基于交通流的同分带开口长度研究

基于交通流的同分带开口长度研究

0同分带开口长度研究随着道路道路网的日益发展和客运的快速增长，高速公路（以下简称高速公路）建设中的10个车道和以上的车道数量将成为未来高速公路建设的重要方向。目前高速公路客货混合行驶的方式已经较难满足未来高速公路交通安全的要求，客货分离行驶的设计方法应运而生。根据国内外研究现状，现阶段客货分离互通式立体交叉(以下简称互通)范围内主线主要采用双重组合道路、专用路、车道限制等设置方法。双重组合道路是指利用物理隔离将道路分为仅供客车行驶的内幅路和允许任意车型行驶的外幅路;专用路是指通过物理隔离或者完全分离的方法分隔客车道与货车道。根据我国的交通量水平，采用了客车、货车强制隔离的整体式断面客货分离形式，即将道路分为内幅路与外幅路，内幅路仅供客车行驶，外幅路仅供货车行驶，中间设置物理分隔带即同向分隔带(简称同分带)。采用同分带后互通出口处内幅路的客车需经过同分带开口与货车交织后，一起驶离主线。若开口长度过短，则客车在变道时会进行紧急制动，从而以较低的速度驶入开口范围内，造成此处与上游客车车道的速度差过大，影响同分带开口范围内车辆的通行能力与安全;若长度过长，客车会以较高的速度变道行驶，但外幅路为货车车道，车速较低，会导致开口范围内车速较高的客车与车速较慢的货车之间冲突增大，且长度过长也会增加驾驶员驾驶的随意性，影响开口范围内车辆间的安全。因此，有必要对客货分离互通整体式断面出口处同分带的开口长度进行研究，以保障立交出口处和整个路网的运行效率与安全。目前国内学者对中央分隔带开口长度的研究较多，对同分带开口长度的研究才刚起步。王宏伟等综上，目前对互通整体式断面的同分带开口长度研究较少。当设置同分带时，设计者对长度的选取无据可寻，可能存在安全隐患，亟待深入研究。因此，笔者结合等速偏移正弦曲线换道模型，建立满足驾驶员行驶安全性与舒适性的立交出口同分带开口长度计算模型，并采用VISSIM仿真模型，基于交通冲突评价模型(SSAM)对长度计算模型的结果进行仿真验证，借此分析同分带开口长度计算模型合理和建议值的可行性。1同分带开口范围内交通流运行状态互通分流区驾驶员的驾驶行为与主线上客、货车的车道数有关，而我国现阶段交通量大的高速公路多为双向六车道或双向八车道及以上，双向十车道及以上的高速公路数量仍较少。因此笔者以双向八车道2T+2C+2C+2T(图1)的组合型式为例对同分带开口范围内车辆的交通流运行情况进行分析。客车从C2车道通过同分带驶入T1车道，与货车交织的运行状态有两种情况:第一种是客车从C2车道直接汇入T1车道;第二种是客车从C2车道变换车道至开口段，并在此范围内行驶一段时间以等待T1车道出现可插入间隙，待间隙出现后再汇入T1车道(图1)。C2车道与T1车道存在较大的速度差，若直接汇入则会产生较大的冲突。因此基于交通安全的考虑，采用第二种汇入方式，并分析研究该汇入方式下同分带开口长度的计算模型。分析客、货车交通流运行过程可知，驶离主线的客车需从C2车道分流行驶至同分带开口段，在开口段等待间隙后再次合流至T1车道。因而该过程可由前渐变段长度L式中:L2采用同族带开口长度计算模型2.1车辆换道路径纵向距离车辆在前、后渐变段完成换道过程。根据杨建国等对式(1)进行恒等变换可得到式(2):式中:W为车辆换道路径的横移距离，m;L为车辆换道路径的纵向距离，m;x为车辆在时刻t所行驶的距离，m。对时间t求导，见式(3):为保证车辆行驶过程中的安全与稳定，在时间t内任意时刻车辆都需满足式(4)和式(5):式中:a将式(4)与式(5)分别进行求解并联立，则渐变段长度L需满足式(6):综上，前渐变段的最小长度见式(7):客车在开口范围合流至T1车道的换道路径也采用正弦曲线换道模型，因此，后渐变段最小长度见式(8):2.2设计速度的确定等待可插入间隙时间大小受车头时距、交通量和设计速度等因素的影响。互通出口段车头时距服从移位二阶爱尔朗分布车辆从客车车道驶出后，会以一定的速度在同分带开口段匀速行驶，该车速与设计速度相比会适当降低，一般可取基本路段设计速度的0.76倍式中:t为时间，s;h为车头时距，s;t3根据同一段的开口长度计算3.1前和后半斜段的长度根据式(7)和式(8)可知，变换车道的长度L3.1.1同分带宽度计算前渐变段中车辆换道行驶的横移宽度W由客车车道的半宽、同分带半宽和同分带左侧硬路肩宽度组成;后渐变段中横移宽度W由同分带半宽、货车车道半宽和同分带右侧硬路肩宽度组成(图1)。客货分离行驶后，客车与货车的运行速度和通行能力均有所提升。美国I-95号新泽西公路客车与货车强制分道行驶后货车专用道主线的不同路段设计速度分别为112km/h(70mph)、80km/h(50mph)。有关文献表明1)车道宽度客货分离互通客车与货车分道行驶，互不干扰，因此车道宽度与传统的客货混合行驶的车道宽度有所差别。JTGD20—2017《公路路线设计规范》2)同分带宽度同分带可强制分隔客、货车道，降低客、货车之间因车速差异较大而造成的干扰，提高道路的通行能力。但当同分带宽度设计不合理时，会在换道时挤占相邻车道，从而使直行车辆减速避让，这样极易导致车辆追尾或刮擦等事故的发生，因此同分带的宽度影响着互通出口范围内的交通安全。同分带的功能和作用与现阶段公路的中央分隔带类似，同时宽度宜满足驾驶员安全与舒适行驶的要求，因此建议其取《规范》规定的中央分隔带宽度的一般值(表1)。3)同分带左侧硬路肩宽度同分带左侧硬路肩宽度由紧急停靠车辆的车身宽度、行驶车辆与停靠车辆之间的安全侧向余宽与安全间距组成。同分带左侧硬路肩可等同于现阶段公路的右侧硬路肩，由于不存在客货混合行驶的运行特性，因此同分带所需的宽度与《规范》规定的硬路肩宽度有所区别。依据王佐等当左侧车道仅供客车行驶与停靠时，宽度计算模型见式(11):式中:W当同分带左侧仅为客车车道时，不同设计速度下的左侧硬路肩宽度经计算见表1。4)同分带右侧硬路肩宽度同分带右侧硬路肩既可提供车辆行驶时必要的侧向余宽以缓解驾驶员高速行驶的紧张感，又可引导驾驶员的视线以保障驾驶员的行车安全，因此将其等同于公路的左侧路缘带。由于同分带右侧仅供货车行驶，因此与《规范》中左侧路缘带宽度也有所区别。右侧硬路肩宽度计算模型如图3。当右侧车道仅供货车行驶时，宽度计算模型见式(12):式中:W不同设计速度下同分带的右侧硬路肩宽度计算结果见表1。综上，前渐变段和后渐变段车辆横移宽度值见表1。3.1.2最大横向加速度JTGB01—2014《公路工程技术标准》JTGTD21—2014《公路立体交叉设计细则》3.1.3加速度变化率横向加速度变化率的取值影响着驾驶员及乘客行车的舒适性，若其变化率过大或变化不连续，会对驾驶员及乘客形成冲击，使乘客的乘车舒适性降低。横向加速度变化率与超高、道路线形、车辆类型等因素有关，且各行各业的横向加速度变化率也不尽相同。铁路上的横向加速度变化率一般小于0.3m·s3.1.4试验前后段的长度将各个参数代入式(7)、式(8)可得到前、后渐变段长度，见表4。3.2平均到达率与单车道根据式(9)可知，车辆在同分带开口处的等待段长度不仅与车辆速度有关，还与车辆的平均到达率有关，而车辆平均到达率与单车道的设计通行能力有关。将四级服务水平下高速公路的设计通行能力代入式(9)、式(10)，得到不同设计速度下等待可插入间隙的平均时间t3.3同分带开口长度同分带开口长度为L对表6分析可知，设计速度和超高均对同分带开口长度有影响，其中设计速度是最主要的影响因素。设计速度越大，所需要的同分带开口长度越长。此外，超高值对同分带开口长度的取值也有一定的影响。超高越大，所需的同分带开口越小。4同分带开口长度仿真结果运用VISSIM仿真平台和交通冲突评价模型(SSAM)，对不同长度的同分带开口进行仿真分析。笔者仅以双向八车道2T+2C+2C+2T组合为例，展示主线设计速度为120、100、80km/h的仿真结果。主线设计速度为120km/h时，客车仿真速度输入值可为88～120km/h，货车输入值可为60～90km/h。倪娜等笔者选取冲突率为评价指标，基于VISSIM平台得到车辆轨迹文件(．trj)，并通过SSAM对不同的车辆轨迹文件进行分析，得到不同开口长度下的冲突次数与冲突率(表7)和不同开口长度与冲突率的关系(图4)。道路安全水平可分为安全、较安全、临界安全和危险4类由表7和表8可知，当设计速度为120km/h、同分带开口长度为450m时，其安全级别为较安全;当设计速度为100km/h、同分带开口长度为320m时，其安全级别为较安全;当设计速度为80km/h、同分带开口长度为240m时，其安全级别在临界安全与较安全之间;当开口长度为300m时，安全级别为较安全，即当设计速度为80km/h时，开口长度取300m较合适。因此当同分带开口长度大于等于建议值时，其冲突率根据模糊隶属度评价道路水平基本为安全或较安全。由图4可得，当开口长度小于建议值时，开口长度越短，其冲突率急剧增大;当开口长度大于或等于建议值时，其冲突率随之降低，且逐渐趋于平缓。以上仿真结果与计算模型计算的开口长度建议值基本相符。因此同分带开口长度的理论计算模型基本合理，同时也验证了开口长度建议值的合理性。根据计算模型和仿真试验，综合考虑得到不同设计速度、不同超高下同分带开口长度建议值(取整5m)见表9。5同分带开口长度笔者首先对客货分离整体式断面互通出口同分带处车辆运行状态进行了分析，研究分析了不同同分带开口长度对交通安全的影响。其次，提出等速偏移正弦曲线换道模型，建立了同分带开口总长度的计算模型。最后，分析计算开口长度计算模型的相关参数，提出不同超高、不同设计速度下的同分带开口所需的长度建议值。研究结果表明:1)同分带开口长度与设计速度、换道所需的横移宽度以及超高等因素有关。其中，设计速度越大，所需同分带开口长度也相应越长。此外，换道所需的横移宽度与车道宽度、左右侧硬路肩宽度和同分带宽度有关，横移宽度越宽，所需同分带开口长度也越长。然而，当设计速度与换道所需的横移宽度不变时，超高越大，所需同分带开口长度越短。2)应用VISSIM和S