公式章1節(jié)1高速公路互通式立交入口合流視距通視三角區(qū)研究

1、 公式章1節(jié)1高速公路互通式立交入口合流視距通視三角區(qū)研究 摘 要：為明確高速公路互通入口合流區(qū)通視三角區(qū)問題，提供更加靈活的設(shè)計(jì)理論依據(jù)，對(duì)互通入口合流視距及其通視三角區(qū)進(jìn)行了研究。首先基于實(shí)際駕駛條件定義了入口合流視距概念。其次結(jié)合車輛的碰撞條件與微觀駕駛行為，分別建立了基于二次減速理論與換道理論的合流視距計(jì)算模型。最后，以主線合流視距為主導(dǎo)提出匝道合流視距建議值，并提出通視三角區(qū)合理位置的建議。研究表明合流視距大小與主線設(shè)計(jì)速度等因素相關(guān)。Keys：道路工程；合流視距；通視三角區(qū)。0 引言互通式立交入口路段（簡(jiǎn)稱“互通入口”）由于車輛存在相互間干擾，往往事故多發(fā)。根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)廣州某高速

2、事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)互通區(qū)域內(nèi)事故比重高達(dá)70% 1。分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)互通入口路段事故是由于駕駛?cè)嗽诟咚傩旭傊形茨軐?duì)互通入口進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，最終因來(lái)不及減速或換道避讓匯入車輛而發(fā)生碰撞。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于互通入口合流視距（簡(jiǎn)稱“合流視距”）的研究均較少。美國(guó)AASHTO規(guī)范中提出了判斷視距的概念，但未單獨(dú)針對(duì)互通入口進(jìn)行專門地解釋說(shuō)明。我國(guó)公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG-D20-2017）（簡(jiǎn)稱規(guī)范）中提出互通入口合流區(qū)一定范圍內(nèi)應(yīng)保證通視，但未對(duì)不同道路基礎(chǔ)設(shè)施條件進(jìn)行明確、詳細(xì)地分類解釋。潘兵宏2等結(jié)合汽車?yán)碚摷敖煌魈匦?分析了主線車輛在不同駕駛行為條件下應(yīng)保證的安全視距,構(gòu)建了立交合流區(qū)視距三角形；

3、吳朝陽(yáng)3根據(jù)合流區(qū)車輛的駕駛行為特性，構(gòu)建了主線相互合流連接部的安全視距計(jì)算模型。綜上，目前對(duì)互通入口合流區(qū)的視距問題研究較少，尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)與廣泛的研究；針對(duì)該路段事故多發(fā)的現(xiàn)象，對(duì)合流視距問題進(jìn)行系統(tǒng)、深入地研究與討論，把握其機(jī)理與規(guī)律，不論是對(duì)于該路段的交通安全保障，亦或是對(duì)公路工程靈活性、包容性設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，都將有一定推動(dòng)意義。1 合流視距及通視三角區(qū)分析1.1 互通入口車輛碰撞條件分析匝道車輛通過(guò)合流鼻后將進(jìn)行加速，并在平行加寬段或漸變段的某一位置匯入主線。此時(shí)主線車輛與匝道車輛產(chǎn)生碰撞的極限條件為：匝道車輛未經(jīng)過(guò)充分加速，而選擇在平行加寬段起點(diǎn)（平行式加速車道）或漸變段起點(diǎn)（直接式

4、加速車道）位置直接匯入主線，此時(shí)若主線最外側(cè)車道上的后方來(lái)車未經(jīng)充分減速或換道避讓，將產(chǎn)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。故對(duì)于采用平行式加速車道的互通入口，其最早碰撞點(diǎn)位置應(yīng)處于平行加寬段起點(diǎn)位置。直接式加速車道入口最早碰撞點(diǎn)則位于漸變段起點(diǎn)位置。在進(jìn)行合流視距模型建立時(shí)，將其統(tǒng)一考慮為三角地面標(biāo)線終點(diǎn)位置。1.2 互通入口的通視三角區(qū)通過(guò)碰撞條件分析，互通入口應(yīng)從合流視距起點(diǎn)直至三角地面標(biāo)線終點(diǎn)位置保證主線與匝道的通視，以便車輛相互觀察并進(jìn)行決策與相應(yīng)操作。而對(duì)于合流鼻后三角地面標(biāo)線路段，由于主線與加速車道之間不存在護(hù)欄遮擋，視野較開闊，故應(yīng)重點(diǎn)保障主線合流視距起點(diǎn)至合流鼻（即合流視距范圍內(nèi)）與匝道通視，通視

5、三角區(qū)應(yīng)由主線合流視距與匝道車輛在此期間所行駛的距離進(jìn)行確定。2合流視距計(jì)算模型主線最外側(cè)車道上行駛的車輛在通過(guò)互通入口合流區(qū)時(shí)，駕駛?cè)丝蛇x擇減速或換至內(nèi)側(cè)車道避讓匝道匯入車輛兩種方式。基于實(shí)際微觀駕駛行為與實(shí)際需求，可分別建立出合流視距模型。2.1 基于二次減速理論的合流視距模型以駕駛?cè)诉x擇減速避讓為條件，結(jié)合車輛運(yùn)行特性與駕駛?cè)松睦硖匦?，以主線最外側(cè)車道上車輛在碰撞點(diǎn)前避開匝道匯入車輛為目標(biāo)，可將合流視距起點(diǎn)至碰撞點(diǎn)的行駛過(guò)程分為以下微觀駕駛階段：首先，駕駛?cè)嗽诳吹胶狭鞅呛?，此時(shí)由于護(hù)欄對(duì)視線的干擾，駕駛?cè)送荒苓M(jìn)行精準(zhǔn)判斷，故發(fā)現(xiàn)匝道來(lái)車時(shí)，駕駛?cè)硕虝悍磻?yīng)后首先將進(jìn)行第一階段的減速。

6、待行駛至合流鼻處，此時(shí)駕駛視野開闊，駕駛?cè)藢⒏鶕?jù)與加速車道上車輛的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷決策，當(dāng)與匝道車輛位置較近時(shí)，駕駛?cè)藢⑦M(jìn)行二次減速操作。故可將合流視距起點(diǎn)至碰撞點(diǎn)主線車輛的駕駛操作分為反應(yīng)階段、一次減速階段、判斷決策階段、二次減速階段。其中，合流視距范圍內(nèi)應(yīng)包含反應(yīng)階段與一次減速階段，一次減速階段的末速度可通過(guò)建立判斷決策距離、二次減速距離與合流鼻與碰撞點(diǎn)距離的關(guān)系確定。2.2 基于換道理論的合流視距模型以駕駛?cè)诉x擇換道至內(nèi)側(cè)車道為條件，由于換道距離較長(zhǎng)，故部分駕駛?cè)嗽诳匆娀ネㄈ肟诤驮训郎系能囕v后，會(huì)選擇直接向內(nèi)側(cè)車道換道。此時(shí)可將合流視距起點(diǎn)至碰撞點(diǎn)主線車輛的駕駛操作分為兩個(gè)階段，即反應(yīng)階

7、段和換道階段。圖1互通入口合流視距模型2.3 反應(yīng)距離L1根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)駕駛?cè)嗽谥骶€上行駛時(shí)的反應(yīng)時(shí)間研究，其取值在1.52.5s之間4：從安全角度進(jìn)行考慮，采用反應(yīng)時(shí)間為t1=2.5s。反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車輛行駛距離L1為：1* MERGEFORMAT ()式中：V1為基本路段最外側(cè)車道的運(yùn)行速度。2.4 一次減速距離L2根據(jù)包括制動(dòng)力上升階段的汽車制動(dòng)模型5分析，減速過(guò)程中汽車駛過(guò)的距離L2為：2* MERGEFORMAT ()式中：V2為能滿足車輛二次減速需求的第一減速階段最大末速度（km/h）； 為制動(dòng)力上升時(shí)間（s），取0.2s； 為制動(dòng)減速度（m/s2），取3.4 m/s26。2.5 判

8、斷決策距離L3根據(jù)國(guó)外相關(guān)研究7，駕駛?cè)嗽趯?duì)前方道路有預(yù)期時(shí)的判斷決策時(shí)間t3為：3* MERGEFORMAT ()式中：x為信息容量，判斷決策階段駕駛?cè)酥恍枳龀鍪欠窭^續(xù)減速的決策，故x取1bit，t3取1.6s。由此可得駕駛?cè)诉M(jìn)行判斷決策時(shí)行駛距離L3為：4* MERGEFORMAT ()2.6 二次減速距離L4根據(jù)包括制動(dòng)力上升階段的汽車制動(dòng)模型，二次減速距離為：5* MERGEFORMAT ()式中：VZ為匝道匯入車輛的運(yùn)行速度，取車輛未經(jīng)充分加速的情況，即主線最低限速值60km/h。2.7 車輛換道距離L5從微觀換道操作角度出發(fā)，換道過(guò)程應(yīng)包含等待目標(biāo)車道出現(xiàn)可插入間隙階段與執(zhí)行換道操

9、作階段。根據(jù)安欣8的研究，不同設(shè)計(jì)速度的高速公路主線車道在設(shè)計(jì)服務(wù)水平下出現(xiàn)一次可插入間隙的平均時(shí)間在2.773.91s之間。故經(jīng)反應(yīng)階段后車輛一次換道平均等待可插入間隙時(shí)間應(yīng)為max(tw - t1)，行駛的距離L5-1為：6* MERGEFORMAT ()對(duì)于換道執(zhí)行階段，潘兵宏9以余弦函數(shù) 為初始模型，通過(guò)建立邊界條件提出一種與實(shí)際換道軌跡擬合程度較高的勻速偏移余弦曲線模型，并進(jìn)行求導(dǎo)并化簡(jiǎn)后得到車輛執(zhí)行換道距離：7* MERGEFORMAT ()式中：W為換道寬度，取3.75m； 為橫向力系數(shù)；ih為行車道橫坡；max橫向加速度變化率最大值，取1.0。3.合流視距建議值3.1 車輛運(yùn)行

10、速度調(diào)查為獲取合流視距計(jì)算所需主線車輛運(yùn)行速度，選取天氣與交通條件良好的3個(gè)連續(xù)工作日，在包茂高速、京昆高速和連霍高速中臨近互通入口的基本路段，利用測(cè)速槍等設(shè)備對(duì)車輛運(yùn)行速度進(jìn)行采集與處理分析后，得到車輛運(yùn)行速度如表1所示：表1主線基本路段車輛運(yùn)行速度建議值（小型車）車道類型設(shè)計(jì)速度（km/h）最外側(cè)車道運(yùn)行速度（km/h）單向四車道120110100單向三車道1201101001009085單向雙車道120120100100100858080803.2 基于二次減速理論的合流視距S計(jì)算值以駕駛?cè)嗽谂鲎颤c(diǎn)前能夠避讓匝道匯入車輛為邊界條件，可得關(guān)系式：9* MERGEFORMAT ()將各參數(shù)代

11、入計(jì)算，可得主線車輛在合流鼻處的最大速度V2。合流視距長(zhǎng)度表達(dá)式為：10* MERGEFORMAT ()將各參數(shù)代入計(jì)算，整理后最終得到合流視距計(jì)算值，如表2所示：表2 基于二次減速理論的合流視距計(jì)算值（m）設(shè)計(jì)速度120/100/80（km/h）合流鼻至三角地面標(biāo)線終點(diǎn)距離406080100S140/98/85125/82/69108/66/6093/64/603.3 基于換道模型的合流視距S計(jì)算值以駕駛?cè)嗽谂鲎颤c(diǎn)前能夠順利換至內(nèi)側(cè)車道為邊界條件，可得關(guān)系式：11* MERGEFORMAT ()將各參數(shù)代入計(jì)算，整理后最終得到合流視距計(jì)算值，如表3所示：表3 基于換道理論的合流視距計(jì)算值（m

12、）設(shè)計(jì)速度120/100/80（km/h）合流鼻至三角地面標(biāo)線終點(diǎn)距離406080100S176/144/133156/124/113136/104/93116/84/733.4匝道合流視距建議值同時(shí)對(duì)于匝道車輛而言，主線車輛進(jìn)行相應(yīng)操作時(shí)，匝道車輛也應(yīng)能夠隨時(shí)觀察到主線車輛并及時(shí)調(diào)整車速，以免在匯入時(shí)直接相遇產(chǎn)生沖突。其中當(dāng)主線車輛選擇二次減速避讓時(shí)，由于車輛始終位于主線最外側(cè)車道，與匝道匯入車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)更大，故匝道合流視距應(yīng)考慮為：主線車輛在合流鼻前進(jìn)行反應(yīng)與一次減速的時(shí)間段內(nèi)，匝道車輛在分流鼻前行駛的距離。故有：12* MERGEFORMAT ()式中： 為匝道設(shè)計(jì)速度， 為主線車輛一

13、次減速時(shí)間，可按 計(jì)算。取合流鼻至三角地面標(biāo)線終點(diǎn)距離L較小時(shí)各參數(shù)取值為不利情況，得到不同設(shè)計(jì)速度下匝道合流視距的建議值（取整5m）如表：表4 匝道合流視距建議值（m）匝道設(shè)計(jì)速度（km/h）主線設(shè)計(jì)速度（km/h）1201008040604560609070403.5互通入口合流區(qū)通視三角區(qū)的確定互通入口合流鼻前，主線與匝道應(yīng)分別保證其合流視距所連通而成的三角區(qū)的通視，以便主線車輛與匝道車輛相互觀察。從包容性設(shè)計(jì)角度出發(fā)，主線側(cè)三角區(qū)邊長(zhǎng)應(yīng)考慮為視距要求更大的換道避讓操作,即選取表3中對(duì)應(yīng)主線各設(shè)計(jì)速度的最大計(jì)算值；匝道側(cè)三角區(qū)邊長(zhǎng)應(yīng)考慮為匝道設(shè)計(jì)速度較大時(shí)的情況，即考慮表4中對(duì)應(yīng)主線各設(shè)

14、計(jì)速度的最大計(jì)算值：4 結(jié)論（1）互通入口合流視距不足，通視三角區(qū)不能得到有效保障時(shí)，主線車輛避讓匝道匯入車輛的時(shí)間與空間不足，易引發(fā)碰撞事故；（2）合流視距大小與主線設(shè)計(jì)速度相關(guān)，且研究建議值大于規(guī)范中給定的唯一值，從包容性設(shè)計(jì)理念的角度來(lái)看，規(guī)范中所給定值偏低，這也從一定程度上解釋了互通入口事故多發(fā)現(xiàn)象；（3）當(dāng)三角地面標(biāo)線段過(guò)短時(shí)，最早碰撞點(diǎn)與合流鼻位置最近。故在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可通過(guò)調(diào)整匝道線形與匯入角度給予駕駛?cè)烁蟮牟僮骺臻g。同時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施，防止匝道車輛在三角地面標(biāo)線路段直接強(qiáng)行匯入主線，引發(fā)事故。（4）本文更多以主線車輛駕駛行為為主導(dǎo)，對(duì)合流視距與合流通視三角區(qū)進(jìn)行研究討論。

15、今后的研究可進(jìn)一步以匝道車輛駕駛行為為主導(dǎo)討論相關(guān)課題。Reference頡驥, 何柏青. 高速公路交通事故主要成因分析及解決方案研究J. 交通與運(yùn)輸, 2013, (12): 144-146.潘兵宏, 田曦, 董愛強(qiáng). 高速公路互通式立交合流區(qū)安全視距分析J. 中外公路, 2016, 36(01): 317-320.吳朝陽(yáng). 高速公路主線分岔、合流連接部關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)研究D. 長(zhǎng)安大學(xué), 2016.陳勝營(yíng)，汪亞干，張劍飛. 公路設(shè)計(jì)指南M. 人民交通出版社, 2000.Bauer K M， Harwood D W. STATISTICAL MODELS OF ACCIDENTS ON INTERCHANGE RAMPS AND SPEED-CHANGE LANESJ. Highway Design, 1998.He Y, Sun X, Coakley R C. Safety Analysis of Freeway Interchanges: First International Symposium on Transportation and Development Innovative Best PracticesC, 2008.Evans J L, Elefteriadou L, Gautam N. PROBABILITY OF BREAKDOWN AT FREEWAY