李巧茹 陳 亮 刁文文

（河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院1） 天津 300401） （河北省土木工程技術(shù)研究中心2） 天津 300401）

0 引 言

目前我國絕大多數(shù)高速公路采用收費(fèi)通行模式，因此收費(fèi)站是高速公路系統(tǒng)重要的組成部分．高速公路收費(fèi)站是高速公路交通流的“瓶頸”，在來車強(qiáng)度較高的時(shí)段，收費(fèi)站的通行能力將會直接影響到上游路段的通行能力，從而在總體上制約高速公路的交通運(yùn)行狀況．因此，研究如何提高收費(fèi)站的通行能力將為解決高速公路暢通提供保證，為收費(fèi)站的規(guī)劃及設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論支撐．目前，對于公路收費(fèi)站的通行能力，國內(nèi)外學(xué)者均作了一定的研究．全世界140 000km收費(fèi)公路中100 000km在中國，美國及其他發(fā)達(dá)國家收費(fèi)公路所占比例較小，因此對收費(fèi)站通行能力的研究相對較少．美國、日本等國部分學(xué)者以等候理論為基礎(chǔ)，經(jīng)過等候理論模型推導(dǎo)，求出收費(fèi)站平均每車等候時(shí)間與平均車輛等候長度，從而評估了收費(fèi)站的服務(wù)水平［1－2］．我國對高速公路收費(fèi)站通行能力的研究起步較晚，但也取得了一些成就．丁創(chuàng)新、曾應(yīng)昆［3］建立了收費(fèi)站的排隊(duì)模型，在深入分析實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用M／G／K模型，計(jì)算出了收費(fèi)站的最大服務(wù)交通量，并提出了分析收費(fèi)站通行能力的方法．杭文、何杰［4］通過對交通流運(yùn)行特性和分布特性的分析，建立了公路收費(fèi)站通行能力的系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，對高速公路收費(fèi)站的通行能力進(jìn)行了研究．

從目前來看，收費(fèi)站依然是高速公路的通行瓶頸，收費(fèi)站的通行能力亟待進(jìn)一步提高．尤其對于承擔(dān)著重要運(yùn)輸任務(wù)的國道主干線高速公路，如青銀高速、京珠高速、連霍高速由于大量物流運(yùn)輸貨車的混入，使得整條高速公路的通行能力大大降低．本文針對此種現(xiàn)象，提出了高速公路車輛進(jìn)入收費(fèi)站前的客貨車強(qiáng)制分流系統(tǒng)，并計(jì)算了指示標(biāo)志設(shè)置的位置以及強(qiáng)制減速區(qū)域的長度，提高了收費(fèi)站的通行能力．

1 強(qiáng)制分流設(shè)施的合理設(shè)置

為了提高高速公路收費(fèi)站處的通行能力，應(yīng)加強(qiáng)車輛進(jìn)入收費(fèi)站前的強(qiáng)行客貨分流．車輛在高速公路主線上行駛時(shí)，由于道路等級高，線形平穩(wěn)，車輛之間側(cè)向干擾小，車速快，在進(jìn)入收費(fèi)站之前將貨車與小型車進(jìn)行強(qiáng)制分流，必須在收費(fèi)站前合適的位置設(shè)置相應(yīng)的減速設(shè)施，同時(shí)在設(shè)施前方合適的位置設(shè)置醒目的道路指示標(biāo)志和標(biāo)線．

1．1 減速指示標(biāo)志設(shè)置的要求及位置

由交通心理學(xué)可知，駕駛員對限速標(biāo)志的反應(yīng)過程主要分為發(fā)現(xiàn)、認(rèn)讀、理解和行動4個(gè)階段，在這4個(gè)反應(yīng)過程中，駕駛員需要花費(fèi)一定的時(shí)間來執(zhí)行，同時(shí)車輛會有一定的制動距離．根據(jù)駕駛員對限速標(biāo)志的這一獲取過程，限速標(biāo)志在確定設(shè)置位置點(diǎn)時(shí)，要考慮駕駛員的這4個(gè)反應(yīng)特性．如圖1駕駛員對限速標(biāo)志的認(rèn)讀過程所示，車輛行進(jìn)方向如圖中箭頭所示．正常情況下，駕駛員在L段距離內(nèi)依據(jù)標(biāo)志牌所載信息完成對所駕車輛實(shí)施操作的相關(guān)動作，如使行駛車輛減速、改變行駛方向等．

圖1 指示標(biāo)志設(shè)置位置示意圖

設(shè)從G點(diǎn)到M點(diǎn)的距離為駕駛員讀完標(biāo)志后距離a（簡稱為讀完后距離a）；從K點(diǎn)到標(biāo)志M點(diǎn)的距離為駕駛員可操作距離m（簡稱為可操作距離m）；從R點(diǎn)到標(biāo)志M點(diǎn)的距離為對標(biāo)志的視認(rèn)距離S；從標(biāo)志M點(diǎn)到P點(diǎn)的距離為標(biāo)志設(shè)置的前置距離D（簡稱為前置距離D）．由于讀完后距離a與標(biāo)志的設(shè)置地點(diǎn)相關(guān)，而可操作距離m則主要與駕駛員自身的生理、心理特性相關(guān)，如果讀完后距離a與可操作距離m相等或比其短，就意味著駕駛員在讀完標(biāo)志后沒有時(shí)間從容地對所獲信息進(jìn)行分析判斷．

為了保證駕駛員能夠有效地利用交通標(biāo)志傳遞的信息，駕駛員讀完信息后距標(biāo)志牌的距離必須大于可操作距離．在實(shí)際應(yīng)用中：（1）除安置在門架上的標(biāo)志外，其他標(biāo)志的設(shè)置位置一般與駕駛員的正前方視線斜偏一定角度；（2）駕駛員從交通標(biāo)志獲得信息后，對所駕車輛實(shí)施的操作主要為行駛中的車道變換及車速改變，根據(jù)汽車行駛理論，行駛中車輛車速變化過程中行駛的距離為：（v22－v21）／（2a）；因此，理論上駕駛員有效利用交通標(biāo)志傳遞信息的條件為：

式中：（n－1）L＊為變換車道的距離；v1為E點(diǎn)的速度；v2為P點(diǎn)的速度；a為減速度．

若在較短時(shí)間內(nèi)加速度沒有變化，推導(dǎo)出車道變換的時(shí)間Δt：

式中：Δt為車道變換所需時(shí)間；β為車輛變道時(shí)的轉(zhuǎn)向角；x為車道寬度；v為變道車輛的速度．由此可以求出變道所需要的距離y：

對于轉(zhuǎn)向角β的調(diào)查［5－7］表明，在高速公路上β值一般不大于1．6°．當(dāng)速度增加時(shí)，轉(zhuǎn)向角β減?。畬Υ罅空{(diào)查數(shù)據(jù)擬合，得出轉(zhuǎn)向角與車速的線性模型：

根據(jù)高速公路小型車及大貨車的平均行駛速度及不同車型的制動性能，以及到達(dá)P點(diǎn)的限制速度，可以計(jì)算出對于小汽車指示標(biāo)志的前置距離為286m，大貨車的前置距離為258m，又需滿足兩種車型均可通過，因此交通標(biāo)志的設(shè)置距離約為前方300m處．為防止駕駛員短暫性遺忘，建議在收費(fèi)站前方500m處加設(shè)一個(gè)減速標(biāo)志牌．

1．2 減速設(shè)施的設(shè)置

為了達(dá)到強(qiáng)制分流小型車與大貨車的目的，并且保證減速帶的耐久性及安全性，本文選用駝峰式橡膠減速帶．振動減速帶縱斷面為圓弧狀，高度為20mm．為了保證限速的質(zhì)量并避免車輛速度過快對限高設(shè)施造成破壞，需要設(shè)置減速區(qū)域，確保所有車輛到達(dá)限高標(biāo)志前車速達(dá)到預(yù)定要求．根據(jù)目前高速公路行車的特性（小型車車速110km／h，大貨車90km／h），以及車輛的減速度3．5m／s2，可以求得車輛在強(qiáng)制減速區(qū)域的行駛距離為80m，因此前置減速區(qū)域的距離應(yīng)該大于等于80m，本文選取100m．

1．3 車速反饋標(biāo)志的設(shè)置

車輛通過減速帶以后還應(yīng)設(shè)置一個(gè)車速反饋標(biāo)志，該標(biāo)志通過靜態(tài)交通標(biāo)志和動態(tài)實(shí)時(shí)車速顯示相結(jié)合，明確提示駕駛?cè)诵枰⒁獾氖马?xiàng)，在較遠(yuǎn)位置提醒駕駛員注意，同時(shí)反饋行駛車輛的速度，警告駕駛員放慢車速．

1．4 強(qiáng)制限行措施的設(shè)置

本文采用的強(qiáng)制限行設(shè)施為限高架．為了達(dá)到客貨分流，在收費(fèi)廣場前端內(nèi)側(cè)設(shè)置兩條專供小型車使用的車道．目前我國大貨車的一般高度為2．2m，為限制大貨車通行，每隔10m設(shè)置一個(gè)高度為2m的限高架，共設(shè)3個(gè)，以加強(qiáng)限高的強(qiáng)制性；在限高架外側(cè)沿線加黃色反光警示標(biāo)志以提醒貨車駕駛員．

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)出具體的強(qiáng)制分流設(shè)施系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2．

圖2 強(qiáng)制分流結(jié)構(gòu)示意圖

2 用VISSIM仿真比較采用強(qiáng)制分流設(shè)施前后收費(fèi)站通行能力

2．1 VISSIM微觀仿真模型參數(shù)的標(biāo)定

為了使交通流模擬仿真更加接近實(shí)際交通情況，對微觀仿真模型參數(shù)的標(biāo)定具有重要的意義．根據(jù)本文的研究對象，主要包括對高速公路交通規(guī)則、駕駛員特點(diǎn)和參與交通流仿真的各種車型參數(shù)標(biāo)定．我國研究者對仿真模型參數(shù)標(biāo)定與校正的方法有正交試驗(yàn)法、遺傳模擬退火啟發(fā)式算法、SPSA算法等，校正結(jié)果基本相似．本文在結(jié)合以上文獻(xiàn)參數(shù)標(biāo)定成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合本文的研究特點(diǎn)，對參數(shù)進(jìn)行以下標(biāo)定．

本文采用的跟馳模型為VISSIM軟件中Wiedemann99模型．此模型是 Wiedemann于1999年專門針對城際快速路、高速公路等開發(fā)設(shè)計(jì)的模型，Wiedemann99模型的大部分參數(shù)基本滿足高速公路交通流運(yùn)行的特征．此模型的主要參數(shù)見表1．

表1 Wiedemann99跟馳模型參數(shù)標(biāo)定

此外，Wiedemann99跟馳模型還包括2個(gè)外部駕駛員參數(shù)：前視距離、觀察車輛數(shù)．駕駛員前視距離設(shè)為0～299．63m，觀察車輛數(shù)使用默認(rèn)值2．

2．2 強(qiáng)制分流設(shè)施設(shè)置前后收費(fèi)車道通行能力仿真比較

仿真路段選取某單向雙車道的高速公路，在出口處有2條收費(fèi)車道．其中第一次仿真為未設(shè)置分流設(shè)施，第二次仿真為采用強(qiáng)制分流設(shè)施以后，2次仿真通過設(shè)置路徑?jīng)Q策對前兩條收費(fèi)車道的通行車輛進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制分流設(shè)施的仿真．通過仿真計(jì)算得到車輛排隊(duì)長度、時(shí)間延誤等參數(shù)．

我國高速公路規(guī)定的行駛速度為60～120 km／h，本文根據(jù)實(shí)際車輛行駛速度采用85～120 km／h．車輛到達(dá)收費(fèi)站以后排隊(duì)交費(fèi)通過收費(fèi)站，其中根據(jù)調(diào)查得知小型車通過收費(fèi)站的服務(wù)時(shí)間設(shè)置為12s，大貨車通過收費(fèi)通道的服務(wù)時(shí)間為20s．仿真采用的車型比例按照小型車：貨車比例為72∶28．其中第1次仿真的效果圖見圖3．

圖3 第1次仿真結(jié)果圖

在進(jìn)行第2次仿真的過程中，只需要在路徑?jīng)Q策的設(shè)置中對前2條收費(fèi)車道的通行車輛進(jìn)行限制即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制分流，其他設(shè)置不變．

本文在仿真過程中選用的評價(jià)指標(biāo)包括行程時(shí)間、車輛延誤、排隊(duì)長度．在排隊(duì)長度統(tǒng)計(jì)輸出中包括平均排隊(duì)長度、最大排隊(duì)長度和停車次數(shù)3個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．仿真輸出結(jié)果略．

從仿真結(jié)果可以看出，第1條收費(fèi)車道的平均排隊(duì)長度的最大值由80變?yōu)?4，第2條由34變?yōu)?6，第3條沒有變化，第4條尤其明顯，由39變?yōu)?．仿真結(jié)果顯示在采用強(qiáng)制分流設(shè)施后每一條收費(fèi)車道的通行能力都得到了不同程度的提高．

2次仿真車輛延誤的統(tǒng)計(jì)情況由于篇幅所限，略．延誤時(shí)間的測量由一個(gè)或幾個(gè)行程時(shí)間的測量定義，與選擇的車輛類別無關(guān)，所有這些車輛能被行程時(shí)間檢測器檢測到的同時(shí)也能被延誤時(shí)間檢測器檢測到．延誤時(shí)間檢測的定義為：同理想的行程時(shí)間相比（沒有其他車輛，無信號控制），在一個(gè)或一些路段上計(jì)算的所有觀測車輛的延誤時(shí)間的平均值．延誤就是車輛總延誤的平均值．

分別選擇2組數(shù)據(jù)的第1列，即小型車在內(nèi)側(cè)車道的延誤時(shí)間．其中，檢測路段為減速漸變段的開始到加速漸變段的結(jié)束，根據(jù)仿真軟件中延誤的定義可以發(fā)現(xiàn)，在仿真時(shí)間內(nèi)每一輛車的平均延誤時(shí)間減少了3．875s．每輛車的平均停車時(shí)間在輸出結(jié)果表格中已經(jīng)明確顯示，未設(shè)置強(qiáng)制分流設(shè)施車輛通過收費(fèi)車道的平均停車時(shí)間為81．7s，而采用強(qiáng)制分流設(shè)施后車輛通過收費(fèi)車道的平均停車時(shí)間為63．2s，在停車次數(shù)方面，未設(shè)置強(qiáng)制分流設(shè)施時(shí)平均停車2．34次，而采用強(qiáng)制分流設(shè)施后平均停車2．11次．大型車通過收費(fèi)站的平均停車時(shí)間由129．6s減少到了71s，而平均停車次數(shù)由3．25次減少到了2．6次．因此，設(shè)置強(qiáng)制分流設(shè)施是有效提高收費(fèi)站通行能力的技術(shù)措施．

通過2次仿真所得數(shù)據(jù)可計(jì)算出采用強(qiáng)制分流設(shè)施以后，平均每條車道的排隊(duì)長度減少了35%，車輛通過收費(fèi)車道的平均停車時(shí)間減少23%．因此，無論是在排隊(duì)長度方面，還是在時(shí)間延誤方面都得到明顯的改善，證實(shí)了設(shè)施設(shè)置的有效性．

3 結(jié)束語

為提高高速公路收費(fèi)站的通行能力，本文提出了客貨車強(qiáng)制分流系統(tǒng)（包括指示標(biāo)志、強(qiáng)制減速設(shè)施、速度反饋標(biāo)志、強(qiáng)制限行設(shè)施），根據(jù)高速公路小型車及大貨車的平均行駛速度及不同車型的制動性能等計(jì)算出指示標(biāo)志設(shè)置合理的位置以及強(qiáng)制減速區(qū)域的合理長度．并且應(yīng)用VISSIM軟件對采取強(qiáng)制分流設(shè)施前后收費(fèi)站的通行能力進(jìn)行仿真模擬比較，選取排隊(duì)長度和車輛延誤時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)，證實(shí)了設(shè)置分流設(shè)施可以有效的減少每條車道排隊(duì)長度，減少收費(fèi)車輛平均停車時(shí)間，從而有效提高收費(fèi)站的通行能力．

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