二級公路“2+1”車道超車段長度設(shè)置及仿真

摘要：二級公路在中國公路網(wǎng)中占有重要地位，一般采用雙向兩車道布局。然而，當(dāng)交通流量達(dá)到一定水平時，二級公路的雙車道布局模式很難滿足車輛在行駛過程中的超車需求?！?+1”車道布局為上述問題提供了很好的解決方案，但如何確定最佳超車段長度已成為一個新問題。以“2+1”車道二級公路為研究對象，通過采用微觀交通仿真技術(shù)，以延誤和速度為評價指標(biāo)，針對不同的流量和車型組合對超車段長度開展了仿真分析和評價，結(jié)果表明：在“2+1”車道布局模式下，超車段的通行效率有顯著提高，超車段的最佳長度為1.2km。

關(guān)鍵詞：“2+1”車道二級公路超車段長度交通仿真

中圖分類號：U492.8

LengthSettingandSimulationof“2+1”LanesOvertakingSectionforSecond-ClassHighway

YINZhihaoKUANGAiwuWANGJie

SchoolofTrafficandTransportationEngineering，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，Changsha，HunanProvince，410114China

Abstract：Second-classhighwayoccupuiesanimportantpositioninChina'shighwaynetwork，whichgenerallyadoptsatwo-laneslayoutinbothdirections.However， whenthetrafficflowreachesacertainlevel，thetwo-laneslayoutmodeofsecond-classhighwayisdifficulttomeettheovertakingdemandofvehiclesinthedrivingprocess.The“2+1”laneslayoutprovidesagoodsolutiontotheaboveproblems，buthowtodeterminetheoptimal?;overtakingsectionlengthhasbecomeanewproblem.Thispapertakesthe“2+1”lanessecond-classhighwayastheresearchobject，byusingmicroscopictrafficsimulationtechnologyandtakingdelayandvelocityastheevaluationindices，simulationanalysisandevaluationarecarriedoutonthelengthofovertakingsectionfordifferentflowandvehicletypecombinations.Theresultsshow：Underthe“2+1”laneslayoutmode，thetrafficefficiencyofovertakingsectionhasbeensignificantlyimproved，andtheoptimallengthofovertakingsectionis1.2km.

KeyWords：“2+1”lanes;Second-classhighway;Lengthofovertakingsection;Trafficsimulation

目前，作為我國公路網(wǎng)重要組成部分的干線公路其技術(shù)等級大多為二級，一般采用雙向兩車道布局，該布局模式難以滿足車輛行駛過程中的超車需求。當(dāng)交通量達(dá)到一定水平，尤其是在重型車輛占比大的情況下，容易產(chǎn)生排隊(duì)，此時車輛很可能利用對向車道強(qiáng)行超車，容易導(dǎo)致正面碰撞，交通安全隱患大[1]。針對路基寬度在12.75m以上的雙車道二級公路，“2+1”車道布局模式為上述問題提供了一個有效的解決方案?！?+1”車道是介于雙向兩車道與四車道之間的布局形式，包括一條可變車道和兩條基本車道，可變車道作為超車車道，超車車道的方向交替變換。相比雙向四車道，“2+1”車道可以節(jié)約用地、降低公路建設(shè)成本，同時又能滿足超車需求?！?+1”車道布局模式如圖1所示。

近年來，法國、德國、美國等國家相繼進(jìn)行了“2+1”車道公路的研究與實(shí)踐[2]，國外實(shí)踐證明這種公路設(shè)計形式對改善安全、提升效率均是有效的。然而，“2+1”車道公路的實(shí)際運(yùn)行效果會受到公路幾何布局、交通安全設(shè)施設(shè)計、分合流區(qū)駕駛?cè)诵袨?、交通組成及交通量、行駛速度等多方面因素的影響。“2+1”車道公路如果設(shè)計不當(dāng)，容易出現(xiàn)車輛合流和超車的混亂，在影響交通效率的同時可能誘發(fā)嚴(yán)重的交通安全問題，其中最為關(guān)鍵的是超車段長度的合理設(shè)置。目前，國內(nèi)外在超車方面的研究多集中于雙向兩車道公路如何安全超車，例如：任煒[3]從超車視距的安全性角度出發(fā)研究了如何借用對向車道超車，并對滿足超車視距的超車路段長度進(jìn)行了分析；余姝源等人[4]對雙向兩車道的車輛自主超車軌跡進(jìn)行了規(guī)劃與跟蹤控制研究；岳全勝等人[5]對雙向兩車道公路的超車行為演化博弈開展了分析；戢曉峰等人[6]構(gòu)建了基于生存分析的山區(qū)雙車道公路超車持續(xù)時間模型；AMIRHG等人[7]建立了基于臨界碰撞時間的超車距離接受模型，并利用視頻數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的可行性。

上述研究為超車段長度的設(shè)置奠定了一定理論基礎(chǔ)，但仍存在如下兩方面的不足：一是研究對象局限于傳統(tǒng)雙車道公路，未能與“2+1”車道公路有效結(jié)合；二是關(guān)于超車的研究中對交通效率甚少關(guān)注。為此，本文結(jié)合國內(nèi)外實(shí)踐成果和我國相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選擇車速和延誤作為效率評價指標(biāo)，采用微觀交通仿真技術(shù)模擬了不同交通量和車型占比下各種超車段長度的運(yùn)行效果，并將其與普通雙車道公路的通行效率進(jìn)行了比較，進(jìn)而確定能夠確保安全與效率的“2+1”車道公路最佳超車段長度。

1二級公路“2+1”車道方案設(shè)計

在開展超車段長度仿真分析之前，需要對二級公路“2+1”車道布局進(jìn)行方案設(shè)計，涉及設(shè)計速度、設(shè)計交通量、斷面組成、超車段與漸變段長度分析等內(nèi)容。

1.1設(shè)計速度

國外“2+1”車道公路的設(shè)計速度一般為80～100km/h。根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTGD20—2017），作為干線的二級公路，設(shè)計速度宜采用80km/h；作為集散的二級公路，設(shè)計速度宜采用60km/h。綜合考慮我國二級公路的設(shè)計速度以及我國干線公路上平面交叉口多、部分路段街道化嚴(yán)重等情況，確定“2+1”車道二級公路的設(shè)計速度采用80km/h和60km/h兩種。

1.2設(shè)計交通量

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01—2014），二級公路的年平均日設(shè)計交通量宜為5000～15000輛小客車。國外經(jīng)驗(yàn)表明：“2+1”車道公路的通行能力通常會超過雙向兩車道公路，其適應(yīng)交通量能夠達(dá)到10000～20000pcu/d?？紤]到我國標(biāo)準(zhǔn)是面向雙向雙車道公路布局制定的，綜合國內(nèi)外情況，確定“2+1”車道二級公路的適用交通量為10000～20000pcu/d。

1.3橫斷面設(shè)計

與普通公路類似，“2+1”車道公路的路基橫斷面同樣由行車道、超車道、中間帶、路肩等部分組成。在國外實(shí)踐中，“2+1”車道公路的單車道寬度通常為3.25～3.75m，橫斷面總寬度在13～16.95m之間。我國《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01—2014）對不同設(shè)計速度條件下的車道寬度、路肩寬度取值都有明確規(guī)定，“2+1”車道公路在斷面組成設(shè)計中也要遵循標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。此外，“2+1”車道公路采用護(hù)欄或標(biāo)線進(jìn)行雙向行車的分隔時，其所需要的寬度也有所差異，當(dāng)采用雙黃實(shí)線隔離時，中間帶寬度不應(yīng)小于0.5m；當(dāng)采用柔性護(hù)欄或物理隔離形式時，中間帶寬度一般不小于1.5m。綜合考慮國外實(shí)踐和我國標(biāo)準(zhǔn)，“2+1”車道公路其路基橫斷面總寬度一般不宜小于12.75m。

1.4超車段長度設(shè)計

超車段長度會對“2+1”車道公路的運(yùn)行產(chǎn)生顯著影響，超車段越長，則車輛超車的機(jī)會就越多，從而能提高雙車道路段上的通行效率，但過長的超車段意味著對向單車道因超車受限而排隊(duì)行駛的車輛就越多，進(jìn)而影響單車道路段上的效率和安全。因此，超車段長度的選擇應(yīng)平衡好雙車道路段的超車需求和單車道路段的行車安全。國外實(shí)踐中，“2+1”車道公路的超車段長度通常在0.8～2.0km之間，極限最小長度為0.6km，極限最大長度為3km。

根據(jù)美國《道路通行能力手冊》和《公路與街道幾何設(shè)計手冊》，超車路段的長度與交通量有關(guān)，如果單向小時交通量越大，則需要的超車段就越長[8]。根據(jù)1.2節(jié)，“2+1”車道二級公路的適應(yīng)交通量宜為10000～20000pcu/d，折算后的單向小時交通量約為401～700pcu/h，為此，建議“2+1”車道二級公路的超車段長度取值為1.2～1.6km。

1.5分合流段長度設(shè)計

合流段總長度Lh應(yīng)包括2倍的合流漸變段長度LHj和1倍的緩沖段長度LHh，其中緩沖段長度應(yīng)不小于15m。依據(jù)《公路與街道幾何設(shè)計手冊》，“2+1”車道公路合流漸變段長度LHj宜采用以下公式計算：

式（1）中，V為設(shè)計速度，單位為km/h；W為變化寬度，單位為m。

當(dāng)設(shè)計速度為60km/h時，變化寬度W取值為3.5m；當(dāng)設(shè)計速度為80km/h時，變化寬度W取值為3.75m。根據(jù)式（1）可以計算得到：“2+1”車道公路在不同設(shè)計速度下的合流段最小長度，其中，V=60km/h時，Lh=175m；V=80km/h時，Lh=375m。

與合流段相類似，分流段長度Lf也包含了分流漸變段長度LFj和緩沖段長度LFh，其中分流漸變段長度LFj取值宜為合流漸變段長度LHj的1/2～2/3倍，且應(yīng)不小于30m。類似地可以獲得兩種設(shè)計速度條件下的分流段最小長度，當(dāng)V=60km/h時，Lf=95～135m，中間值為115m；當(dāng)V=80km/h時，Lf=195～255m，中間值為225m。

2二級公路“2+1”車道超車段長度仿真分析

2.1仿真方案設(shè)定

仿真模型是在主線雙向雙車道中間增設(shè)一條可以交替超車的超車路段，其中，行車道寬為3.75m，超車道寬為3.5m，分合流段長度按1.4節(jié)確定，仿真路段總長度約為5km。在開展仿真分析時，以超車段長度作為道路幾何參數(shù)影響變量，環(huán)境參數(shù)默認(rèn)為良好的天氣條件，交通參數(shù)以單向交通量和車輛組成為影響變量。其中，超車段選擇0.6km、0.8km、1.2km、1.6km和不設(shè)超車段共5種類型；小型車與大型車的比例設(shè)定9∶1和7∶3共2種方案；輸入流量選擇單向400pcu/h、600pcu/h、800pcu/h和1000pcu/h共4種。

2.2仿真結(jié)果分析

在仿真開始之前，首先根據(jù)我國規(guī)范推薦值對期望速度分布、期望加速度分布、跟馳模型、換道模型進(jìn)行標(biāo)定。仿真操作中，仿真時間設(shè)置為3600s，仿真精度設(shè)置為10個時間步長/仿真秒。仿真實(shí)驗(yàn)主要是考察在不同的輸入流量和車型占比下，各種超車段長度設(shè)置方案對延誤和速度等效率指標(biāo)的影響。當(dāng)小型車和大型車的比例分別為7∶3和9∶1時，在不同的超車段長度設(shè)置方案下，平均延誤隨輸入流量的變化關(guān)系如圖2和圖3所示，平均速度隨輸入流量的變化關(guān)系如圖4和圖5所示。

從圖2和圖3可以看出，在各種不同的超車段長度設(shè)置方案下，平均延誤均隨輸入交通量的增加而增加，但總體上看，“2+1”車道設(shè)計方案的平均延誤小于兩車道方案的平均延誤。在各種不同的車型組成下，當(dāng)超車段長度設(shè)置為0.8km、1.2km和1.6km時，相同輸入交通量下的平均延誤沒有顯著變化，但當(dāng)超車段長度設(shè)置為0.6km時，平均延誤顯著增加，尤其是當(dāng)大型車輛比例較大時。在兩種不同車型組成下，1.2km長的超車段設(shè)置方案平均延誤最小。

從圖4和圖5可以看出，在不同輸入流量下，4種不同超車段長度的“2+1”車道設(shè)計方案其平均速度均高于兩車道方案。當(dāng)超車段長度設(shè)置為0.8km、1.2km和1.6km時，不同交通量下的平均速度沒有顯著變化，但當(dāng)超車段長度為0.6km時，隨著輸入流量的增加，平均速度有較明顯的下降。在兩種不同車型組成下，超車段長度為1.2km時的平均車速最高。

3結(jié)論

本文針對我國現(xiàn)狀二級公路超車效率低、超車安全保障不足等困局，提出了“2+1”車道布局模式，與雙車道二級公路相比較，“2+1”車道布局模式減少了平均延誤，提高了車輛運(yùn)行的平均速度。根據(jù)國外工程實(shí)踐及仿真分析，“2+1”車道超車段長度的推薦值為1.2～1.6km，最小為0.8km。當(dāng)超車段長度為1.2km時，平均延誤最小，平均速度最大，因此1.2km是超車段長度的最優(yōu)值。本文研究成果表明，針對二級公路實(shí)施“2+1”車道布局并通過設(shè)置適宜的超車段長度，在保障交通安全的同時有助于提升交通運(yùn)行效率，建議我國在有實(shí)施條件的二級公路上可逐步開展“2+1”車道布局模式的應(yīng)用示范。

參考文獻(xiàn)

• 戢曉峰，吳亞欣，袁華智，等.二級公路交通流特征對事故嚴(yán)重程度的影響[J].中國公路學(xué)報，2020，33（2）：135-145.
• ROMANAM，MARTIN-GASULLAM，MORENOAT.2 + 1Highways：overviewandfuturedirections[J].AdvancesinCivilEngineering，2018（4）：1-13.
• 任煒.雙車道干線公路交通安全設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].北方交通，2021（8）：66-69.
• 余姝源，楊林，楊蓉，等.雙向兩車道公路自主超車軌跡規(guī)劃及跟蹤控制[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2023，37（7）：90-100.
• 岳全勝，馮忠祥，李靖宇.雙向雙車道公路超車行為的演化博弈分析[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報，2022，20（4）：19-30.
• 戢曉峰，戴秉佑，普永明，等.基于生存分析的山區(qū)雙車道公路超車持續(xù)時間模型[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2022，22（6）：183-190.
• AMIRHG，F(xiàn)RANKFS.Developmentandevaluationofamicroscopicovertakinggapacceptancemodelfortwo-lanehighways[J].CanadianJournalofCivilEngineering，2016，43（6）：573-581.
• AASHTO.Apolicyongeometricdesignofhighwaysandstreets[M].WashingtonDC：AASHTOGreenBook，2018.