劉 兵 徐靈欣 陳 晨 夏 晶 鄭凱陶 張騰飛

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司2) 武漢 430056)

0 引 言

高速公路改擴(kuò)建施工期間，當(dāng)封閉半幅道路施工時(shí)，為達(dá)到“邊通車(chē)，邊施工”的目的，需通過(guò)中央分隔帶保通開(kāi)口將車(chē)輛引導(dǎo)至另半幅路面，實(shí)現(xiàn)雙向四車(chē)道保通，當(dāng)車(chē)輛駛過(guò)施工區(qū)后，再引導(dǎo)回原道路.若中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度過(guò)短，車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小，車(chē)輛需大幅降速通過(guò)，不利于行車(chē)安全；若開(kāi)口長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，工程造價(jià)高，且車(chē)輛運(yùn)行速度較高，一旦失控易造成嚴(yán)重交通事故.因此，合理的中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度，對(duì)于提升開(kāi)口處的安全性、經(jīng)濟(jì)性有著重要意義.

中央分隔帶開(kāi)口處由于道路線(xiàn)形變化，導(dǎo)致車(chē)輛行車(chē)軌跡改變，運(yùn)行特征與正常行駛道路有所不同.Lorenzo等[1]針對(duì)改擴(kuò)建時(shí)期雙向四車(chē)道高速公路，對(duì)九種中央分隔帶開(kāi)口配置進(jìn)行駕駛模擬試驗(yàn)，以速度差和減速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度由40增加到80 m時(shí)速度標(biāo)準(zhǔn)差降低0.50～0.66 m/s2，駕駛行為更安全.Bahram等[2]采用減速度、速度方差、85%位速度和超速車(chē)輛比例四種有效性指標(biāo)，評(píng)估了高速公路施工區(qū)超速問(wèn)題的嚴(yán)重性.Karen等[3]對(duì)施工路段雙向兩車(chē)道和雙向四車(chē)道保通開(kāi)口處運(yùn)行特征進(jìn)行分析，得到了開(kāi)口幾何設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則.邵長(zhǎng)橋等[4]針對(duì)雙向兩車(chē)道保通路段，基于理論模型計(jì)算得出設(shè)計(jì)速度為60～80 km/h時(shí)，開(kāi)口長(zhǎng)度為70～120 m.以上研究未考慮到不同車(chē)型運(yùn)行特征的區(qū)別，而高速公路上車(chē)流組成復(fù)雜，有必要分車(chē)型對(duì)混合交通流的運(yùn)行情況展開(kāi)研究.

目前JTG D20-2017《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定八車(chē)道及以上車(chē)道數(shù)的高速公路開(kāi)口長(zhǎng)度不應(yīng)大于50 m，但其功能為應(yīng)急通行，高速公路改擴(kuò)建時(shí)中央分隔帶保通開(kāi)口功能為保證長(zhǎng)期正常通行，兩者功能定位不相同，因此不適用.國(guó)內(nèi)在中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度方面已有一些研究.桂柯捷[5]針對(duì)應(yīng)急情況下雙向兩車(chē)道保通高速公路，基于5次多項(xiàng)式換道模型，得到限速值為60 km/h時(shí)開(kāi)口長(zhǎng)度建議值90～110 m.賈庸等[6]基于改擴(kuò)建工程中3車(chē)道保通方案，應(yīng)用微觀(guān)交通仿真模型拓展研究，考慮了交通安全、效率和穩(wěn)定性指標(biāo)，得到較優(yōu)的開(kāi)口長(zhǎng)度為150～175 m.祁雪梅等[7-8]針對(duì)內(nèi)側(cè)車(chē)道封閉施工情況，基于VISSIM對(duì)不同單向車(chē)道過(guò)渡方案下交通流進(jìn)行仿真，得出開(kāi)口長(zhǎng)度的增加能夠有效提升道路運(yùn)行效率和通行能力.潘兵宏等[9]基于車(chē)輛轉(zhuǎn)彎行駛特性，建立了公路養(yǎng)護(hù)時(shí)期雙向兩車(chē)道保通開(kāi)口長(zhǎng)度計(jì)算模型，得到了不同限制速度、不同中間帶寬度和不同坡度下的開(kāi)口長(zhǎng)度，其中限速60 km/h時(shí)建議值為90～125 m.彭余華等[10]利用VISSIM建立了施工路段雙向兩車(chē)道保通路段交通流仿真模型，得出開(kāi)口長(zhǎng)度在取值100 m時(shí)通行能力最大.但以上研究多針對(duì)假定速度，與真實(shí)情況存在差異，且缺少對(duì)高速公路改擴(kuò)建時(shí)期單幅-單幅雙向四車(chē)道保通情形下開(kāi)口長(zhǎng)度的探究.而且多基于微觀(guān)交通流仿真或理論模型，未能考慮到車(chē)路之間的耦合關(guān)系.

文中基于高速公路改擴(kuò)建時(shí)期四車(chē)道保通中央分隔帶開(kāi)口處交通狀況現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)，在分析自然車(chē)流運(yùn)行特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合路線(xiàn)設(shè)計(jì)原理，采用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真，探究中央分隔帶開(kāi)口合理長(zhǎng)度.

1 方法與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法與實(shí)施

試驗(yàn)路段選在中國(guó)昌九高速，該高速處于“四改八，四保通”改擴(kuò)建工程期，一般路段限速值80 km/h，開(kāi)口處限速值60 km/h，雙向4車(chē)道，車(chē)道寬度3.75 m.開(kāi)口處為直線(xiàn)平坡路段，車(chē)輛從東側(cè)半幅4車(chē)道經(jīng)過(guò)中央分隔帶開(kāi)口轉(zhuǎn)換到西側(cè)半幅4車(chē)道通行，開(kāi)口長(zhǎng)度約80 m.調(diào)查南昌往九江方向車(chē)輛，開(kāi)口處距離互通出入口匝道超過(guò)300 m，對(duì)開(kāi)口處車(chē)速影響較小.為分析中央分隔帶保通開(kāi)口處交通狀況，路上試驗(yàn)時(shí)，將觀(guān)測(cè)每輛車(chē)通過(guò)中央分隔帶保通開(kāi)口處連續(xù)7個(gè)斷面的速度、時(shí)間.

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

試驗(yàn)選擇在天氣晴朗的工作日開(kāi)展.采用SmartRadar SR300雷達(dá)設(shè)備采集中央分隔帶開(kāi)口處自然駕駛的單車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù).設(shè)備架設(shè)在上跨橋位置，于同1 d的08：00—11：00、14：00—17：00，分別連續(xù)采集3 h數(shù)據(jù).設(shè)備檢測(cè)范圍寬度可覆蓋四車(chē)道，長(zhǎng)度可覆蓋開(kāi)口處，同時(shí)采用視頻錄像，為后期校核、數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備.觀(guān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)和雷達(dá)設(shè)備布設(shè)見(jiàn)圖1～2.

圖1 觀(guān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖2 SmartRadar SR300布設(shè)示意

將車(chē)型分為大型車(chē)、小型車(chē)兩類(lèi)，其中大型車(chē)包括大客車(chē)、大貨車(chē)、六軸拖掛車(chē)，小型車(chē)包括小客車(chē)、小貨車(chē).將雷達(dá)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步匯總，并結(jié)合視頻錄像，在保證數(shù)據(jù)的正確性后，對(duì)非自由流車(chē)輛進(jìn)行了剔除.參考JTG/T B05—2015《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，取車(chē)頭時(shí)距6 s作為自由流狀態(tài)界定標(biāo)準(zhǔn)，若采集車(chē)輛車(chē)頭時(shí)距小于6 s，則判定其為非自由流車(chē)輛，并予以剔除，以此消除其對(duì)正常通行車(chē)輛速度的影響[11-13].考慮到雷達(dá)采集設(shè)備的局限性，選擇開(kāi)口處0～60 m區(qū)間內(nèi)車(chē)輛行駛數(shù)據(jù)，斷面1處為0 m位置，車(chē)道橫向偏移距離為21.75 m.

在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到有效車(chē)輛數(shù)據(jù)樣本1 397 輛，其中大型車(chē)367 輛、小型車(chē)1 030 輛.為保證運(yùn)行特征分析的準(zhǔn)確性，采用最小樣本理論計(jì)算公式對(duì)有效車(chē)輛數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本量檢驗(yàn)，在置信水平95%下，得到最小樣本量為519 輛，有效車(chē)輛數(shù)據(jù)樣本數(shù)能夠滿(mǎn)足運(yùn)行特征分析條件.

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采集到的大(小)型車(chē)車(chē)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其在各斷面處均有顯著性差異，符合正態(tài)分布(開(kāi)展單因素方差分析，p<0.05).通過(guò)統(tǒng)計(jì)匯總，得到運(yùn)行速度整體分布、85%位速度、平均車(chē)速和速度標(biāo)準(zhǔn)差分布、各斷面超速比例見(jiàn)圖3.

圖3 速度和超速比例

由圖3可知：開(kāi)口處車(chē)速主要分布區(qū)間為50～80 km/h，其中小型車(chē)存在部分高速度的離群值.車(chē)速標(biāo)準(zhǔn)差隨駛?cè)腴_(kāi)口距離增加而增大，推測(cè)在不熟悉的線(xiàn)形上，由于駕駛員駕駛習(xí)慣差異，駕駛期望不同，導(dǎo)致速度差異值變大.其中小型車(chē)車(chē)速標(biāo)準(zhǔn)差約為大型車(chē)的2倍，可以看出小型車(chē)駕駛員因前方道路線(xiàn)形變化而產(chǎn)生的反應(yīng)程度差異大于大型車(chē).

開(kāi)口各斷面處大型車(chē)和小型車(chē)85%位車(chē)速均高于限制速度(60 km/h)，超速比例隨著駛?cè)腴_(kāi)口距離的增大而降低(開(kāi)展單因素方差分析，p<0.05)，其中小型車(chē)超速比例大于80%，大型車(chē)超速比例大于40%，車(chē)輛未能在進(jìn)入開(kāi)口處前降速至限制速度，超速現(xiàn)象顯著.

運(yùn)行速度差值的絕對(duì)值|Δv85|分別為3.14和9.51 km/h，運(yùn)行速度梯度的絕對(duì)值|ΔIv|分別為5.23和15.85 km/(h·m)，參考JTG/T B05—2015《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》中高速公路運(yùn)行速度評(píng)價(jià)方法，小型車(chē)運(yùn)行速度梯度絕對(duì)值大于10 km/(h·m)，速度降幅大，原開(kāi)口處相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良.

車(chē)輛進(jìn)入中央分隔帶開(kāi)口后，駕駛員察覺(jué)到道路線(xiàn)形改變，從而采取了減速措施，車(chē)速隨著駛?cè)腴_(kāi)口距離的增加而降低.為研究中央分隔帶保通開(kāi)口處車(chē)速變化特征，利用相鄰斷面間速度差來(lái)計(jì)算減速度，得到不同斷面下車(chē)輛減速度平均值，見(jiàn)圖4.

圖4 各斷面減速度平均值

由圖4可知：車(chē)輛進(jìn)入開(kāi)口后減速度總體上呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，且小型車(chē)先于大型車(chē)提升減速度.在同一斷面上，大型車(chē)減速度約為小型車(chē)減速度的50%，這可能是由于小型車(chē)整體車(chē)速高于大型車(chē)，可減速的空間更大；且其操縱性更高，導(dǎo)致小型車(chē)采取更強(qiáng)的制動(dòng)措施，應(yīng)對(duì)道路線(xiàn)性變化更靈敏.

大型車(chē)和小型車(chē)平均車(chē)速降幅分別為4.71、9.08 km/h，當(dāng)車(chē)輛行駛至斷面3至斷面7區(qū)間，減速度增大，減速效果提升.推測(cè)駕駛員行駛到雙向路拱位置時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑、路拱橫坡等道路條件超出駕駛?cè)祟A(yù)期，迫使駕駛?cè)瞬扇〖みM(jìn)制動(dòng)措施，這表明駕駛員受道路線(xiàn)形影響顯著，但原開(kāi)口處長(zhǎng)度較短，導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法降低車(chē)速至期望值以勻速通過(guò)開(kāi)口處，因此開(kāi)口處車(chē)輛穩(wěn)定性有待驗(yàn)證.

3 中央分隔帶開(kāi)口線(xiàn)形優(yōu)化

3.1 線(xiàn)形設(shè)計(jì)

以四車(chē)道保通中央分隔帶開(kāi)口為研究對(duì)象，考慮到《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》中規(guī)定高速公路最低車(chē)速不得低于60 km/h，且中央分隔帶開(kāi)口處車(chē)輛平均車(chē)速在50～80 km/h區(qū)間范圍內(nèi)，針對(duì)左幅單幅雙向—右幅單幅雙向四車(chē)道保通開(kāi)口情形，依據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，分別得到設(shè)計(jì)車(chē)速為60,80 km/h時(shí)的中央分隔帶開(kāi)口線(xiàn)形方案，見(jiàn)圖5和表1.

圖5 中央分隔帶開(kāi)口線(xiàn)形

表1 中央分隔帶開(kāi)口線(xiàn)形設(shè)計(jì)方案

3.2 仿真模型

1) 車(chē)輛模型 結(jié)合我國(guó)高速公路行駛典型大、小車(chē)型情況，分別參考德龍X3000(SX42564V324)6×4牽引車(chē)和A級(jí)車(chē)2019版大眾朗逸的車(chē)輛參數(shù)，采用TruckSim/CarSim構(gòu)建車(chē)輛仿真模型.大型車(chē)載重參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1589-2016《道路車(chē)輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》，取限制值49 000 kg.

2) 行駛模型 將設(shè)計(jì)線(xiàn)形方案參數(shù)導(dǎo)入TruckSim/CarSim軟件中，建立車(chē)輛行駛軌跡.按照J(rèn)TG D20-2017《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，道路縱坡取0%，路拱橫坡取2%，中央分隔帶填平處理.仿真車(chē)輛以給定初始速度通過(guò)交通中央分隔帶開(kāi)口，轉(zhuǎn)向盤(pán)控制為駕駛?cè)碎]環(huán)控制，始終保持車(chē)輛沿右側(cè)車(chē)道中心線(xiàn)行駛.

3) 運(yùn)行速度 為研究車(chē)輛在超速情況下的側(cè)翻穩(wěn)定性，參考開(kāi)口處實(shí)際觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)85%位車(chē)速，針對(duì)60，80 km/h設(shè)計(jì)速度下的中央分隔帶開(kāi)口線(xiàn)形，見(jiàn)表2，設(shè)置超過(guò)設(shè)計(jì)速度50%的速度為最高仿真運(yùn)行車(chē)速，為提高仿真精確度，分別設(shè)置五組仿真運(yùn)行車(chē)速.

表2 仿真運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度的關(guān)系

3.3 仿真評(píng)價(jià)

3.3.1動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型

1) 評(píng)價(jià)指標(biāo) 參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6336《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》和GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，分別在X、Y、Z三個(gè)方向選取橫擺角速度、側(cè)向加速度和車(chē)身側(cè)傾角對(duì)采集車(chē)輛在開(kāi)口處的側(cè)翻穩(wěn)定性進(jìn)行分析，三個(gè)仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)均為逆指標(biāo)，見(jiàn)圖6.

圖6 車(chē)輛穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)

(2)

(3)

式中：xij為無(wú)綱量值，xij∈[0,1]；i為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；j為第j個(gè)方案；Mj為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的最大值；mj為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)的最小值.

考慮到選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)有多樣性，因此針對(duì)3維的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)價(jià)狀態(tài)空間，并采用歐氏距離公式構(gòu)建仿真綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，得到方案j綜合評(píng)價(jià)值Yj，由于3個(gè)指標(biāo)均為逆指標(biāo)，故評(píng)價(jià)值越高，車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性越低，為

(4)

3.3.2結(jié)果與分析

為研究車(chē)輛通過(guò)中央分隔帶開(kāi)口時(shí)的穩(wěn)定性變化，選取具有代表性的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖7.

圖7 仿真數(shù)據(jù)

由圖7可知：行車(chē)過(guò)程中，車(chē)輛進(jìn)入曲線(xiàn)后，穩(wěn)定性開(kāi)始產(chǎn)生變化，行駛至兩條反向圓曲線(xiàn)相連路段時(shí)，參數(shù)值由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，且連接路段存在2%的路拱橫坡，導(dǎo)致大(小)型車(chē)橫擺角速度、側(cè)向加速度值產(chǎn)生波動(dòng)，并達(dá)到峰值，故雙向路拱處車(chē)輛有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn).

通過(guò)匯總各方案仿真數(shù)據(jù)，得到大型車(chē)和小型車(chē)在各方案線(xiàn)形上車(chē)輛橫擺角速度極值、側(cè)向加速度極值、側(cè)傾角極值小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的安全閾值5 (°)/s、0.4g、5°，表明設(shè)計(jì)開(kāi)口線(xiàn)形滿(mǎn)足車(chē)輛在超速行駛時(shí)穩(wěn)定性需求.

在對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，利用綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)各方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，方案一～方案十二、方案1～方案12分別為大、小型車(chē)綜合評(píng)價(jià)值Yj，見(jiàn)圖8.

圖8 不同設(shè)計(jì)速度下綜合評(píng)價(jià)值

由圖8可知：

1) 同一方案下，隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的增加，大(小)型車(chē)評(píng)價(jià)值增大，即穩(wěn)定性逐步降低，車(chē)輛穩(wěn)定性受速度影響顯著(開(kāi)展單因素方差分析，p<0.05).運(yùn)行速度相同時(shí)，小型車(chē)評(píng)價(jià)值均小于大型車(chē)，推測(cè)小型車(chē)重心更低，操縱性更好，因此在開(kāi)口處穩(wěn)定性?xún)?yōu)于大型車(chē).

2) 不設(shè)緩和曲線(xiàn)的方案的評(píng)價(jià)值低于設(shè)緩和曲線(xiàn)的方案，穩(wěn)定性更高，是由于在同一設(shè)計(jì)速度下，不設(shè)緩和曲線(xiàn)時(shí)，采用大半徑反向圓曲線(xiàn)會(huì)得到更平緩的線(xiàn)形，即更小的曲率使得車(chē)輛行駛更平穩(wěn).其中大型車(chē)在設(shè)緩和曲線(xiàn)道路上穩(wěn)定性顯著低于其他方案，因此若大型車(chē)比例高于小型車(chē)，則不宜選擇設(shè)置緩和曲線(xiàn)的方案.但設(shè)置緩和曲線(xiàn)將開(kāi)口長(zhǎng)度降低82～141 m，能有效減少工程造價(jià).

3) 各方案中，圓曲線(xiàn)半徑和中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度值越大，評(píng)價(jià)值越低，推測(cè)更平緩的曲線(xiàn)和更長(zhǎng)的開(kāi)口長(zhǎng)度使得駕駛員有更充足的時(shí)間來(lái)辨認(rèn)線(xiàn)形，從而采取更平緩的制動(dòng)措施，使得車(chē)輛行駛更平穩(wěn)，但在滿(mǎn)足車(chē)輛行駛穩(wěn)定性條件后，采用較長(zhǎng)的開(kāi)口長(zhǎng)度，不符合工程經(jīng)濟(jì)性.

4 結(jié) 論

1) 利用自然車(chē)流數(shù)據(jù)得到限速60 km/h下雙向四車(chē)道保通開(kāi)口處大(小)型車(chē)輛運(yùn)行特征，發(fā)現(xiàn)開(kāi)口處自然車(chē)流超速特征顯著，路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良.

2) 參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，考慮到圓曲線(xiàn)半徑、緩和曲線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)車(chē)速為60，80 km/h的組合方案，并基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性仿真對(duì)各方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)若小型車(chē)比例大于50%，采用開(kāi)口長(zhǎng)度為164 m的方案4，即可滿(mǎn)足車(chē)輛行駛穩(wěn)定性要求；若大型車(chē)所占比例超過(guò)50%，宜采用開(kāi)口長(zhǎng)度為281 m的方案1，來(lái)提高道路安全性.提出的開(kāi)口長(zhǎng)度參考值與現(xiàn)有研究成果存在差異的主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)序形式、道路參數(shù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)等不同.

3) 研究主要針對(duì)高速公路改擴(kuò)建時(shí)期雙向四車(chē)道保通中央分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度值，而雙向兩車(chē)道保通、六車(chē)道保通情形或許會(huì)因車(chē)輛橫向偏移長(zhǎng)度不同而存在差異，未來(lái)可針對(duì)不同保通情況對(duì)開(kāi)口長(zhǎng)度進(jìn)行研究.