超高速公路及其通行能力研究

何永明,斐玉龍

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

超高速公路及其通行能力研究

何永明,斐玉龍

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了適應(yīng)未來設(shè)計(jì)車速高于120 km/h的高速公路發(fā)展需求，首先提出超高速公路的概念，并對(duì)超高速公路技術(shù)等級(jí)進(jìn)行劃分，然后分析超高速公路的駕駛特性，最后對(duì)超高速公路通行能力進(jìn)行深入研究。研究表明：通過提高超高速公路設(shè)計(jì)車速并不能提高超高速公路的通行能力，而建設(shè)基于自動(dòng)駕駛技術(shù)的汽車列車專用高速公路，既可以提高超高速公路的設(shè)計(jì)車速，又能夠提高超高速公路的通行能力。

超高速公路；設(shè)計(jì)車速；通行能力；專用公路；汽車列車

我國公路最高設(shè)計(jì)車速120 km/h，最早出現(xiàn)在1956年版《公路工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(修訂草案)》中，60多年來車輛性能和道路設(shè)計(jì)施工技術(shù)都得到了極大地提高。隨著汽車新技術(shù)和智能交通技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)車速超過120 km/h的高速公路將成為可能。

目前，我國高速公路最高設(shè)計(jì)車速一般選用120 km/h[1]。但是，市場銷售的普通汽車設(shè)計(jì)車速大多在180 km/h以上，甚至部分賽車設(shè)計(jì)車速達(dá)到400 km/h(見表1)，現(xiàn)行高速公路限速已經(jīng)影響汽車性能的發(fā)揮，因此，提出了超高速公路的概念。

1 超高速公路

1.1 超高速公路定義

目前，國內(nèi)已有“超高速公路”的表述，但是均指“信息”超高速公路，與交通無關(guān)。國外僅有與“超高速公路”看似相近，實(shí)則相去甚遠(yuǎn)的美國得克薩斯州“超級(jí)大馬路”， 該“超級(jí)大馬路”總里程達(dá)6 400 km，路寬400 m，建成后可通汽車、卡車、火車。水、油、天然氣、電的供應(yīng)管道以及光纜等通訊管道都可沿路布置，并未涉及“車速”這一關(guān)鍵指標(biāo)。世界各國高速公路最高限速一般依照高速公路的設(shè)計(jì)車速，大多在130 km/h以下。各國高速公路限速值見表2[2]。

表1 部分汽車最高設(shè)計(jì)車速

表2 各國高速公路限速

注：德國部分地區(qū)不限速。

我國普通高速公路設(shè)計(jì)車速為120 km/h，因此，本文作者在《超高速公路發(fā)展可行性論證與必要性研究》中將超高速公路定義為：設(shè)計(jì)車速超過120 km/h的高速公路，超高速公路也屬于高速公路，且采用比《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2014)》更高的技術(shù)指標(biāo)[2]。

超高速公路符合高速公路的4個(gè)條件：

1)只供汽車高速行駛；

2)設(shè)有多車道、中央分隔帶，將往返交通完全隔開；

3)設(shè)有立體交叉口；

4)全線封閉，出入口控制，只準(zhǔn)汽車在規(guī)定的一些立體交叉口進(jìn)出公路。

1.2 超高速公路等級(jí)劃分

根據(jù)公路的使用功能、設(shè)計(jì)車速以及超高速公路定義，將公路分為高速公路和普通公路，高速公路又分為超高速公路和普通高速公路。其中，普通高速公路和普通公路分別對(duì)應(yīng)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2014)》的高速公路和一、二、三、四級(jí)公路，設(shè)計(jì)車速不變，超高速公路根據(jù)設(shè)計(jì)車速分為超一級(jí)、超二級(jí)和超三級(jí)高速公路。

因此，新公路等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3、表4所示。

表3 新公路等級(jí)劃分

表4 高速公路等級(jí)劃分

1.3 各級(jí)超高速公路比較

通過以上分類，各級(jí)超高速公路服務(wù)對(duì)象、建設(shè)方式和預(yù)計(jì)實(shí)施年限見表5。

表5 各級(jí)超高速公路比較

2 超高速公路駕駛特性分析

2.1 超一級(jí)高速公路

1)駕駛員。超一級(jí)高速公路由駕駛員控制車輛，駕駛員視野、注意力更加集中，反應(yīng)時(shí)間約為1.5 s。其他駕駛特性與普通高速公路基本相同。

2)車輛。超一級(jí)高速公路服務(wù)車輛主要是乘用車，允許混入少量設(shè)計(jì)車速超過130 km/h的貨車。車輛普遍具有制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(ABS)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESP/DSC/VSC/ESC等)、緊急制動(dòng)輔助系統(tǒng)(EBA/BAS/BA/EVA等)、電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)(EBD/CBC/EBV等)、牽引力控制系統(tǒng)(ASR/TCS/TRC/ATC等)、定速巡航等功能。

3)道路。超一級(jí)高速公路設(shè)計(jì)車速為160 km/h，我國平原地區(qū)既有高速公路大部分平曲線半徑能夠滿足160 km/h設(shè)計(jì)車速要求，只需進(jìn)行少量平縱曲線改造，增加車速指導(dǎo)系統(tǒng)等電子設(shè)施即可。

2.2 超二級(jí)高速公路

1)駕駛員。超二級(jí)高速公路采用輔助駕駛或自動(dòng)駕駛技術(shù)，駕駛員能夠隨意切換自動(dòng)駕駛模式和人工駕駛模式，以避免駕駛疲勞，提高駕駛樂趣。緊急情況下，車載電腦可以干預(yù)人工駕駛，控制車輛，避免操作失誤，提高安全性能。由于采取輔助駕駛和自動(dòng)駕駛技術(shù)，駕駛員反應(yīng)時(shí)間可取1.0 s。

2)車輛。超二級(jí)高速公路服務(wù)車輛是具有輔助駕駛或自動(dòng)駕駛功能的小汽車，這些車輛廣泛使用車間通訊技術(shù)、自動(dòng)駕駛技術(shù)。車間通訊技術(shù)基于GPS全球定位系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在無線網(wǎng)絡(luò)中，兩輛車以特定的頻率進(jìn)行通訊。當(dāng)兩車建立連接后，兩車間可以共享相互的參數(shù)信息，如兩車的相對(duì)位置、各自的速度、巡航軌跡等。自動(dòng)駕駛汽車依靠人工智能、視覺計(jì)算、雷達(dá)、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動(dòng)的操作下，自動(dòng)安全地操作機(jī)動(dòng)車輛。

3)道路。超二級(jí)高速公路設(shè)計(jì)車速為200 km/h，是乘用小汽車專用高速公路，將禁止貨車和大客車通行。超二級(jí)高速公路將廣泛使用人車路協(xié)同技術(shù)[4]，人車路協(xié)同技術(shù)通過出行者、智能車載單元和智能路側(cè)單元之間實(shí)時(shí)、高效和雙向的信息交互，有效地提升道路交通系統(tǒng)的安全性和通行效率。

2.3 超三級(jí)高速公路

1)駕駛員。超三級(jí)高速公路沒有真正意義的駕駛員，出行者只需通過觸屏輸入出發(fā)地和目的地等參數(shù)，即可安全到達(dá)。因此，計(jì)算超三級(jí)高速公路通行能力時(shí)，駕駛員反應(yīng)時(shí)間為0 s。

2)車輛。超三級(jí)高速公路服務(wù)車輛是高度智能化的自動(dòng)駕駛小汽車，無需安裝方向盤，通過觸屏和按鍵操作，也可通過手機(jī)觸屏或語音操作。高度智能化的自動(dòng)駕駛小汽車不但使用車間通訊技術(shù)、自動(dòng)駕駛技術(shù)，還將運(yùn)用車路協(xié)同技術(shù)和虛擬導(dǎo)軌技術(shù)。

車隊(duì)一體無人駕駛行車系統(tǒng)(汽車列車系統(tǒng))的開發(fā)，將使超三級(jí)高速公路通行能力得到爆炸式提升，可提高到原來的20倍。車隊(duì)一體無人駕駛行車系統(tǒng)將高度智能化的汽車排成一排，以固定間距、同樣車速行使在路上。每輛智能汽車之間利用無線通信以及紅外線連接，所有智能車輛能夠保持一定車距、按照一定的速度穩(wěn)定行駛，形成虛擬列車。

3 通行能力分析

3.1 計(jì)算方法

超高速公路一條車道的通行能力可根據(jù)式(1)，利用設(shè)計(jì)車速V和最小車頭間距hs計(jì)算得到。

C=1 000V/hs.

(1)

式中：C為通行能力，pcu/h；V為車速，km/h；hs為最小車頭間距，m。

3.2 參數(shù)確定

最小車頭間距一般要求必須滿足大于緊急情況下的停車視距和車輛長度之和。停車視距由三部分組成：駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離S1，開始制動(dòng)汽車到汽車完全停止所行駛距離S2(制動(dòng)距離)，及安全距離S0(5～10 m)，即式(2)。

Smin=St+L=S1+S2+S0+L=

vt+v2/254(u±i)+S0+L.

(2)

式中：Smin為最小車頭間距，m；St為停車視距，m；L為車輛長度，m；v為行駛速度，km/h；t為駕駛員知覺反應(yīng)時(shí)間，s；u為路面與輪胎之間的縱向摩阻系數(shù)；i為道路縱坡，%。

1)反應(yīng)時(shí)間行駛距離。超高速公路設(shè)計(jì)車速較高，駕駛員注意力隨設(shè)計(jì)車速的提高而更加集中，反應(yīng)更為迅速，結(jié)合以上超高速公路駕駛特性的分析，超高速公路駕駛員反應(yīng)時(shí)間見表6。

表6 反應(yīng)時(shí)間行駛距離

2)路面制動(dòng)距離。制動(dòng)距離的長短與行駛的速度、制動(dòng)力、附著系數(shù)有關(guān)，而附著系數(shù)因輪胎、路面、制動(dòng)等條件不同而異。根據(jù)《典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術(shù)鑒定》(GA/T643-2006)提供的參考值(見表7)，假設(shè)新鋪裝的瀝青路面上，超高速公路上車輛行駛車速均大于48 km/h時(shí)，附著系數(shù)取0.65[5]。在水平路段上i=0。由S2=v2/254(u±i)計(jì)算制動(dòng)距離得表8。

3)最小車頭間距。最小安全距離S0一般取5～10 m[6]，超高速公路設(shè)計(jì)車速較高，取最高限10 m，車輛長度L按標(biāo)準(zhǔn)小汽車計(jì)算，取5 m，則根據(jù)式(2)計(jì)算冰雪路面最小車頭間距見表9。

表7 附著系數(shù)取值

表8 不同計(jì)算車速制動(dòng)距離

表9 最小車頭間距 m

超三級(jí)高速公路采用高度智能化的自動(dòng)駕駛小汽車，沒有真正意義的駕駛員，汽車由電腦操控，反應(yīng)時(shí)間為0 s。若采用車隊(duì)一體無人駕駛行車系統(tǒng)(汽車列車系統(tǒng))，則組成汽車列車各車的加速、減速和停車均由頭車統(tǒng)一控制，其制動(dòng)距離由各車制動(dòng)距離之差決定，取15 m。

4)通行能力計(jì)算。最小安全距離S0一般取5～10 m，超高速公路設(shè)計(jì)車速較高，S0取10 m，則通行能力計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 超高速公路通行能力

3.3 通行能力分析

根據(jù)式(1)，公路通行能力與設(shè)計(jì)車速和車頭間距有關(guān)，而根據(jù)式(2)，車頭間距由設(shè)計(jì)車速、附著系數(shù)等參數(shù)決定。按照各級(jí)超高速公路通行能力計(jì)算參數(shù)取值，得到各級(jí)超高速公路通行能力曲線見圖1。

圖1 超高速公路通行能力曲線

從圖1可以看出，按照常規(guī)方法計(jì)算超高速公路通行能力，通行能力的最大值出現(xiàn)在60～80 km/h，隨著設(shè)計(jì)車速的提高，通行能力逐漸下降。而采用汽車列車方式計(jì)算超高速公路通行能力，則通行能力與車速成正比，在設(shè)計(jì)車速為240 km/h時(shí)，采用汽車列車的通行能力達(dá)到單車通行能力的15倍以上。

4 結(jié) 論

汽車技術(shù)的發(fā)展要求有更高等級(jí)的高速公路與之相適應(yīng)，高速公路限速120 km/h的天花板終究會(huì)被突破。

隨著設(shè)計(jì)車速的提高，超高速公路駕駛特性與傳統(tǒng)高速公路差異越來越大，而為汽車列車服務(wù)的超高速公路駕駛特性更是發(fā)生顛覆性的變化。

對(duì)超高速公路通行能力的研究表明:為傳統(tǒng)單個(gè)汽車服務(wù)的超高速公路通行能力，隨著車速的增加而增加，在60～80 km/h時(shí)達(dá)到最高值，隨著車速的繼續(xù)提高，通行能力逐漸下降。而采用汽車列車方式計(jì)算超高速公路通行能力，則通行能力與車速成正比，在設(shè)計(jì)車速為240 km/h時(shí)，其通行能力達(dá)到傳統(tǒng)通行能力的15倍以上。

因此，建設(shè)基于自動(dòng)駕駛技術(shù)的汽車列車專用高速公路，既可以提高超高速公路的設(shè)計(jì)車速，又能夠提高超高速公路的通行能力?；谧詣?dòng)駕駛技術(shù)的汽車列車專用高速公路將可能成為超高速公路發(fā)展的終極目標(biāo)。

[1] 中華人民共和國交通部公路司，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)公路工程委員會(huì).公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JTG B01-2014[S].北京：人民交通出版社，2004.

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[4] 何永明,裴玉龍.高速公路車速指導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真研究[J].公路, 2014(6):179-181.

[5] 中華人民共和國交通部.典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術(shù)鑒定：GA/T643-2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[6] 張家銘.車路協(xié)同仿真系統(tǒng)測試及其驗(yàn)證方法研究[D] .北京:北京交通大學(xué)，2014:3-4.

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Research on super highway and its capacity

HE Yongming, PEI Yulong

(College of Traffic Engineering，Northeast Forestry University, Harbin150040, China)

In order to meet the demand of highway development design speed higher than 120km/h, this paper proposes a concept of super highway, by dividing the technical grade，then analyzing the driving characteristics of super highway, finally studying the traffic capacity of super highway. The result shows that, improving the design speed of super highway can not improve the traffic capacity, but special highway for automatic driving vehicle can improve the design speed, and improve the traffic capacity.

superhighway; design speed; traffic capacity; special highway；auto train

2017-03-23

中央高校基本科研業(yè)務(wù)基金項(xiàng)目(2572016CB16)；國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51638004)

何永明 ( 1979-) ，男， 講師,博士,研究方向：交通規(guī)劃.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.003

U491.1

A

1671-4679(2017)04-0008-04