混合車(chē)流對(duì)公路速度分布的影響規(guī)律研究

張曉麗，林麗芳，孫艷杰

(中科路恒工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

二級(jí)公路的主要功能是連接具體的行政中心、交通樞紐、商業(yè)地帶、住宅社區(qū)、工業(yè)礦區(qū)或旅游景點(diǎn)等，綜合運(yùn)用范圍最廣。截至2019年底，全省公路通車(chē)總里程達(dá)到14.4萬(wàn)km，其中二級(jí)及以上公路占比為16.9%。在國(guó)省道規(guī)劃布局方案中，二級(jí)公路占據(jù)主體地位[1-2]。目前山西省國(guó)省道規(guī)模及通達(dá)程度仍有待提高，且現(xiàn)有的國(guó)省道服務(wù)品質(zhì)不高，還需進(jìn)一步強(qiáng)化，但近期公路建養(yǎng)資金保障不夠充足，土地約束不斷縮緊，由此可見(jiàn)，對(duì)工程可行性方面的研究，及新建、改擴(kuò)建公路的合理設(shè)計(jì)尤為重要。道路的服務(wù)對(duì)象是車(chē)輛，需要根據(jù)車(chē)輛的特性進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，速度是駕駛員、交通管控人員、公路設(shè)計(jì)人員、規(guī)劃人員、決策者對(duì)公路運(yùn)行水平評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，本文以混合車(chē)型比例為研究變量，以速度分布規(guī)律為研究目標(biāo)，以對(duì)新建、改擴(kuò)建公路的規(guī)劃、工程可行性研究、設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響為落腳點(diǎn)進(jìn)行研究。

2 二級(jí)公路車(chē)輛行駛速度影響因素

2.1 道路對(duì)行駛速度的影響

道路條件是行駛速度重要的影響因素之一。道路的線(xiàn)形、車(chē)道數(shù)、車(chē)道寬度及交通管制方式對(duì)速度都有著一定的影響。按JTG B05—2015公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范規(guī)定，公路分析單元可劃分為平直路段、平曲線(xiàn)路段、彎坡組合路段以及縱坡路段等，本文以平直路段為研究對(duì)象[3]；若在不可超車(chē)路段，慢速車(chē)輛對(duì)其他車(chē)輛的影響是顯而易見(jiàn)的，為了研究車(chē)速與路段長(zhǎng)度的關(guān)系，本文以可超車(chē)路段為研究對(duì)象，如表1所示。

表1 道路條件設(shè)置

2.2 車(chē)輛對(duì)行駛速度的影響

各級(jí)公路的設(shè)計(jì)速度應(yīng)根據(jù)公路的功能與技術(shù)等級(jí)，結(jié)合地形、工程經(jīng)濟(jì)和沿線(xiàn)土地利用性質(zhì)綜合確定，根據(jù)JTG B1—2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，二級(jí)公路的年平均日設(shè)計(jì)交通量宜為5 000輛～15 000輛小客車(chē)，換算為小時(shí)交通量208 pcu/h～625 pcu/h，設(shè)計(jì)速度80 km/h。

二級(jí)公路連接政治、經(jīng)濟(jì)中心或大型工礦區(qū)以及運(yùn)輸繁重的城郊地區(qū)，公路的運(yùn)輸功能對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有重要作用，因此貨車(chē)比例相對(duì)較大，貨車(chē)行駛速度相對(duì)較慢，實(shí)際約為30 km/h～45 km/h，對(duì)小型客車(chē)的行駛造成影響，當(dāng)前方有慢速車(chē)輛阻礙行駛時(shí)，需要超車(chē)后繼續(xù)行駛。根據(jù)JTG B1—2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，座位不大于19座的客車(chē)和載質(zhì)量不大于2 t的貨車(chē)為小型車(chē)，座位大于19座的客車(chē)和載質(zhì)量不大于7 t的貨車(chē)為中型車(chē)[4]，為了探索車(chē)型比例對(duì)速度產(chǎn)生的影響，本文設(shè)置中型車(chē)占比最高為50%，具體設(shè)置如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)小時(shí)交通量 veh/h

3 VISSIM仿真模型構(gòu)建

3.1 VISSIM理論原理及模型構(gòu)建流程

VISSIM利用數(shù)學(xué)模型模擬復(fù)雜的道路、車(chē)輛以及行人的狀態(tài)及相互交互現(xiàn)象的微觀(guān)仿真軟件，將直觀(guān)演示與動(dòng)靜態(tài)評(píng)估相結(jié)合，是還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、預(yù)測(cè)交通狀態(tài)、選取優(yōu)化方案、制定評(píng)價(jià)指標(biāo)等的重要工具。VISSIM以Wiedenann建立的生理-心理跟車(chē)模型為基礎(chǔ)，如圖1所示；車(chē)道變換采用了Rule-based算法。其原理為：后車(chē)駕駛員發(fā)現(xiàn)與前車(chē)距離大于安全距離時(shí)以期望速度行駛，小于心理安全距離時(shí)開(kāi)始減速；若存在多車(chē)道，被阻礙的車(chē)輛將判斷其余車(chē)道的行車(chē)間距，進(jìn)行變道超車(chē)，仿真模型構(gòu)建流程如圖2所示。

3.2 車(chē)輛參數(shù)設(shè)置

小型客車(chē)基本模型采用長(zhǎng)度為4.2 m～6 m、寬度為1.8 m～2.1 m的車(chē)型，例如Audi A4，Volkswagen Golf等，如圖3所示；小型貨車(chē)基本模型采用長(zhǎng)度為5 m～8 m、寬度為2 m～2.3 m的車(chē)型，例如Chevrolet Silverado，F(xiàn)ord F150等，如圖4所示；大型客車(chē)基本模型采用長(zhǎng)度為10 m～14 m、寬度為2.8 m～3.2 m的車(chē)型，例如EU Bendy，EU Standard等，如圖5所示；中型貨車(chē)基本模型采用長(zhǎng)度為大于10 m、寬度為大于3 m的車(chē)型，例如EU 04等，如圖6所示；本模型不考慮汽車(chē)列車(chē)對(duì)其他車(chē)輛造成的影響。

根據(jù)二級(jí)公路設(shè)計(jì)速度及實(shí)際速度的測(cè)量，將中型車(chē)的期望速度設(shè)置為35 km/h～45 km/h，如圖7所示；小型車(chē)的期望速度設(shè)置為70 km/h～100 km/h，如圖8所示。

3.3 道路參數(shù)設(shè)置

道路長(zhǎng)度分別設(shè)置為500 m，600 m，700 m，800 m及900 m，設(shè)置為車(chē)道寬度為3.75 m的雙車(chē)道道路。跟車(chē)模型采用Wiedemann74理論模型，設(shè)置最大前視距為250 m，最大后視距離為150 m，最小安全距離為2 m，跟車(chē)車(chē)輛采用平滑的靠近行為；車(chē)道變換控制采用自由的車(chē)道選擇，當(dāng)速度小于期望速度時(shí)，車(chē)輛可以自由超車(chē)，準(zhǔn)備超車(chē)時(shí)以4 m/s2先減速再以3 m/s2加速進(jìn)行超車(chē)。

3.4 模型驗(yàn)證

本文需對(duì)建立的5種長(zhǎng)度、6組交通量以及6種車(chē)型比例，180條路段進(jìn)行模型驗(yàn)證。采用的方法為將中型車(chē)與小型車(chē)比例為0∶1的模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型，將行駛速度與期望速度進(jìn)行對(duì)比分析，若速度達(dá)到期望速度，則模型具有有效性。以500 m，400 pcu/h條件下的運(yùn)行結(jié)果為例，其仿真車(chē)輛速度與期望速度近乎相等，則其模型具有有效性，如表3所示。

表3 速度分布對(duì)比 km/h

4 仿真運(yùn)行結(jié)果分析

4.1 不同長(zhǎng)度路段受車(chē)型比例的影響分析

1)總體趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)相同流量下，不同長(zhǎng)度公路路段進(jìn)行分析，可知中型車(chē)占比最大，小型車(chē)的行駛速度越低。如圖以400 pcu/h的交通流量條件為例，在中型車(chē)與小型車(chē)比例為0.5∶0.5時(shí)，車(chē)輛行駛速度在55 km/h～82 km/h；比例為0∶1時(shí)，車(chē)輛行駛速度在75 km/h～82 km/h，速度整體呈上升趨勢(shì)，如圖9所示。

2)速度區(qū)間范圍分析。

隨著長(zhǎng)度的增加，由車(chē)型比例變化造成的小型車(chē)行駛速度分布范圍更加大。在不同長(zhǎng)度的條件下，小型車(chē)占比達(dá)到100%，行駛速度差異性不大；但不同長(zhǎng)度的平直公路段對(duì)中型車(chē)占比的提升敏感程度不同，長(zhǎng)度越長(zhǎng)的路段，車(chē)型比例變化對(duì)小型車(chē)的速度影響越大，如表4所示。

表4 不同長(zhǎng)度路段車(chē)速受車(chē)型變化的影響 km/h

3)重點(diǎn)分析。

在相同流量的條件下，中型車(chē)與小型車(chē)比例達(dá)到一半時(shí)，交通運(yùn)行處于不穩(wěn)定狀態(tài)，駕駛員對(duì)周?chē)h(huán)境、車(chē)輛及道路條件的判斷差異性明顯，對(duì)道路交通的管理更加困難，需要較為完善的道路管控設(shè)施，以及時(shí)的道路監(jiān)管手段對(duì)交通進(jìn)行全方位的把控，如圖10所示。

4)交通量分布分析。

不同平直公路段長(zhǎng)度條件下，速度分布具有相同規(guī)律。以期望速度為中心，一定分段為半徑，在第一梯度速度分布區(qū)間內(nèi)，交通量占比逐漸增加，如圖11所示；在第二梯度速度分布區(qū)間內(nèi)，交通量占比先增加后減少，如圖12所示。

4.2 不同交通量受車(chē)型比例的影響分析

1)總體分析。

通過(guò)對(duì)相同長(zhǎng)度，不同長(zhǎng)度公路路段進(jìn)行分析，可知整體呈上升趨勢(shì)，且增速由快到慢，且拐點(diǎn)均在中型車(chē)占比30%處(見(jiàn)圖13)。

2)速度分布區(qū)間分布分析。

在相同路段長(zhǎng)度條件下，當(dāng)中型車(chē)比例高于30%時(shí)，速度分布區(qū)間受流量變化影響較大，路段運(yùn)行穩(wěn)定性較差；當(dāng)中型車(chē)比例低于30%時(shí)，路段運(yùn)行較為穩(wěn)定，對(duì)路段流量監(jiān)控的要求較低。

5 結(jié)論

本文以不同長(zhǎng)度、不同流量作為控制條件，研究了車(chē)輛類(lèi)型分布變化對(duì)運(yùn)行速度產(chǎn)生的影響，對(duì)其變化進(jìn)行規(guī)律總結(jié)與分析，得出以下結(jié)論：

1)平直路段達(dá)到一定長(zhǎng)度以后，需要考慮不同車(chē)型的期望速度，對(duì)路段進(jìn)行相應(yīng)的渠化管理，相應(yīng)則需增加路段設(shè)計(jì)寬度。

2)當(dāng)中型車(chē)占比達(dá)到50%時(shí)，要重新考慮路線(xiàn)規(guī)劃，或?qū)υ撀范芜M(jìn)行著重管理。

3)若路段上大部分車(chē)輛行駛速度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)速度時(shí)，以達(dá)到第二梯度速度分布峰值為目標(biāo)，是較為經(jīng)濟(jì)的改擴(kuò)建道路的標(biāo)準(zhǔn)。

4)當(dāng)中型車(chē)占比大于30%時(shí)，要考慮預(yù)測(cè)流量對(duì)設(shè)計(jì)、改擴(kuò)建公路設(shè)計(jì)速度及服務(wù)水平產(chǎn)生的影響。