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)計理論依據(jù)，對互通入口合流視距及其通視三角區(qū)進行了研究。首先基于實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)國內(nèi)學者對廣州某高速

2、事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)互通區(qū)域內(nèi)事故比重高達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ネㄈ肟谶M行準確識別，最終因來不及減速或換道避讓匯入車輛而發(fā)生碰撞。目前國內(nèi)外對于互通入口合流視距（簡稱“合流視距”）的研究均較少。美國AASHTO規(guī)范中提出了判斷視距的概念，但未單獨針對互通入口進行專門地解釋說明。我國公路路線設(shè)計規(guī)范（JTG-D20-2017）（簡稱規(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，但未對不同道路基礎(chǔ)設(shè)施條件進行明確、詳細地分類解釋。潘兵宏2等結(jié)合汽車理論及交通流特性,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算模型。綜上，目前對互通入口合流區(qū)的視距問題研究較少，尚缺乏統(tǒng)一的認識與廣泛的研究；針對該路段事故多發(fā)的現(xiàn)象，對合流視距問題進行系統(tǒng)、深入地研究與討論，把握其機理與規(guī)律，不論是對于該路段的交通安全保障，亦或是對公路工程靈活性、包容性設(shè)計的實現(xiàn)，都將有一定推動意義。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合流鼻后將進行加速，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)過充分加速，而選擇在平行加寬段起點（平行式加速車道）或漸變段起點（直接式

4、加速車道）位置直接匯入主線，此時若主線最外側(cè)車道上的后方來車未經(jīng)充分減速或換道避讓，將產(chǎn)生碰撞的風險。故對于采用平行式加速車道的互通入口，其最早碰撞點位置應(yīng)處于平行加寬段起點位置。直接式加速車道入口最早碰撞點則位于漸變段起點位置。在進行合流視距模型建立時，將其統(tǒng)一考慮為三角地面標線終點位置。1.2 互通入口的通視三角區(qū)通過碰撞條件分析，互通入口應(yīng)從合流視距起點直至三角地面標線終點位置保證主線與匝道的通視，以便車輛相互觀察并進行決策與相應(yīng)操作。而對于合流鼻后三角地面標線路段，由于主線與加速車道之間不存在護欄遮擋，視野較開闊，故應(yīng)重點保障主線合流視距起點至合流鼻（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行確定。2合流視距計算模型主線最外側(cè)車道上行駛的車輛在通過互通入口合流區(qū)時，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。基于實際微觀駕駛行為與實際需求，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前避開匝道匯入車輛為目標，可將合流視距起點至碰撞點的行駛過程分為以下微觀駕駛階段：首先，駕駛?cè)嗽诳吹胶狭鞅呛螅藭r由于護欄對視線的干擾，駕駛?cè)送荒苓M行精準判斷，故發(fā)現(xiàn)匝道來車時，駕駛?cè)硕虝悍磻?yīng)后首先將進行第一階段的減速。

6、待行駛至合流鼻處，此時駕駛視野開闊，駕駛?cè)藢⒏鶕?jù)與加速車道上車輛的運行情況進行判斷決策，當與匝道車輛位置較近時，駕駛?cè)藢⑦M行二次減速操作。故可將合流視距起點至碰撞點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建立判斷決策距離、二次減速距離與合流鼻與碰撞點距離的關(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，故部分駕駛?cè)嗽诳匆娀ネㄈ肟诤驮训郎系能囕v后，會選擇直接向內(nèi)側(cè)車道換道。此時可將合流視距起點至碰撞點主線車輛的駕駛操作分為兩個階段，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)國內(nèi)外學者對駕駛?cè)嗽谥骶€上行駛時的反應(yīng)時間研究，其取值在1.52.5s之間4：從安全角度進行考慮，采用反應(yīng)時間為t1=2.5s。反應(yīng)時間內(nèi)車輛行駛距離L1為：1* MERGEFORMAT ()式中：V1為基本路段最外側(cè)車道的運行速度。2.4 一次減速距離L2根據(jù)包括制動力上升階段的汽車制動模型5分析，減速過程中汽車駛過的距離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）； 為制動力上升時間（s），取0.2s； 為制動減速度（m/s2），取3.4 m/s26。2.5 判

8、斷決策距離L3根據(jù)國外相關(guān)研究7，駕駛?cè)嗽趯η胺降缆酚蓄A(yù)期時的判斷決策時間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行判斷決策時行駛距離L3為：4* MERGEFORMAT ()2.6 二次減速距離L4根據(jù)包括制動力上升階段的汽車制動模型，二次減速距離為：5* MERGEFORMAT ()式中：VZ為匝道匯入車輛的運行速度，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)，換道過程應(yīng)包含等待目標車道出現(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)計速度的高速公路主線車道在設(shè)計服務(wù)水平下出現(xiàn)一次可插入間隙的平均時間在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間應(yīng)為max(tw - t1)，行駛的距離L5-1為：6* MERGEFORMAT ()對于換道執(zhí)行階段，潘兵宏9以余弦函數(shù) 為初始模型，通過建立邊界條件提出一種與實際換道軌跡擬合程度較高的勻速偏移余弦曲線模型，并進行求導(dǎo)并化簡后得到車輛執(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 車輛運行

10、速度調(diào)查為獲取合流視距計算所需主線車輛運行速度，選取天氣與交通條件良好的3個連續(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，利用測速槍等設(shè)備對車輛運行速度進行采集與處理分析后，得到車輛運行速度如表1所示：表1主線基本路段車輛運行速度建議值（小型車）車道類型設(shè)計速度（km/h）最外側(cè)車道運行速度（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計算值以駕駛?cè)嗽谂鲎颤c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、入計算，可得主線車輛在合流鼻處的最大速度V2。合流視距長度表達式為：10* MERGEFORMAT ()將各參數(shù)代入計算，整理后最終得到合流視距計算值，如表2所示：表2 基于二次減速理論的合流視距計算值（m）設(shè)計速度120/100/80（km/h）合流鼻至三角地面標線終點距離406080100S140/98/85125/82/69108/66/6093/64/603.3 基于換道模型的合流視距S計算值以駕駛?cè)嗽谂鲎颤c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)代入計算，整理后最終得到合流視距計算值，如表3所示：表3 基于換道理論的合流視距計算值（m

12、）設(shè)計速度120/100/80（km/h）合流鼻至三角地面標線終點距離406080100S176/144/133156/124/113136/104/93116/84/733.4匝道合流視距建議值同時對于匝道車輛而言，主線車輛進行相應(yīng)操作時，匝道車輛也應(yīng)能夠隨時觀察到主線車輛并及時調(diào)整車速，以免在匯入時直接相遇產(chǎn)生沖突。其中當主線車輛選擇二次減速避讓時，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險更大，故匝道合流視距應(yīng)考慮為：主線車輛在合流鼻前進行反應(yīng)與一次減速的時間段內(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)計速度， 為主線車輛一

13、次減速時間，可按 計算。取合流鼻至三角地面標線終點距離L較小時各參數(shù)取值為不利情況，得到不同設(shè)計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)計速度（km/h）主線設(shè)計速度（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)計角度出發(fā)，主線側(cè)三角區(qū)邊長應(yīng)考慮為視距要求更大的換道避讓操作,即選取表3中對應(yīng)主線各設(shè)計速度的最大計算值；匝道側(cè)三角區(qū)邊長應(yīng)考慮為匝道設(shè)計速度較大時的情況，即考慮表4中對應(yīng)主線各設(shè)

14、計速度的最大計算值：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，主線車輛避讓匝道匯入車輛的時間與空間不足，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)計理念的角度來看，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）當三角地面標線段過短時，最早碰撞點與合流鼻位置最近。故在實際工程設(shè)計中，可通過調(diào)整匝道線形與匯入角度給予駕駛?cè)烁蟮牟僮骺臻g。同時應(yīng)采取相應(yīng)措施，防止匝道車輛在三角地面標線路段直接強行匯入主線，引發(fā)事故。（4）本文更多以主線車輛駕駛行為為主導(dǎo)，對合流視距與合流通視三角區(qū)進行研究討論。

15、今后的研究可進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. 交通與運輸, 2013, (12): 144-146.潘兵宏, 田曦, 董愛強. 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. 高速公路主線分岔、合流連接部關(guān)鍵技術(shù)指標研究D. 長安大學, 2016.陳勝營，汪亞干，張劍飛. 公路設(shè)計指南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