冰雪條件下高速公路通行能力衰減仿真研究

何永明，丁柏群

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

在我國(guó)北方地區(qū)，低氣溫、多雪天氣，造成大多數(shù)路面冬季經(jīng)常處于積雪或結(jié)冰狀態(tài)，因此高速公路通行能力大大降低。而我國(guó)現(xiàn)行道路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，各等級(jí)道路設(shè)計(jì)通行能力指標(biāo)，并未考慮寒冷地區(qū)這一特殊條件。致使道路未達(dá)到設(shè)計(jì)年限便無法滿足冬季交通需求，造成交通擁堵和交通事故頻發(fā)。解決上述問題，必須首先正確確定冰雪道路的實(shí)際通行能力。

1 通行能力理論計(jì)算

高速公路基本路段單車道的的通行能力可用最小車頭間距或最小車頭時(shí)距計(jì)算，見公式 (1)［1］。

式中:C為通行能力，pcu/h;V為車速，km/h;hs為最小車頭間距，m;ht為最小車頭時(shí)距，s。

最小車頭間距計(jì)算較為方便，因此這里用最小車頭間距進(jìn)行計(jì)算。

1.1 最小車頭間距

最小車頭間距一般要求必須滿足大于緊急情況下的停車視距和車輛長(zhǎng)度之和。停車視距由三部分組成:駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離S1，開始制動(dòng)汽車到汽車完全停止所行駛距離S2(制動(dòng)距離)，再加上安全距離S0(一般取5～10m)［2］，按公式 (2)計(jì)算。

式中:Smin為最小車頭間距，m;St為停車視距，m;L為車輛長(zhǎng)度，m;v為行駛速度，km/h;t為駕駛員知覺反應(yīng)時(shí)間，取2.5s;u為路面與輪胎之間的縱向摩阻系數(shù);i為道路縱坡，%。

1.2 反應(yīng)時(shí)間行駛距離

駕駛員發(fā)現(xiàn)情況并緊急制動(dòng)反應(yīng)可分為以下幾個(gè)階段［3］:

(1)從發(fā)現(xiàn)情況到大腦進(jìn)行判斷再支配手腳進(jìn)行操作，這段時(shí)間稱為反射時(shí)間，約需0.38 s。

(2)腳離開加速踏板轉(zhuǎn)移到制動(dòng)踏板上的時(shí)間約為0.23 s。

(3)腳踩下制動(dòng)踏板到制動(dòng)器起作用達(dá)到制動(dòng)效果，即制動(dòng)傳遞延遲時(shí)間，又稱制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，約需0.8 s。

考慮到客觀環(huán)境和駕駛員自身情況，適當(dāng)留有余地，一般取1.0 s。因此，緊急制動(dòng)的總反應(yīng)時(shí)間一般取2.5 s。

美國(guó)各州公路工作者協(xié)會(huì)也規(guī)定，判斷時(shí)間為1.5 s，作用時(shí)間為1 s，故從感知、判斷、開始制動(dòng)到制動(dòng)生效全部時(shí)間為2.5 s。反應(yīng)時(shí)間取t=2.5 s，由S1=vt，則可計(jì)算反應(yīng)時(shí)間行駛距離。見表1。

表1 反應(yīng)時(shí)間行駛距離Tab.1 Travel distance in reaction time

1.3 路面制動(dòng)距離

根據(jù)中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術(shù)鑒定》 (GA/T643－2006)提供的參考值［4］，被冰覆蓋路面 u值取0.1，被雪覆蓋路面u值取0.30，正常路面取u值取0.75。選取水平路段進(jìn)行研究，i值取0。由S2=v2/(254(u±i))計(jì)算制動(dòng)距離見表2。

表2 不同條件下汽車制動(dòng)距離 單位:mTab.2 Braking distance in different conditions unit:m

1.4 最小車頭間距

最小安全距離S0一般取5～10 m，冰雪路面計(jì)算行車速度較低，取最低限5 m，車輛長(zhǎng)度L按標(biāo)準(zhǔn)小汽車計(jì)算，取5 m，則根據(jù)公式 (2)計(jì)算冰雪路面最小車頭間距見表3表。

表3 不同條件下最小車頭間距 單位:mTab.3 Minimum headway in different conditions unit:m

1.5 通行能力計(jì)算

根據(jù)公式 (1)計(jì)算冰雪條件下基本路段一條車道通行能力見表4。

表4 不同條件下通行能力計(jì)算值 單位:pcu·h－1Tab.4 Calculated capacity value in different conditions unit:pcu·h－1

根據(jù)表4繪制折線圖。如圖1所示。

圖1 不同條件下計(jì)算通行能力Fig.1 Calculated capacity in different conditions

通過表4和圖1可知，相同速度下通行能力隨附著系數(shù)增大而增大;當(dāng)速度較小時(shí)，不同路面通行能力差異較小，通行能力衰減幅度隨速度的增加而增大;不同路面狀況下最大通行能力不同，最大通行能力對(duì)應(yīng)的最佳車速也不相同，路面附著系數(shù)越大，最大通行能力越大，對(duì)應(yīng)最佳車速越高。

2 通行能力仿真

2.1 建模與仿真

利用交通仿真軟件Vissim，建立冰雪條件下雙向4車道高速公路通行能力衰減仿真模型。仿真路段對(duì)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，不同路面狀況下模型參數(shù)設(shè)置見表5。

表5 不同路面狀況仿真參數(shù)設(shè)置Tab.5 Simulation parameter settings in different road conditions

2.2 仿真結(jié)果

仿真時(shí)間取3 600 s，仿真路段長(zhǎng)度1 000 m，仿真結(jié)果整理見表6。

表6 不同條件下通行能力仿真值 單位:pcu·h－1Tab.6 Simulated capacity values in different conditions unit:pcu·h－1

比較表4、表6和圖1、圖2可知，相同路面狀況和車速條件下，仿真結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。

3 結(jié)論

通過理論計(jì)算和交通仿真可以得出以下結(jié)論:

(1)相同路面狀況下，高速公路通行能力隨車速增加而增大，達(dá)到最大通行能力后逐漸減小。

(2)不同路面狀況下，高速公路最大通行能力不同，最大通行能力對(duì)應(yīng)的最佳車速也不相同，路面附著系數(shù)越大，最大通行能力越大，對(duì)應(yīng)最佳車速越高。

圖2 不同條件下仿真通行能力Fig.2 Simulated capacity in different conditions

(3)不同路面狀況下，低速時(shí)通行能力差異較小，高速時(shí)通行能力隨附著系數(shù)降低衰減明顯。

基于以上結(jié)論，冰雪條件下高速公路通行能力大幅降低，而《公路通行能力手冊(cè)》等相應(yīng)規(guī)范沒有充分考慮到冰雪的路面的影響，因此，相當(dāng)部分道路不能滿足冰雪時(shí)期通行能力的要求，因此，建議在道路規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分考慮冰雪路面對(duì)道路通行能力的影響，適當(dāng)提高道路規(guī)劃設(shè)計(jì)的等級(jí)。

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