基于運(yùn)行速度的高速公路限速方法研究

胡圣魁， 王武生， 陸 超

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 長(zhǎng)沙分公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

國(guó)內(nèi)外大量研究數(shù)據(jù)[1-2]表明，交通事故率與速度呈現(xiàn)U型分布關(guān)系，過大的運(yùn)行速度差是導(dǎo)致交通事故的主要原因之一。因此，制定合適的限速方法對(duì)提升高速公路運(yùn)行效率和交通安全水平尤為重要。

1 約束指標(biāo)

經(jīng)對(duì)文獻(xiàn)歸納總結(jié)[3-4]，高速公路運(yùn)行速度的主要約束指標(biāo)可概括為幾何要素、運(yùn)行環(huán)境、駕駛?cè)思夹g(shù)水平、交通安全設(shè)施等，上述約束指標(biāo)都會(huì)對(duì)限速方法和限速值的選擇產(chǎn)生影響。高速公路限速方法的確定是對(duì)主要約束指標(biāo)進(jìn)行逐一分析、層層遞進(jìn)的解析過程。

本文結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行交通安全評(píng)價(jià)體系，在保證交通安全、運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上，從運(yùn)行速度的角度出發(fā)，提出了適合我國(guó)高速公路限速方法的主要約束指標(biāo)。

1.1 幾何要素

高速公路的平、縱、橫等幾何要素對(duì)其運(yùn)行速度起決定性作用。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)各等級(jí)速度的幾何要素極限值做了明確規(guī)定，在保證交通安全的前提下，各種限速方法均應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)速度幾何要素的極限值要求。

影響運(yùn)行速度的幾何要素主要有圓曲線半徑、平曲線長(zhǎng)度、最大縱坡及對(duì)應(yīng)的坡長(zhǎng)等[5]；同時(shí)，路側(cè)凈寬、交通安全設(shè)施等也是影響車輛運(yùn)行速度的因素。因此，在制定高速公路限速方法前，應(yīng)綜合考慮各影響因素并確定其是否具有改善的空間,再綜合分析各幾何要素所能滿足的最大運(yùn)行速度。

1.2 限速區(qū)間及過渡段長(zhǎng)度

限速區(qū)間是指長(zhǎng)里程高速公路，受地形、地貌、交通量等限制，無法采用相同運(yùn)行速度時(shí)，而設(shè)置的不同運(yùn)行速度區(qū)間段。限速區(qū)過渡段則是為保證相鄰限速區(qū)之間車輛的安全、平穩(wěn)運(yùn)行而需要的最小路段長(zhǎng)度。

為避免駕駛員在同一限速區(qū)間內(nèi)進(jìn)行頻繁操作，限速區(qū)間段應(yīng)具有一定的長(zhǎng)度，以滿足車輛的平穩(wěn)運(yùn)行。限速區(qū)間最小長(zhǎng)度由駕駛員對(duì)交通標(biāo)志的識(shí)別距離、駕駛員反應(yīng)時(shí)間段車輛的行駛距離、車流平穩(wěn)行駛距離3部分組成[6]；其取值可參照表1執(zhí)行。

表1 限速區(qū)間最小長(zhǎng)度推薦取值運(yùn)行速度/(km·h-1)對(duì)應(yīng)限速區(qū)最小長(zhǎng)度/km12010.01002.0800.8600.6

限速區(qū)間過渡段長(zhǎng)度由車速調(diào)整反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車輛運(yùn)行的距離、車輛穩(wěn)定行駛的距離組成(見圖1)。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[7]相關(guān)要求，相鄰路段運(yùn)行速度之差不應(yīng)大于20 km/h；因此，對(duì)相鄰限速區(qū)間最小長(zhǎng)度分析時(shí)，只考慮相鄰速度相差不超過20 km/h的情況，其取值可參照表2執(zhí)行。

圖1 限速區(qū)間及過渡段分布示意圖

表2 限速區(qū)間過渡段最小長(zhǎng)度推薦取值限速區(qū)間運(yùn)行速度/(km·h-1)限速區(qū)間速度(km·h-1)對(duì)應(yīng)的最小長(zhǎng)度/m1008060120510——100—500—80——380

1.3 運(yùn)行速度梯度絕對(duì)值

根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B05—2015)的有關(guān)要求，相鄰路段運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性采用相鄰路段的運(yùn)行速度差的絕對(duì)值|V85|及運(yùn)行速度梯度的絕對(duì)值|ΔvIv|進(jìn)行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)策及建議好V85<10 km/h且ΔIv≤10 km/(h·m)/較好10 km/h≤V85<20 km/h且ΔIv≤10 km/(h·m)相鄰路段為減速時(shí),宜對(duì)相鄰路段平縱面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,或采取安全改善措施不良V85≥20 km/h或V85>10 km/(h·m)相鄰路段為減速時(shí),應(yīng)調(diào)整相鄰路段平縱面設(shè)計(jì);當(dāng)調(diào)整困難時(shí),應(yīng)采取安全改善措施

1.4 特殊路段

特殊路段指根據(jù)區(qū)域內(nèi)高速公路事故分布規(guī)律、交通流向分析得出的影響車輛運(yùn)行速度和交通安全問題突出的路段，比如互通區(qū)間段的分、合流區(qū)間段，特長(zhǎng)、長(zhǎng)隧道路段。特殊路段的限速方法應(yīng)考慮路段遠(yuǎn)期的交通量、車型比例以及路側(cè)環(huán)境，其限速值禁止超過正常路段的運(yùn)行速度，且一般情況下不能大于設(shè)計(jì)速度。

2 迭代法分析過程

限速方法的優(yōu)化過程就是運(yùn)行速度分布曲線的構(gòu)建過程。其優(yōu)化過程可以分為以下步驟。

2.1 確定運(yùn)行速度的極值

運(yùn)行速度的極值包括最大值和最小值。根據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》第七十八條相關(guān)規(guī)定：高速公路最高車速不得超過120 km/h，最低車速不得低于60 km/h。在確定高速公路限速時(shí)必須遵守上述條例,即:

Vmax=Vmax(L)=120 km/h

(1)

Vmin=Vmin(L)=60 km/h

(2)

式中：Vmax為運(yùn)行速度的最大值；Vmin為運(yùn)行速度的最小值；L為路線長(zhǎng)度。

2.2 確定初始運(yùn)行速度曲線

利用緯地安全分析軟件(V 4.0)初步確定高速公路在自由流狀態(tài)下85%的行駛車輛不超過的速度(V85)。根據(jù)路線的平、縱面等幾何參數(shù)對(duì)V85進(jìn)行修正，得到中等技術(shù)水平的駕駛?cè)藛T根據(jù)實(shí)際道路條件、交通條件、良好氣候條件等能保持的運(yùn)行速度V1；則初始運(yùn)行速度V1可采用式(3)、式(4)表示。

(3)

V=V(V85,a1,a2,…)

(4)

式中：V1為分析單元運(yùn)行速度；V為經(jīng)修正后運(yùn)行速度；a1、a2為高速公路幾何參數(shù)等約束因素。

2.3 優(yōu)化初始運(yùn)行速度曲線

在初始運(yùn)行曲線確定的情況下，結(jié)合限速區(qū)段長(zhǎng)度、運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性等對(duì)初始運(yùn)行速度曲線進(jìn)行優(yōu)化。限速區(qū)間段的劃分應(yīng)保證全線運(yùn)行速度的平穩(wěn)過渡，相鄰路段運(yùn)行速度之差應(yīng)小于20 km/h；同時(shí)，結(jié)合高速公路的功能定位、車道數(shù)、交通量分布及小型車、大型車的比例等確定限速方法。根據(jù)限速區(qū)間段調(diào)整后的運(yùn)行速度V2可采用式(5)表示。

V2=V2(L1,V1,b1,b2,…)

(5)

式中：L1為限速區(qū)間段長(zhǎng)度；b1、b2為限速區(qū)段運(yùn)行速度約束指標(biāo)。

2.4 確定特殊路段的運(yùn)行速度曲線

高速公路線性指標(biāo)較高，采用全封閉、分方向的交通組織形式,多分布有隧道、服務(wù)區(qū)、互通等構(gòu)造物，因此，針對(duì)上述特殊路段，應(yīng)結(jié)合空間視距[8-9]、項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)交通事故分布規(guī)律等進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行速度曲線,得到特殊路段的運(yùn)行速度曲線V3。

V3=V3(L1,V2,c1,c2,…)

(6)

式中：c1、c2為特殊路段運(yùn)行速度約束指標(biāo)。

2.5 確定最終運(yùn)行速度曲線

結(jié)合V2、V3分析過程，根據(jù)運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性、限速區(qū)段長(zhǎng)度劃分原則等，對(duì)V2、V3進(jìn)行多次迭代反算；確定最終的運(yùn)行速度曲線V4。

計(jì)算過程如下所示：

(7)

(8)

V(L)=V4(n)(L…)

(9)

2.6 綜合效益分析

高速公路限速方案的優(yōu)劣采用車道的通行能力和車輛平均運(yùn)行時(shí)間來評(píng)價(jià)。

一條車道通行能力的評(píng)價(jià)根據(jù)運(yùn)行速度曲線V(L)，結(jié)合區(qū)間段劃分長(zhǎng)度，采用加權(quán)平均法確定。高速公路通行能力的計(jì)算參照《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)[10]，按式(10)表示：

(10)

(11)

式中：Pj為第i區(qū)間車型j的交通量占總交通量的百分比；Ej為車型j的車輛折減系數(shù)，參照《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)選取。

全線車輛的通行能力則可采用式(12)表示。

(12)

車輛平均運(yùn)行時(shí)間根據(jù)運(yùn)行速度曲線V(L)，結(jié)合區(qū)間段長(zhǎng)度確定?？刹捎檬?13)表示。

(13)

3 工程應(yīng)用

湖南省永州至新寧清江橋高速公路(下稱“永新高速”)連接永州市區(qū)、東安縣和新寧縣，規(guī)劃路線走廊整體呈東南西北走向，東起永零高速，西至白新高速公路，橫跨東安縣和新寧縣。路線全長(zhǎng)64.382 km，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，整體式路基寬26 m，分離式路基寬13.0 m，橋涵與路基同寬。

以永新高速為例，采用迭代法對(duì)其限速方案進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

從表3計(jì)算結(jié)果可以看出，采用基于運(yùn)行速度迭代法優(yōu)化后的限速方法能有效提升高速公路的通行能力，并能較大幅度地降低車輛平均通行時(shí)間，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 永新高速公路限速方案分析過程(以小型車為例)序號(hào)步驟約束指標(biāo)限速分布曲線特征值1根據(jù)行業(yè)法規(guī)確定限制速度極值《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》第七十八條Vmax=120 km/hVmin=60 km/hL=64.382 km2確定初始運(yùn)行速度曲線V1(L)① a1最小圓曲線半徑=1 100 m② a2平曲線長(zhǎng)度=543.64 m③ a3最大縱坡=4%④ a4最大縱坡對(duì)應(yīng)坡長(zhǎng)=539.84 4m……① V1(L)=120 km/h② V1(L)=100 km/h③ V1(L)=100 km/h④ V1(L)=100 km/h3優(yōu)化初始運(yùn)行速度曲線V2(L)① 相鄰路段運(yùn)行速度之差應(yīng)小于20 km/h;② b1=(115 km/h, 0.985 km), L1=21.9 km, 絕大多數(shù)路段L2(L1)=120 km/h, 局部路段受幾何要素限制V2(L1)=115 km/h;③ b2=(113.6 km/h, 0.795 km), L2=12.6 km, 絕大多數(shù)路段V2(L2)=120 km/h, 局部路段受幾何要素限制V2(L2)=113.6～117.1 km/h;④ b3=(114.1 km/h, 0.763 km), L3=29.882 km, 絕大多數(shù)路段V2(L3)=120 km/h, 局部路段受幾何要素限制V2(L3)=114.1～116.5 km/h?！?采用分車道限速, 小型車與大型車運(yùn)行速度之差大于20 km/h② V2(L)=112 km/h③ V2(L)=100 m/h④ V2(L)=112 km/h4確定特殊路段的運(yùn)行速度曲線V3(L)① c1永州西樞紐互通, 位于V2(L1)路段② c2山口鋪互通, 位于V2(L1)路段③ c3東安服務(wù)區(qū), 位于V2(L1)路段④ c4東安互通, 位于V2(L1)路段⑤ c5對(duì)江互通, 位于V2(L2)路段⑥ c6渡水停車區(qū), 位于V2(L3)路段⑦ c7一渡水互通, 位于V2(L3)路段⑧ c8巡田服務(wù)區(qū), 位于V2(L3)路段⑨ c9回龍寺樞紐互通, 位于V2(L3)路段① V3(L1)=112 km/h② V3(L2)=100 km/h③ V3(L3)=112 km/h5確定最終運(yùn)行速度曲線V2(L)、V3(L)① V4(L1)=120 km/h; L1=21.9 km② V4(L2)=100 km/h; L2=12.6 km③ V4(L3)=120 km/h; L3=29.882 km6綜合效益分析經(jīng)計(jì)算, 一條車道通行能力CLd=1 217 veh/(h·ln); 車輛平均運(yùn)行時(shí)間tL=0.557 5 h;按設(shè)計(jì)速度100 km/h限速時(shí), 其通行能力Cd=1 139 veh/(h·ln); 車輛平均運(yùn)行時(shí)間t=0.642 8 h經(jīng)計(jì)算, 一條車道通行能力能提高6.85%; 車輛平均運(yùn)行時(shí)間降低13.27%7限速方案① V4(L1)=120 km/h; L1=21.9 km; 立交路段限速110 km/h② V4(L2)=100 km/h; L2=12.6 km③ V4(L3)=120 km/h; L3=29.882 km; 立交路段限速110 km/h

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路限速方法是交通安全管理的重中之重。合適的限速方法不僅能較大幅度地提高高速公路的通行能力、降低駕駛員的平均通行時(shí)間，而且能有效地減少交通事故發(fā)生。

1) 通過多次迭代優(yōu)化后的限速方法，充分考慮了影響車輛運(yùn)行速度的各種因素，能較好地反映高速公路車輛實(shí)際運(yùn)行情況，有利于提高車輛運(yùn)行安全，能為高速公路管理部門的決策提供參考依據(jù)。

2)通過對(duì)永新高速公路限速方案的分析，采用迭代法確定的限速方法能較好地提高高速公路通行能力，并能較大幅度地降低車輛的平均通行時(shí)間，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。