互通立交入口匝道大型車加速特性研究

張亞坤 李敏 楊碧琦

摘 要：目前大型車存在高速公路互通立交入口加速匯入道路主線困難的情況，導(dǎo)致互通立交入口交通事故日益增加。通過對(duì)互通立交合流影響區(qū)車輛運(yùn)行特性調(diào)查，基于修正的二階Erlang車頭時(shí)距分布模型，建立大型車安全匯入主線的加速車道長(zhǎng)度模型;探究大型車比功率、坡度與加速段長(zhǎng)度的關(guān)系;推導(dǎo)出符合我國(guó)互通立交車輛運(yùn)行狀況的加速車道長(zhǎng)度推薦值。研究發(fā)現(xiàn)：車輛的比功率越小，隨著坡度增大，車輛需要越長(zhǎng)的匝道加速車道長(zhǎng)度。該研究可以為高速公路互通立交針對(duì)大型車方面的加速車道長(zhǎng)度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的修訂提供參考。

關(guān)鍵詞：大型車;互通立交;加速車道長(zhǎng)度;比功率;坡度

中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-214-04

Abstract： At present， large vehicles have difficulties in accelerating the merge of highway interchanges into the main line of the road， resulting in an increasing number of traffic accidents at interchange entrances. By investigating the vehicle operating characteristics in the area affected by the interchange， based on the revised second-order Erlang headway time distribution model， an acceleration lane length model for large vehicles safely entering the main line is established; explore the relationship between specific vehicle power， slope and the length of the acceleration section ; Deducing the recommended value of the acceleration lane length that meets the operating conditions of interchange vehicles in China. The study found that the smaller the specific power of the vehicle， the longer the ramp that the vehicle needs to accelerate the lane length as the slope increases. The research can provide a reference for the revision of standards and specifications related to the acceleration lane length of large vehicles on the interchange of expressways.

Keywords： Large vehicle; Interchange; The length of acceleration lane; Power-to-weight ratio; Slope

CLC NO.： U467? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-214-04

前言

互通立交的加速車道是為了供駛?cè)胲囕v進(jìn)行加速，設(shè)置在入口匝道和主線之間的附加車道。目前我國(guó)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2017）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）[1]已經(jīng)基于不同設(shè)計(jì)速度對(duì)加速車道的最小長(zhǎng)度進(jìn)行了規(guī)定。但是由于大型車自身的車身上以及匯流能力不強(qiáng)的特點(diǎn)，所以大型車比小型車的等待匯流時(shí)間要長(zhǎng)，所需要的加速車道比小型車的要長(zhǎng)。《規(guī)范》中規(guī)定的加速車道長(zhǎng)度不能滿足目前比功率低處于爬坡狀態(tài)的大型車，存在安全隱患。

我國(guó)規(guī)范中的數(shù)值規(guī)定與日本類似[2]。美國(guó)AASHTO中規(guī)定的長(zhǎng)度取值綜合考慮了不同主線和匝道的設(shè)計(jì)速度[3]。Alexandra等人[4]根據(jù)分合流影響區(qū)域可接受間隙理論，對(duì)車輛在匝道的加減速特性進(jìn)行研究，從而計(jì)算加減速車道長(zhǎng)度。[5] Yang G.C.等人對(duì)卡車進(jìn)行分類，研究不同類型的卡車在加速車道的加速行為，計(jì)算出不同卡車類型加速車道長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果證明了中型和大型卡車的加速車道長(zhǎng)度是美國(guó)綠皮書中規(guī)定的1.3～1.6倍[6-7]。同時(shí)在互通立交入口加速車道長(zhǎng)度計(jì)算模型方向中，Hassan等人在加速車道長(zhǎng)度計(jì)算中綜合考慮了安全，并使用了概率模型[8]。邵長(zhǎng)橋等人研究了加速車道上車輛匯入高速公路主線車流的概率，建立了加速車道長(zhǎng)度方面的概率統(tǒng)計(jì)模型[9]。大量研究表明：在匝道入口處合流，車頭時(shí)距服從負(fù)指數(shù)分布，在距匯流鼻端50～200米內(nèi)車頭時(shí)距服從2階愛爾朗分布，在距匯流鼻端200米后車頭時(shí)距服從3階愛爾朗分布[10]。因此，有必要對(duì)不同比功率的大型車在不同坡度下的加速車道長(zhǎng)度設(shè)置展開深入研究。

1 合流影響區(qū)車輛交通特性分析

合流鼻上游150m，下游760m的范圍內(nèi)被稱為合流影響區(qū)[11]。本文對(duì)主線設(shè)計(jì)速度為80km/h和100km/h的互通立交合流影響區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研來采集數(shù)據(jù)。

1.1 合流影響區(qū)不同流量下的車頭時(shí)距分布模型

實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，主線在不同的合流影響區(qū)位置車流量也是不同的，因此不同位置處的分布模型不同。在主線上游位置的車流量q不大于每小時(shí)250輛，此時(shí)服從移位負(fù)指數(shù)分布;在主線中下游位置，車輛完成合流，主線車流量q在每小時(shí)250輛到500中間，此時(shí)車流量較大，服從2階Erlang分布。

1.2 合流影響區(qū)下可插入間隙

當(dāng)主線上車輛較多的時(shí)候，匝道上的大型車需要慢慢降低速度，讓速度趨于平穩(wěn)，等待可以通過的時(shí)機(jī)，當(dāng)?shù)竭_(dá)匝道盡頭，則需要停車等待，等待可以通過的間隙為可插入間隙。根據(jù)實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，大型車可插入間隙一般在4-5秒。

1.3 合流影響區(qū)車輛速度、加速度特性及車輛駕駛行為

通過圖1對(duì)合流影響區(qū)的速度特性研究后可以得出大型車的車輛駕駛行為。可以了解到不同車輛剛?cè)雲(yún)R流鼻的時(shí)候速度較小，逐漸加速度增加，速度隨著增加;在等待階段前，加速度逐漸減小，速度逐漸穩(wěn)定，車輛等待合流，如果出現(xiàn)主線車流較大，那么需要停車等待可插入間隙去通過。

2 加速車道長(zhǎng)度計(jì)算模型

以第一章節(jié)的二階Erlang分布模型，大型車的可插入間隙理論和加速車道車輛的駕駛行為為基礎(chǔ)，建立互通立交入口加速車道長(zhǎng)度計(jì)算模型。根據(jù)大型車車輛在加速車道的駕駛行為將加速車道長(zhǎng)度分為3段：加速段L1、等待段L2、合流段L3;完整加速車道長(zhǎng)度：

2.1 加速段長(zhǎng)度

2.2 等待段長(zhǎng)度

2.3 合流段長(zhǎng)度

3 模型中關(guān)鍵參數(shù)取值

3.1 大型車匯流鼻初速度

根據(jù)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)較多高速公路互通立交的坡度大于2%，圖2是根據(jù)調(diào)研匯集的互通立交的車輛匯流鼻初速度。

從圖2中可以明顯看出，幾乎所有大型車在匯流鼻初速度都明顯低于合流影響區(qū)的設(shè)計(jì)速度。同時(shí)通過《規(guī)范》可以查到大型車在坡度2%

3.2 大型車匯流點(diǎn)末速度

若大型車處于處于坡度i>2%的高速公路時(shí)候，為了使大型車安全合流就要使得大型車匯流點(diǎn)末端處的速度足夠合理。通過實(shí)地調(diào)查給出匯流處的速度推薦值如表2所示。

3.3 平均加速度

對(duì)于大型車的加速度，結(jié)合汽車?yán)碚揫12]，對(duì)我國(guó)大型車在路面上行駛過程進(jìn)行受力分析。大型車輛在行駛過程中，會(huì)受到空氣阻力Fw、坡度阻力Fi、滾動(dòng)阻力Ff、加速阻力FI。根據(jù)汽車運(yùn)動(dòng)方程知[13]：

3.4 大型車匝道加速車道長(zhǎng)度

根據(jù)表1和表2中的大型車在不同主線和匝道的設(shè)計(jì)速度對(duì)應(yīng)的匯流鼻和匯流點(diǎn)速度取值，結(jié)合在公式（2）和公式（13），不同坡度的車輛速度-加速段長(zhǎng)度關(guān)系表3-5。

4 結(jié)論

本文基于修正的二階Erlang車頭時(shí)距分布模型，對(duì)主線設(shè)計(jì)速度為100km/h和80km/h的互通立交入口合流影響區(qū)大型車加速特性進(jìn)行研究，建立對(duì)高速公路合流影響區(qū)安全匯入主線的加速車道長(zhǎng)度模型;模擬出比功率為8kw/t～ 12kw/t的大型車在坡度2%

（1）加速車道長(zhǎng)度不僅受主線設(shè)計(jì)速度影響，有必要結(jié)合合流區(qū)交通流特性及大型車駕駛行為設(shè)計(jì)加速車道長(zhǎng)度。

（2）坡度2%

（3）本文通過對(duì)設(shè)計(jì)速度80km/h和100km/h的大型車在高速公路加速車道長(zhǎng)度取值及計(jì)算過程進(jìn)行分析，可以為高速公路互通立交針對(duì)大型車方面的加速車道的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的修訂提供參考。

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