì)整個(gè)斷面擁擠狀態(tài)的粗略估計(jì)，而后者則可更為精細(xì)地識(shí)別出各個(gè)車道的交通狀態(tài)，有利于更有針對(duì)性的提出管理措施。

3.2半擁擠狀態(tài)識(shí)別

由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，在城市快速路的入口匝道或出口匝道的地方，往往出現(xiàn)外側(cè)車道排隊(duì)，而內(nèi)側(cè)車道仍然較為暢通的現(xiàn)象。筆者將這種同一斷面的部分車道擁擠、部分車道暢通的狀態(tài)稱為半擁擠狀態(tài)。如果采用斷面數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，則只能將斷面判定為擁擠狀態(tài)或非擁擠狀態(tài)，卻不能有效識(shí)別半擁擠狀態(tài)。

以2013年7月27日(周六)的檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，繪制ZHNX09線圈處斷面和各個(gè)車道的速度變形累積曲線，見圖5(車道3和車道4的累積變形曲線基本重疊)。若采用基于斷面的識(shí)別方法，則會(huì)判定瓶頸點(diǎn)在09：45時(shí)左右發(fā)生了瓶頸失效，但實(shí)際上車道1一直處于較為暢通狀態(tài)，只有車道3和車道4發(fā)生了較為嚴(yán)重的擁擠情況，因此整個(gè)斷面處于半擁擠的狀態(tài)。

3.3擁擠的橫向縱向傳播分析

采用斷面數(shù)據(jù)分析瓶頸點(diǎn)的交通擁擠現(xiàn)象時(shí)，只能分析擁擠的縱向傳播規(guī)律，而不能進(jìn)一步深入分析擁擠的橫向傳播特征，基于車道的識(shí)別方法在此方面具有重要的意義。以2013年7月24日(周三)的線圈檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，采用筆者提出的基于車道的瓶頸交通流失效識(shí)別方法，得到各檢測(cè)斷面不同車道發(fā)生失效的時(shí)間，見圖6。

圖5　ZHNX09處各車道速度變形累積曲線 (7月27日) Fig. 5　Transformed cumulative curves of speed at ZHNX09 (July 27 th)

圖6　交通擁擠的橫向縱向傳播特性 Fig. 6　The longitudinal and transverse propagation characters of traffic congestion

分析圖6可知，軍工路出口匝道附近的交通擁擠是從ZHNX09斷面的外側(cè)車道開始，約5min之后橫向蔓延至該斷面的內(nèi)側(cè)車道。比較分析ZHNX09斷面和ZHNX10斷面各車道的失效時(shí)間可發(fā)現(xiàn)，交通擁擠從ZHNX09斷面處向上游傳播至ZHNX10斷面時(shí)，車道1至車道4所花費(fèi)的時(shí)間分別約為1min，2min，5min，6min，說(shuō)明此時(shí)已有內(nèi)側(cè)車道擁擠先于外側(cè)車道的趨勢(shì)。經(jīng)ZHNX11斷面之后，擁擠最終縱向蔓延至ZHNX12處，此時(shí)內(nèi)側(cè)車道交通流失效的時(shí)間比外側(cè)車道反而早4min多。

由此可知，軍工路出口匝道處的交通擁擠雖然先由外側(cè)車道引起，之后橫向擴(kuò)散到整個(gè)斷面，但在向上游蔓延的過(guò)程當(dāng)中，內(nèi)側(cè)車道其實(shí)比外側(cè)車道更先發(fā)生交通流失效。一方面，內(nèi)側(cè)車道的道路條件和運(yùn)行速度較之外側(cè)車道相對(duì)較高，說(shuō)明通行效率較高的道路比通行效率較低的道路更容易受到交通擁擠的影響。另一方面，這種現(xiàn)象可能是由于出口匝道處的流出車輛為了盡快駛離出口匝道，在內(nèi)側(cè)車道的搶道換道行為頻繁，加劇了內(nèi)側(cè)車道交通流的紊亂和擁擠，也可能與流出車流量的大小、車道流量分布均勻等有關(guān)。

再各稱取5 g未經(jīng)過(guò)改性處理的絲瓜絡(luò)纖維分別加入4個(gè)250 mL磨口燒瓶中，分別加入50 mL 0.5 mol/L 的 K2Cr2O7、 CoSO4、 KMnO4、 CuSO4溶液，浸泡1.5 h后，再放在轉(zhuǎn)速為200 r/min的磁力攪拌器上，攪拌0.5 h后，取出溶液，轉(zhuǎn)移到燒杯中，供比色用。

4結(jié)束語(yǔ)

筆者在現(xiàn)有變形累積曲線方法的基礎(chǔ)上，提出基于車道的瓶頸交通流失效識(shí)別方法，即利用各個(gè)車道的速度變形累積曲線來(lái)分別判定失效。相比于以往基于斷面的交通流失效識(shí)別方法，該識(shí)別方法更為精細(xì)和客觀，不僅可以有效識(shí)別路段的半擁擠狀態(tài)，也可深入分析擁擠的橫向、縱向傳播特性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，出口匝道附近瓶頸的擁擠一般先始于外側(cè)車道，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后再橫向擴(kuò)散至整個(gè)斷面，但在向上游縱向蔓延的過(guò)程當(dāng)中，內(nèi)側(cè)車道反而比外側(cè)車道更容易發(fā)生擁擠。

筆者所提的基于車道的失效識(shí)別方法，不僅僅限于文中的研究對(duì)象，對(duì)于其他入口匝道或出口匝道附近的瓶頸交通流同樣適用。通過(guò)該方法可以有效判定瓶頸點(diǎn)各車道的失效時(shí)間和交通狀態(tài)，對(duì)準(zhǔn)確確定各車道通行能力和提出精細(xì)化管理措施均具有重要意義。未來(lái)可采集其他時(shí)段的線圈和視頻數(shù)據(jù)，對(duì)所提方法做進(jìn)一步驗(yàn)證。

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