季 托 周 穎 呂能超▲

（1.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢430063；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢430056）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和運(yùn)輸需求不斷上升，原有高速公路因車(chē)道數(shù)較少逐漸不能與交通流量增長(zhǎng)相適應(yīng)，因此，各國(guó)陸續(xù)開(kāi)始實(shí)施高速公路改擴(kuò)建工程，以提升公路通行能力。然而，對(duì)于一些流量需求突出的交通運(yùn)輸動(dòng)脈，即使擴(kuò)建為8車(chē)道仍然不能為巨大的需求提供足夠的通行能力；因此，將原有4車(chē)道或6車(chē)道高速公路擴(kuò)建為10車(chē)道及以上的超多車(chē)道高速公路成為解決交通流量需求劇增及通行能力不足問(wèn)題的重要選擇方案。

多車(chē)道高速公路除了通行能力較大之外，其運(yùn)行方式具有較大靈活性，既可以實(shí)施不同類(lèi)型車(chē)輛混合行駛，也可以實(shí)施分車(chē)道分車(chē)型行駛。這種靈活的交通組織運(yùn)行方式將導(dǎo)致交通流結(jié)構(gòu)的變化。一方面，車(chē)道內(nèi)部交通流的組成發(fā)生變化；另一方面，交通量和車(chē)型在車(chē)道上的分布發(fā)生變化。如果分車(chē)型分車(chē)道行駛，各車(chē)道內(nèi)部的車(chē)型將趨于一致，車(chē)輛運(yùn)動(dòng)性能差異減小，形成同質(zhì)交通流；而不同車(chē)型混合行駛時(shí)，車(chē)道內(nèi)車(chē)輛性能差別較大，其交通流為異質(zhì)流。在多車(chē)道高速公路出口交織區(qū)，由于車(chē)輛存在換道、分流等操作，其斷面設(shè)置形式及交通組織形式對(duì)通行能力和交通安全均有影響。

影響交織區(qū)通行能力的因素有很多，如交織區(qū)的長(zhǎng)度、車(chē)道數(shù)、車(chē)速等。其中，只有車(chē)道數(shù)是較容易改變的，其他因素都較難改變。陳利霖等[1]選擇A類(lèi)交織區(qū)作為研究對(duì)象來(lái)確定分流車(chē)道數(shù)量對(duì)交織車(chē)道的通行能力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：直行車(chē)道數(shù)的增加可以有效緩解交通擁堵，提升通行能力；倪娜等[2]以最小交織區(qū)的長(zhǎng)度來(lái)評(píng)價(jià)互通式立交的通行能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：A，B型交織在相同的流率下均隨著車(chē)道數(shù)的增加最小長(zhǎng)度減小，相同的車(chē)道數(shù)下A型交織隨著車(chē)速的增加最小長(zhǎng)度增大，B型交織最小長(zhǎng)度減小。

在交通安全方面，在高速公路分流交織區(qū)由于大小車(chē)混合行駛而形成的異質(zhì)流對(duì)行車(chē)安全造成一定影響。針對(duì)不同車(chē)道組織形式下的交通流行為，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究。裴玉龍等[3]研究指出交織區(qū)車(chē)頭時(shí)距分布隨斷面流率動(dòng)態(tài)變化的結(jié)論，擬合分析結(jié)果表明：斷面流率小于250 veh/h時(shí)，車(chē)頭時(shí)距服從負(fù)指數(shù)分布；當(dāng)斷面流率位于250～750 veh/h時(shí)，車(chē)頭時(shí)距服從移位負(fù)指數(shù)分布；當(dāng)斷面流率位于750～1 500 veh/h時(shí)，車(chē)頭時(shí)距服從Cowan M3分布；趙曉翠等[4]通過(guò)道路數(shù)據(jù)的速度提取和視頻觀測(cè)分析，總結(jié)了駕駛員駛?cè)牖ネ⒔粶p速車(chē)道的3種駕駛過(guò)程，以及駕駛員在進(jìn)入分流區(qū)前已經(jīng)開(kāi)始減速和車(chē)輛到達(dá)減速車(chē)道終點(diǎn)（三角端位置）時(shí)駕駛員的期望車(chē)速大于匝道限速的特點(diǎn)；張?zhí)m芳等[5]通過(guò)自然駕駛數(shù)據(jù)分析了多車(chē)道高速公路出口匝道車(chē)輛的風(fēng)險(xiǎn)換道行為，結(jié)果表明：當(dāng)換道發(fā)生位置附近存在貨車(chē)時(shí)，由于大貨車(chē)行駛速度緩慢并遮擋后車(chē)視野，因而后車(chē)會(huì)選擇換道超車(chē)以獲得期望行駛條件，從而導(dǎo)致更高的換道風(fēng)險(xiǎn)水平。

在分流區(qū)，內(nèi)側(cè)車(chē)道的車(chē)輛駛出時(shí)會(huì)和外側(cè)車(chē)道上的車(chē)輛產(chǎn)生行駛空間的爭(zhēng)奪，同樣容易使行駛軌跡重合，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)輛發(fā)生碰撞事故。因此頻繁的發(fā)生換道行為可能會(huì)產(chǎn)生交通沖突，增加事故發(fā)生的可能性，甚至加重碰撞傷害的嚴(yán)重程度。大量學(xué)者針對(duì)高速公路分流區(qū)進(jìn)行了相關(guān)的研究，這些研究主要是分析造成高速公路出入口碰撞事故的主要原因，以此來(lái)評(píng)估其安全性。Wang等[6]發(fā)現(xiàn)造成高速公路出入口發(fā)生嚴(yán)重碰撞事故的因素包括ADT主線,減速/斜坡道的長(zhǎng)度和位置,光線和天氣條件下,酒精/藥物和重型車(chē)輛參與、匝道車(chē)道數(shù)量在主線上,表面狀況,土地類(lèi)型和事故類(lèi)型；Yang等[7]還發(fā)現(xiàn)交通設(shè)施設(shè)置，如限速、路緣安裝同樣會(huì)對(duì)高速公路分流和合流區(qū)的碰撞事故發(fā)生的概率產(chǎn)生影響。此外惡劣天氣以及駕駛員年齡、認(rèn)知需求等因素同樣是影響高速公路出入口的碰撞事故的因素[8-9]。

通過(guò)分析，多車(chē)道高速公路分流交織區(qū)在交通安全方面存在的問(wèn)題主要有以下3點(diǎn)：①在出口匝道連接部分，分流的車(chē)輛需變換多個(gè)車(chē)道，由于不能連續(xù)變道的規(guī)定，導(dǎo)致分流區(qū)長(zhǎng)度增加，交通運(yùn)行狀況復(fù)雜；②換道過(guò)程中車(chē)輛運(yùn)行速度較高，易發(fā)生追尾事故；而車(chē)輛換道速度較快，使減速車(chē)道的長(zhǎng)度不能滿足車(chē)輛減速的需求，易發(fā)生車(chē)輛刮擦路側(cè)的事故；③標(biāo)志、標(biāo)線設(shè)置不合理導(dǎo)致駕駛員換道距離過(guò)短，駕駛員視線被大車(chē)遮擋，最終使得駕駛員錯(cuò)認(rèn)出口、或在出口進(jìn)行強(qiáng)制換道、掉頭等導(dǎo)致交通事故。同時(shí)由于車(chē)輛的連續(xù)換道影響，交織區(qū)的運(yùn)行效率也大大降低，影響交織區(qū)的服務(wù)水平。

基于以上多車(chē)道高速公路存在的安全問(wèn)題及效率問(wèn)題，筆者廣泛調(diào)研多車(chē)道高速公路出入口的交通組織形式，并分析其交通流特性和交通安全特性，最終提出交通組織及管理方案，可實(shí)現(xiàn)多車(chē)道高速公路的安全駕駛，并提高其服務(wù)水平。

1 多車(chē)道高速公路斷面交通組織形式及其特點(diǎn)

1.1 多車(chē)道高速公路斷面組織形式

目前多車(chē)道高速公路斷面布置形式主要分為整體式和分離式這2種。目前，中國(guó)高速公路以整體式斷面形式為主；而美國(guó)等國(guó)家除了整體式斷面之外，部分多車(chē)道高速公路也采用分離式斷面形式。

1.1.1 整體式斷面交通組織形式

整體式斷面形式常用于車(chē)道數(shù)較少的高速公路，如6車(chē)道、8車(chē)道高速公路的斷面布置形式為整體式，當(dāng)車(chē)道數(shù)達(dá)到10～12車(chē)道時(shí)也有使用。一般情況下，當(dāng)車(chē)道數(shù)較多但路側(cè)用地受到限制時(shí)，常采用整體式斷面形式，其車(chē)道布設(shè)形式見(jiàn)圖1。

圖1 整體式高速公路路基斷面形式Fig.1 Section form of the integral highway subgrade

根據(jù)對(duì)客車(chē)與貨車(chē)所行駛車(chē)道的組織，整體式斷面又可分為2種：①客貨混行整體式，即客車(chē)與貨車(chē)可在主線上任意車(chē)道行駛，見(jiàn)圖2（a）；②客貨分離式，即根據(jù)車(chē)道限制規(guī)定，主線上客車(chē)貨車(chē)分開(kāi)行駛，僅在出入口交織區(qū)不受車(chē)道限制，見(jiàn)圖2（b）。對(duì)于客貨混行式整體斷面多車(chē)道高速公路，其管理形式較為方便；而對(duì)于客貨分離整體式斷面多車(chē)道高速公路，除了使用標(biāo)志對(duì)車(chē)道功能進(jìn)行區(qū)分外，大部分車(chē)道數(shù)大于10的高速公路采用雙黃線對(duì)車(chē)道功能進(jìn)行劃分，一般設(shè)置在第2車(chē)道和第3車(chē)道之間，以此來(lái)區(qū)分車(chē)道功能。

圖2 整體式的車(chē)道斷面圖Fig.2 Cross-section of the integral lane

目前國(guó)內(nèi)高速公路以8車(chē)道及以下車(chē)道數(shù)的高速公路為主，10車(chē)道及以上的多車(chē)道高速公路應(yīng)用較少，典型的有水官高速公路和合肥繞城高速隴西樞紐至路口樞紐段段，主要采用整體式斷面形式。水官高速公路采用內(nèi)側(cè)雙向6車(chē)道+外側(cè)雙向4車(chē)道輔道組織設(shè)置，交通組織形式采用“3+2客貨分離”的形式；內(nèi)側(cè)為3條客車(chē)車(chē)道，外側(cè)為2條貨車(chē)車(chē)道，全程采用雙向10車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)，主輔車(chē)道之間設(shè)0.5 m寬分隔帶，標(biāo)劃雙黃色震蕩標(biāo)線和設(shè)置突起式路標(biāo)；配以分車(chē)道分車(chē)型限速指示標(biāo)志及全線監(jiān)控設(shè)施，嚴(yán)格分離小型車(chē)與大型車(chē)，見(jiàn)圖3（a）。合肥繞城高速隴西樞紐至路口樞紐段段采用整體10車(chē)道的組織形式，組織形式與普通高速公路類(lèi)似，其斷面交通組織形式為客貨混行式，見(jiàn)圖3（b）。

圖3 整體式多車(chē)道高速公路實(shí)例Fig.3 Cases of integral multi-lane cross-section highways

1.1.2 主輔分離式斷面交通組織形式

高速公路車(chē)道數(shù)較多時(shí)常采用分離式斷面組織形式。從目前國(guó)外高速公路多車(chē)道使用情況來(lái)看，多車(chē)道高速公路主要采用的是“快速+集散”的分離式組織方式，內(nèi)側(cè)車(chē)道僅供客車(chē)通行，外側(cè)車(chē)道主要供貨車(chē)和短途車(chē)輛通行。內(nèi)外側(cè)采用同向分隔帶隔離，《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）規(guī)定分離式路基間的最小間距不應(yīng)小于規(guī)范要求的中央分隔帶最小寬度。因此，按照《規(guī)范》要求邊分帶的寬度建議不小于2.0 m。主輔分離式的12車(chē)道高速公路布設(shè)形式圖4～5。

圖4 分離式12車(chē)道路基斷面Fig.4 Section of the separated 12-lane subgrade

圖5 分離式12車(chē)道斷面示意圖Fig.5 Separated 12-lane Section

應(yīng)用方面，北美有較多高速公路采用主輔分離式斷面。美國(guó)新澤西收費(fèi)公路6號(hào)出口至9號(hào)出口為雙向12車(chē)道，采用的是完全客貨分離式組織形式；加拿大401號(hào)高速公路車(chē)道數(shù)很多，組織形式復(fù)雜，互通立交密集，其組織形式布置采用主線+輔線形式，見(jiàn)圖6（a）；美國(guó)I-496高速公路為雙向10車(chē)道高速公路，采取快速（6）+集散（4）的形式，見(jiàn)圖6（b）。在國(guó)內(nèi)，尚無(wú)10車(chē)道及以上高速公路采取主輔分離式斷面交通組織形式，但是在“4改8”高速公路改擴(kuò)建中，因?yàn)閱蝹?cè)拼寬緣故，原來(lái)4車(chē)道老路變?yōu)橥蛐旭?，在老?車(chē)道半幅路面形成“2+2”的主輔分離式斷面。

1.2 多車(chē)道高速公路斷面組織形式優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖6 410高速及I-496高速實(shí)例Fig.6 Case of expressways 410 and I-496

不同的斷面組織形式不僅在設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)成本、時(shí)間、難度各不相同，同時(shí)在營(yíng)運(yùn)期間也會(huì)產(chǎn)生不同的交通流，致使駕駛員在駕駛時(shí)產(chǎn)生不同的駕駛行為，導(dǎo)致不同的安全問(wèn)題。因此每個(gè)斷面組織形式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體見(jiàn)表1。

表1 不同斷面組織形式的優(yōu)缺點(diǎn)分析Tab.1 Analysis of advantages and disadvantages of different cross-section organizational forms

1.3 多車(chē)道高速公路分流區(qū)組織形式

無(wú)論是整體式還是分離式交通組織形式，在高速公路出入口均需設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)換路段供車(chē)輛出入。對(duì)于整體式斷面，需要在出入口相關(guān)區(qū)域設(shè)置交通標(biāo)志、標(biāo)線供車(chē)輛出入，常見(jiàn)的標(biāo)線有虛實(shí)線；而對(duì)于分離式交通組織形式，則需要設(shè)置相應(yīng)的連接車(chē)道供車(chē)輛出入，并配以相應(yīng)標(biāo)志與標(biāo)線。

目前，大部分大于10車(chē)道的整體式斷面高速公路均采用雙黃線對(duì)車(chē)道功能進(jìn)行劃分與隔離，僅在靠近高速公路出口設(shè)置虛實(shí)線，內(nèi)側(cè)車(chē)輛可在黃色虛實(shí)線區(qū)域換道駛出高速公路；其過(guò)程見(jiàn)圖7（a）。而分離式斷面交通組織情形下，由于內(nèi)外車(chē)道由同向分隔帶分離，內(nèi)側(cè)車(chē)輛若需駛出高速公路，需經(jīng)過(guò)同向分隔帶開(kāi)口駛出內(nèi)側(cè)快速車(chē)道，在外側(cè)集散車(chē)道交織區(qū)完成換道后駛?cè)霚p速車(chē)道，其過(guò)程見(jiàn)圖7（b）。這2種多車(chē)道高速公路出口交通組織方式均屬于平面交織形式其優(yōu)點(diǎn)在于占地少，由現(xiàn)有高速改擴(kuò)建時(shí)操作簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)在于在外側(cè)集散車(chē)道容易形成橫向交織與干擾，交通安全性差，通行能力較低。

圖7 不同斷面交通組織形式下車(chē)輛出高速示意圖Fig.7 Vehicles leaving the highway under different cross-section organizational forms

對(duì)于主輔分離式斷面交通組織形式，其出口可設(shè)置成立體交叉的組織形式，即內(nèi)側(cè)車(chē)道車(chē)輛通過(guò)專(zhuān)用的匝道上跨或下穿外側(cè)集散車(chē)道駛出高速公路快速車(chē)道。其優(yōu)點(diǎn)在于消除了駛出內(nèi)側(cè)集散車(chē)道車(chē)輛與外側(cè)集散車(chē)道車(chē)輛的橫向干擾，總體安全性高，通行能力高；而缺點(diǎn)則在于占地空間大，投資費(fèi)用高。見(jiàn)圖8。

圖8 主輔分離式斷面立體交叉出口形式Fig.8 Exit form of the separated cross-section of main and auxiliary roads

2 多車(chē)道高速公路出口交織區(qū)交通流特性

高速公路交織區(qū)交通流特性復(fù)雜，而多車(chē)道高速公路因?yàn)槠涑鋈肟谛旭偺匦?，橫向干擾更大，其通行能力與安全性一致是關(guān)注的重點(diǎn)。多車(chē)道高速公路因?yàn)檐?chē)道數(shù)量較多，出入快速車(chē)道的車(chē)輛需要進(jìn)行更多次數(shù)的換道來(lái)完成行車(chē)需求。而這種多次換道行為對(duì)交織區(qū)的交通流造成了更加嚴(yán)重的干擾，使得交通沖突增多，交通流更加紊亂。正是由于這種多次換道行為，使得多車(chē)道高速公路出口交織區(qū)成為瓶頸路段，通行能力顯著下降，路段行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)激增。

2.1 車(chē)輛運(yùn)行特征分析

2.1.1 運(yùn)行速度特性

車(chē)輛駛出高速公路需要對(duì)車(chē)速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證車(chē)輛整個(gè)過(guò)程中行駛的穩(wěn)定性。車(chē)輛速度的穩(wěn)定性也是行車(chē)安全的體現(xiàn)，不穩(wěn)定的車(chē)速或者較大的車(chē)速差與交通事故有一定關(guān)系[10-11]

通過(guò)微觀仿真實(shí)驗(yàn)研究不同輸入流量研究整體式、客貨分離式、“長(zhǎng)途+集散式”3種斷面形式的多車(chē)道高速公路的速度變化。結(jié)果表明：隨著交通量的增大，“長(zhǎng)途+集散”式斷面的車(chē)流速度下降非常明顯，顯著低于其他2種組織形式的車(chē)速；對(duì)于其他2種形式，交通量的增大造成了出口匝道上游的車(chē)速下降，但相比較而言客貨分離式的車(chē)速更高，說(shuō)明消除客車(chē)和貨車(chē)的干擾后確實(shí)可以提高匝道附近交通流的運(yùn)行狀況[12]。

侯佳[13]通過(guò)視頻采集的8車(chē)道高速公路出口交織區(qū)的車(chē)輛速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，將整個(gè)交織區(qū)分為出口匝道漸變段及主線車(chē)道2個(gè)部分，分別探索其速度特征。結(jié)果表明：匝道漸變段的速度較高；最外側(cè)車(chē)道交通組成主要為貨車(chē)，因內(nèi)側(cè)車(chē)輛向外側(cè)換道，有多種車(chē)輛混行，平均速度較低，車(chē)輛速度差異較大；中間1車(chē)道主要車(chē)型為中小型貨車(chē)及中大型客車(chē)，平均速度高于最外側(cè)車(chē)道，車(chē)速離散程度更高；內(nèi)側(cè)2車(chē)道車(chē)輛構(gòu)成多為小客車(chē)，內(nèi)側(cè)車(chē)道受到擾動(dòng)更小，平均速度更高。丁燦等[14]通過(guò)對(duì)某8車(chē)道高速公路的車(chē)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到類(lèi)似結(jié)論。

總的來(lái)說(shuō)，與普通高速公路相比，多車(chē)道高速公路不同車(chē)道之間速度差異較大，最外側(cè)的幾條車(chē)道速度分布離散程度最高。

2.1.2 通行能力

路段的通行能力受道路狀況、車(chē)輛性能、交通條件、交通管理，環(huán)境氣候等因素的影響。多車(chē)道高速公路由于斷面數(shù)量增加，車(chē)道限制策略等措施導(dǎo)致其通行能力發(fā)生變化。

侯佳[13]以滬寧高速的互通樞紐和出口匝道分流區(qū)段作為數(shù)據(jù)采集來(lái)源對(duì)雙向8車(chē)道高速公路匝道相接處的交織區(qū)為例進(jìn)行仿真分析，設(shè)置匝道為單車(chē)道和匝道為雙車(chē)道這2種不同的交織區(qū)設(shè)置形式，通過(guò)改變輸入流量參數(shù)，得到不同交通需求量和不同分流比例情況下的服務(wù)交通量數(shù)值。

仿真實(shí)驗(yàn)表明：出口車(chē)輛的分流換道及出口匝道的交通流狀態(tài)都會(huì)顯著影響分流影響區(qū)的交通流狀態(tài)，當(dāng)車(chē)流密度大時(shí)，不僅外側(cè)的2條車(chē)道，密度增大、流速降低的狀態(tài)也會(huì)向內(nèi)側(cè)車(chē)道蔓延。因此，服務(wù)水平由主線上游流量和出口匝道流量共同決定。經(jīng)過(guò)分析，作者侯佳輸入不同分流比例、不同流量的交通需求進(jìn)行仿真測(cè)算，得到多車(chē)道高速公路的2種典型分流設(shè)施，不同服務(wù)水平下分流影響區(qū)和匝道的最大服務(wù)流量。

此外，國(guó)內(nèi)某學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于普通的高速公路，多車(chē)道高速公路在通行能力上存在折減情況，對(duì)于互通立交區(qū)段多車(chē)道高速公路外側(cè)2車(chē)道比4車(chē)道外側(cè)約折減17%～20%，其余內(nèi)側(cè)車(chē)道折減約5%[15]。

2.1.3 交通安全特性

車(chē)頭時(shí)距作為道路通行能力和服務(wù)水平的重要影響因素之一，對(duì)其研究十分必要。車(chē)頭時(shí)距不僅直接影響交通流的組成，還與駕駛員的駕駛行為互相影響和制約。因此，對(duì)車(chē)頭時(shí)距的精確擬合尤為重要，主要的擬合手段有負(fù)指數(shù)分布、移位負(fù)指數(shù)分布、愛(ài)爾朗分布、M3分布等[16]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)實(shí)測(cè)8車(chē)道高速公路出口發(fā)現(xiàn)：在混行和車(chē)道線制策略2種不同的車(chē)輛運(yùn)行方式情況下，各車(chē)道的車(chē)頭時(shí)距分布差別較大。在混行條件下，內(nèi)側(cè)3/4車(chē)道車(chē)頭時(shí)距服從M3分布，2車(chē)道服從移位負(fù)指數(shù)分布、愛(ài)爾朗分布，1車(chē)道服從負(fù)指數(shù)、移位負(fù)指數(shù)分布；分車(chē)道行駛條件下，通行貨車(chē)的外側(cè)1/2車(chē)道交通量較小，當(dāng)交通流為穩(wěn)定流時(shí)，車(chē)頭時(shí)距滿足移位負(fù)指數(shù)分布；通行客車(chē)的內(nèi)側(cè)3/4車(chē)道車(chē)頭時(shí)距服從移位3階愛(ài)爾朗分布。另1位學(xué)者對(duì)內(nèi)側(cè)2車(chē)道小客車(chē)行駛外側(cè)2車(chē)道客貨混行的限制策略下的8車(chē)道高速公路中車(chē)頭時(shí)距分布采用以上研究結(jié)果，1/2車(chē)道采用移位負(fù)指數(shù)分布，3/4車(chē)道采用移位3階愛(ài)爾朗分布[17-18]。

與普通高速公路相比，實(shí)施車(chē)道限制策略的多車(chē)道高速公路將因?yàn)槠溆休^大車(chē)頭時(shí)距而更加能保證駕駛?cè)说男旭偘踩?/p>

2.1.4 其他特性

換道行為常被分為強(qiáng)制性換道和選擇性換道。高速公路分流交織區(qū)同時(shí)存在2種換道行為，但是以分流駛出高速公路的車(chē)輛的強(qiáng)制性換道行為為主。多車(chē)道高速公路因?yàn)檐?chē)道數(shù)的增加，內(nèi)側(cè)車(chē)輛想要駛出高速公路需要更長(zhǎng)的換道距離。

付存勇等[19]以車(chē)輛中心距離車(chē)道中心線的距離及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為指標(biāo)研究8車(chē)道車(chē)輛換道開(kāi)始位置，發(fā)現(xiàn)1車(chē)道的換道影響范圍是350～2 200 m；2車(chē)道的換道影響范圍是400～1 250 m；3車(chē)道的換道影響范圍是300～1 000 m。并對(duì)最后1次換道和非最后1次換道這2個(gè)樣本的換道持續(xù)時(shí)間、速度、橫向加速度以及縱向加速度進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2個(gè)樣本的換道持續(xù)時(shí)間、速度、縱向加速度沒(méi)有顯著差異，2個(gè)樣本的橫向加速度有顯著差異。

統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究可以發(fā)現(xiàn)：既有研究多以雙向6車(chē)道、8車(chē)道為研究對(duì)象，而8車(chē)道及以下的出口交織區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)已相當(dāng)復(fù)雜，超多車(chē)道高速公路因?yàn)檐?chē)道數(shù)的增加將會(huì)加大出口交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜程度。

2.2 沖突特性分析

出口交織區(qū)的沖突主要發(fā)生在分流區(qū)，分流是指1股交通流分成2股或多股交通的現(xiàn)象。一般情況下，分流區(qū)的交通沖突類(lèi)型可分為：①?gòu)?qiáng)制性換道與直行車(chē)輛的沖突，為自左向右換道，因車(chē)速不同產(chǎn)生沖突；②自主性換道與直行車(chē)輛的沖突，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性；③跟馳沖突，多為換道車(chē)輛與原車(chē)道前后車(chē)輛的沖突。

常用于表征交通沖突的指標(biāo)為碰撞時(shí)間（time to collision,TTC）。TTC反映了被試車(chē)輛與被試車(chē)輛在被試車(chē)道上的相對(duì)速度和相對(duì)距離。TTC值越小，發(fā)生事故的可能性就越大。目前TTC在交通安全和基于碰撞的場(chǎng)景分析中得到了廣泛的應(yīng)用。TTC的使用需劃分閾值，Wakasugi等[20]在高速公路上進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的大小來(lái)劃分TTC的閾值，TTC等于2 s為避免碰撞需要最短時(shí)間；6 s為執(zhí)行換道時(shí)間所需的最短時(shí)間、10 s為需要取消換道最大時(shí)間。當(dāng)TTC小于閾值時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生交通沖突。

經(jīng)過(guò)分析，多車(chē)道高速公路分流區(qū)處產(chǎn)生交通沖突的原因主要有以下幾點(diǎn)。由于交通沖突的產(chǎn)生直接導(dǎo)致道路通行能力的下降。因此，也可說(shuō)是導(dǎo)致道路通行能力下降的原因主要由以下幾點(diǎn)，見(jiàn)表2。

表2 交通沖突及通行能力影響因素Tab.2 Traffic conflict and influencing factors of the traffic capacity

針對(duì)這些原因，經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相較于整體式斷面而言，車(chē)輛在分離式斷面中車(chē)輛處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的比例明顯更低且存在顯著影響，同時(shí)車(chē)輛處于無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的比例也明顯更大且存在顯著影響。在出口部分，分離式斷面發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)的可能性更低，這可能是由于在分離式斷面中，車(chē)輛第1次換道距出口匝道更遠(yuǎn)，駕駛員會(huì)選擇更加穩(wěn)健的行為。

3 多車(chē)道高速公路分流區(qū)交通管理及設(shè)施優(yōu)化

多車(chē)道高速公路的交通管理方案及設(shè)施設(shè)計(jì)也需遵循現(xiàn)有的高速公路相關(guān)規(guī)范。由于國(guó)內(nèi)10車(chē)道及以上高速公路較少，目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的多車(chē)道高速公路設(shè)施設(shè)計(jì)與管理規(guī)范，需要參照現(xiàn)有的交通設(shè)施設(shè)計(jì)原則進(jìn)行創(chuàng)新，優(yōu)化交通設(shè)施及管理方法，進(jìn)而提高多車(chē)道高速公路安全性、效率性。多車(chē)道高速公路分流區(qū)的交通管理主要涉及到車(chē)道管理及車(chē)速管理；設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)主要涉及到同向分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度優(yōu)化、標(biāo)志標(biāo)線優(yōu)化及配套機(jī)電設(shè)施。

3.1 多車(chē)道高速公路交通管理

現(xiàn)有研究探索了多車(chē)道高速公路分流交織區(qū)的交通管理方案，主要是分析在不同的交通流量條件下的車(chē)道、車(chē)速管理方案，以提高通行效率與交通安全性。

3.1.1 車(chē)道管理方案

除整體式客貨混行的車(chē)道管方案外，在主線上可根據(jù)高速公路上客車(chē)和貨車(chē)不同的比例適當(dāng)分配車(chē)道。當(dāng)客車(chē)比例大時(shí)，可采用“客貨分離”模式或者“客-混行-貨分離”模式（中間某1條車(chē)道客貨混行），如果主要考慮安全及效率，客貨分離的交通組織管理模式具有更大優(yōu)勢(shì)；當(dāng)客貨比例相似時(shí)，建議采用“客-貨分離”的模式，這種模式可以在保證安全性的同時(shí)達(dá)到最大的通行效率；當(dāng)貨車(chē)比例大時(shí)，可采用“客-混行”模式，即客車(chē)可在單獨(dú)的車(chē)道行駛，其余車(chē)道均可與貨車(chē)混行；在分流區(qū)時(shí)，整體式斷面的情況下，內(nèi)側(cè)車(chē)輛在靠近出口區(qū)時(shí)通過(guò)黃色虛實(shí)線不斷向外側(cè)變道到達(dá)減速車(chē)道從匝道駛出高速公路；分離式斷面的情況下，內(nèi)側(cè)車(chē)輛可通過(guò)同向分隔帶的開(kāi)口區(qū)域駛出高速公路也可通過(guò)上穿或下跨公路的匝道駛出高速公路。

3.1.2 車(chē)速管理方案

劉莉等[21]分析了國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了8車(chē)道高速公路4種限速方案。①分車(chē)道限速：左起第1條車(chē)道最高限速為120 km/h，最低限速為100 km/h；第2條車(chē)道最高限速為120 km/h、最低限速為80 km/h；第3條車(chē)道最高限速為100 km/h、最低限速為80 km/h；第4條車(chē)道最高限速為80 km/h、最低限速為60 km/h；②客貨分離行駛時(shí)分車(chē)型限速：小型車(chē)最高限速為120 km/h、最低限速為80 km/h；大型車(chē)最高限速為100 km/h、最低限速為60 km/h，大型車(chē)只準(zhǔn)在最右側(cè)行駛。③分車(chē)道并分車(chē)型限速：左起第1和第2車(chē)道為小型車(chē)行車(chē)道，第3和第4車(chē)道為大型車(chē)行車(chē)道。小型車(chē)最高限速120 km/h、最低限速為80 km/h；大型車(chē)最高限速為100 km/h、最低限速為60 km/h；④限制貨車(chē)：左起第1車(chē)道為小客車(chē)專(zhuān)用行車(chē)道，第2車(chē)道為客車(chē)行車(chē)道，貨車(chē)限制在第3和第4車(chē)道行駛，同時(shí)客車(chē)亦可在該行車(chē)道行駛。根據(jù)車(chē)型的劃分，可在不同的車(chē)道設(shè)置不同的最高和最低限速：第1車(chē)道最高限速為120 km/h、最低限速為100 km/h；第2車(chē)道最高限速為120 km/h、最低限速為80 km/h；第3、第4車(chē)道最高限速為100 km/h、最低限速為60 km/h.

依據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合國(guó)內(nèi)外高速公路速度設(shè)置經(jīng)驗(yàn)，在主線上，根據(jù)分車(chē)道并分車(chē)型的設(shè)計(jì)方案可在不同的車(chē)道設(shè)計(jì)不同的限速標(biāo)準(zhǔn)。小型車(chē)的最高限速為120 km/h，最低限速為80 km/h；大型車(chē)的最高限速為100 km/h，最低限速為60 km/h；在靠近高速公路出口時(shí)，因?yàn)樾枰啻巫兊?，所以要比普通高速公路出口更遠(yuǎn)時(shí)開(kāi)始減速，出口匝道處的速度限制在40 km/h。

3.2 同向分隔帶優(yōu)化

對(duì)于同向分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，開(kāi)口路段長(zhǎng)度設(shè)置過(guò)短，則換道空間不足，車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小，可能會(huì)放慢速度；開(kāi)口路段長(zhǎng)度設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，則換道空間過(guò)大，車(chē)輛換道的隨意性也會(huì)增大。因此，同向分隔帶的開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)行車(chē)安全有著重要的影響。張可[22]基于互通立交出入口附近車(chē)輛的駛?cè)腭偝霭踩约斑\(yùn)行效率分析了該種形式對(duì)靈山互通立交交通安全的影響，計(jì)算結(jié)果表明：在一般高速公路上，同向分隔帶的開(kāi)口長(zhǎng)度應(yīng)為1 700 m左右；潘兵宏等[23]基于圓曲線換道模型提出了同向分隔帶開(kāi)口上車(chē)輛換道的三階段模型，并據(jù)此計(jì)算了不同設(shè)計(jì)速度下的同向分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度建議值，結(jié)果表明：當(dāng)設(shè)計(jì)速度為120 km/h、同分帶寬度為4.5 m、路段超高為-4%時(shí)，同向分隔帶開(kāi)口總長(zhǎng)度建議值為620 m；杜子君等[24]利用Vissim仿真模擬高速公路單側(cè)拼寬場(chǎng)景，結(jié)合SSAM進(jìn)行沖突評(píng)價(jià)，研究老路同向分隔帶開(kāi)口處行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明：開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)于車(chē)輛的最大縱向加速度均存在顯著影響，但只有在開(kāi)口長(zhǎng)度大于1 700 m時(shí)，開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)于最大減速度有顯著影響。開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)于最小THW和最大TTC均存在顯著影響，但是當(dāng)開(kāi)口長(zhǎng)度大于1 200 m時(shí)，開(kāi)口長(zhǎng)度的增加對(duì)于最大TTC影響會(huì)顯著下降，此外，車(chē)輛發(fā)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)較高的位置集中在開(kāi)口段前半部分；Lyu等[25]通過(guò)模擬駕駛實(shí)驗(yàn)研究了高速改擴(kuò)建過(guò)程中中央分隔帶長(zhǎng)度及車(chē)流量對(duì)駕駛行為的影響，結(jié)果表明：當(dāng)車(chē)流為低流量或中等流量時(shí)，開(kāi)口長(zhǎng)度會(huì)顯著影響車(chē)輛的行駛行為和安全性。但是，當(dāng)交通量較大時(shí)，開(kāi)口長(zhǎng)度對(duì)它們的影響會(huì)相對(duì)減弱。

同分帶開(kāi)口與中分帶開(kāi)口有著相似之處，即圓形及彈頭形端部形式同樣適用于同分帶開(kāi)口，且同分帶開(kāi)口處一般不限速，車(chē)輛按設(shè)計(jì)速度勻速行駛，速度很高，采用半圓型端部形式行駛不利于開(kāi)口處車(chē)輛的行駛安全；而彈頭型端部型式能夠較好地與車(chē)輛的行駛軌跡相吻合，較好地誘導(dǎo)車(chē)輛，有利于車(chē)輛的行駛安全。見(jiàn)圖9～10。

圖9 同向分隔帶開(kāi)口端部設(shè)置形式Fig.9 Setting form of the opening end of the co-directional separator

圖10 同向分隔帶開(kāi)口示意Fig.10 Opening distance of the co-directional separator

同分帶開(kāi)口距互通立交或服務(wù)等設(shè)施的距離L為

式中：L1為駕駛?cè)苏{(diào)整階段行駛的距離，m；L2為標(biāo)志的識(shí)認(rèn)距離，m；L3為等待相鄰車(chē)道可插入間隙時(shí)行駛的距離，m；L4為判斷可插入間隙反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離,m；L5為換道前調(diào)整車(chē)速并使可插入間隙與之平行的時(shí)間內(nèi)行駛的距離，m；L6為車(chē)輛橫移1條車(chē)道行駛的距離，m；L7為橫移完成后車(chē)輛調(diào)整階段行駛的距離，m；L8為互通立交對(duì)直行車(chē)道的影響長(zhǎng)度，m。

目前同向分隔帶應(yīng)用偏少，相應(yīng)的研究較少，更多的是針對(duì)普通高速公路。車(chē)道數(shù)的增加將導(dǎo)致同向分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度的增加，但是對(duì)于多車(chē)道高速公路同向分隔帶長(zhǎng)度的具體設(shè)置長(zhǎng)度需要在后續(xù)研究中繼續(xù)進(jìn)行研究，提出最優(yōu)長(zhǎng)度。

3.3 多車(chē)道高速公路交通標(biāo)志標(biāo)線優(yōu)化

合理的設(shè)置交通誘導(dǎo)設(shè)施也可以有效的降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)改變高速公路出入口的地面標(biāo)記可以顯著降低高速公路出口交織區(qū)域的交通沖突率，提高安全水平[26]。

多車(chē)道高速公路出口與普通高速公路相比，其車(chē)輛運(yùn)行方式、交通流特征、駕駛員行為特性均不相同，當(dāng)前標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計(jì)規(guī)范多是基于普通高速公路的，因此，在對(duì)多車(chē)道高速公路安全設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮其科學(xué)性，交通設(shè)施的位置、數(shù)量支撐形式，以及其他安全設(shè)施的配套設(shè)計(jì)都要基于多車(chē)道高速公路的特性，最終達(dá)到對(duì)駕駛員的有效引導(dǎo)提高道路安全性能，從而降低出口事故率。

標(biāo)志的位置以及信息對(duì)于駕駛員的駕駛行為會(huì)產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)JTGD82—2009《道路標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《設(shè)置規(guī)范》），在距互通式立體交叉的前基準(zhǔn)點(diǎn)2 km，1 km，0.5 km和0 km處，應(yīng)分別設(shè)置2 km，1 km，0.5 km出口預(yù)告（行動(dòng)點(diǎn)）標(biāo)志。崔洪軍等[27]根據(jù)標(biāo)志的安全識(shí)別距離和分流換道所需要的距離計(jì)算得到雙向6車(chē)道和雙向8車(chē)道的高速公路的出口前置指示標(biāo)志的安全距離分別為870 m和1 620 m；劉偉銘等［28］運(yùn)用TSIS仿真研究主線設(shè)計(jì)時(shí)速超過(guò)110 km/h的雙向6車(chē)道高速公路出口前置指路標(biāo)志的最優(yōu)安全距離為700 m。經(jīng)過(guò)調(diào)研，各種斷面的多車(chē)道高速公路因?yàn)閾Q道距離的增加需要提前預(yù)告出口位置，建議根據(jù)道路服務(wù)水平的變化、及設(shè)計(jì)車(chē)速的變化適當(dāng)改變位置的設(shè)置距離，本文提出整體式斷面及分離式斷面的標(biāo)線標(biāo)志的建議設(shè)置位置。

3.3.1 整體式斷面

多車(chē)道高速公路因?yàn)閿嗝鏀?shù)的增加，內(nèi)側(cè)車(chē)輛換道位置變長(zhǎng)且受外側(cè)車(chē)輛遮擋不易看到標(biāo)志，因此與《設(shè)置規(guī)范》相較增加3 km處的出口預(yù)告標(biāo)志。混行式組織形式地面標(biāo)線與普通高速公路無(wú)太大區(qū)別，均為黑色虛線引導(dǎo)車(chē)輛向外換道；客貨分離式組織形式內(nèi)側(cè)客車(chē)車(chē)道與外側(cè)貨車(chē)車(chē)道由黃色虛實(shí)線分隔開(kāi)來(lái)，在接近出口處，內(nèi)側(cè)為黃色虛線外側(cè)為黃色實(shí)線引導(dǎo)車(chē)輛換道。以水官高速為例，一般距出口1 km時(shí)雙黃實(shí)線內(nèi)側(cè)變?yōu)樘摼€，見(jiàn)圖11，圖上數(shù)值只起到示意作用，無(wú)實(shí)際比例關(guān)系。

圖11 整體式斷面組織形式標(biāo)志標(biāo)線示意Fig.11 Setting of signs and markings in the organizational form of integral cross-section

3.3.2 主輔分離式斷面

與《規(guī)范》相較增加3 km處的出口預(yù)告標(biāo)志。在距離同分帶開(kāi)口500 m處設(shè)置同分帶開(kāi)口預(yù)告標(biāo)志，在距離出口1 km處同分帶開(kāi)口結(jié)束，且在此處設(shè)置1 km高速出口預(yù)告標(biāo)志。在同分帶開(kāi)口處標(biāo)線設(shè)置為內(nèi)側(cè)為虛線，外側(cè)為實(shí)線，引導(dǎo)內(nèi)側(cè)車(chē)輛向外換道，防止外側(cè)車(chē)輛逆行向內(nèi)側(cè)換道，見(jiàn)圖12。圖上數(shù)值只起到示意作用，無(wú)實(shí)際比例關(guān)系。

標(biāo)志一般設(shè)置在道路上方和道路右側(cè)，但對(duì)于多車(chē)道高速公路外側(cè)車(chē)道經(jīng)常設(shè)置為大車(chē)車(chē)道，要考慮到右側(cè)的立柱標(biāo)志由于大車(chē)的遮擋不能滿足內(nèi)側(cè)小車(chē)視認(rèn)性的問(wèn)題。為了解決路側(cè)標(biāo)志遮擋，對(duì)于重要的路段應(yīng)采用懸臂、門(mén)架標(biāo)志代替路側(cè)標(biāo)志，也可以在道路左側(cè)設(shè)置同樣的標(biāo)志，以提高交通標(biāo)志的醒目性。

圖12 主輔分離式斷面組織形式標(biāo)志標(biāo)線示意Fig.12 Signs and markings of the sectional organizational form of separated main and auxiliary roads

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著交通流量的逐年增大，多車(chē)道高速公路將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行分析研究具有一定的理論及現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)廣泛調(diào)研，筆者總結(jié)了多車(chē)道高速公路分流交織區(qū)在安全及效率方面目前存在的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，筆者總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用的多車(chē)道高速公路的3種不同的斷面組織形式及其分流交織區(qū)的設(shè)置形式，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。進(jìn)一步總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多車(chē)道高速公路出口交織區(qū)的速度特性、通行能力特性、安全特性及沖突特性的研究。提出對(duì)多車(chē)道高速公路不同斷面的分流區(qū)的車(chē)道、車(chē)速管理等管理方案及標(biāo)志標(biāo)線、同向分隔帶開(kāi)口長(zhǎng)度及監(jiān)控等設(shè)施的優(yōu)化方案。目前國(guó)內(nèi)8車(chē)道及以上的高速公路應(yīng)用實(shí)例相對(duì)較少，且《道路標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》無(wú)特殊的針對(duì)多車(chē)道高速公路的設(shè)置方案，因此在進(jìn)行管理及設(shè)施優(yōu)化方案時(shí)可供借鑒的實(shí)例較少，缺乏實(shí)際及理論支持。