■周麗娟 茹小磊 朱 宏
(1.陜西省高速公路建設(shè)集團公司西寶高速公路改擴建項目管理處,咸陽 712011;2.長安大學公路學院,西安 710064;3.溫州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司,溫州 325000)
駕駛?cè)嗽诟咚俟分骶€和出口匝道的連接部分行駛時,其駕駛操作行為比較復雜多變,同時行駛車輛間的速度離散程度比較大,導致這部分路段的交通沖突數(shù)量較多、交通流混亂,交通效率和交通安全受到了嚴重的影響。為了避免運行速度突變現(xiàn)象發(fā)生,減小連續(xù)路段之間的速度差值,使車輛的運行速度可以逐步減小到匝道限速值,在出口匝道影響區(qū)采用分級限速方案的方法被提出。
目前國內(nèi)外對在出口匝道影響區(qū)交通安全的研究大多數(shù)主要集中于對其限速標志位置的設(shè)置、限速值的計算模型、限速標志的設(shè)計、限速分級標準等方面,但對在出口匝道影響區(qū)車輛的運行速度降到匝道限速值過程中,究竟選取幾級限速方案的效果最佳這方面卻涉及很少。因為出口匝道影響區(qū)的交通組織環(huán)境較為復雜,所以在車輛降速過程中采用不同的分級限速方案,其效果是不同的。故本文以提高出口匝道區(qū)域交通安全和交通效率的效果最佳為目標,對分級限速方案在高速公路出口匝道影響區(qū)的適用性進行研究。
本文選取最具代表性的直接式單匝道(其中主線車道數(shù)為兩車道)作為研究對象。根據(jù)高速公路出口匝道交通特性,利用出口匝道漸變段起點和出口匝道分流鼻端,將高速公路出口匝道影響區(qū)劃分為4個部分,即主線上游區(qū)、“主線—匝道”分流區(qū)、主線下游區(qū)、出口匝道區(qū),如圖1所示。
圖1 出口匝道影響區(qū)的劃分
(1)主線上游區(qū)是指第三塊出口匝道預(yù)告標志至出口匝道漸變段起點的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi),準備駛?cè)氤隹谠训赖拇蟛糠周囕v均已由內(nèi)側(cè)車道變換到外側(cè)車道并且做好進入減速車道的準備;(2)“主線—匝道”分流區(qū)是指從出口匝道漸變段起點至出口匝道分流鼻端的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi),準備駛?cè)氤隹谠训赖能囕v從主線交通流中分離出來,并駛?cè)氤隹谠训?;?)主線下游區(qū)是指從出口匝道分流鼻端向下游延伸300m的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi),受出口匝道影響的車輛將會恢復正常行駛狀態(tài);(4)出口匝道區(qū)是指從出口匝道分流鼻端向匝道下游延伸400m的一段區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi),行駛車輛將會以不高于匝道鼻端限速值的車速行駛并逐漸穩(wěn)定下來。
在高速公路出口匝道影響區(qū)設(shè)置分級限速方案的限速值及其種類時主要考慮的因素為:①考慮到布設(shè)限速標志的可操作性,分級限速標志不應(yīng)過多;②限速值不應(yīng)過低,否則將會影響出口匝道影響區(qū)的交通效率;③限速值變化不宜過于頻繁,以免駕駛員產(chǎn)生煩躁心理。分級限速標志值間的遞減量一般為10km/h~20km/h。通過相關(guān)交通數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計,界定高速公路正常路段上小型車的平均運行車速為100km/h~120km/h,大型車的平均運行車速為90km/h~110km/h。故本文將研究一級、二級及三級分級限速方案,并根據(jù)在出口匝道影響區(qū)采取的限速遞減量和遞減次數(shù)確定各分級限速方案的限速值及其種類,如表1所示。
表1 分級限速方案的限速值及其種類
根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》及GoogleEarth觀測,我國出口匝道鼻端處的限速值大多為40km/h,所以本文將研究40、60~40、80~60~40這3種常見分級限速方案在出口匝道影響區(qū)不同交通組織環(huán)境下的適用性情況。
本文根據(jù)相關(guān)研究資料,并考慮評估指標之間的相對重要性、計算評估指標的復雜度,運用專家分析法,構(gòu)建分級限速方案適用性的評估指標體系,如圖2所示。
圖2 高速公路出口匝道分級限速方案適用性評估指標體系
2.1.1 交通安全評估指標
基于非事故統(tǒng)計的間接評估方法,選取速度離散性評估指標——速度偏差的變化系數(shù)(theCoefficientof VariationoftheSpeedDeviation,CVSD)和交通沖突評估指標——交通沖突率f,從這兩個交通安全指標來對高速公路出口匝道影響區(qū)的交通安全進行評估。
(1)速度離散性評估指標——速度偏差的變化系數(shù)CVSD
在出口匝道影響區(qū)的影響下,導致高速公路的連續(xù)車流受到干擾、車速離散程度變大、車頭時距變小,隨之造成交通擁擠、車輛排隊長度變長等。如果把出口匝道影響區(qū)看作一個系統(tǒng),則該系統(tǒng)內(nèi)要素之間具有很強的制約關(guān)系,該系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)。通過分析相關(guān)研究成果可知,交通安全和車速的離散程度存在著非常密切的關(guān)系,即交通安全性和車速的離散程度呈反比。而在高速公路出口匝道影響區(qū)中,由于不同斷面的平均運行車速都不一樣,為避免受到不同運行車速的干擾,本文選用速度離散性評估指標CVSD來評估各斷面的交通安全性。其中速度偏差的變化系數(shù)CVSD的計算公式為:
(2)交通沖突評估指標——交通沖突率f
在出口匝道影響區(qū)中,由于駛?cè)氤隹谠训赖能囕v要實現(xiàn)減速、變換車道、尋找插入空隙等駕駛行為,從而對出口匝道影響區(qū)內(nèi)的交通流產(chǎn)生干擾,導致同一車道的車輛之間發(fā)生縱向沖突、相鄰車道的車輛發(fā)生橫向沖突,極易發(fā)生交通事故,導致出口匝道影響區(qū)安全性較差。另外,專家研究表明交通沖突和交通事故存在緊密的關(guān)系,則交通沖突率和事故率也存在緊密的關(guān)系,即交通沖突數(shù)越高,交通沖突率就會越高,事故率也就會越高。所以,本文選用交通沖突評估指標——交通沖突率f,來對出口匝道影響區(qū)分級限速方案的適用性進行研究。其中,交通沖突率f 的計算公式為:
式中,f 為交通沖突率,次/veh·km;TC 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側(cè)車道至出口匝道車道的時均沖突數(shù),次;Q 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側(cè)車道至出口匝道車道的路段交通量,pcu/h;d 為出口匝道主線上游區(qū)和“主線—匝道”分流區(qū)外側(cè)車道至出口匝道車道的路段長度,km。
2.1.2 交通效率評估指標
由于出口匝道影響區(qū)擁擠現(xiàn)象較為突出,交通影響區(qū)中分級限速標志不同的設(shè)置方案必然會對其交通效率引起較大影響,若分級限速標志設(shè)置的不合理,交通影響區(qū)的交通效率必會下降。所以,本文從“時間”和“空間”兩個角度選取交通效率評估指標,即時間占用性指標和空間占用性指標。
(1)時間占用性指標——車均延誤時間D
出口匝道影響區(qū)由于行駛車輛經(jīng)常會出現(xiàn)減速、變換車道等操作行為,其車輛在通過出口匝道影響區(qū)的平均行程時間必然會增大,占用的時間較長,尤其在交通量較大時甚為嚴重。本文從“時間”角度考慮評估交通效率,選取時間占用性指標,即車均延誤時間。其中車均延誤時間D的計算公式為:
式中,D為出口匝道影響區(qū)車均延誤時間,s;Tm為車輛通過出口匝道影響區(qū)的實際平均行程時間,s;Tn為車輛通過出口匝道影響區(qū)的理論平均行程時間,s。
(2)空間占用性指標——平均排隊長度q
出口匝道影響區(qū)由于交通環(huán)境復雜、交通流較為紊亂,交通擁堵時有發(fā)生,尤其交通量較大時,從出口匝道鼻端向主線上游延伸的路段甚為嚴重,經(jīng)常發(fā)生車輛排隊現(xiàn)象。在出口匝道影響區(qū),如果分級限速方案的適用性較強,則產(chǎn)生對出口匝道影響區(qū)交通效率的干擾就較小,其平均排隊長度就較短,占用的道路空間就較小;如果分級限速方案的適用性較弱,則產(chǎn)生對出口匝道影響區(qū)交通效率的干擾就較大,其平均排隊長度就較長,占用的道路空間就較大。本文從“空間”角度考慮評估交通效率,選取空間占用性指標,即從出口匝道鼻端向主線上游延伸所產(chǎn)生的平均排隊長度q。
本文采用加權(quán)加法平均法來評估高速公路出口匝道影響區(qū)分級限速方案的適用性,其流程如下。
2.2.1 評估指標建立
不同交通組織環(huán)境下分級限速方案的適用性是不同的,基于此,在高速公路出口匝道影響區(qū)的某種交通組織環(huán)境下,要對在這個交通組織環(huán)境下“40、60~40、80~60~40”這3種不同的分級限速方案適用性情況進行評估,而CVSD、f、D、q則為分級限速方案的評估指標。假設(shè)第i(i=1,2,3)個分級限速方案在第j(j=1,2,3,4)個指標得到的標值為,第j個指標的權(quán)重系數(shù)為。
2.2.2 評估指標值無量綱化
由于加權(quán)加法平均法要把各評估指標值進行相加計算,所以就要求所有評估指標標值必須具有相同的量綱。本文選用直線型閾值法對定量指標無量綱化,其計算公式為:
2.2.3 評估指標權(quán)重分配
本文選用特征向量法確定評估指標權(quán)重。特征向量法的實施步驟為:(1)列出基于評估指標重要性的4×4的判斷方陣A;(2)求判斷方陣A的特征根λ;(3)判斷方陣A的一致性檢驗;(4)求出判斷方陣A的最大特征根λmax的特征向量。步驟詳見文獻[3]。
2.2.4 加權(quán)加法平均法綜合評估值計算
加權(quán)加法平均法綜合評估的計算模型為:
分級限速方案適用性加權(quán)加法平均法綜合評估值的計算原理如表2所示。
表2 分級限速方案適用性加權(quán)加法平均法綜合評估值的計算原理
分級限速方案適用性加權(quán)加法平均法綜合評估值越高,則該分級限速方案的適用性就越強,反之,就越弱。
3.1.1 交通組織仿真環(huán)境
確定分級限速仿真方案,關(guān)鍵在于交通組織環(huán)境仿真方案的確定,交通組織環(huán)境的組成因素主要包括主線上游交通量、車型比例、出口匝道駛出率和減速車道長度。由于這四個因素涉及的數(shù)據(jù)組合較多,先將不同出口匝道駛出率和不同減速車道長度進行組合,得aj/bj(j=1,2,3),共6種,如表3所示。
表3 出口匝道駛出率和減速車道長度的交通組成
然后在交通組成aj/bj(j=1,2,3)條件下,對不同的主線上游交通量和車型比例進行組合ci/di/ei(i=1,2,3,4),得交通組織環(huán)境仿真方案共有72種,如表4所示。
表4 交通組織環(huán)境仿真方案
3.1.2 仿真流程
基于VISSIM 的分級限速方案的適用性評估仿真流程如圖3所示。流程詳見文獻[3]。
圖3 分級限速方案的適用性評估仿真流程
對仿真得到的數(shù)據(jù),運用章節(jié)2.2中介紹的方法,綜合評估3種分級限速方案在72種交通組織環(huán)境仿真方案下的適用性,分析結(jié)果如圖4~圖9所示。
(1)出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為20%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況
圖4 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境a1+ci/di/ei下的適用性綜合評估
從圖4可得出:(1)當出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越小時,分級限速方案的適用性強弱情況為:40>60~40>80~60~40;(2)當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:60≤40>40>80≤60≤40。
(2)出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為35%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況。
從圖5可得出:(1)當出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越小時,分級限速方案的適用性強弱情況為:40>60~40>80~60~40;(2)當2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:60~40>40>80~60~40。
(3)出口匝道減速車道長度≤200m且出口匝道駛出率為50%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況
從圖6可得出:(1)當出口匝道影響區(qū)交通量≤2400pcu/h且大車比率越小時,分級限速方案的適用性強弱情況為:40>60~40>80~60~40;(2)當2400pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:60~40>40>80~60~40;(3)當2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:60~40>80~60~40>40;(4)當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:80~60~40>60~40>40。
圖6 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境a3+ci/di/ei下的適用性綜合評估
(4)出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為20%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況
從圖7可得出:當出口匝道影響區(qū)交通量≤出口匝道影響區(qū)通行能力且大車比率越小時,分級限速方案的適用性強弱情況為:40>60~40>80~60~40。
圖7 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b1+ci/di/ei下的適用性綜合評估
(5)出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為35%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況
從圖8可得出:(1)當出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越小時,分級限速方案的適用性強弱情況為:40>60~40>80~60~40;(2)當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:60~40>40>80~60~40。
圖8 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b2+ci/di/ei下的適用性綜合評估
(6)出口匝道減速車道長度>200m且出口匝道駛出率為50%左右時分級限速方案在出口匝道影響區(qū)的適用性情況
從圖9可得出:(1)當出口匝道影響區(qū)交通量≤2800pcu/h且大車比率越小時,分級限速方案的適用性強弱情況為:40>60~40>80~60~40;(2)當2800pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3200pcu/h且大車比率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:60~40>80~60~40>40;(3)當3200pcu/h<出口匝道影響區(qū)交通量≤3600pcu/h且大車比率越大時,分級限速方案的適用性強弱情況為:80~60~40>60~40>40。
圖9 3 種分級限速方案在交通組織環(huán)境b3+ci/di/ei下的適用性綜合評估
本文對出口匝道影響區(qū)分級限速方案適用性研究具有一定的合理性,分級限速方案在不同交通組織環(huán)境下的適用性都是不同的。對于分級較多限速方案,雖然速度變化的連續(xù)性較好,在一定程度上保障了交通安全性,但是考慮到駕駛員的駕駛特性,其實這種限速方案對交通安全性的幫助并不大。因為駕駛員在道路上行駛時,需要注意各種交通情況,所以設(shè)置過多的限速標志時,駕駛員就有可能會一直注意這些標志,從而忽視了自己的駕駛行為,這樣是非常容易發(fā)生交通事故的。所以,出口匝道影響區(qū)采用幾級限速方案應(yīng)根據(jù)交通組織環(huán)境而定,具體如下:
(1)當出口匝道影響區(qū)交通量較小、出口匝道駛出率較小且大車率較小時,可考慮采用一級限速方案;
(2)當出口匝道影響區(qū)交通量較大、出口匝道駛出率較大且大車率較大時,可考慮采用二級限速方案;
(3)當出口匝道影響區(qū)交通量很大(接近出口匝道影響區(qū)通行能力)、出口匝道駛出率很大且大車率很大時,方可考慮采用三級限速方案。
這樣才能使分級限速方案的作用達到最佳,更有效地保障出口匝道影響區(qū)交通安全和提高其交通效率。
[1]Bruce N.Jason, Wael Awad, Juan Robles.Truck Accident at Freeway Ramp:Data Analysis and High-Risk Site Identification[J].Journal of Transportation and Statistics,January 1998:75-92.
[2]Hongyun Chen, Impacts of Exit Ramp Type on the Safety Performance of Freeway Diverge Areas[J].TRB,National Research Council,Washington,D.C.,2008.
[3]朱宏.高速公路出口匝道影響區(qū)分級限速方案適用性的研究[D].陜西:長安大學,2014.
[4]岳曉泉.基于交通沖突的高速公路交織區(qū)的安全評價研究[D].福建:福建農(nóng)林大學,2006.
[5]曹鵬.高速公路限速標志設(shè)置的有效性研究[D].吉林:吉林大學,2007.
[6]李娟,姬為宇,蔡加發(fā).高速公路分段限速值研究[J].公路交通技術(shù),2007,10(5):117-119.
[7]鄭安文,牛悼民.高速公路靜態(tài)交通標志設(shè)置科學性分析[J].交通運輸工程學報,2002,2(4):49-53.
[8]仲媛媛.基于交通沖突的公路平面交叉口模糊安全評價研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2006.