车道变换行为对道路通行能力影响的研究

文献标志码：A
文章编号：1673－7180(2010)10－0749－5
Study on effect of lane-changing behavioral characteristic to capacity
Xu Huizhi1,2，Cheng Guozhu3，Pei Yulong3 (1. School of Management ,Harbin Institution of Technology, Harbin 150000, China; 2. Harbin Metro, Harbin 150080,
摘 要：为解决车道变换行为对道路通行能力影响的定量分析难题，从观测数据的整理分析结果出发，揭示了车道变
换行为与交通流流率的关系。定性分析车道变换行为和交通量的关系，发现当交通量过大或过小时，车道变换行为发
生的概率较低，当交通量适中时，车道变换行为发生的概率最大。基于道路通行能力和道路空间占有率的关系，提出
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车道变换行为对道路通行能力影响的研究
徐慧智 1,2，程国柱 3，裴玉龙 3
（1. 哈尔滨工业大学管理学院，哈尔滨 150000； 2. 哈尔滨地铁集团有限公司，哈尔滨 150080； 3. 哈尔滨工业大学交通学院，哈尔滨 150000）
图 1 交通量与车道变换行为发生率的关系
Fig. 1 Relationship between traffic volume and lane-changing rate
1.2 车道变换行为与交通量关系的定量分析 以 20 s 为间隔统计交通量，转换成流率，得到的流
率与车道变换行未发生率的对应关系，变化趋势如图 2 所示。流率标准差与车道变换行为发生率的关系如图 3 所示，A 区域离散程度较高，交通流处于通畅和拥挤 2 种状态。B 区域离散程度较低，交通流出入通畅和拥挤 的中间状态。实测数据呈现出如下的规律性：
Q<360 pcu/(h·ln)区间内获取的样本量较小，主要集 中在图 2(a)中所标注的区域，车道变换行为发生率在 0.08~0.15 之间。360 pcu/(h·ln)＜Q＜480 pcu/(h·ln)区间 中，Q 越大，车辆行驶的离散程度越高，反之离散程度 越低。相比较 Q＜360 pcu/(h·ln)区间，360 pcu/(h·ln)＜Q ＜480 pcu/(h·ln)区间由于交通量的提高，加之在该区 间道路的服务水平较高，车辆的行驶自由度更加灵 活，交通量的提高造成了交通量离散程度的提高。 480 pcu/(h·ln)＜Q＜600 pcu/(h·ln)区间中，车辆的行驶 自由度受到其他车辆的影响，驾驶中随机行为的提高 造成了交通量离散程度的波动。600 pcu/(h·ln)＜Q＜ 720 pcu/(h·ln)区间和 480 pcu/(h·ln)＜Q＜600 pcu/(h·ln)区 间相同，没有较为明显的上升或下降趋势。车辆的行驶 自由度还是很大程度上受到其他车辆的影响，随机行为 的提高造成了交通量离散程度的波动。Q＞720 pcu/(h·ln) 区间和 480 pcu/(h·ln)＜Q＜600 pcu/(h·ln)、600 pcu/(h·ln) ＜Q＜720 pcu/(h·ln)区间相同，没有较为明显的上升或 下降趋势。出现强制式车道变换行为，造成了交通量离 散程度的波动。
(b) 25%位流率
(c) 50%位流率
(d) 75%位流率 图 2 流率统计特征值与车道变换行为发生率的关系 Fig. 2 Relationship between statistics eigenvalue of traffic flow
rate and lane-changing rate
图 3 流率标准差与车道变换行为发生率的关系 Fig. 3 Relationship between standard deviation of traffic flow
China; 3. School of Traffic Science and Engineering, Harbin Institution of Technology, Harbin 150000, China)
Abstract: To solve the problems of quantitative analysis the impact of lane-changing to traffic capacityLeabharlann Baidu based on the analysis of observation data, revealed the relationship between lane-changing behavior and traffic capacity, found that when heavy or mild traffic, the probability of lane-changing behavior occurrence was low, moderate traffic when the lane-changing situation, the probability of occurrence of acts was greatest. Based on the relationship between traffic capacity and the share of road space, put forward a calculated method and model of lane-changing about it’s effected to additional road space, and calibrated the parameters, the correction factor is calculated. At last, two-lane and three-lane road as an example for the correction factor was calculated, and given an application of the case. Key words: lane-changing；behavioral characteristic；factor of speed；speed；effective model
流率统计特征值与车道变换行为发生率的关系如
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图 2 所示，分别选取了平均流率、25%位流率、50%位 流率和 75%位流率作为特征值，根据实测数据建立它们 与车道变换行为发生率之间的关系。从平均流率与车道 变换行为发生率关系图中可知，随着交通量的增加，车 道变换行为发生率存在降低的趋势。当交通量较小时 （图中星形图案所在区域），随着交通量的减少，车道 变换行为发生率存在降低的趋势。
员、车辆、道路和交通运行环境等影响因素具有随机性 和多变性，使得量化工作非常困难。目前关于道路通行 能力的研究较少考虑车道变换行为的影响，相关理论研 究领域有待开拓和补充。另外，作为制定车道变换行为
收稿日期：2010-07-24 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目(2007AA11Z231)；国家自然科学基金资助项目(50578056) 作者简介：徐慧智(1977－ )，男，工程师，主要研究方向：轨道交通规划、驾驶员行为特性研究， stedu@126.com
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对策及管理措施的重要依据，也需要开展车道变换行为 对道路通行能力的影响研究。车道变换行为对理论道路 通行能力（基本通行能力）不会造成影响，但对可通行 能力会造成影响。在理想交通运行环境下，研究不同车 道变换行为发生率影响下的道路可通行能力[5-8]。
(a) 平均流率
流率标准差与车道变换行为发生率的关系如图 3 所 示。当车道变换行为发生率较小时，即图 3 中的 A 区域， 流率的标准差均值较大。当车道变换行为发生率较大 时，即图 3 中的 B 区域，流率的标准差均值较小。流率 的标准差是表明交通流状态的参数，标准差越大，交通 流波动性越大，越不稳定；标准差越小，交通流波动性 越小，越稳定。当车道变换行为发生率大于 0.15 时，流 率标准差的离散度较小，但是均值仍然很大，表明此时 交通流处于较为稳定的状态，但存在大量的可插车间 隙，是车道变换行为频发的交通流状态。当车道变换 行为发生率小于 0.15 时，流率标准差的离散度较大， 表明此时交通流处于非稳定的状态，存在可插车间隙， 但由于车道变换行为不能带来运行效益，或者车道变 换行为发生的外部条件较为苛刻，因此不容易发生车 道变换行为。
交通流处在通畅状态时，目标车道存在大量的可插 车间隙，但是由于原始车道的交通运行环境较好，满足 了驾驶员的行驶需要，因此，不需要执行多余的车道变 换行为。交通流处在通畅和拥挤的中间状态时，道路服 务水平一般。由于原始车道前方车辆的阻碍作用，不能 满足驾驶员的速度期望，除此之外，相邻存在较多的可 插车间隙提供了车道变换行为的可能性并且额外提升 了驾驶员的速度期望，因此，车道变换行为较为频繁地 发生。交通流处在拥挤状态或者拥挤状态的边缘时，原 始车道和相邻车道的速度较低，并且相邻车道存在少量 的可插车间隙，并且可插车间隙较小，给驾驶员的操作 难度带来较大影响，另外由于车道变换行为的执行时间 增加，造成原始车道和相邻车道拥挤现象的产生，执行 车道变换行为得不偿失，因此车道变换行为较少。图 1 为车道变换行为发生率和交通量的关系，来源于哈尔滨 12 个观测地点 144 h 的实测数据，虽然部分观测点数据
车道变换行为对道路空间额外占有度的计算方法，构建了车道变换行为对道路通行能力的影响模型，并进行参数标定。
提出车道变换行为对道路通行能力影响修正系数的计算方法，最后以两车道和三车道为例进行修正系数的计算方法，
并给出应用案例。
关键词：车道变换；行为特性；速度判断因子；运行速度；影响模型
中图分类号：U491.3
1 调查数据分析
存在离散性，但统计结果符合上述的定性分析规律。图 中 A、B、C 分别表示交通流处于通畅状态、通畅与 拥挤的中间状态、拥挤状态时车道变换行为发生率的 状况。根据统计数据可知，中间状态车道变换行为发 生率最大，通畅状态车道变换行为发生率次之，拥挤 状态最小。
分析调查数据可获得车道变换行为与交通量之间 的关系，不能直接获取车道变换行为与道路通行能力之 间的关系。但是，根据道路通行能力的概念可知，当交 通流处于最佳流动状态时，通过断面的最大交通量为道 路的通行能力，此时交通流为稳定状态，而车道变换行 为可以看作外界干扰项，因此得出车道变换行为对道路 空间利用率的占用将降低道路通行能力的结论。交通量 为一定时间内通过观测断面的车辆数，而车道变换行为 的执行需要一定的道路空间，数据的获取位置在空间上 存在差异性，车道变换行为发生率的概念（单位时间内， 固定横断面上游一定距离内发生车道变换行为的车辆 占通过该横断面单车道车辆的比例）很好地解决了上述 问题。
随着我国交通建设步伐的加快和对交通管理水 平要求的不断提高，加快车道变换行为特性及其对道 路服务水平影响的研究尤为迫切。规范车道变换行 为，研究车道变换行为对道路服务水平的影响，针对 亟待解决的问题提出合理的管理对策及应对措施是 提升交通运行安全度、缓解交通拥堵、提高服务水平
的重要举措之一[1-4]。 车道变换行为影响道路的通行能力，但是由于驾驶
实测数据只能建立车道变换行为发生率与交通量 的关系，由于其他因素影响存在较大的波动性，不能获 取车道变换行为对交通量的影响程度。因此，研究车道 变换行为对道路通行能力的影响，需要了解实际交通运 行环境中车道变换行为和交通量的相关性。拟从定性和 定量两个角度分析实测数据的规律性，确定车道变换行 为对道路通行能力影响模型的形式。 1.1 车道变换行为与交通量关系的定性分析