基于客貨分離的十車道高速公路車道管理適用條件研究

熊文磊，莊稼豐，馬天奕

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

伴隨我國經(jīng)濟快速發(fā)展和綜合國力不斷提升，各地的交通需求也在飛速增長，交通的再發(fā)展已引發(fā)了高速公路改擴建的高潮,使得車道數(shù)增加、橫斷面加寬，車輛行駛環(huán)境變得更為復(fù)雜，這一變化趨勢要求我們進一步研究超多車道高速公路的交通運行狀態(tài)，因地制宜，尋求科學(xué)合理的車道管理方案。

國內(nèi)外已在高速公路車道管理方面進行了大量研究和實踐。美國新澤西收費公路拓寬為雙向十二車道后，將內(nèi)側(cè)車道專供小型車行駛，外側(cè)車道供小型車及大型車行駛，大型車優(yōu)先，并將該路段的立交改造成為客貨分離匝道；I-710公路、5號州際公路等貨運頻繁公路均采用了設(shè)置貨車專用道的車道管理方式[1]。國內(nèi)高速公路管理方式的劃分依據(jù)歸納起來主要有4 種：行駛速度、車型大小、客貨車、出口順序[2]。曹廣斌[3]針對某條八車道高速公路的特定交通環(huán)境，對比分析了各車道管理方案的優(yōu)劣；鐘小明等[4]針對客貨混行車道管理出現(xiàn)的問題，對客貨混行、單車道通行、客貨分道、錯時通行等4種車道管理方式的優(yōu)缺點和適用條件進行了深入分析；萬兵[5]依托西寧至互助公路改擴建工程，應(yīng)用VISSIM交通仿真軟件研究在不同貨車混入率的交通狀況下，雙向六車道高速公路客貨分離的自然流量與貨車混入率標(biāo)準(zhǔn)。

針對十車道高速公路復(fù)雜的交通環(huán)境，對車道管理方案的要求更為精細。為了選取合理的車道管理方案，確保擴建后雙向十車道高速公路的安全、高效運行，本文以客車、貨車為劃分依據(jù)對4種車道管理方案(無貨車禁行車道、左側(cè)一條車道禁行貨車、左側(cè)兩條車道禁行貨車、左側(cè)三條車道禁行貨車)進行分析，采用交通模擬仿真技術(shù)，通過試驗分析交通量、交通組成(貨車比例)雙重因素對不同車道管理方案帶來的影響，提出基于客貨分離的十車道高速公路車道管理適用條件，為超多車道高速公路車道管理策略制定提供理論支撐。

1 客貨分離必要性

行車安全和效率是評價高速公路交通運行狀態(tài)的兩大核心，而車輛的運行速度是影響二者的關(guān)鍵因素。不同性能、結(jié)構(gòu)的車輛在道路上行駛存在一定的速度差異，是引發(fā)交通事故的原因之一[6]。大貨車相對于小汽車而言，車型較大且動力性能較低，在行駛的過程中一般表現(xiàn)出速度低、靈活度小以及時空資源消耗大等特征。因此，大車在高速公路上的隨意行駛不僅會降低道路的通行能力，其跟馳和超車等行為也會帶來較大的安全隱患[7]。

1.1 行車速度影響分析

貨車與小客車在外觀尺寸、最大動力性能、總質(zhì)量等參數(shù)方面存在較大差異，由實際運營經(jīng)驗可知，兩者之間的運行速度也存在較大差異。本研究以廣東省某高速車速統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，對貨車與小客車的行車速度進行對比分析，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 廣東省某高速不同車型車速統(tǒng)計表Table 1 Speed statistics of different vehicle types in an expressway in Guangdong Province 單位：km·h-1

從調(diào)研數(shù)據(jù)可知，貨車行駛速度與小客車行駛速度之間存在較大差異，小客車整體運行速度高于貨車運行速度，且小客車車速標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明小客車運行速度不平穩(wěn)，離散度較高。若不采取車道管理措施，所有車輛在各車道自由混行，跟馳過程中貨車的屏障作用會降低小客車的整體運行速度，超車過程中將進一步造成小客車行駛速度離散度增大，行車舒適度及道路安全水平均不理想。

1.2 路段通行能力影響分析

針對客貨混行的整體式通行能力，魏雪延等[8]在《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)的基礎(chǔ)上，考慮內(nèi)外側(cè)車道間換道影響，提出了更為精細的計算方法，引入fOL表示外側(cè)車道修正系數(shù)，fIL表示內(nèi)側(cè)車道修正系數(shù)。具體單向通行能力計算模型表達為

C=CD·fHV·fp·[2fOL+(N-2)·fIL]

,

(1)

式中CD為單車道設(shè)計通行能力，N為單向車道數(shù)，fp為駕駛?cè)丝傮w特征修正系數(shù)，fHV為交通組成修正系數(shù)。

針對客貨分離式通行能力，因客車與貨車分車道行駛，互相影響較小，可單獨計算客車道通行能力與貨車通行能力，兩者之和即為該管理模式下的高速公路通行能力[9]。具體單向通行能力計算模型表達為：

,

(2)

,

(3)

C=Cp+Cf

,

(4)

式中：上標(biāo)p表示客車道相關(guān)參數(shù)，上標(biāo)f表示貨車道相關(guān)參數(shù)。

魏軍[10]研究基于VISSIM仿真平臺對12車道高速公路各參數(shù)進行標(biāo)定，其中假定fHV=0.65，該研究最終得出兩種車道管理方式的通行能力對比如圖1所示。

圖1 不同車道管理形式下通行能力對比結(jié)果Fig.1 Comparison results of traffic capacities with different lane-management forms

由圖1可知，針對貨車混入率較高的情況，實施客貨分離的車道管理方式可以在一定程度上提升路段通行能力。

1.3 行車安全影響分析

裴玉龍等[11]通過對成渝高速、石太高速等高速公路的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，高速公路事故率與行車速度標(biāo)準(zhǔn)差存在極強的數(shù)學(xué)關(guān)系，高速公路行車速度分布離散程度越高，相應(yīng)的事故率越高。兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系模型為：

P=9.583 9e0.055 3Δv，

(5)

式中P為事故率(次/(108·車輛數(shù)·km))，Δv為車速標(biāo)準(zhǔn)差(km/h)。

由上式可知，高速公路車速標(biāo)準(zhǔn)差與事故率的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)特征，車速標(biāo)準(zhǔn)差的增加將造成事故率指數(shù)級增長。因此實施部分車道禁行貨車的車道管理方式可有效降低高速公路事故率，對高速公路行車安全具有積極改善意義。

2 基于全面試驗設(shè)計的交通仿真模型

以客貨分離為原則的十車道高速公路車道管理方案可分為無貨車禁行車道(不禁行)、左側(cè)一條車道禁行貨車(左一禁行)、左側(cè)兩條車道禁行貨車(左二禁行)、左側(cè)三條車道禁行貨車(左三禁行)，4種車道管理方案如圖2所示。

圖2 基于客貨分離的四種車道管理方案示意圖Fig.2 Schematic of four lane-management schemes based on passenger and freight separation

為了進一步明確實際工程應(yīng)用中不同車道管理方案的選擇依據(jù)，需從運行車速、行車安全、通行能力等方面研究不同車道管理方案的適用條件。受現(xiàn)實條件限制，無法對高速公路不同車道管理方案開展實地測試，故采用虛擬仿真技術(shù)驗證不同交通條件下的車道管理方案效果。目前主流的交通微觀仿真軟件為VISSIM，是一種基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具[12]，其跟馳、換道等駕駛行為采用刺激-反應(yīng)模型，能夠模擬許多城市內(nèi)和非城市內(nèi)的交通狀況，在同類軟件中處于領(lǐng)先地位，本研究試驗過程借助VISSIM仿真平臺完成。

2.1 評價指標(biāo)選取

本文主要從行車速度、路段通行能力、行車安全性等方面選取評價指標(biāo)，作為車道管理策略后評價的重要參數(shù)。

平均車速取平均行程速度，可以評價道路的暢通程度，用以衡量交通管理措施的實施效果。對行程速度的調(diào)查需要用到行程時間的測定，在仿真模擬時可以借助軟件得出，在實際工程中可以借助高速公路收費數(shù)據(jù)對車輛行程時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行測算，公式如下:

,

(6)

式中vi為第i輛車的行程速度(km/h)，ti為第i輛車的行程時間(h)，s為路段的長度(km)。

(2)通行能力C

通行能力直接反映道路所能承受的交通負荷強度，是車道管理方案后評估的基本參數(shù)，本文中關(guān)于VISSIM對通行能力的測定方法采用了美國德克薩斯州交通運輸協(xié)會研究成果[13]，認為高速公路通行能力的取值為擁擠狀態(tài)下作業(yè)區(qū)的小時流量。在構(gòu)建的道路仿真模型作業(yè)區(qū)后端設(shè)置檢測點，交通量輸入為2 200 pcu/(h·車道數(shù))，將擁擠狀態(tài)中該檢測點的檢測數(shù)據(jù)作為作業(yè)區(qū)的通行能力值[14]。

(3)沖突數(shù)

本文以VISSIM交通仿真中的仿真車輛為對象，利用SSAM軟件得出的仿真沖突數(shù)作為行車安全評價指標(biāo)。仿真沖突是指仿真模型中兩輛車在相互沖突的軌跡上運行，由于其中一輛車或者兩輛車同時采取了避險行為而沒有發(fā)生仿真事故的事件[15]。運行已搭建好的VISSIM仿真模型，輸出仿真車輛軌跡文件，并導(dǎo)入到仿真沖突分析軟件SSAM中，即可獲得仿真模型中的沖突信息。

2.2 基于VISSIM仿真的全面試驗設(shè)計

仿真試驗擬采取全面試驗設(shè)計方案，首先根據(jù)表2所示交通量、交通組成的取值組合成數(shù)量較多的方案，針對不同的取值組合采取四種車道管理方案進行仿真試驗，輸出路段通行能力、平均車速、沖突數(shù)等相應(yīng)數(shù)據(jù)，對比不同方案的平均運行車速、路段通行能力以及交通沖突數(shù)等指標(biāo)，分析高速公路路段的運行安全與效率。

表2 全面試驗下的雙重因素取值表Table 2 Values of double factors with the comprehensive test

值得說明的是，針對試驗中各種方案的仿真過程，影響因素中的交通量直接在車輛輸入編輯模塊設(shè)置，仿真時的車輛組成參數(shù)由期望車速和大貨車比例共同構(gòu)成，仿真路段長度為2 km。由于微觀仿真軟件VISSIM中不同的隨機種子將改變車輛的達到規(guī)律，為了避免隨機種子對仿真結(jié)果造成的偶然性，仿真時每種試驗方案重復(fù)運行10次，開展數(shù)據(jù)分析時采用10次仿真結(jié)果的平均值。

2.3 模型參數(shù)標(biāo)定與有效性驗證

模型參數(shù)標(biāo)定是指根據(jù)仿真對象的交通運行特征對模型中的參數(shù)進行調(diào)整，達到能夠準(zhǔn)確模擬仿真對象的實際交通特征的目的。為了驗證搭建的VISSIM仿真模型能否客觀反映仿真對象的實際交通特征，還需要對模型參數(shù)的有效性進行驗證。

當(dāng)前仿真模型參數(shù)標(biāo)定工作已有大量的研究人員開展系列研究，周晨靜等[16]以快速路為仿真對象，在Wiedemann99跟車模型默認參數(shù)的基礎(chǔ)上，以天津市某快速路實測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，應(yīng)用遺傳算法得到了一定數(shù)量的參數(shù)標(biāo)定結(jié)果，本研究的仿真試驗均采用該參數(shù)標(biāo)定結(jié)果，見表3。

表3 仿真模型參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Table 3 Calibration results of simulation model parameters

本文獲取廣東省某高速公路100 m長的實際運營數(shù)據(jù)，選取道路交通量和車均延誤作為校核指標(biāo)，通過對比仿真模型輸出與路段實測的校核指標(biāo)準(zhǔn)確率來反映模型參數(shù)的有效性。如表4所示，結(jié)果表明，在道路交通量和車均延誤兩個方面，仿真模型輸出的準(zhǔn)確率分別為90.2%和91.4%，認為仿真模型能夠準(zhǔn)確反映仿真對象的實際交通運行狀況。

表4 仿真與實測的校核指標(biāo)結(jié)果Table 4 Check index results of simulation and measurement

2.4 仿真結(jié)果

共開展117×10組仿真試驗，仿真試驗結(jié)果記錄的指標(biāo)有平均運行車速、道路通行能力及沖突數(shù)，以上指標(biāo)可以較為全面地反映高速公路路段運行效率與運行安全的狀況，仿真試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見OSID科學(xué)數(shù)據(jù)與內(nèi)容。

以交通量800 pcu/(h·車道數(shù))，貨車比例5%條件下仿真結(jié)果為例，該交通條件下采取無貨車禁行車道(不禁行)的車道管理方式，相較于其他三種車道管理方式，其平均運行車速最高，但沖突數(shù)也最高，即各車道管理方案既有優(yōu)點又有不足，單獨對比三個評價指標(biāo)無法有效評價各車道管理方案的實際效果。因此，為便于綜合評價不同車道管理方案下的路段運行水平，需構(gòu)建車道管理方案的綜合評價方法。

3 車道管理適用條件分析

3.1 基于主成分分析法的車道管理方案綜合評價方法

利用VISSIM仿真軟件，設(shè)置多種不同道路交通環(huán)境，獲取相應(yīng)道路運行參數(shù)，為解決多指標(biāo)問題對方案評價的影響，需構(gòu)建車道管理方案的綜合評價方法。由于仿真試驗記錄的不同指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，如平均運行車速與道路通行能力存在相關(guān)性，所以為了化繁為簡，抓住關(guān)鍵，解決指標(biāo)間信息重疊的問題，考慮采用主成分分析法構(gòu)建車道管理方案綜合評價方法。

主成分分析法適用于分析對象的各變量之間存在相關(guān)性或變量較多，難以把握變量之間關(guān)系的多元統(tǒng)計分析方法。基于主成分分析法的車道管理方案綜合評價方法實現(xiàn)過程如下：

①將評價指標(biāo)平均車速x1、通行能力x2、沖突次數(shù)x3的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化可以消除因為指標(biāo)量綱不同以及數(shù)據(jù)數(shù)值相差過大帶來的影響。

,

(7)

②求出標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣。

③計算特征根與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正交特征向量。求出協(xié)方差矩陣的特征值，并使其按從大到小的順序排列：

λ1≥λ2≥λ3≥0

。

(8)

④計算主成分方差貢獻率和累積方差貢獻率。詳見表5。

表5 特征值及方差貢獻率Table 5 Eigenvalue and variance contribution

⑤確定主成分及表達式。由表6可知，前兩個主成分的方差貢獻率達到了97%，因此選取前兩個主成分即可較好地代替原始指標(biāo)進行分析。

對應(yīng)第一個特征值2.366的特征向量為(-0.412，-0.314，0.384),

F1=-0.0.412Z1-0.314Z2+0.384Z3，

(9)

式中Z1、Z2、Z3分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的運行車速、通行能力與沖突數(shù)，下同。

對應(yīng)第二個特征值0.623的特征向量為(0.297，-1.095，-0.562),

F2=0.297Z1-1.095Z2-0.562Z3

。

(10)

根據(jù)方差解釋率對選取的2個主成分進行加權(quán)求和即可得到綜合得分計算公式：

。

(11)

⑥將計算所得的主成分值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)式(11)算出最終車道管理方案綜合得分。

3.2 基于綜合評分的車道管理方案推薦

根據(jù)文中構(gòu)建的車道管理方案評價方法，對不同交通量與貨車比例組合條件下的四種車道管理方案進行綜合評價，部分評分結(jié)果見表6，全部評分見OSID科學(xué)數(shù)據(jù)與內(nèi)容。其中，車道管理方案評價得分最高者為相應(yīng)交通條件下的最優(yōu)方案。對所有評分結(jié)果進行歸納總結(jié)，最終得出不同交通量及貨車比例下的最優(yōu)車道管理方案，具體如表7所示。

表6 全面試驗條件下的不同車道方案綜合得分(部分)Table 6 Comprehensive scores of different lane schemes with comprehensive test (part)

表7 不同車道管理方案適用條件Table 7 Conditions applicable for different lane-management schemes

4 結(jié)論

通過對交通量及貨車比例雙重因素影響下的試驗仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析，綜合考慮行車安全、行車速度及路段通行能力等指標(biāo)變化，根據(jù)文中提出的車道管理方案綜合評價方法，對117×10組仿真試驗數(shù)據(jù)進行綜合評分計算，針對整體式十車道高速公路，得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)交通量≤1 000 pcu/(h·車道數(shù))時，宜在左側(cè)一條車道禁行貨車；

(2)當(dāng)交通量>1 000 pcu/(h·車道數(shù))且貨車比例≤30%時，宜在左側(cè)三條車道禁行貨車；

(3)當(dāng)交通量>1 000 pcu/(h·車道數(shù))且貨車比例>30%時，宜在左側(cè)兩條車道禁行貨車。

文中結(jié)論依據(jù)交通仿真試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析得出，可為十車道高速公路運營期的車道管理方案選擇提供必要參考。同時，因仿真軟件環(huán)境與實際行車環(huán)境存在一定差異性，因此，需結(jié)合各項目實際情況酌情調(diào)整。