徐利成 林俊穎 李俊

摘要 文章以廣州某高速公路樞紐互通連續(xù)分流匝道為依托，分析了運(yùn)營(yíng)期間匝道連續(xù)分流區(qū)出口識(shí)別存在的安全問(wèn)題，闡述了滿足視覺(jué)特性的匝道分流區(qū)圓曲線設(shè)置原則，運(yùn)用海倫公式構(gòu)建了控制半徑與各項(xiàng)幾何參數(shù)的關(guān)系模型，進(jìn)而計(jì)算出不同設(shè)計(jì)速度和識(shí)別視距條件下的主匝道半徑值。以匝道連續(xù)分流區(qū)車(chē)輛運(yùn)行全過(guò)程為研究對(duì)象，充分考慮非理想狀態(tài)下交通條件的影響，分析了基于最大服務(wù)交通量條件下駕駛員對(duì)標(biāo)志讀取決策、尋找間隙、變換車(chē)道及駛出特點(diǎn)和不同分流匝道設(shè)計(jì)速度組合條件下的最小間距計(jì)算模型，提出了從上游分流鼻端至下游分流漸變段的最小間距推薦值。對(duì)條件受限時(shí)既有匝道連續(xù)分流路段的交安設(shè)施優(yōu)化原則和關(guān)鍵措施進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，應(yīng)對(duì)待建匝道連續(xù)分流附近的主匝道圓曲線半徑及最小間距應(yīng)進(jìn)行控制，滿足出口識(shí)別和正常運(yùn)行的要求；對(duì)已建成的匝道連續(xù)出口，應(yīng)加強(qiáng)提前預(yù)告和視線引導(dǎo)等措施，保證行車(chē)安全。

關(guān)鍵詞 匝道連續(xù)分流；視覺(jué)特性；控制半徑；海倫公式；最小間距；優(yōu)化措施

中圖分類(lèi)號(hào) U412.352.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0032-04

0 引言

目前大城市路網(wǎng)面臨密度逐漸加劇、用地持續(xù)緊張和日益復(fù)雜的接入功能需求，導(dǎo)致互通立交構(gòu)型越來(lái)越復(fù)雜。為確保主線通行的效率，滿足匝道不同的轉(zhuǎn)向功能，從主線分離后的匝道短時(shí)間內(nèi)面臨近二次或多次分流的情況也日漸凸顯，但現(xiàn)行規(guī)范對(duì)這種匝道上連續(xù)分流的最小間距并沒(méi)有相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)致立交建設(shè)中缺乏依據(jù)，也少見(jiàn)交安設(shè)施對(duì)這種典型路段的特殊考慮。從建成后運(yùn)營(yíng)管理的經(jīng)驗(yàn)可知，這類(lèi)近距離連續(xù)分流段交通運(yùn)行復(fù)雜，駕駛員操作負(fù)荷度高，特別是在小半徑匝道連續(xù)分流時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)視線受阻的情況，造成有效識(shí)別視距不足，駕駛員很容易錯(cuò)過(guò)出口或強(qiáng)行分流誘發(fā)交通事故。合理的匝道分流區(qū)半徑和連續(xù)出口間距應(yīng)能充分考慮駕駛員對(duì)出口識(shí)別的視覺(jué)特性和最大服務(wù)交通量下安全高效地疏導(dǎo)交通，確保駕駛員能清晰感知出口位置和從容應(yīng)對(duì)復(fù)雜的交通運(yùn)行狀況。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)互通連續(xù)分流問(wèn)題的研究主要集中在連續(xù)出口匝道在主線同側(cè)或異側(cè)分流、從主線分流后在匝道上二次分岔，我國(guó)現(xiàn)行路線設(shè)計(jì)規(guī)范也僅對(duì)這種情況有過(guò)規(guī)定^[1]。專(zhuān)門(mén)研究匝道上再次連續(xù)分流的情況并不多見(jiàn)，但這類(lèi)情況所引發(fā)的交通安全問(wèn)題在運(yùn)營(yíng)管理階段較為突出。該文以廣州某復(fù)合樞紐互通為依托，對(duì)匝道小半徑處連續(xù)分流的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 匝道連續(xù)分流的交通特性

1.1 連續(xù)分流匝道的線形和交通條件

該樞紐互通是廣州兩條高速公路交叉的節(jié)點(diǎn)，除需要滿足高速公路接高速公路的快速聯(lián)通之外還需要承擔(dān)地方國(guó)道接入的功能，構(gòu)型復(fù)雜、匝道數(shù)眾多。為滿足相應(yīng)的通行需求，從北至南承擔(dān)左轉(zhuǎn)功能的A匝道從主線分流后還面臨在匝道上兩次分流。首先分流出G匝道接入地面國(guó)道，然后短距離分流出C匝道接繞城高速西行，G、C連續(xù)分流匝道鼻端間距222 m。主匝道A的橫斷面類(lèi)型為Ⅲ型雙車(chē)道匝道，整體平縱線形指標(biāo)較高，分流處接線條件G匝道明顯優(yōu)于C匝道，G、C匝道橫斷面類(lèi)型分別為Ｉ型和Ⅱ型，為分流匝道。該樞紐互通連續(xù)分流匝道主要線形交通條件匯總?cè)绫?所示。

1.2 匝道連續(xù)分流區(qū)的運(yùn)行特性

在運(yùn)營(yíng)管理中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)分流區(qū)A匝道車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行速度常常大于匝道的設(shè)計(jì)速度，且在駛離G匝道出口后車(chē)輛呈現(xiàn)先加速駛離上游鼻端，在下游C匝道分流鼻端緊急減速跨車(chē)道駛出或錯(cuò)過(guò)出口的運(yùn)行特性，甚至發(fā)生車(chē)輛分流不及時(shí)撞擊鼻端防撞墊的情況。根據(jù)實(shí)際駕駛體驗(yàn)可知，按常規(guī)方法控制兩鼻端之間的距離，所確定的連續(xù)分流間距在C匝道分流的小半徑處，會(huì)使得駕駛員視線受阻嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)運(yùn)行速度和視距驗(yàn)算，外側(cè)車(chē)道駕駛員從G匝道分流后需要繼續(xù)行駛約80 m才可以看到C匝道出口，此時(shí)駕駛員再進(jìn)行標(biāo)志識(shí)別、尋找間隙換道等操作將極為倉(cāng)促，匝道線形條件未能很好地引導(dǎo)駕駛員的視線，成為事故多發(fā)地。

考慮實(shí)際交通因素影響，匝道連續(xù)分流路段的車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程將更為復(fù)雜，短距離連續(xù)分流使得駕駛員面臨著對(duì)多個(gè)標(biāo)志牌的認(rèn)讀，認(rèn)讀后行駛在不同車(chē)道的駕駛?cè)藢⒏鶕?jù)自己的去向選擇對(duì)應(yīng)的分流出口，期間很可能產(chǎn)生頻繁的換道行為，導(dǎo)致車(chē)速變化頻繁、交通紊亂，車(chē)輛相互干擾嚴(yán)重。當(dāng)交通量逐漸增加至最大服務(wù)交通量時(shí)，這種紊亂情況造成的延誤將成倍增加。

2 基于視覺(jué)特性的匝道圓曲線控制半徑

2.1 駕駛員的視覺(jué)特性

駕駛員行駛過(guò)程獲取的所有信息中來(lái)自視覺(jué)的感知占據(jù)絕大部分。在匝道連續(xù)分流路段，分流匝道鼻端位置及相關(guān)標(biāo)志性信息，能否在復(fù)雜運(yùn)行條件下被駕駛員及時(shí)感知并采取從容的操作是保證安全運(yùn)行的關(guān)鍵，應(yīng)充分滿足駕駛員的視覺(jué)特性。駕駛員視覺(jué)感知內(nèi)容包括視覺(jué)距離、視角范圍、辨色和感光能力等，并且在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下呈現(xiàn)明顯差別。研究表明，駕駛?cè)藢?duì)前行方向一定范圍內(nèi)信息的整體認(rèn)知主要依靠視角的有效范圍。在駕駛員行駛過(guò)程中，最敏感的視角為3°以?xún)?nèi)，清晰視角為10°以?xún)?nèi)，能滿足觀察要求的視角為20°以?xún)?nèi)，最大視覺(jué)距離范圍350～500 m^[2]。

從實(shí)際運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)可知，主匝道位于直線或不設(shè)超高的大半徑圓曲線路段且滿足識(shí)別視距要求時(shí)，分流出口基本能確保位于10°～20°的視角范圍，當(dāng)連續(xù)分流匝道鼻端位于主匝道小半徑曲線路段內(nèi)側(cè)時(shí)，鼻端及標(biāo)志牌位置很容易超出20°的清晰感知范圍，使駕駛員無(wú)法識(shí)別前方出口位置。因此在線形上必須限制主匝道分流附近的圓曲線半徑，使得駕駛員在識(shí)別距離之內(nèi)能看清楚出口位置。

2.2 匝道圓曲線控制半徑計(jì)算模型及推薦值

假定駕駛員在曲線匝道上行駛時(shí)視點(diǎn)為雙車(chē)道匝道內(nèi)側(cè)車(chē)道中心線，主匝道的平面設(shè)計(jì)線為兩車(chē)道中線，分流處圓曲線控制半徑為R，視點(diǎn)與控制半徑圓心的連線為a，控制半徑圓心與分流鼻端的連線為b，視點(diǎn)與分流鼻端的連線為c，識(shí)別視距考慮分流端漸變段和導(dǎo)流線長(zhǎng)度，參考相關(guān)規(guī)范按停車(chē)視距2倍取值設(shè)為e，h為abc三條連線構(gòu)成的三角形的高，以c為底邊的垂線，d為清晰視角外邊線受邊防撞墻遮擋的范圍。

考慮視距范圍內(nèi)行車(chē)偏角較小，將c的取值用識(shí)別視距e代替，可以簡(jiǎn)化分析模型及增加駕駛員行駛的安全富余度^[3]，模型如圖1所示。

根據(jù)海倫公式采用三角形邊長(zhǎng)計(jì)算面積：

式中，p=0.5（a+b+e）（m）；a=R+B/2=R+1.75（m）；b=R?B?C₁?r=R?6.6（m）。

由三角形面積相等可得：

h=R?6.5?d=2S/e （2）

由幾何關(guān)系可知，主匝道分流附近圓曲線半徑逐漸增大時(shí)，視線遮擋區(qū)域逐漸減小，當(dāng)視線的最大清晰視角邊線與主匝道外邊防撞墻相切時(shí)的半徑可定義為圓曲線控制半徑，此時(shí)d=0。

將數(shù)據(jù)帶入上式，可迭代計(jì)算得到主匝道不同運(yùn)行速度和識(shí)別視距取值下基于視覺(jué)特性的圓曲線控制半徑，如表2所示。

3 匝道連續(xù)出口最小間距計(jì)算

基于匝道連續(xù)分流段的運(yùn)行特性和實(shí)際調(diào)查，交通流并不處于理想狀態(tài)，交通量的增加對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的干擾較明顯。因此連續(xù)分流之間最小間距模型的構(gòu)件應(yīng)基于匝道四級(jí)服務(wù)水平下最大服務(wù)交通量的條件，其所需要完成正常運(yùn)行的過(guò)程包括標(biāo)志的讀取及決策、尋找可插入間隙及調(diào)整車(chē)位、車(chē)道變換及分流駛出^[4]。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保每個(gè)階段都有足夠的距離使駕駛員從容操作，計(jì)算模型如圖2所示。

3.1 標(biāo)志信息讀取與決策距離

標(biāo)志信息讀取與決策是駕駛?cè)俗R(shí)別前方出口標(biāo)志后，對(duì)指示標(biāo)志的信息內(nèi)容進(jìn)行閱讀，在大腦中形成決策后進(jìn)而對(duì)車(chē)輛進(jìn)行操作的過(guò)程。

駕駛員讀取標(biāo)志信息時(shí)，認(rèn)為車(chē)輛以正常的運(yùn)行速度向前行駛，其距離可由公式（4）計(jì)算：

式中，L₁——標(biāo)志信息讀取距離（m）；v——駕駛員讀取標(biāo)志信息時(shí)的運(yùn)行速度（km/h）；t₁——信息內(nèi)容讀取時(shí)間，根據(jù)駕駛員特點(diǎn)為1.5～2 s，取1.6 s。

研究表明，駕駛員讀取信息量要遠(yuǎn)低于處理信息的數(shù)量，獲取標(biāo)志內(nèi)容后駕駛員要根據(jù)自己是否選擇分流，判斷應(yīng)如何進(jìn)行操作，存在決策反應(yīng)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間和需要決策的信息數(shù)量有關(guān)，二者的經(jīng)驗(yàn)回歸關(guān)系如公式（5）所示。

t₂=1.237 55e^{0.258 913x}（5）

式中，x——標(biāo)志信息容量（bit）；t₂——駕駛員反應(yīng)時(shí)間（s）。當(dāng)標(biāo)志牌上有3處主要信息時(shí)，x可等價(jià)取值為1.5，計(jì)算得到t₂為1.83 s。

駕駛員在標(biāo)志信息決策時(shí)間內(nèi)，車(chē)輛以勻速向前行駛，其距離可由公式（6）計(jì)算：

式中，L₂——信息決策距離（m）；其他同上。

主匝道不同運(yùn)行速度下標(biāo)志信息讀取與決策所需距離D₁=L₁+L₂，如表3所示。

3.2 尋找可插入間隙及調(diào)整車(chē)位距離

尋找間隙距離包括兩部分，一是車(chē)輛在等待目標(biāo)車(chē)道出現(xiàn)可插入間隙期間所行駛的距離；二是變換車(chē)道前調(diào)整車(chē)位期間行駛的距離。根據(jù)相關(guān)研究成果，匝道上車(chē)輛的車(chē)頭時(shí)距服從二階愛(ài)爾朗分布，推導(dǎo)平均尋找間隙的等待時(shí)間t_w為：

式中，假設(shè)主匝道單車(chē)道最大服務(wù)交通量為Q，則車(chē)輛平均達(dá)到λ=Q/3 600；t_c——車(chē)輛臨界間隙（s），研究表明該間隙與車(chē)道寬度有關(guān)，匝道上可取3.5 s；τ——目標(biāo)車(chē)道車(chē)頭時(shí)距最小值，一般為1～1.5 s，取值1.3 s。通過(guò)對(duì)上述分布函數(shù)求解，可得出最大服務(wù)交通量下匝道車(chē)輛尋找出一個(gè)可插入間隙的平均時(shí)間，如表4所示。

得到最大服務(wù)交通量下可插入間隙并決定變換車(chē)道后，駕駛?cè)舜虺鲎兊乐甘緹簦瑫r(shí)調(diào)整車(chē)速和車(chē)頭位置，直至車(chē)輛與將要插入的間隙并行，以便利用這個(gè)間隙并入外側(cè)目標(biāo)車(chē)道。在這個(gè)過(guò)程中行駛的路程即為調(diào)整車(chē)位的距離。假定在調(diào)整車(chē)位的時(shí)間內(nèi)，車(chē)輛勻減速至最低變換車(chē)道的速度行駛，計(jì)算等待可插入間隙及調(diào)整車(chē)位期間行駛的距離為：

式中，D₂——等待可插入間隙及調(diào)整車(chē)位期間行駛的距離（m）；a——減速度，從舒適性角度可取1 m/s²；v₁——車(chē)輛勻減速至最低變換車(chē)道的運(yùn)行速度，一般為0.76v（km/h）；其他同上。

主匝道不同運(yùn)行速度下尋找可插入間隙及調(diào)整車(chē)位距離，如表5所示。

3.3 車(chē)道變換及分流駛出距離

駕駛員調(diào)整完車(chē)身后便開(kāi)始變換車(chē)道操作，國(guó)內(nèi)外對(duì)高速公路上車(chē)輛的換道行為做出較為深入地研究，根據(jù)行駛軌跡曲線，主要的換道模型包括等速橫移模型、等速偏移加正弦曲線模型、余弦曲線換道模型等。鑒于匝道上車(chē)速相對(duì)較慢，車(chē)道數(shù)少，采用簡(jiǎn)化的等速橫移模型，即匝道上一次換道過(guò)程所需要的時(shí)間即為車(chē)輛橫移一個(gè)車(chē)道所需要的時(shí)間，換到目標(biāo)車(chē)道后還應(yīng)距離分流漸變段起點(diǎn)有一段確認(rèn)距離，以根據(jù)分流匝道的限制速度調(diào)整駛出速度，當(dāng)換道最低速度與匝道限制速度接近時(shí)，可認(rèn)為勻速駛出，行駛時(shí)間一般以2 s計(jì)。計(jì)算車(chē)道變換及駛出確認(rèn)距離為：

式中，D₃——車(chē)道變換及駛出確認(rèn)距離（m）；B——車(chē)輛橫移寬度，可取匝道一個(gè)車(chē)道寬3.5 m；J——車(chē)輛橫移率，從舒適性角度可取1 m/s；v₂——車(chē)輛勻減速至分流匝道出口的速度，一般可取分流匝道的限制速度（km/h）；a′——加速度或減速度，可取±1.5 m/s²；其他同上。

主匝道不同運(yùn)行速度下車(chē)道變換及駛出確認(rèn)距離統(tǒng)計(jì)，如表6所示。

3.4 匝道連續(xù)分流最小間距值

根據(jù)上述匝道連續(xù)分流路段車(chē)輛安全運(yùn)行的過(guò)程，連續(xù)分流的最小間距可以定義為從上游分流鼻端至下游分流漸變段起點(diǎn)位置。

主匝道不同運(yùn)行速度下最小間距的計(jì)算值和推薦值如表7所示。

4 既有匝道連續(xù)分流區(qū)交安設(shè)施優(yōu)化

根據(jù)研究結(jié)果，互通匝道連續(xù)分流中A匝道在C匝道分流附近的圓曲線半徑推薦值為800 m，而現(xiàn)狀為600 m，存在出口識(shí)別視距不足。連續(xù)分流鼻端間距222 m不滿足主匝道運(yùn)行速度60 km/h和分流匝道限制速度40 km/h組合條件下上游鼻端至下游漸變段起點(diǎn)不小于240 m的要求。實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理中也出現(xiàn)了出口識(shí)別受阻，強(qiáng)行分流及車(chē)輛運(yùn)行紊亂的情況，在線形條件無(wú)法改變的情況下應(yīng)進(jìn)行交安設(shè)施優(yōu)化，總體思路主要包括提前預(yù)告出口、優(yōu)化標(biāo)志信息和交通運(yùn)行管理。設(shè)施優(yōu)化所提供的運(yùn)行條件應(yīng)有助于減少駕駛員操作負(fù)荷和決策時(shí)間，提供足夠符合期望的引導(dǎo)，明確指路信息。

提前預(yù)告標(biāo)志應(yīng)在出口識(shí)別不良的匝道前一段距離間隔多次提醒車(chē)輛前方出口，提前變道，使駕駛員在視線受阻路段就提前知道出口的位置及前方的距離，各行其道，為分流做準(zhǔn)備。設(shè)置指路標(biāo)志預(yù)告牌于駕駛員容易感知的位置并簡(jiǎn)化標(biāo)志牌的信息，這類(lèi)標(biāo)志內(nèi)容可以通過(guò)單個(gè)地名和指向箭頭表示，也可結(jié)合輔助標(biāo)志注明與前方出口的距離。在主匝道從主線分離后一定距離設(shè)置連續(xù)分流標(biāo)志，注明每條分流匝道的走向和距離，使駕駛員進(jìn)入連續(xù)分流路段前做好特殊路段行駛的心理預(yù)期。地面文字和導(dǎo)向箭頭也應(yīng)充分配合交通標(biāo)志的指示信息，提示駕駛員直行和分流應(yīng)盡早各行其道。

5 結(jié)語(yǔ)

以廣州某高速公路樞紐互通為依托，對(duì)匝道連續(xù)分流區(qū)影響交通安全的出口識(shí)別及分流匝道最小間距問(wèn)題進(jìn)行研究。構(gòu)建了分析模型，提出了滿足視覺(jué)特性的主匝道分流區(qū)圓曲線控制半徑的推薦值以及適應(yīng)最大服務(wù)交通量的最小間距值，也為既有匝道連續(xù)分流路段線形條件受限時(shí)的交安設(shè)施優(yōu)化措施進(jìn)行了分析。研究為互通立交連續(xù)分流情況的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理提供了一定的理論依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）互通立交匝道的出口識(shí)別是一項(xiàng)重要的交通安全指標(biāo)，與駕駛員清晰視角密切相關(guān)。

（2）主匝道分流區(qū)附近的圓曲線半徑直接影響駕駛員對(duì)出口的識(shí)別。設(shè)計(jì)時(shí)可采用研究的推薦值對(duì)主匝道圓曲線半徑進(jìn)行控制。

（3）匝道連續(xù)分流間距為上游出口鼻端到下游出口漸變段范圍，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)影響明顯，最小間距值應(yīng)建立在最大服務(wù)交通量條件下，研究計(jì)算的推薦值與主匝道的運(yùn)行速度和分流匝道的限制速度的組合類(lèi)型有關(guān)，二者差值越大所需要的距離越長(zhǎng)。

（4）應(yīng)注意采用駕駛員清晰視角范圍對(duì)既有匝道連續(xù)分流路段的識(shí)別視距或圓曲線半徑進(jìn)行核查，并通過(guò)交安設(shè)施優(yōu)化的方法提前預(yù)告出口及誘導(dǎo)駕駛員視線，必要時(shí)限速處理。

參考文獻(xiàn)

[1]沈強(qiáng)儒， 趙一飛， 楊少偉， 等. 基于識(shí)別視距的特殊互通式立交出口區(qū)域主線線形指標(biāo)分析[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2015（3）： 89-92.

[2]包泮旺. 識(shí)別視距對(duì)互通式立體交叉主線形指標(biāo)選用的影響的研究[J]. 公路， 2011（8）： 134-137.

[3]陳瑾. 高速公路互通式立交出口和入口設(shè)置相關(guān)技術(shù)指標(biāo)研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2016.

[4]邵陽(yáng)， 潘兵宏， 王云澤. 高速公路互通式立交連續(xù)出口和入口間距研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2016（8）： 1642-1651.

收稿日期：2023-10-08

作者簡(jiǎn)介：徐利成（1974—），男，研究生，高級(jí)工程師，從事路橋咨詢(xún)、設(shè)計(jì)和研究工作。