兼顧城市道路功能干線公路車道寬度研究

蘇小青 段和柱 劉振濤

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司1) 武漢 430052) (武漢理工大學交通與物流工程學院2) 武漢 430063)

0 引 言

干線公路交通的復雜性導致在改造成兼顧城市道路功能干線公路的過程中面臨著諸多問題，其中車道寬度的設置決定著道路通行能力與交通安全，同時還影響土地占用與工程造價.

國外車道寬度的研究主要結合以人為本的思想，綜合考慮用路者的交通特性和心理特性，并基于交通安全給出車道寬度建議值.Ziaur等[1-2]基于交通事故修正系數預測模型得到的碰撞修正系數，利用限速、每條車道的年平均日交通量，以及直行車道數的組合，提出了車道寬度的設計建議.Samuel等[3]研究了車道寬度和路肩寬度之間的關系，提出了一個模型以優化給定的車道和路肩寬度分配，并利用所建立的模型制定了一系列決策支持圖，可供公路管理機構在給定條件下確定最佳車道寬度.國內學者研究大多以車輛橫向安全距離及車身與側石間安全距離的經驗公式為主.鄭鳳璽等[4-6]對不同等級城市內部道路的車輛擺動距離進行了分析，認為目前的城市內部道路仍有縮減空間，并給出了城市道路機動車道寬度參考值.孫其軍等[7]結合國外車道寬度設置，通過對部分路段的車輛調查統計，計算了不同情況下的車道寬度，當設計車速為60 km/h時，內側車道寬度可設置為3.13 m；中間車道寬度可設置為3.00 m；外側車道寬度可設置為3.42 m.

上述研究都是針對城市道路車道寬度的研究，而對于兼顧城市道路功能干線公路的車道寬度研究較少.文中選取兼顧城市道路功能干線公路的車道寬度為研究對象，綜合考慮運行車速及車輛橫向安全距離對車道寬度的影響得到科學合理的車道寬度值.結合實地調查相關數據，分析干線公路的交通特點得出車道寬度縮減的可行性，通過波良可夫模型的修正，確定適宜的車道寬度，在降低干線公路改造的工程成本與難度的同時確保改造后的兼顧城市道路功能的路段內車輛能安全通行.并以設置有中央分隔帶的單向三車道干線公路為例給出車道寬度建議值，利用VISSIM仿真并結合實例，驗證該車道寬度建議值的合理性.

1 車道寬度分析

1.1 波良可夫模型

波良可夫模型主要是用于計算道路中兩行駛車輛間或行駛車輛與路緣石的橫向安全距離，該模型是基于運行車速與道路橫斷面各個組成部分的關系上建立的.

車輛的行駛橫向安全距離為

(1)

(2)

(3)

式中：x為對向行駛車輛間的橫向安全距離，m；d為同向行駛車輛間的橫向安全距離，m；c為車輛與路緣石之間的橫向安全距離，m；v、v1、v2為車輛行駛速度，km/h.

車輛的車身寬度與橫向安全距離構成了單條車道的寬度.其中橫向安全距離取決于行駛車輛車身的擺動以及駕駛員對于橫向安全距離的心理需求，心理需求與駕駛車輛性能、行駛速度、交通狀況等相關.

1.2 數據采集

調查內容：①干線公路的機動車流量狀況；②干線公路的平均車速、瞬時車速、分車道運行車速；③干線公路的車型組成情況、車輛并行統計；④干線公路的行車橫向距離統計；⑤不同車道寬度下車速的分布情況.

根據調查內容，相關車速數據由雷達測速器獲取，車道寬度由卷尺測量，車流量、車型組成、行車橫向安全距離等均根據獲取的攝像資料后期分析獲得.選取G107江夏區路段、G318漢陽區路段、G230喻家灣路段作為主要數據調查點，其中設計速度分別為60，80，80 km/h.圖 1為調查點橫斷面示意圖.G107和G318的調查路段為已經進行過快速化改造的路段，為補充對不同車道寬度的運行車速調查，選取了武漢市內部分城市主干路作為補充調查.

圖1 橫斷面示意圖(單位：m)

將調查車輛分為小型車、中型車、大型車三類，分類標準為[8]：①小型車 9座以下的客車，廠定最大總質量小于6 t且車身長大于3 m、小于6 m的車輛；②中型車 10座以上20座以下的客車，廠定最大總質量大于6 t、小于14 t，且車身長大于6 m、小于9 m的車輛；③大型車 20座以上的客車，廠定最大總質量大于14 t，且車身長大于9 m的車輛.

1.3 車道寬度影響因素分析

由實地觀測得到三種車道布置形式的車型組成比例見表1，不同車道上車輛類型的分布見圖2，其中1、2、3、4代表車道由內側車道逐步向外至外側車道.

表1 不同橫斷面形式車型組成比例表

由圖2可知：在保證車輛運行的通行效率的前提下進行干線公路快速化改造時車道設計應考慮采用車道不等寬設計，根據車道功能劃分相應的寬度：內側車道根據小型車輛外廓尺寸進行設計，外側車道根據大型車輛進行設計，合理利用有限的土地資源.

圖2 不同車道車型分布圖

根據由所選干線公路路段的數據調查，得到不同車道寬度的車輛運行車速-累計頻率曲線見圖3.

圖3 不同車道寬度的車輛運行車速-累計頻率曲線

由圖3可知:小型車在車道寬度為3.75，3.50，3.25 m下的V85分別為77，75，68 km/h；最高運行車速分別為95，92，90 km/h.綜上分析，車道寬度在3.50與3.75 m時對小型車輛的運行速度幾乎沒有影響，車道寬度可以不必設置為3.75 m.

同小型車情況類似，在3.75與3.5 m的車道寬度的路段上，大型車的運行車速-累計頻率曲線的趨勢無明顯的區別，但相較于小型車，車速稍低，速度主要分布在40～65 km/h.3.75和3.50 m車道寬度下的V85均為65 km/h，最高運行車速均為80 km/h；3.25 m車道寬度下V85為62 km/h，最高運行車速為75 km/h，可以認為大型車運行車速受車道寬度影響較小.

1.4 車道寬度調整可行性分析

根據胡章立等[9]對飽和車頭時距與車道寬度的分析，給出了車道寬度對道路通行能力的影響系數見表2.

表2 車道寬度對道路通行能力的影響系數

理想情況下，通行能力會隨寬度減小有所降低.但實際情況下，在寬車道中駕駛人發生不文明駕駛行為(隨意變道、超速、不規范的超車等)的可能性更高，機非混行以及存在有行人過街需求的路段發生交通事故的概率也更大，對道路通行能力造成了一定的負面影響.因此對車道寬度進行合理的縮減調整后，可以約束駕駛行為，進而提高道路通行能力.

文獻[10]中規定，大城市道路面積在15%～20%最佳.根據袁大昌等[11]研究可知：假設所有車道均為3.5 m，車道寬度平均縮減0.1 m，城市則可增加約4‰～5‰的建設面積.結合秦建軍等[12]研究中的計算，將現有的大型車道寬度縮減調整為3.50 m，小型車道寬度調整為3.25 m，以四車道高架橋的建設為例，每延米可節約工程造價約為3 500～5 000元.

2 車道寬度修正

2.1 波良可夫模型修正

表3為調查路段上不同車型的運行車速與流量統計表.

由表3可知:在干線公路上有88.65%的運行車輛為小型車，而大型車所占比例很低，且各車型運行速度相差較大.當道路上不同類型車輛以不同的運行車速混行嚴重時，會對路段整體的運行狀況造成很大影響.

表3 不同車型在各速度區的流量統計

為了更準確的分析目前干線公路上行駛車輛的橫向距離分布，從而對波良可夫模型進行修正.圖4為車輛在運行情況下的橫向距離分布圖，用于擬合分析得到運行車速與橫向安全距離的關系.

由圖4可知：運行車速與車輛的橫向距離呈正相關關系，橫向安全距離隨著運行車速的增加而增大.當速度趨近于零時，散點曲線會與Y軸交于一定點，這個點是一個極限值，是車輛行駛速度無限趨近于零時車輛之間的橫向安全距離即最小橫向安全距離值.

圖4 橫向安全距離散點圖

為了確定同向行駛車輛間的最小橫向安全距離值，選取武漢市一條城市主干路在入口處測量一系列車輛停車等待綠燈信號時的兩相鄰車輛之間的橫向距離得到了一組車輛之間的最小橫向距離值.圖5為車輛靜止時獲取的相關橫向距離，用于通過累計頻率確定相關的最小橫向安全距離.

圖5 最小橫向安全距離分布統計

由圖5可知：85%的最小橫向距離在0.51～0.66 m內波動，最小橫向距離在0.60～0.62 m處累計頻率曲線斜率出現突變，故選取平均值0.61 m作為同向行車間最小橫向安全距離值.

將圖4中數的橫向距離值減去得到的最小橫向安全距離0.61 m，對新數據利用Origin進行擬合，得到相關系數最高的關系模型為

w′=0.056v0.51

(4)

式中：w′為不計最小橫向安全距離的同向行車間橫向安全距離，m;ν為運行車速，km/h.

結合式(4)與最小橫向安全距離，得到同向行駛車輛之間的橫向安全距離計算模型為

w1=0.61+0.056v0.51

(5)

式中：w1為同向行車間橫向安全距離，m.

同理可得式(6)～(7)：

w″=0.0055v

(6)

式中：w″為不計最小橫向安全距離的車輛與車道邊緣線間橫向安全距離，m.

w2=0.32+0.005 5v

(7)

式中：w2為車輛與車道邊緣線間橫向安全距離.

對比得到的波良可夫修正模型與初始模型，設計速度分別在60，80，100 km/h 的情況下，兩者的橫向安全距離見表4.

表4 橫向安全距離對比

由表4可知：修正后的波良可夫模型相較于初始模型，在三種設計速度下，兩種橫向安全距離都有不同程度的縮減，最大縮減比例達到21.69%，最小縮減比例為6.03%.

2.2 車道寬度修正

根據式(5)和式(7)，可以得到干線公路快速化改造時不同情況下的機動車道寬度建議計算式見式(8)～(12)，其中小型車專用道取車身寬度為1.9 m，混行車道取車身寬度為2.1 m，最外側車道取車身寬度為2.55 m.因為橫向安全距離并不會隨運行車速的增大而無限增大，故由式(5)～(9)計算所得的車道寬度大于3.75 m時一律取3.75 m.

1) 有中央分隔帶的最內側小型車專用道

0.32+0.005 5v

(8)

2) 有中央分隔帶的最內側車道(混行車道)

0.32+0.005 5v

(9)

3) 同向行駛中間小型車專用道

(10)

4) 同向行駛中間車道(混行車道)

(11)

5) 最外側車道

032+0.005 5v

(12)

式中：W為車道寬度，m；a為車身寬度，m；w1為同向行車間橫向安全距離，m；w2為車輛與車道緣線間橫向安全距離，m.

結合式(8)～(12)，計算得出各設計速度下，設置有中央分隔帶的單向三車道干線公路車道寬度建議值見表5.

表5 不同設計速度下的干線公路車道寬度建議值

表5僅為通過式(8)～(12)計算所得的車道寬度建議值，為證明其合理性，利用仿真軟件進行驗證分析.在兼顧城市道路功能干線公路實際的快速化改造工程中，可結合改造道路的等級、位置、道路功能、橫斷面現狀布置型式等實際情況對參考值進行增減，從而最大化的利用有限土地資源，并且實現路段車輛的高效運行.

3 VISSIM仿真分析

3.1 仿真軟件可行性分析

在相同的道路條件、交通流參數條件下，分別模擬寬度為2.5，2.8,3.5,4.5 m的單車道，各車道進行五次仿真試驗.對比四種車道寬度下的平均速度值，研究車道寬度與VISSIM仿真軟件內部模型的相關性.對所輸出相應的平均速度進行分析統計見表6.

表6 各車道運行車速分析

由表6可知：在其他條件相同的情況下，隨著車道寬度的增加，四條車道所對應的均值相應增大，方差相近.因此，車道寬度與VISSIM仿真軟件的內部模型之間相互關聯，通過改變車道寬度可以模擬車道交通流特性的變化.

3.2 工程實例應用

考慮車道寬度對路段車輛運行的影響，且在干線公路進行快速化改造時，橫斷面多為封閉式主線加輔道的布置形式，所以在VISSIM仿真時不考慮交叉口的設置和非機動車及行人對車輛運行的影響.

1) 車道布置 根據表4，設計速度為60 km/h時重新調整后的主線車道寬度為：內側小型車專用道3.08 m+中間車道3.16 m+外側車道3.73 m.

2) 車型參數輸入 對該路段調查發現得小型車、中型車、大型車的組成比例為：67.46%、22.77%、9.77%.

3) 其他參數輸入 取平均停車距離值為1.2 m；車道變換距離取固定值40 m；最小車頭時距取值范圍定于1.0 m；根據調查結果，速度為0時的橫向距離為0.6 m；速度為50 km/h時，橫向距離為1.1 m.

根據以上參數設置，設計車速為60 km/h的仿真結果見表7.分析車道寬度修正后獲得的仿真結果，與實際情況進行相比而言，用相對偏差值判斷修正后的車道寬度的有效性.

表7 仿真結果分析

由表7可知：在采用波良可夫修正后的模型所得到的車道寬度時，路段各車道的交通量與平均車速與實際調查數據雖有一定的差距，但總體變化不大，各值均小于7%；其中外側車道寬度減小最少，數據變化也最小，均小于2%，修正后的車道寬度對交通運行影響很小，可以認為修正后的波良可夫模型與車道寬度計算式具備一定的合理性，可供兼顧城市道路功能干線公路車道寬度的布置作為理論參考.

4 結 論

1) 通過對實際路段的交通數據調查，分析了兼顧城市道路功能干線公路不同車道寬度下的車型組成與運行車速對車道寬度取值的影響.根據車道寬度對交通安全、道路通行能力、土地占用及工程造價的影響，確定了車道寬度修正的可行性.

2) 結合橫向距離與運行車速的調查統計，對波良可夫模型進行了修正，修正模型的橫向安全距離與初始模型相比在設計速度為60～100 km/h內有最低6.03%，最高21.69%的縮減程度.利用修正波良可夫模型，得到了適用于兼顧城市道路功能干線公路的車道寬度計算式，給出了不同設計速度下單向三車道的車道寬度建議值.

3) 利用VISSIM軟件并結合工程實例對得到的波良可夫修正模型進行了驗證分析，在設計速度為60 km/h情況下得到仿真結果并與實測數據對比發現路段小時交通量與平均運行車速相對誤差值均在7%以內.可以認為通過波良可夫修正模型計算的車道寬度對車輛運行的影響有限，該模型可以為日后兼顧城市道路功能干線公路車道寬度的設置提供一定的理論參考.