基于交通波理論的山地城市快速路擁堵研究

蔡明

摘 要：基于交通波基本理論，從山地城市快速路的特性著手，考慮了常見的快速路入口匝道瓶頸問題，分析了其中的波動機理，并以重慶市渝魯大道為例，研究了江州立交主線擁堵的原因，最后對城市快速路擁堵研究作出了展望。

關鍵詞：交通波理論；山地城市；快速路；擁堵；交通流

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672 3198.2016.22.085

0 引言

隨著我國城鎮化水平及機動車保有量的快速上升，交通擁堵已成為各大城市的通病，正在制約著各大城市未來的發展。當交通擁堵產生時，將會帶來時間、能耗、污染等成本的大大增加，損失巨大。據《2011北京市交通發展年度報告》統計，北京市2011年因交通擁堵問題直接損失1056億元，并呈上升趨勢。為解決或緩解交通擁堵這一世界性問題，不少學者對此研究。

1 山地城市快速路交通特性

快速路是指在城市內修建的具有中央隔離、供汽車行駛、全部控制出入口的城市道路，其單向不低于2車道，配備相應交通安全與管理措施?？焖俾肥浅鞘薪煌ǖ穆肪W骨架，聯系著各大功能分區或組團，承擔著大量中長距離交通流，是大運量快速交通干道，具有暢通、快速、舒適的特點。然而，近些年來，快速路這些特點正在消失，擁堵已成“家常便飯”，特別是在早晚高峰。

山地城市結合地形的分散組團式結構和自由式道路系統呈現出“多中心、多組團”的特點，各組團間的聯系通道少，可替代路徑不多，路網連通性較差，快速路作為聯系各大組團的橋梁其重要性不言而喻。與平原城市快速路相比，山地城市快速路跨組團的服務面臨的壓力更大，同時由于不受非機動車干擾，車行需求大，而道路斷面又不一致，其呈現的交通特征與平原城市相差較大，同等交通輸入下擁堵更甚。因此，研究山地城市快速路的擁堵機理具有重要的現實意義。

2 基于交通波理論擁堵分析

2.1 交通波基礎理論

假設道路上相鄰有兩個交通流，規定向x軸正方向運行，密度分別為kA和kB（kA≠kB）。一垂直面S分割這兩種密度，稱為波陣面，產生與交通流方向一致的速度ωAB，如圖1所示。

2.2 城市道路擁堵規律

交通擁堵（Traffic Congestion）指交通需求超過道路交通設施供給（通行能力）引起車輛滯留道路的現象，一般可分為常發性擁堵和偶發性擁堵。限于篇幅，本文僅對常發性擁堵分析。

常發性擁堵在時間上表現出周期性和相似性。調查一周某道路的排隊情況可以發現：排隊長度曲線波形在每天的表現略有不同，但基本形狀工作日大體一致，非工作日也差不多，每天的排隊長度在晚高峰呈現出周期性變化。對每天的排隊長度變化曲線仔細觀察，還會發現：同一周星期一至星期五的曲線波形類似，而星期六和星期日的曲線波形一致。

常發性擁堵在空間上亦有規律，一般而言，常發性擁擠的空間擴散過程有以下幾個過程：第1階段，車輛在交叉口前發生擁擠，產生排隊現象；第2階段，排隊向后延伸，并且影響到上游的若干交叉口；第3階段：上游交叉口同樣產生排隊。隨著交通需求的不斷增大，交通流在局部路網中將形成過飽和循環，產生“交通堵塞”。通常理論上對常發性擁擠的空間擴散及分布特點可以模糊歸納為三類：點擁擠、線擁擠、面擁擠。

2.3 山地城市快速路交通瓶頸分析

為便于梳理清楚，本文只針對山地城市快速路常見瓶頸情況—入口匝道的瓶頸匯入問題（主線流量較大）進行分析。

這種情況下主路流量較大，入口匝道對主路影響不能忽略。

假設后續車輛沒有換道現象，即認為后續車輛仍沿外側車道行駛，分成三個階段進行分析。

第1階段：車流B的匯入過程，對于車流B，頭部車流A和尾部車流C相鄰部分將形成兩個波，入口匝道車輛在E區（空白區）成股匯入，如圖3所示。顯然，qB>qA，kB>kA，即ωAB>0，向前傳播。

3 實例分析

本部分以重慶市快速路縱線渝魯大道為例，基于交通波理論對山地城市快速路擁堵機理分析。

渝魯大道是重慶市快速路縱線之一，北起五童立交，南至石黃隧道，快速路長度約為6.8公里，是聯系江北區和南岸區的重要通道，交通量大，整條道路貫穿海爾路立交、五里店立交、江州立交和黃花園立交。

筆者通過調查2016年4月13日上午7∶00-11∶00渝魯大道北往南方向交通量（視頻圖像如圖4）整理得到渝魯大道主線以及海爾路立交、五里店立交、江州立交和黃花園立交各匝道5min流量。在現場的調查中，筆者發現，五里店立交上游主線以北整個上午交通運行良好，無擁堵現象，從7∶15左右開始，五里店下游以南開始排隊直至擁堵產生，9∶30左右開始發生消散。主線車流量數據特征如表1，選取江州立交分析，流量時變圖如圖5。

從表1可以看出，渝魯大道整條快速路主線流量大，呈明顯的波動性，波動幅度均超過25%，黃花園立交下游主線波幅最大，達到54.84%，海爾路立交下游主線和五里店立交上游主線波幅最小，為29.38%。

從圖5可以看出，江州立交上下游主線最高流量跟道路通行能力（單向三車道）有較大的差距，但持續波動的流量圖表明主線車流處于紊亂（擁堵）狀態。筆者推測有以下兩個原因：

（1）黃花園下游進入石黃隧道路段從單向四車道（經過渠化）變成兩車道，道路通行能力下降，產生向后傳播的交通波，對江州立交主線車輛的通行造成很大影響；

（2）五里店立交下游入口匝道和主線有信號燈控制，當主線由紅燈轉為綠燈時，大量排隊的主線車輛啟動時產生往前傳波的交通波，也會對江州立交主線車輛的通行造成較大影響。

4 結論

本文基于交通波理論對山地城市快速路入口匝道的匯入過程（主線流量較大）波動特性進行了分析，同時以重慶市快速路渝魯大道早高峰擁堵現象為原型考慮了交通波傳播的機理，這是對交通波理論應用的一個拓展。本文的不足之處是只考慮了山地城市快速路常發性擁堵的入口匝道瓶頸匯入問題，未對其他瓶頸問題分析，今后將對其余問題進行深入探討。

參考文獻

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