责任编辑．李鹏 高速公路交通拥挤成因分析和控管探讨 江苏省扬子大桥股份有限公司锡张高速管理中心王昶 随着我国交通运输量的快速增长和交通需求不断增加，交通 拥挤和堵塞、交通事故和污染越来越引起人们的重视。这一方面 加重了高速公路各级管理部门对交通的组织和管控压力，另一方 面，也在一定程度上成为制约经济、社会稳定发展的“瓶颈”。 高速公路交通拥挤成因分析 典型的异常事件从发生直至事件排除与交通恢复到正常状 态，一般可以分为事件检测与响应、事件现场处理与事件影响持 续３个阶段，事发点的交通状态演变过程可参见图ｌ。 Ｃ Ｃ０ Ｃ３ Ｃｌ Ｃ２ Ｏ 图ｆ交通状态演变过程 从图ｌ可以看出，一旦事件从ｔ 时刻发生，多车道的事发点 断面的通行能力呈明显降低（由非拥挤状态下的通行能力Ｃｎ降至 Ｃ ），事发车道的车辆会变换车道至相邻车道，这样在一定范围 内使该断面的车流处于紊流状态，如果上游的车辆没有得到预警 信息和管制措施，到达事发点的交通流仍不会发生变化，此时事 发点的车辆将会发生排队拥挤现象。 以下为高速公路产生拥挤的各个成因的具体讨论和分析。 一、高速公路瓶颈处的交通特性分析 瓶颈处的流量一密度（ｑ—ｋ）曲线如图２。图２返回波的时一距 曲线如图３。 图２中的瓶颈路段的通行能力可用点ｌ表示，车流速度用矢径 表示，波速用切线表示。 ｌ当事发点上游的低密度高速车流从图３左侧的Ａ点往瓶颈区 ● 一 ｛舞 图２主要路段和瓶颈路段的流量一密度曲线示意图 主要道路 瓶颈 主要道路 图５进入瓶颈处的返回波时一距示意图 Ｂ点移动时，从图２对应的ｑ—ｋ曲线交通流速度较高点３处跳变到瓶 颈路段ｑ—ｋ曲线通行能力较低的（最大车流）点Ｉ处，此时图２的 矢径已由“瓶颈”之前的实线转变成“瓶颈”内的水平虚线，表 示车流速度的矢径斜率已由“瓶颈”之前的正值转变“瓶颈”内 的零值，车流在瓶颈路段有发生拥挤的趋势，如图３点Ｂ。 ２当事发点上游车流量继续增加并接近瓶颈路段的通行能力 时，图２的矢径逐渐从点ｌ转向点２，表示波速的ｑ—ｋ曲线切线斜率 开始由零值转变为负值，产生一个向车队后面传播、波速为△ｑ／ Ａ ｋ的返回波，如图３中的Ｃ点。 ３当上游到达的车流量超过瓶颈路段的通行能力时，事发点 的车流量将会如图２中ｑ—ｋ曲线一样不断被降低直至为零，而车流 密度增至最大，返回波将如图３右侧粗线，此时在事发点车流处 于紊流状态，形成拥挤。 美国学者Ｇｏｌｏｓｂｙ等人对高速道路车道阻塞后的瓶颈路段通 行能力进行的研究表明：在单向三车道高速公路上，车辆抛锚或 技术‘ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 损毁而造成一个车道局部关闭会使事发路段的总通行能力下降约 ５０％，而并非对应～个车道的３３％；在单向两车道高速公路上， 局部关闭一个车道会使总通行能力下降６。％以上。 二、高速公路交通高峰时段的交通特性分析 当交通高峰时段主线上的车流量不变，进口匝道有很大比例 的车流在短期内汇入主线时，匝道与主线交汇处的车辆时距将会 突变ｉ生地减小，车流密度增加，如图４所示。 汽车路线 反回波 车 车 道 １ 道 ２ （ （ ．１＾ ．１ ｌｌ ＝ Ｄ ；ｌ－ ＿，●● 间 正常流入量 增加流入量 ＿ 正常流入量 ＿ Ｉｔ图４交通高峰时段返回波时一距示意图 ●＿ ．Ｉ．－－ 由于时一距图上的波速与ｑ—ｋ曲线上的对应点的切线相平行，． 因此，当道路高峰时段的车流增加流入量时，存在“正常流入 ＿ ●ＩＩ１●ｔ 塑 堕 ｝ ＋ － 量”的车流波速与“增加流入量”的车流波速在一 “增加流入量”＿ 的时间范围内交汇形成的返回波，其返回波轨迹的斜率等于对应 堕 堕 Ｉｌ Ｉ一 ●●．、●● 一 的ｑ—ｋ曲线上连接这两点弦的斜率，表示返回波的波速与ｑ—ｋ蓝线 一 上的对应两点间波速相一致。由于返回波的速度对于车行道来说 － 常是负值，对交通流来说也总是负值。因此，当高速公路主线上 游到达的车流量超过匝道与主线交汇处的通行能力时，在有限的 时间内返回波将迫使到达交汇处的车流量和车辆间的时距减小， 车流密度增加，形成车流阻塞。 三、高速公路拥挤的流量和密度模型分析 从上述瓶颈路段和高峰时段中，我们可建立流量一密度数学 模型。假设高速公路是非间断交通流，而且车辆进出高速公路 主线受匝道的影响，可将车道数ｌ器一 为２的路段离散成若干交通参数 （即ｑ，Ｐ， ）不变的微小路段，路段中的节点ｆｊ勺交通流参数 值按连续时间增量△ｃ离散化，空间步长Ａ ｘ可设为５００米 时间步 长Ａ ｃ为３一ｌ０秒，如图Ｓ。 设每一条车道满足ｑ＝ｆ【ｋ），ｕ＝ｆ（ｋ）。考虑到车辆换道以 及①敏感系数随多车道间的车流密度的不同而不同；②变换车道 有时间滞后的影响，则得车道的守叵方程： １００ 奢 熊 叫＿１０ 图５同向２车道高速公路ｑ—ｋ示意图 式中： （ｘ，ｆ）一车道交换率（ｉ ｌ，２）（ｉ条车道间的车辆 变化率），正值表示进入，负值表示离开；ｇ（ｘ，ｒ）一匝道口净流 率，驶入为正，驶出为负。 第ｌ车道若有一个匝道，车流密度的数值解为： ｎ￣ｌ （ ＋ 一 （ 川一Ｇ ＋ Ａｔ（ｇｌｎｊ＋ｌ＂ｌ＂ｇ ，Ａｔ ｚ ： ＝ （ 川＋ ，一 Ａ ｔ （Ｇｃ ＂，一。）－ 一，，＋＋ 一 ，一 一Ｇ曼川）＋ （ ，＋ 川＋ 。 ，＋ ＋ 。 一 ） 其中： ＝（１，２，…，Ｉ，）一路网节点； ＝ａ 【（ 一晰 ）一（ｋ２ｏ—ｋｌｏ）卜ｆ＝ｆ。＋月Ａｔ时刻，第１车道 路段的交换率； 』＝ａ ［（ 一％ ）一（ｋｌ。一 ）］一ｔ；ｆ。＋ｎａｔ时刻，第２车 道 路段的交换率； ｒ ２ ｒ ２ （（ Ｇ：，＝％喝＝ ： （ ）１＝ｔ０＋ｎＡｔ时刻，第ｆ车道 路段 ｔ， ｒ 一 一 ）ｆ ）ｆ 的流量； 一 一 （～ （～ ｌＩ 咐 ０］， ｔ● ｆ 一 一 ）） ５ ，、 一是敏感系数，单位是时间的倒数 （ Ｊ）一与 』相对应的平衡速度；ｎ一车辆在第ｉ车道 第Ｊ路段的时段数；Ｓ一车辆在第ｉ车道第 路段进行车道变换 所延迟的时段数； —ｆ＝ｔ０＋ｎａｔ时刻，第ｆ车道第 节点 的密度，ｔｏ是初始时间。ｋ 是匣定值，如果密度值低于它，车 流将不会变换车道； 一阻塞密度；ｋｉｏ一是第ｆ车道的平衡 密度；哥一是车辆互换车道的滞后时间。 根据（２）式，如果车辆在有匝道的高速公路车道中变更车 道，则在ｇ—ｆ（ｋ），”－ｆ（ｋ）前提下，该事发路段下一时刻的车 流密度与其当前的上下游路段车流密度ｋ、车流量ｇ、匝道净流 率ｇ、相邻车道交换率 直接有关，而且也与多车道间的车流 交换敏感度有关。 。 四、交通流平均速度的动态变化 由连续型交通流速度 ．一“Ｏｕ＋ 『“（七）一“一 １得车流 动态平均速度数值解： Ｕｆ（ ＋１）一 ∽】＋蔷 ∽ ∽ ，ｆ＝ｌ，２，…，Ｊ一０，ｌ，２，… （３） 式中△ｆ为路段ｚ的长度（ｆ＝ｌ，２，…）；Ｔ是周期长；Ｊ指 第 采样周期； 。面Ｉｉ， 为匝道流入率（辆／ ・ｋｍ）； ’ ， ｆ为匝道流出率（辆／ ．ｋｍ）； 为引入的调整系数；亭是引入 ｄ 的调整该项权重的调整系数；），。一 ０。 （３）式表明，在动态过程中，交通流的平均速度由四方面 决定：①前一时刻ｆ；勺速度；②平均速度要朝着稳态方向发展，即 朝着与“（ （ ）相一致是数值趋近，并且驾驶员反应越快，这一 作用越大；③平均速度值与上游相邻路段中的速度有关；④平均 速度值与下游相邻路段内的交通密度有关。 当车道数目由多变少或者匝道存在高密度的车流量时，对主 线车流速度的影响都较大，因此需对以上连续交通流速度分别引 入适当修正项，以满足对各种不同交通状况以及相互间转变过程 的精确性描述。 车辆制动距离： 。掣＋３．６ ２５４（ｑｏ ＋ｉ＋＋ １ ３．６ （４） 式中，Ｓ一制动距离（ｍ）；Ｖ一行驶车速（ｋｍ／ｈ）；ｔ 一 驾驶员反应时间（Ｓ）；Ｌ～制动系数，一般取值在ｌ ２一ｌ ４之 间；厶～制动传动延迟时间（Ｓ）；ｔ２一制动力增长时问（Ｓ）； 一轮胎与路面的摩檩系数；ｆ一路段的纵向坡度（％），上坡 为正，下坡为负，高速公路一般忽略不记； —恶劣气候下对 的修正参数。 由（３）、（４）式可得：（１）如果在行车动态过程中存在超 速，由于车速越高，保持车辆直线行驶的惯性越强，因而增加 了车辆操纵的不稳定 ，延长了超速车辆制动的距离，必然使超 责任编辑．李鹏 水膜 一． 。Ⅲ。 熊 ０ 技术《ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 驶车辆的影响：（１珩驶车辆左右两侧轮胎都和积水接触时，车辆 可能向轮载较轻的一侧滑转；（２）ｆ亍驶车辆仅有一侧轮胎驶过积水 路面，由于滑转，遇水轮胎的轮周接地线速度要低于另一侧，汽 车将向着积水的一侧偏转；（３）行驶车辆两侧轮胎交替与积水接触 时，车身在积水的交替处会发生较大的横摆运动。 （三）大雾特性影响 大雾对交通安全的影响主要表现为三方面：（１）能见度下降； （２）给驾驶员心里造成紧张感；（３）由于雾水与积灰、尘土混合，导 致轮胎与路面的附着系数减小。一旦高速公路沿线形成大雾，可 造成车辆滞留、交通堵塞，甚至引发多车连环追尾的交通事故。 据调查因大雾引发的交通事故的死亡率达４０％。 一般来说，雾本身对高速公路行车安全没有影响，但雾是 由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶。其 光学现象会降低能见度，容易引发高速公路上行车速度的快速变 化。因此，需要进行雾的消光计算。由Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ定律，得到 气象能见度ＶＲ与消光系数ｋ的关系，即若光通比 ＝Ｓ％，则 ２—＿．９９， （７） 七 由Ｍｉｅ散射理论以及理论消光系数司建立消光系数计算： ｌ平均方法消光系数为 — ４ （埘 ，Ｄ，Ａ）ｆ￣（Ｄ）ｄＤ （８） 其中， ，Ｄ＇ 一 羹（２ ＋１）Ｒｅ（口 ＋¨，ｘ一 是粒径 参数，ａ 和 称为Ｍｉｅ系数，它由较为复杂的关系给出；ｍｆ为 颗粒折射率；Ｄ是颗粒物茸径（ｎｍ）； 是入射光波长（ｎｍ）； （ （ ，Ｄ， ）为有效消光效率因子； （Ｄ＝｝为大气气溶胶中每种 成分颗粒的自身粒径分布函数；Ｐ ＝ 是第ｉ部分颗粒的粒数 浓度 （个／ｃｍ。）在所有颗粒的总粒数浓度Ⅳ（个／ｃｍ。）所占 的比分。 ２等效折射率消光系数为 ＝∑啊 ４ （而 ，Ｄ， （Ｄ）扣（９） 其中扁一 ￣ｆ ｍ， ｐ， Ｄ ３ｆ （Ｄ ）ｄＤ为等效折射率；总的颗粒物粒径分 布函数为，ｒ（Ｄ）。 ｐ （Ｄ、。 经实验，以上两种气溶胶消光系数的计算方法与实际测量结 果的相对误差不超过Ｓ％。 由（７）、（８）、（９）式可知，气象能见度ＶＲ与消光系数 ｋ成反比，消光系数又与雾滴直径、雾滴数浓度、雾滴含水量、 空气湿度、空气温度、入射光波长、风速及机动车排放的细粒子 浓度等因素有关。 目前我国高速公路雾天的安全行驶，采取的主要保障措施 是交通管制（限制车速、车距）和封闭道路的方式。这对于安全 而言无疑是最稳妥的办法。但封路不仅使高速公路交通停滞，而 且有可能造成严重的大面积的交通阻塞，甚至交通瘫痪。因此， 可通过建立高速公路雾区监视预警和工程控管手段来减少人为造 成的交通阻塞。如①合理选择检测设备和信息发布设备的布设地 点和布设密度；②在雾区路段上配备先进的道路监控、通信、诱 导、交通标志等设施设备，使交通检测、监控、控制、交通事故 救援及交通信息系统有机地结合起来，实现对交通的实时判断、 控制和预警；③及时告知驾驶员前方路况信息，通过诱导、限制 速度等控制手段来保障雾天行车。 六、驾驶行为特征分析 在道路交通要素中，驾驶员的交通特性是通过视、听、触觉 器官从交通环境中获得信息，经过大脑进行处理，做出反应和判 断，再支配手、脚运动器官，操纵汽车，使之按驾驶员的意志在 道路上运行。因此，驾驶员的交通特性取决于驾驶员的生理、心 理和行为特征，是交通拥塞的主要影响成因。 ｌ驾驶员的主要生理特征： （１）人对外界信息的反应大小为 １ｌ『； 一‰， ｆ】１） 式中ｔｐ是感觉大小； 是刺激大小； 是常数； 是指数， 依不同的感官（视觉、听觉等）而异。 （２）跟驶行驶车辆的驾驶员动视野角度变化大小为： ｄｄ△ａ＝ａ—ａｎ＝～ａ ” ＝ ＋ＡＰ 一 ＝一— ———～＝一 ＋ ’ ，当 当Ａｐ々黾，【州、Ｈ寸 ， Ａ —． Ａ尸 （１２） 式中符号可见如图７所示，ｄ为车宽；口为ｔ时刻，前车在 后车司机视觉中投影夹角； 。为ｔ０时刻，前车在后车司机视觉 中投影夹角；△ 为视觉变化； 为ｔ０时刻，前后两车之间的距 离；ＡＰ为前车从ｆ０时刻到ｔ时刻移动的距离。 ！ ． ｝．＿～ ———咔一ａ ｒ ｄ 一一ｒ… ｌ ……一 ｉ…． ｌ 前车（ｔ时捌） 图７车辆跟驶过程 （３）人对标识牌的视认距离为 责任编辑李鹏 ｆＤ：．２０ｈ。ｈ‘４５ｃ 发展，实时建立起适应现代道路交通系统的表述方式，系统应用 ９０（ ；，… Ｄ＆ｔ ２５＋ ｌｌｇ￡＋３．４Ｈ一７ （Ｉ３） 能够解决时变、非线性的智能控制方法如模糊控制、神经网络控 制、遗传控制、专家系统等，并以算法的方式编程或集成到传统 的控制策略中。在较为完备的交通信息数据的基础上，从技术层 面上用系统工程的多目标优化分层递阶对高速公路交通流进行系 统优化控制。同时利用交通法规和交通管理中的交通行政、交通 式中Ｄ是视认距离（ｍ）；ｈ为文字高度（ｃｉｎ）；Ｌ标准 板的照度（１ｗ）。 ２驾驶员主要心理特征： （１）如果外界传递给驾驶员的信息量的速率（６ ／ｓ）小于驾 驶员处理该信息量的能力，则驾驶员能够正确的反应和处理，其 接受和处理能力呈线性增长，否则多余的信息量将得不到处理， 运行以及特殊事件处理等，从行政和执法管理层面来降低人们出 行高峰的峰值、改善公共交通服务设施和服务水平、改善交通事 件处理效能、改善道路标线，提高道路瓶颈路段的通行能力。 成为降低其接受和处理信息效能、干扰驾驶员驾驶行为的因素。 因此，驾驶员处理信息的模型为 ）：肋 （辨１＋Ｋ．Ｖ ２（ ） 为临界值； （１４） 式中Ｕ为驾驶员视线周期性地被遮断结束时累积的最大不肯 定总数（ ｆｆ）； 为视线被遮断时间（Ｓ）； Ｆ为遗忘信息的时间（Ｓ）； 为信息密度（ｂｉｆ／坍 ）；Ｄ为以 英里（ｍｉ）计的加权系数；肋为视线未被遮断所接受的全部信 息量（６缸）；Ｖ为车辆行驶速度（ ／Ｓ）； 辆位置不肯定的功率谱系数以及其它换算系数。 （２）跟驶行驶的车辆驾驶员受前导车辆影响的反应潜在时间 为驾驶员对车 『ｌ ， １Ｊ ｉ 加速度大小（ｆｔ／ｓ ）。 ５） 式中ｔ是反应潜在时间（ ）；，是车辆间距（ｆ）；ｌａｌ是 （３）驾驶员的制 譬移动时间 ＭＴ＝ａ＋ｂｌｏｇ２ ——（１６） ¨ 式中ａ、ｂ——参数，随个体的不同而变化（Ｓ）；Ａ 运动起点至终点的距离（ｍ）； ——车辆宽度（肢体运 动方向）（ｍ）；１％（ １——难度指数。 从驾驶员主要生理和心理特征分析中也可以判断出：①当 驾驶员行驶时间增长，驾驶员处理信息的能力一般会下降；②当 车流中跟驰的车辆加速度增加时，跟驰驾驶员的反应潜在时间缩 短，车头时距缩短；③当道路行驶难度增加，驾驶员的制动反应 移动时间也会随之延长，为补偿延长的时间，驾驶员不得不提高 修正频率，干扰了驾驶员的正常观察、识别和判断。 结束语 通过上述拥挤成因综合分析，任何单一层次或几种方法的简 单集成都难以解决交通不畅“顽症”，需要根据交通流理论的不断 。 。 中国ｗｗｗ毫 烹妻 。