互通立交入口匝道大型車加速特性研究

張亞坤 李敏 楊碧琦

摘 要：目前大型車存在高速公路互通立交入口加速匯入道路主線困難的情況，導致互通立交入口交通事故日益增加。通過對互通立交合流影響區車輛運行特性調查，基于修正的二階Erlang車頭時距分布模型，建立大型車安全匯入主線的加速車道長度模型;探究大型車比功率、坡度與加速段長度的關系;推導出符合我國互通立交車輛運行狀況的加速車道長度推薦值。研究發現：車輛的比功率越小，隨著坡度增大，車輛需要越長的匝道加速車道長度。該研究可以為高速公路互通立交針對大型車方面的加速車道長度相關標準和規范的修訂提供參考。

關鍵詞：大型車;互通立交;加速車道長度;比功率;坡度

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）22-214-04

Abstract： At present， large vehicles have difficulties in accelerating the merge of highway interchanges into the main line of the road， resulting in an increasing number of traffic accidents at interchange entrances. By investigating the vehicle operating characteristics in the area affected by the interchange， based on the revised second-order Erlang headway time distribution model， an acceleration lane length model for large vehicles safely entering the main line is established; explore the relationship between specific vehicle power， slope and the length of the acceleration section ; Deducing the recommended value of the acceleration lane length that meets the operating conditions of interchange vehicles in China. The study found that the smaller the specific power of the vehicle， the longer the ramp that the vehicle needs to accelerate the lane length as the slope increases. The research can provide a reference for the revision of standards and specifications related to the acceleration lane length of large vehicles on the interchange of expressways.

Keywords： Large vehicle; Interchange; The length of acceleration lane; Power-to-weight ratio; Slope

CLC NO.： U467? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-214-04

前言

互通立交的加速車道是為了供駛入車輛進行加速，設置在入口匝道和主線之間的附加車道。目前我國《公路路線設計規范》（JTG D20-2017）（以下簡稱《規范》）[1]已經基于不同設計速度對加速車道的最小長度進行了規定。但是由于大型車自身的車身上以及匯流能力不強的特點，所以大型車比小型車的等待匯流時間要長，所需要的加速車道比小型車的要長。《規范》中規定的加速車道長度不能滿足目前比功率低處于爬坡狀態的大型車，存在安全隱患。

我國規范中的數值規定與日本類似[2]。美國AASHTO中規定的長度取值綜合考慮了不同主線和匝道的設計速度[3]。Alexandra等人[4]根據分合流影響區域可接受間隙理論，對車輛在匝道的加減速特性進行研究，從而計算加減速車道長度。[5] Yang G.C.等人對卡車進行分類，研究不同類型的卡車在加速車道的加速行為，計算出不同卡車類型加速車道長度，計算結果證明了中型和大型卡車的加速車道長度是美國綠皮書中規定的1.3～1.6倍[6-7]。同時在互通立交入口加速車道長度計算模型方向中，Hassan等人在加速車道長度計算中綜合考慮了安全，并使用了概率模型[8]。邵長橋等人研究了加速車道上車輛匯入高速公路主線車流的概率，建立了加速車道長度方面的概率統計模型[9]。大量研究表明：在匝道入口處合流，車頭時距服從負指數分布，在距匯流鼻端50～200米內車頭時距服從2階愛爾朗分布，在距匯流鼻端200米后車頭時距服從3階愛爾朗分布[10]。因此，有必要對不同比功率的大型車在不同坡度下的加速車道長度設置展開深入研究。

1 合流影響區車輛交通特性分析

合流鼻上游150m，下游760m的范圍內被稱為合流影響區[11]。本文對主線設計速度為80km/h和100km/h的互通立交合流影響區進行實地調研來采集數據。

1.1 合流影響區不同流量下的車頭時距分布模型

實際調研發現，主線在不同的合流影響區位置車流量也是不同的，因此不同位置處的分布模型不同。在主線上游位置的車流量q不大于每小時250輛，此時服從移位負指數分布;在主線中下游位置，車輛完成合流，主線車流量q在每小時250輛到500中間，此時車流量較大，服從2階Erlang分布。

1.2 合流影響區下可插入間隙

當主線上車輛較多的時候，匝道上的大型車需要慢慢降低速度，讓速度趨于平穩，等待可以通過的時機，當到達匝道盡頭，則需要停車等待，等待可以通過的間隙為可插入間隙。根據實地調查統計數據顯示，大型車可插入間隙一般在4-5秒。

1.3 合流影響區車輛速度、加速度特性及車輛駕駛行為

通過圖1對合流影響區的速度特性研究后可以得出大型車的車輛駕駛行為。可以了解到不同車輛剛入匯流鼻的時候速度較小，逐漸加速度增加，速度隨著增加;在等待階段前，加速度逐漸減小，速度逐漸穩定，車輛等待合流，如果出現主線車流較大，那么需要停車等待可插入間隙去通過。

2 加速車道長度計算模型

以第一章節的二階Erlang分布模型，大型車的可插入間隙理論和加速車道車輛的駕駛行為為基礎，建立互通立交入口加速車道長度計算模型。根據大型車車輛在加速車道的駕駛行為將加速車道長度分為3段：加速段L1、等待段L2、合流段L3;完整加速車道長度：

2.1 加速段長度

2.2 等待段長度

2.3 合流段長度

3 模型中關鍵參數取值

3.1 大型車匯流鼻初速度

根據實地調研發現較多高速公路互通立交的坡度大于2%，圖2是根據調研匯集的互通立交的車輛匯流鼻初速度。

從圖2中可以明顯看出，幾乎所有大型車在匯流鼻初速度都明顯低于合流影響區的設計速度。同時通過《規范》可以查到大型車在坡度2%

3.2 大型車匯流點末速度

若大型車處于處于坡度i>2%的高速公路時候，為了使大型車安全合流就要使得大型車匯流點末端處的速度足夠合理。通過實地調查給出匯流處的速度推薦值如表2所示。

3.3 平均加速度

對于大型車的加速度，結合汽車理論[12]，對我國大型車在路面上行駛過程進行受力分析。大型車輛在行駛過程中，會受到空氣阻力Fw、坡度阻力Fi、滾動阻力Ff、加速阻力FI。根據汽車運動方程知[13]：

3.4 大型車匝道加速車道長度

根據表1和表2中的大型車在不同主線和匝道的設計速度對應的匯流鼻和匯流點速度取值，結合在公式（2）和公式（13），不同坡度的車輛速度-加速段長度關系表3-5。

4 結論

本文基于修正的二階Erlang車頭時距分布模型，對主線設計速度為100km/h和80km/h的互通立交入口合流影響區大型車加速特性進行研究，建立對高速公路合流影響區安全匯入主線的加速車道長度模型;模擬出比功率為8kw/t～ 12kw/t的大型車在坡度2%

（1）加速車道長度不僅受主線設計速度影響，有必要結合合流區交通流特性及大型車駕駛行為設計加速車道長度。

（2）坡度2%

（3）本文通過對設計速度80km/h和100km/h的大型車在高速公路加速車道長度取值及計算過程進行分析，可以為高速公路互通立交針對大型車方面的加速車道的設計提供指導，為相關標準和規范的修訂提供參考。

參考文獻

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