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摘 要：为探索城市快速路交织区交通运行特性，实现交织区交通的快速高效运行，以快速路匝道出口交织区作为对象，以长春市的调查数据为基础，分析了交通换道特性，建立了交织区交通换道数与流量和交通密度的关系模型。研究结果表明，换道次数随着交通量的增加而增加，而随着密度的增加，呈现先增加后减小的趋势。本文研究成果可以为城市快速路匝道出口交织区的理论研究提供方法参考，位对交织区的管理与控制提供理论基础。
关键词：城市快速路 交织区 交通换道 交通流量 交通密度
Research and Analysis of Traffic Lane Changing Behavior Characteristics in Expressway Interweaving Area
Liang Chunyan Gu Chengze
Abstract：To explore the traffic operation characteristics of the interweaving area of urban expressways and realize the fast and efficient operation of the interweaving area， the interweaving area of the expressway ramp exit is taken as the object， and the traffic changing characteristics are analyzed based on the survey data of Changchun City， and the model of the relationship between the number of traffic lane changes and the flow and traffic density in the interweaving area is established. The research results show that the number of lane changes increase with the increase of traffic volume， and with the increase of density， and it shows a trend of first increasing and then decreasing. The research results can provide a method reference for the theoretical study of the interweaving area of urban expressway ramp exits， and provide a theoretical basis for the management and control of the interweaving area.
Key words：urban expressway， weaving area， traffic lane change， traffic flow， traffic density
1 引言
随着经济的迅速发展，城市化建设步伐的加速，其中最为首要的就是城市快速路的建设。另一方面，随着汽车保有量在逐渐增加，致使城市内的交通日益拥堵。为了缓解城市交通拥堵，提高城市内部运输效率，充分发挥城市快速路作用，对快速路交织区的交通特性进行研究，掌握其运行规律，对提高交织区交通运行效率有深远意义。国内外学者对交织区进行了多方面的研究。臧晓冬等[1]研究在快速路互通立交交织区的不足，提出车道变换次数的预测方法，建立了城市快速路互通立交交织区交织速度和非交织速度预测模型。郑弘等[2]建立了基于需求产生的判断性换道模型与常规强制性换道结合，形成完整的交织区换道模型。柳雪丽等[3]基于感应控制理论和方法，对快速路与常规道路衔接区域的协调控制方法进行优化，使快速路系统的运行效率最优。车辆换道是交织区的最基本运行特性之一，本文以实测数据为基础，分析交通换道特性，建立了换道次数与交通流量及交通密度模型。研究成果可以为城市快速路交织區交通换道行为特性研究提供参考，为城市快速路交通运行效率提供理论研究借鉴。
车道的变换分类中主要分为两个方面，Eeik[4]按照驾驶员意图，将车道变换分为强制车道变换和自由车道变换两类。Dangazo[5]认为换道会在交通流中形成可插入间隙，影响其他车辆的运行，最终导致流量下降;Tanaka等[6]发现道路上的车辆换道行为可能导致交通流出现高流量和低流量两种情况。王荣本[7]分析换道时车辆的运动关系研究了车辆碰撞的条件，给出了换道最小安全距离。通过研究学者们的研究，目前换道模型的研究虽然取得了一定的成果，但也存在一些局限性;并且模型过于复杂，提取数据较为困难，对于研究定量的换道模型较少。
2 交织区换道
2.1 换道行为
换道行为是驾驶员根据自身驾特性，根据道路交通流状态、车辆行驶速度、位置以及交通管理状况等环境信息，调整并完成自身驾驶目标策略的综合过程。道路交通发生车辆排队、交通拥堵、车流变化等过程时常伴有换道行为的发生。换道行为的产生主要集中在两方面：一是道路本身的性质，例如车辆的汇入、汇出等，想要达到自身驾驶的目的必须采取换道行为;二是由于驾驶员主观意愿的原因，即现状交通情况满足不了自身驾驶的期望。即在交织区范围内存在大量以换道为目的的交织车辆，所以很容易形成交通拥堵，进而影响交织区其他车道车辆的正常行驶。
2.2 交织区换道特性
由于交织车流要在交织区长度范围内完成车道变换，由各自的行驶车道变换到期望的运行方向车道上去行驶，所以交织区内的车流运行具有很强的紊动性。汇入或汇出匝道的车辆为影响城市快速路匝道分合流区主线交通流运行状态的主要因素。在这个区域，车辆之间存在频繁的交互行为，运行车辆为达到自身驾驶目标策略的期望而发生换道。在整个运行过程中，换道行为不断影响运行车辆的行驶速度，进而对相邻车道的运行状态产生影响，主线上的交通运行状态也会因该行为由平顺、稳定运行转换为紊流。研究车辆之间的交互特性，对于更好的解析交通流失稳现象以及如何采取有效措施减少匝道出入口的车辆对主线车流的影响有重要意义。 成功变换车道的关键因素包括三个方面： 一是目标车道必须有足够的变换车道空间，避免车辆在变道时发生刮蹭，追尾等现象，关键取决于换道车辆与目标车道上的可换道间隙距离;二是换道车辆必须要有足够的换道时间，这需要驾驶员能够对周围驾驶环境有良好的预测，主要取决于驾驶员的自身条件和驾驶经验;三是换道车辆还需控制驾驶车辆的车速，在观察好周围车辆及环境的条件下完成换道。
3 数据采集
以长春市南部快速路卫明街匝道出口和东部快速路仙台大街匝道出口为调查地点，采用录像法。调查时间选择晴朗的工作日，时间由7：00-19：00。东部快速路仙台大街匝道出口下游150m为平面交叉口，南部快速路匝道出口与下游的快速路入口距离约150m，两快速路匝道驶出主线的车流与辅路的直行车流和驶入快速路的车流之间均有交叉冲突，是快速路进匝道出口交织区中的典型代表。
参考现有的研究成果，结合路段调查的实际情况，取交通流参数统计间隔为5min，即分别统计5min以内的交通密度和交通流量。通过对收集到的资料进行整理和分析，得出匝道出口交织区两条车道上车辆换道次数与交通量和交通密度的关系。
4 换道特性分析
4.1 交通量-车辆换道次数
通过对数据的处理分析，拟合得到南部快速路匝道出口交通量与换道次数之间的关系如图1所示。可以看出，交通量与交通换道呈明显的线性关系。换道次数随着交通量的逐渐增加而增大，拟合关系式为：y=1.1116x。
复相关系数R2=0.9957，复相关系数越接近1，精度满足要求。
同时，选择东部快速路的数据进行拟合，如图2所示。东部快速路匝道出口交通量明显大于南部快速路，换道次数随着交通量的增加而逐渐增大，交通量与交通换道次数呈正相关变化，换道次数随着交通量的增加而逐渐增加，拟合关系式为：y=1.1502x。
复相关系数R2=0.9918，复相关系数接近1，精度满足要求。
4.2 交通密度-交通换道次数
换道行为的产生，是驾驶员为了达到驾驶目的的过程，满足其驾驶意图而采取的离开当前行驶的车道，进入相邻车道或车流量相对较少车道的行为。在这期间，车辆发生大量的位移，换道车辆在发生换道时普遍有加速或减速的行为，在开始变换车道时，车辆同时有加速度上的变化。在实际调查中发现，在整体车流量较少时，驾驶员并不会出现频繁的换道行为，但随着交通量的逐渐增加，车流密度相应变大，逐渐影响驾驶员的架势意图，会出现变道超车，插队等现象。驾驶员的驾驶经验不同，换道的用时也不同，随着交通密度的持续增加，交织车辆之间的影响较大，产生交通拥堵，换道几率大大降低。交通密度-交通换道次数的拟合关系如图3和图4所示。
由图3可得，南部快速路交通密度和交通换道次数的拟合关系式为：
y=-0.0288x2+6.3451x
复相关系数R2=0.8057，达到精度要求。从图中可以看出，当交通密度达到105辆/km，时，换道次数达到最大。交通密度小于105辆/km时，换道次数随着交通密度的增加而增加，交通密度大于105辆/km时，车辆之间相互制约性增强，交通换道较为困难，导致换道次数降低。当交通密度达到阻塞密度220辆/km时，车辆处于阻塞状态，换道次数为零。
由图4统计结果可知，交通密度-交通换道次数关系拟合曲线关系式为：
y=-0.0256x2+6.1366x
复相关系数R2=0.8235，达到精度要求，拟合度较高。从图中不难看出，当交通密度为零时，交通换道次数也为零。当交通密度达到115辆/km时，车辆换道次数最大;交通密度小于115辆/km时，交通换道随着交通密度的增加而逐渐增加;当交通密度大于115辆/km时，道路交通会出现阻塞现象，车辆间相互制约，大大降低了变道的可能性。当交通密度达到阻塞密度240辆/km时，车辆处于停滞状态，换道数为零。
5 结论
本文以城市快速路匝道出口交织区为研究对象，研究了交织区车辆换道特性，基于长春市实际调查数据，建立了车辆换道次数与交通量、交通密度之间的关系模型，数据拟合的复相关系数均在0.8以上，达到精度要求，拟合度较高。研究结果表明，在城市快速路匝道出口织区上的车辆换道数随着交通流量的增加而逐渐增加，呈单调递增的线性关系。
而车辆换道数随着密度的增加，呈现先增加后减小的趋势。在交通密度较少，满足驾驶要求时换道次数相对较少，但当密度、流量逐渐增加时，不能满足驾驶员对驾驶目的的期望，换道次数会明显增加，进而影响交通的正常通行，当交通密度达到某临界值，交通流变为强制流以后，车辆之间相互制约，道路交通会出现阻塞现象，交通换道会随着交通密度的增加而逐渐减少，直到交通密度达到阻塞密度，车辆均处于停滞状态，换道数为零。以长春市实际调查数据为例，南部和东部快速路的密度临界值分别为105辆/km/2ln和115辆/km/2ln，阻塞密度分别是220辆/km/2ln和240辆/km/2ln，该研究结果，可以为交织区制定交通管理与控制措施提供理论依据和参考。
参考文献：
[1]臧晓冬，周伟. 城市快速路互通立交合流区车头时距分布特性[J]. 北京工业大学学报，2010，36（7）：961-965.
[2]郑弘.道路交织区仿真模型研究 [D]. 北京工業大学，2001.
[3]柳雪丽. 城市快速路与常规道路衔接控制优化方法研究[D].重庆交通大学，2018.
[4]周成虎，孙战利，谢一春.地理元胞自动机研究.北京：科学出版社，1999.
[5]Daganzo C F.Laval J.A Lane-changing in traffic streams，2006（03）.
[6]Tanaka K. Nagatani T.Masukura S.Fundamental diagram in traffic flow of mixed vehicles on multi-lane highway，2008（05）.
[7]王荣本，游峰，崔高健等.车辆安全换道分析[J]. 吉林大学学报：工学版，2005，35（2）：179-182.
[8]王荣本，游峰，崔高健等.车辆安全换道分析[J].吉林大学学报：工学版，2005，35（2）：179-182.
关键词：城市快速路 交织区 交通换道 交通流量 交通密度
Research and Analysis of Traffic Lane Changing Behavior Characteristics in Expressway Interweaving Area
Liang Chunyan Gu Chengze
Abstract：To explore the traffic operation characteristics of the interweaving area of urban expressways and realize the fast and efficient operation of the interweaving area， the interweaving area of the expressway ramp exit is taken as the object， and the traffic changing characteristics are analyzed based on the survey data of Changchun City， and the model of the relationship between the number of traffic lane changes and the flow and traffic density in the interweaving area is established. The research results show that the number of lane changes increase with the increase of traffic volume， and with the increase of density， and it shows a trend of first increasing and then decreasing. The research results can provide a method reference for the theoretical study of the interweaving area of urban expressway ramp exits， and provide a theoretical basis for the management and control of the interweaving area.
Key words：urban expressway， weaving area， traffic lane change， traffic flow， traffic density
1 引言
随着经济的迅速发展，城市化建设步伐的加速，其中最为首要的就是城市快速路的建设。另一方面，随着汽车保有量在逐渐增加，致使城市内的交通日益拥堵。为了缓解城市交通拥堵，提高城市内部运输效率，充分发挥城市快速路作用，对快速路交织区的交通特性进行研究，掌握其运行规律，对提高交织区交通运行效率有深远意义。国内外学者对交织区进行了多方面的研究。臧晓冬等[1]研究在快速路互通立交交织区的不足，提出车道变换次数的预测方法，建立了城市快速路互通立交交织区交织速度和非交织速度预测模型。郑弘等[2]建立了基于需求产生的判断性换道模型与常规强制性换道结合，形成完整的交织区换道模型。柳雪丽等[3]基于感应控制理论和方法，对快速路与常规道路衔接区域的协调控制方法进行优化，使快速路系统的运行效率最优。车辆换道是交织区的最基本运行特性之一，本文以实测数据为基础，分析交通换道特性，建立了换道次数与交通流量及交通密度模型。研究成果可以为城市快速路交织區交通换道行为特性研究提供参考，为城市快速路交通运行效率提供理论研究借鉴。
车道的变换分类中主要分为两个方面，Eeik[4]按照驾驶员意图，将车道变换分为强制车道变换和自由车道变换两类。Dangazo[5]认为换道会在交通流中形成可插入间隙，影响其他车辆的运行，最终导致流量下降;Tanaka等[6]发现道路上的车辆换道行为可能导致交通流出现高流量和低流量两种情况。王荣本[7]分析换道时车辆的运动关系研究了车辆碰撞的条件，给出了换道最小安全距离。通过研究学者们的研究，目前换道模型的研究虽然取得了一定的成果，但也存在一些局限性;并且模型过于复杂，提取数据较为困难，对于研究定量的换道模型较少。
2 交织区换道
2.1 换道行为
换道行为是驾驶员根据自身驾特性，根据道路交通流状态、车辆行驶速度、位置以及交通管理状况等环境信息，调整并完成自身驾驶目标策略的综合过程。道路交通发生车辆排队、交通拥堵、车流变化等过程时常伴有换道行为的发生。换道行为的产生主要集中在两方面：一是道路本身的性质，例如车辆的汇入、汇出等，想要达到自身驾驶的目的必须采取换道行为;二是由于驾驶员主观意愿的原因，即现状交通情况满足不了自身驾驶的期望。即在交织区范围内存在大量以换道为目的的交织车辆，所以很容易形成交通拥堵，进而影响交织区其他车道车辆的正常行驶。
2.2 交织区换道特性
由于交织车流要在交织区长度范围内完成车道变换，由各自的行驶车道变换到期望的运行方向车道上去行驶，所以交织区内的车流运行具有很强的紊动性。汇入或汇出匝道的车辆为影响城市快速路匝道分合流区主线交通流运行状态的主要因素。在这个区域，车辆之间存在频繁的交互行为，运行车辆为达到自身驾驶目标策略的期望而发生换道。在整个运行过程中，换道行为不断影响运行车辆的行驶速度，进而对相邻车道的运行状态产生影响，主线上的交通运行状态也会因该行为由平顺、稳定运行转换为紊流。研究车辆之间的交互特性，对于更好的解析交通流失稳现象以及如何采取有效措施减少匝道出入口的车辆对主线车流的影响有重要意义。 成功变换车道的关键因素包括三个方面： 一是目标车道必须有足够的变换车道空间，避免车辆在变道时发生刮蹭，追尾等现象，关键取决于换道车辆与目标车道上的可换道间隙距离;二是换道车辆必须要有足够的换道时间，这需要驾驶员能够对周围驾驶环境有良好的预测，主要取决于驾驶员的自身条件和驾驶经验;三是换道车辆还需控制驾驶车辆的车速，在观察好周围车辆及环境的条件下完成换道。
3 数据采集
以长春市南部快速路卫明街匝道出口和东部快速路仙台大街匝道出口为调查地点，采用录像法。调查时间选择晴朗的工作日，时间由7：00-19：00。东部快速路仙台大街匝道出口下游150m为平面交叉口，南部快速路匝道出口与下游的快速路入口距离约150m，两快速路匝道驶出主线的车流与辅路的直行车流和驶入快速路的车流之间均有交叉冲突，是快速路进匝道出口交织区中的典型代表。
参考现有的研究成果，结合路段调查的实际情况，取交通流参数统计间隔为5min，即分别统计5min以内的交通密度和交通流量。通过对收集到的资料进行整理和分析，得出匝道出口交织区两条车道上车辆换道次数与交通量和交通密度的关系。
4 换道特性分析
4.1 交通量-车辆换道次数
通过对数据的处理分析，拟合得到南部快速路匝道出口交通量与换道次数之间的关系如图1所示。可以看出，交通量与交通换道呈明显的线性关系。换道次数随着交通量的逐渐增加而增大，拟合关系式为：y=1.1116x。
复相关系数R2=0.9957，复相关系数越接近1，精度满足要求。
同时，选择东部快速路的数据进行拟合，如图2所示。东部快速路匝道出口交通量明显大于南部快速路，换道次数随着交通量的增加而逐渐增大，交通量与交通换道次数呈正相关变化，换道次数随着交通量的增加而逐渐增加，拟合关系式为：y=1.1502x。
复相关系数R2=0.9918，复相关系数接近1，精度满足要求。
4.2 交通密度-交通换道次数
换道行为的产生，是驾驶员为了达到驾驶目的的过程，满足其驾驶意图而采取的离开当前行驶的车道，进入相邻车道或车流量相对较少车道的行为。在这期间，车辆发生大量的位移，换道车辆在发生换道时普遍有加速或减速的行为，在开始变换车道时，车辆同时有加速度上的变化。在实际调查中发现，在整体车流量较少时，驾驶员并不会出现频繁的换道行为，但随着交通量的逐渐增加，车流密度相应变大，逐渐影响驾驶员的架势意图，会出现变道超车，插队等现象。驾驶员的驾驶经验不同，换道的用时也不同，随着交通密度的持续增加，交织车辆之间的影响较大，产生交通拥堵，换道几率大大降低。交通密度-交通换道次数的拟合关系如图3和图4所示。
由图3可得，南部快速路交通密度和交通换道次数的拟合关系式为：
y=-0.0288x2+6.3451x
复相关系数R2=0.8057，达到精度要求。从图中可以看出，当交通密度达到105辆/km，时，换道次数达到最大。交通密度小于105辆/km时，换道次数随着交通密度的增加而增加，交通密度大于105辆/km时，车辆之间相互制约性增强，交通换道较为困难，导致换道次数降低。当交通密度达到阻塞密度220辆/km时，车辆处于阻塞状态，换道次数为零。
由图4统计结果可知，交通密度-交通换道次数关系拟合曲线关系式为：
y=-0.0256x2+6.1366x
复相关系数R2=0.8235，达到精度要求，拟合度较高。从图中不难看出，当交通密度为零时，交通换道次数也为零。当交通密度达到115辆/km时，车辆换道次数最大;交通密度小于115辆/km时，交通换道随着交通密度的增加而逐渐增加;当交通密度大于115辆/km时，道路交通会出现阻塞现象，车辆间相互制约，大大降低了变道的可能性。当交通密度达到阻塞密度240辆/km时，车辆处于停滞状态，换道数为零。
5 结论
本文以城市快速路匝道出口交织区为研究对象，研究了交织区车辆换道特性，基于长春市实际调查数据，建立了车辆换道次数与交通量、交通密度之间的关系模型，数据拟合的复相关系数均在0.8以上，达到精度要求，拟合度较高。研究结果表明，在城市快速路匝道出口织区上的车辆换道数随着交通流量的增加而逐渐增加，呈单调递增的线性关系。
而车辆换道数随着密度的增加，呈现先增加后减小的趋势。在交通密度较少，满足驾驶要求时换道次数相对较少，但当密度、流量逐渐增加时，不能满足驾驶员对驾驶目的的期望，换道次数会明显增加，进而影响交通的正常通行，当交通密度达到某临界值，交通流变为强制流以后，车辆之间相互制约，道路交通会出现阻塞现象，交通换道会随着交通密度的增加而逐渐减少，直到交通密度达到阻塞密度，车辆均处于停滞状态，换道数为零。以长春市实际调查数据为例，南部和东部快速路的密度临界值分别为105辆/km/2ln和115辆/km/2ln，阻塞密度分别是220辆/km/2ln和240辆/km/2ln，该研究结果，可以为交织区制定交通管理与控制措施提供理论依据和参考。
参考文献：
[1]臧晓冬，周伟. 城市快速路互通立交合流区车头时距分布特性[J]. 北京工业大学学报，2010，36（7）：961-965.
[2]郑弘.道路交织区仿真模型研究 [D]. 北京工業大学，2001.
[3]柳雪丽. 城市快速路与常规道路衔接控制优化方法研究[D].重庆交通大学，2018.
[4]周成虎，孙战利，谢一春.地理元胞自动机研究.北京：科学出版社，1999.
[5]Daganzo C F.Laval J.A Lane-changing in traffic streams，2006（03）.
[6]Tanaka K. Nagatani T.Masukura S.Fundamental diagram in traffic flow of mixed vehicles on multi-lane highway，2008（05）.
[7]王荣本，游峰，崔高健等.车辆安全换道分析[J]. 吉林大学学报：工学版，2005，35（2）：179-182.
[8]王荣本，游峰，崔高健等.车辆安全换道分析[J].吉林大学学报：工学版，2005，35（2）：179-182.