混合車流對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)計有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

二級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)或旅游景點等，綜合運用范圍最廣。截至2019年底，全省公路通車總里程達(dá)到14.4萬km，其中二級及以上公路占比為16.9%。在國省道規(guī)劃布局方案中，二級公路占據(jù)主體地位[1-2]。目前山西省國省道規(guī)模及通達(dá)程度仍有待提高，且現(xiàn)有的國省道服務(wù)品質(zhì)不高，還需進(jìn)一步強化，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，對工程可行性方面的研究，及新建、改擴建公路的合理設(shè)計尤為重要。道路的服務(wù)對象是車輛，需要根據(jù)車輛的特性進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，速度是駕駛員、交通管控人員、公路設(shè)計人員、規(guī)劃人員、決策者對公路運行水平評價的基礎(chǔ)，本文以混合車型比例為研究變量，以速度分布規(guī)律為研究目標(biāo)，以對新建、改擴建公路的規(guī)劃、工程可行性研究、設(shè)計產(chǎn)生的影響為落腳點進(jìn)行研究。

2 二級公路車輛行駛速度影響因素

2.1 道路對行駛速度的影響

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

表1 道路條件設(shè)置

2.2 車輛對行駛速度的影響

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

二級公路連接政治、經(jīng)濟(jì)中心或大型工礦區(qū)以及運輸繁重的城郊地區(qū)，公路的運輸功能對社會的發(fā)展具有重要作用，因此貨車比例相對較大，貨車行駛速度相對較慢，實際約為30 km/h～45 km/h，對小型客車的行駛造成影響，當(dāng)前方有慢速車輛阻礙行駛時，需要超車后繼續(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座的客車和載質(zhì)量不大于2 t的貨車為小型車，座位大于19座的客車和載質(zhì)量不大于7 t的貨車為中型車[4]，為了探索車型比例對速度產(chǎn)生的影響，本文設(shè)置中型車占比最高為50%，具體設(shè)置如表2所示。

表2 設(shè)計小時交通量 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、車輛以及行人的狀態(tài)及相互交互現(xiàn)象的微觀仿真軟件，將直觀演示與動靜態(tài)評估相結(jié)合，是還原現(xiàn)實場景、預(yù)測交通狀態(tài)、選取優(yōu)化方案、制定評價指標(biāo)等的重要工具。VISSIM以Wiedenann建立的生理-心理跟車模型為基礎(chǔ)，如圖1所示；車道變換采用了Rule-based算法。其原理為：后車駕駛員發(fā)現(xiàn)與前車距離大于安全距離時以期望速度行駛，小于心理安全距離時開始減速；若存在多車道，被阻礙的車輛將判斷其余車道的行車間距，進(jìn)行變道超車，仿真模型構(gòu)建流程如圖2所示。

3.2 車輛參數(shù)設(shè)置

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

根據(jù)二級公路設(shè)計速度及實際速度的測量，將中型車的期望速度設(shè)置為35 km/h～45 km/h，如圖7所示；小型車的期望速度設(shè)置為70 km/h～100 km/h，如圖8所示。

3.3 道路參數(shù)設(shè)置

道路長度分別設(shè)置為500 m，600 m，700 m，800 m及900 m，設(shè)置為車道寬度為3.75 m的雙車道道路。跟車模型采用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，跟車車輛采用平滑的靠近行為；車道變換控制采用自由的車道選擇，當(dāng)速度小于期望速度時，車輛可以自由超車，準(zhǔn)備超車時以4 m/s2先減速再以3 m/s2加速進(jìn)行超車。

3.4 模型驗證

本文需對建立的5種長度、6組交通量以及6種車型比例，180條路段進(jìn)行模型驗證。采用的方法為將中型車與小型車比例為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條件下的運行結(jié)果為例，其仿真車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 速度分布對比 km/h

4 仿真運行結(jié)果分析

4.1 不同長度路段受車型比例的影響分析

1)總體趨勢。

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

2)速度區(qū)間范圍分析。

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

表4 不同長度路段車速受車型變化的影響 km/h

3)重點分析。

在相同流量的條件下，中型車與小型車比例達(dá)到一半時，交通運行處于不穩(wěn)定狀態(tài)，駕駛員對周圍環(huán)境、車輛及道路條件的判斷差異性明顯，對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，以及時的道路監(jiān)管手段對交通進(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 不同交通量受車型比例的影響分析

1)總體分析。

通過對相同長度，不同長度公路路段進(jìn)行分析，可知整體呈上升趨勢，且增速由快到慢，且拐點均在中型車占比30%處(見圖13)。

2)速度分布區(qū)間分布分析。

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

5 結(jié)論

本文以不同長度、不同流量作為控制條件，研究了車輛類型分布變化對運行速度產(chǎn)生的影響，對其變化進(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)到一定長度以后，需要考慮不同車型的期望速度，對路段進(jìn)行相應(yīng)的渠化管理，相應(yīng)則需增加路段設(shè)計寬度。

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

3)若路段上大部分車輛行駛速度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計速度時，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)的改擴建道路的標(biāo)準(zhǔn)。

4)當(dāng)中型車占比大于30%時，要考慮預(yù)測流量對設(shè)計、改擴建公路設(shè)計速度及服務(wù)水平產(chǎn)生的影響。