復(fù)合型互通式立交匝道連續(xù)分流控制半徑及合理間距研究

徐利成 林俊穎 李俊

摘要 文章以廣州某高速公路樞紐互通連續(xù)分流匝道為依托，分析了運營期間匝道連續(xù)分流區(qū)出口識別存在的安全問題，闡述了滿足視覺特性的匝道分流區(qū)圓曲線設(shè)置原則，運用海倫公式構(gòu)建了控制半徑與各項幾何參數(shù)的關(guān)系模型，進而計算出不同設(shè)計速度和識別視距條件下的主匝道半徑值。以匝道連續(xù)分流區(qū)車輛運行全過程為研究對象，充分考慮非理想狀態(tài)下交通條件的影響，分析了基于最大服務(wù)交通量條件下駕駛員對標(biāo)志讀取決策、尋找間隙、變換車道及駛出特點和不同分流匝道設(shè)計速度組合條件下的最小間距計算模型，提出了從上游分流鼻端至下游分流漸變段的最小間距推薦值。對條件受限時既有匝道連續(xù)分流路段的交安設(shè)施優(yōu)化原則和關(guān)鍵措施進行了總結(jié)。結(jié)果表明，應(yīng)對待建匝道連續(xù)分流附近的主匝道圓曲線半徑及最小間距應(yīng)進行控制，滿足出口識別和正常運行的要求；對已建成的匝道連續(xù)出口，應(yīng)加強提前預(yù)告和視線引導(dǎo)等措施，保證行車安全。

關(guān)鍵詞 匝道連續(xù)分流；視覺特性；控制半徑；海倫公式；最小間距；優(yōu)化措施

中圖分類號 U412.352.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0032-04

0 引言

目前大城市路網(wǎng)面臨密度逐漸加劇、用地持續(xù)緊張和日益復(fù)雜的接入功能需求，導(dǎo)致互通立交構(gòu)型越來越復(fù)雜。為確保主線通行的效率，滿足匝道不同的轉(zhuǎn)向功能，從主線分離后的匝道短時間內(nèi)面臨近二次或多次分流的情況也日漸凸顯，但現(xiàn)行規(guī)范對這種匝道上連續(xù)分流的最小間距并沒有相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)致立交建設(shè)中缺乏依據(jù)，也少見交安設(shè)施對這種典型路段的特殊考慮。從建成后運營管理的經(jīng)驗可知，這類近距離連續(xù)分流段交通運行復(fù)雜，駕駛員操作負(fù)荷度高，特別是在小半徑匝道連續(xù)分流時，往往會出現(xiàn)視線受阻的情況，造成有效識別視距不足，駕駛員很容易錯過出口或強行分流誘發(fā)交通事故。合理的匝道分流區(qū)半徑和連續(xù)出口間距應(yīng)能充分考慮駕駛員對出口識別的視覺特性和最大服務(wù)交通量下安全高效地疏導(dǎo)交通，確保駕駛員能清晰感知出口位置和從容應(yīng)對復(fù)雜的交通運行狀況。

國內(nèi)外針對互通連續(xù)分流問題的研究主要集中在連續(xù)出口匝道在主線同側(cè)或異側(cè)分流、從主線分流后在匝道上二次分岔，我國現(xiàn)行路線設(shè)計規(guī)范也僅對這種情況有過規(guī)定^[1]。專門研究匝道上再次連續(xù)分流的情況并不多見，但這類情況所引發(fā)的交通安全問題在運營管理階段較為突出。該文以廣州某復(fù)合樞紐互通為依托，對匝道小半徑處連續(xù)分流的相關(guān)問題進行研究。

1 匝道連續(xù)分流的交通特性

1.1 連續(xù)分流匝道的線形和交通條件

該樞紐互通是廣州兩條高速公路交叉的節(jié)點，除需要滿足高速公路接高速公路的快速聯(lián)通之外還需要承擔(dān)地方國道接入的功能，構(gòu)型復(fù)雜、匝道數(shù)眾多。為滿足相應(yīng)的通行需求，從北至南承擔(dān)左轉(zhuǎn)功能的A匝道從主線分流后還面臨在匝道上兩次分流。首先分流出G匝道接入地面國道，然后短距離分流出C匝道接繞城高速西行，G、C連續(xù)分流匝道鼻端間距222 m。主匝道A的橫斷面類型為Ⅲ型雙車道匝道，整體平縱線形指標(biāo)較高，分流處接線條件G匝道明顯優(yōu)于C匝道，G、C匝道橫斷面類型分別為Ｉ型和Ⅱ型，為分流匝道。該樞紐互通連續(xù)分流匝道主要線形交通條件匯總?cè)绫?所示。

1.2 匝道連續(xù)分流區(qū)的運行特性

在運營管理中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)分流區(qū)A匝道車輛的實際運行速度常常大于匝道的設(shè)計速度，且在駛離G匝道出口后車輛呈現(xiàn)先加速駛離上游鼻端，在下游C匝道分流鼻端緊急減速跨車道駛出或錯過出口的運行特性，甚至發(fā)生車輛分流不及時撞擊鼻端防撞墊的情況。根據(jù)實際駕駛體驗可知，按常規(guī)方法控制兩鼻端之間的距離，所確定的連續(xù)分流間距在C匝道分流的小半徑處，會使得駕駛員視線受阻嚴(yán)重。經(jīng)過運行速度和視距驗算，外側(cè)車道駕駛員從G匝道分流后需要繼續(xù)行駛約80 m才可以看到C匝道出口，此時駕駛員再進行標(biāo)志識別、尋找間隙換道等操作將極為倉促，匝道線形條件未能很好地引導(dǎo)駕駛員的視線，成為事故多發(fā)地。

考慮實際交通因素影響，匝道連續(xù)分流路段的車輛運行過程將更為復(fù)雜，短距離連續(xù)分流使得駕駛員面臨著對多個標(biāo)志牌的認(rèn)讀，認(rèn)讀后行駛在不同車道的駕駛?cè)藢⒏鶕?jù)自己的去向選擇對應(yīng)的分流出口，期間很可能產(chǎn)生頻繁的換道行為，導(dǎo)致車速變化頻繁、交通紊亂，車輛相互干擾嚴(yán)重。當(dāng)交通量逐漸增加至最大服務(wù)交通量時，這種紊亂情況造成的延誤將成倍增加。

2 基于視覺特性的匝道圓曲線控制半徑

2.1 駕駛員的視覺特性

駕駛員行駛過程獲取的所有信息中來自視覺的感知占據(jù)絕大部分。在匝道連續(xù)分流路段，分流匝道鼻端位置及相關(guān)標(biāo)志性信息，能否在復(fù)雜運行條件下被駕駛員及時感知并采取從容的操作是保證安全運行的關(guān)鍵，應(yīng)充分滿足駕駛員的視覺特性。駕駛員視覺感知內(nèi)容包括視覺距離、視角范圍、辨色和感光能力等，并且在靜止和運動狀態(tài)下呈現(xiàn)明顯差別。研究表明，駕駛?cè)藢η靶蟹较蛞欢ǚ秶鷥?nèi)信息的整體認(rèn)知主要依靠視角的有效范圍。在駕駛員行駛過程中，最敏感的視角為3°以內(nèi)，清晰視角為10°以內(nèi)，能滿足觀察要求的視角為20°以內(nèi)，最大視覺距離范圍350～500 m^[2]。

從實際運行管理經(jīng)驗可知，主匝道位于直線或不設(shè)超高的大半徑圓曲線路段且滿足識別視距要求時，分流出口基本能確保位于10°～20°的視角范圍，當(dāng)連續(xù)分流匝道鼻端位于主匝道小半徑曲線路段內(nèi)側(cè)時，鼻端及標(biāo)志牌位置很容易超出20°的清晰感知范圍，使駕駛員無法識別前方出口位置。因此在線形上必須限制主匝道分流附近的圓曲線半徑，使得駕駛員在識別距離之內(nèi)能看清楚出口位置。

2.2 匝道圓曲線控制半徑計算模型及推薦值

假定駕駛員在曲線匝道上行駛時視點為雙車道匝道內(nèi)側(cè)車道中心線，主匝道的平面設(shè)計線為兩車道中線，分流處圓曲線控制半徑為R，視點與控制半徑圓心的連線為a，控制半徑圓心與分流鼻端的連線為b，視點與分流鼻端的連線為c，識別視距考慮分流端漸變段和導(dǎo)流線長度，參考相關(guān)規(guī)范按停車視距2倍取值設(shè)為e，h為abc三條連線構(gòu)成的三角形的高，以c為底邊的垂線，d為清晰視角外邊線受邊防撞墻遮擋的范圍。

考慮視距范圍內(nèi)行車偏角較小，將c的取值用識別視距e代替，可以簡化分析模型及增加駕駛員行駛的安全富余度^[3]，模型如圖1所示。

根據(jù)海倫公式采用三角形邊長計算面積：

式中，p=0.5（a+b+e）（m）；a=R+B/2=R+1.75（m）；b=R?B?C₁?r=R?6.6（m）。

由三角形面積相等可得：

h=R?6.5?d=2S/e （2）

由幾何關(guān)系可知，主匝道分流附近圓曲線半徑逐漸增大時，視線遮擋區(qū)域逐漸減小，當(dāng)視線的最大清晰視角邊線與主匝道外邊防撞墻相切時的半徑可定義為圓曲線控制半徑，此時d=0。

將數(shù)據(jù)帶入上式，可迭代計算得到主匝道不同運行速度和識別視距取值下基于視覺特性的圓曲線控制半徑，如表2所示。

3 匝道連續(xù)出口最小間距計算

基于匝道連續(xù)分流段的運行特性和實際調(diào)查，交通流并不處于理想狀態(tài)，交通量的增加對運行狀態(tài)的干擾較明顯。因此連續(xù)分流之間最小間距模型的構(gòu)件應(yīng)基于匝道四級服務(wù)水平下最大服務(wù)交通量的條件，其所需要完成正常運行的過程包括標(biāo)志的讀取及決策、尋找可插入間隙及調(diào)整車位、車道變換及分流駛出^[4]。設(shè)計時應(yīng)確保每個階段都有足夠的距離使駕駛員從容操作，計算模型如圖2所示。

3.1 標(biāo)志信息讀取與決策距離

標(biāo)志信息讀取與決策是駕駛?cè)俗R別前方出口標(biāo)志后，對指示標(biāo)志的信息內(nèi)容進行閱讀，在大腦中形成決策后進而對車輛進行操作的過程。

駕駛員讀取標(biāo)志信息時，認(rèn)為車輛以正常的運行速度向前行駛，其距離可由公式（4）計算：

式中，L₁——標(biāo)志信息讀取距離（m）；v——駕駛員讀取標(biāo)志信息時的運行速度（km/h）；t₁——信息內(nèi)容讀取時間，根據(jù)駕駛員特點為1.5～2 s，取1.6 s。

研究表明，駕駛員讀取信息量要遠(yuǎn)低于處理信息的數(shù)量，獲取標(biāo)志內(nèi)容后駕駛員要根據(jù)自己是否選擇分流，判斷應(yīng)如何進行操作，存在決策反應(yīng)時間，這個時間和需要決策的信息數(shù)量有關(guān)，二者的經(jīng)驗回歸關(guān)系如公式（5）所示。

t₂=1.237 55e^{0.258 913x}（5）

式中，x——標(biāo)志信息容量（bit）；t₂——駕駛員反應(yīng)時間（s）。當(dāng)標(biāo)志牌上有3處主要信息時，x可等價取值為1.5，計算得到t₂為1.83 s。

駕駛員在標(biāo)志信息決策時間內(nèi)，車輛以勻速向前行駛，其距離可由公式（6）計算：

式中，L₂——信息決策距離（m）；其他同上。

主匝道不同運行速度下標(biāo)志信息讀取與決策所需距離D₁=L₁+L₂，如表3所示。

3.2 尋找可插入間隙及調(diào)整車位距離

尋找間隙距離包括兩部分，一是車輛在等待目標(biāo)車道出現(xiàn)可插入間隙期間所行駛的距離；二是變換車道前調(diào)整車位期間行駛的距離。根據(jù)相關(guān)研究成果，匝道上車輛的車頭時距服從二階愛爾朗分布，推導(dǎo)平均尋找間隙的等待時間t_w為：

式中，假設(shè)主匝道單車道最大服務(wù)交通量為Q，則車輛平均達(dá)到λ=Q/3 600；t_c——車輛臨界間隙（s），研究表明該間隙與車道寬度有關(guān)，匝道上可取3.5 s；τ——目標(biāo)車道車頭時距最小值，一般為1～1.5 s，取值1.3 s。通過對上述分布函數(shù)求解，可得出最大服務(wù)交通量下匝道車輛尋找出一個可插入間隙的平均時間，如表4所示。

得到最大服務(wù)交通量下可插入間隙并決定變換車道后，駕駛?cè)舜虺鲎兊乐甘緹?，同時調(diào)整車速和車頭位置，直至車輛與將要插入的間隙并行，以便利用這個間隙并入外側(cè)目標(biāo)車道。在這個過程中行駛的路程即為調(diào)整車位的距離。假定在調(diào)整車位的時間內(nèi)，車輛勻減速至最低變換車道的速度行駛，計算等待可插入間隙及調(diào)整車位期間行駛的距離為：

式中，D₂——等待可插入間隙及調(diào)整車位期間行駛的距離（m）；a——減速度，從舒適性角度可取1 m/s²；v₁——車輛勻減速至最低變換車道的運行速度，一般為0.76v（km/h）；其他同上。

主匝道不同運行速度下尋找可插入間隙及調(diào)整車位距離，如表5所示。

3.3 車道變換及分流駛出距離

駕駛員調(diào)整完車身后便開始變換車道操作，國內(nèi)外對高速公路上車輛的換道行為做出較為深入地研究，根據(jù)行駛軌跡曲線，主要的換道模型包括等速橫移模型、等速偏移加正弦曲線模型、余弦曲線換道模型等。鑒于匝道上車速相對較慢，車道數(shù)少，采用簡化的等速橫移模型，即匝道上一次換道過程所需要的時間即為車輛橫移一個車道所需要的時間，換到目標(biāo)車道后還應(yīng)距離分流漸變段起點有一段確認(rèn)距離，以根據(jù)分流匝道的限制速度調(diào)整駛出速度，當(dāng)換道最低速度與匝道限制速度接近時，可認(rèn)為勻速駛出，行駛時間一般以2 s計。計算車道變換及駛出確認(rèn)距離為：

式中，D₃——車道變換及駛出確認(rèn)距離（m）；B——車輛橫移寬度，可取匝道一個車道寬3.5 m；J——車輛橫移率，從舒適性角度可取1 m/s；v₂——車輛勻減速至分流匝道出口的速度，一般可取分流匝道的限制速度（km/h）；a′——加速度或減速度，可取±1.5 m/s²；其他同上。

主匝道不同運行速度下車道變換及駛出確認(rèn)距離統(tǒng)計，如表6所示。

3.4 匝道連續(xù)分流最小間距值

根據(jù)上述匝道連續(xù)分流路段車輛安全運行的過程，連續(xù)分流的最小間距可以定義為從上游分流鼻端至下游分流漸變段起點位置。

主匝道不同運行速度下最小間距的計算值和推薦值如表7所示。

4 既有匝道連續(xù)分流區(qū)交安設(shè)施優(yōu)化

根據(jù)研究結(jié)果，互通匝道連續(xù)分流中A匝道在C匝道分流附近的圓曲線半徑推薦值為800 m，而現(xiàn)狀為600 m，存在出口識別視距不足。連續(xù)分流鼻端間距222 m不滿足主匝道運行速度60 km/h和分流匝道限制速度40 km/h組合條件下上游鼻端至下游漸變段起點不小于240 m的要求。實際運營管理中也出現(xiàn)了出口識別受阻，強行分流及車輛運行紊亂的情況，在線形條件無法改變的情況下應(yīng)進行交安設(shè)施優(yōu)化，總體思路主要包括提前預(yù)告出口、優(yōu)化標(biāo)志信息和交通運行管理。設(shè)施優(yōu)化所提供的運行條件應(yīng)有助于減少駕駛員操作負(fù)荷和決策時間，提供足夠符合期望的引導(dǎo)，明確指路信息。

提前預(yù)告標(biāo)志應(yīng)在出口識別不良的匝道前一段距離間隔多次提醒車輛前方出口，提前變道，使駕駛員在視線受阻路段就提前知道出口的位置及前方的距離，各行其道，為分流做準(zhǔn)備。設(shè)置指路標(biāo)志預(yù)告牌于駕駛員容易感知的位置并簡化標(biāo)志牌的信息，這類標(biāo)志內(nèi)容可以通過單個地名和指向箭頭表示，也可結(jié)合輔助標(biāo)志注明與前方出口的距離。在主匝道從主線分離后一定距離設(shè)置連續(xù)分流標(biāo)志，注明每條分流匝道的走向和距離，使駕駛員進入連續(xù)分流路段前做好特殊路段行駛的心理預(yù)期。地面文字和導(dǎo)向箭頭也應(yīng)充分配合交通標(biāo)志的指示信息，提示駕駛員直行和分流應(yīng)盡早各行其道。

5 結(jié)語

以廣州某高速公路樞紐互通為依托，對匝道連續(xù)分流區(qū)影響交通安全的出口識別及分流匝道最小間距問題進行研究。構(gòu)建了分析模型，提出了滿足視覺特性的主匝道分流區(qū)圓曲線控制半徑的推薦值以及適應(yīng)最大服務(wù)交通量的最小間距值，也為既有匝道連續(xù)分流路段線形條件受限時的交安設(shè)施優(yōu)化措施進行了分析。研究為互通立交連續(xù)分流情況的設(shè)計和運營管理提供了一定的理論依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）互通立交匝道的出口識別是一項重要的交通安全指標(biāo)，與駕駛員清晰視角密切相關(guān)。

（2）主匝道分流區(qū)附近的圓曲線半徑直接影響駕駛員對出口的識別。設(shè)計時可采用研究的推薦值對主匝道圓曲線半徑進行控制。

（3）匝道連續(xù)分流間距為上游出口鼻端到下游出口漸變段范圍，對車輛運行狀態(tài)影響明顯，最小間距值應(yīng)建立在最大服務(wù)交通量條件下，研究計算的推薦值與主匝道的運行速度和分流匝道的限制速度的組合類型有關(guān)，二者差值越大所需要的距離越長。

（4）應(yīng)注意采用駕駛員清晰視角范圍對既有匝道連續(xù)分流路段的識別視距或圓曲線半徑進行核查，并通過交安設(shè)施優(yōu)化的方法提前預(yù)告出口及誘導(dǎo)駕駛員視線，必要時限速處理。

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收稿日期：2023-10-08

作者簡介：徐利成（1974—），男，研究生，高級工程師，從事路橋咨詢、設(shè)計和研究工作。