客貨分離道路主線(xiàn)出入口匝道最短開(kāi)口長(zhǎng)度研究

【摘" " 要】：針對(duì)客貨分離道路主線(xiàn)出入口的設(shè)計(jì)問(wèn)題，從出入口主線(xiàn)分車(chē)帶開(kāi)口長(zhǎng)度特征出發(fā)，分析車(chē)輛換道行為與開(kāi)口長(zhǎng)度的聯(lián)系，考慮相應(yīng)特性及變量，提出最短出入口開(kāi)口長(zhǎng)度確定模型。使用工程數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，給出在一定行駛速度下，出入口主線(xiàn)處最短開(kāi)口長(zhǎng)度推薦值。

【關(guān)鍵詞】：道路交通；客貨分離；交通安全；開(kāi)口長(zhǎng)度

【中圖分類(lèi)號(hào)】：U412.351 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）02-17-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.005

Research on the Shortest Opening Length of the Entrance and Exit Ramps of Passenger-Freight Separation Road

ZHANG Zicheng，MA Hongwei，BAI Zijian

（Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute ， Tianjin 300392， China）

【Abstract】：In view of the design issue of the entrance and exit of the main line of the passenger-freight separation road， the paper starts from the characteristics of the opening length of the entrance and exit， analyzes the relationship between the behavior of vehicles changing lanes and the opening length，proposes a model for determining the shortest length of entrance and exit openings by considering the corresponding characteristics and variables. And the paper uses engineering mathematics software to verify the results， gives the recommended value of the shortest opening of the entrance and exit at a certain driving speed.

【Key words】：road traffic; separation of passenger and freight; traffic safety; opening length design

客貨分離是解決道路混行干擾嚴(yán)重問(wèn)題的重要措施。我國(guó)較早提出了客貨分離的概念，但由于交通情況復(fù)雜等原因，對(duì)貨車(chē)專(zhuān)用道及其配套交通工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用較少，對(duì)客貨分行的研究大多局限在理論闡述階段[1～4]。鑒于出入口設(shè)計(jì)在高等級(jí)公路和城市快速路設(shè)計(jì)中的重要地位，同時(shí)考慮到客貨分離條件下交通流交織行為的顯著變化，本文對(duì)客貨分離條件下交通流行為建模，研究出入口客貨車(chē)輛交織行為全過(guò)程描述模型，得到出入口開(kāi)口長(zhǎng)度及各種出入口組合方式下開(kāi)口最小間距的確定方法，為客貨分離道路的設(shè)計(jì)及建設(shè)提供理論依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 出入口主線(xiàn)分車(chē)帶開(kāi)口長(zhǎng)度特殊性

分離道路混用出入口時(shí)，與普通道路出入口相比存在以下交織特性[5]：

1）分離道路上的車(chē)輛需且必須在特定路段完成交織行為，有主要的交織車(chē)型；

2）提前換道行為有規(guī)律，為了保證車(chē)輛順利完成駛?cè)牖蝰偝鲋骶€(xiàn)的行為，車(chē)輛需在開(kāi)口長(zhǎng)度起點(diǎn)或終點(diǎn)處開(kāi)始換道，而普通道路則沒(méi)有特定的換道位置。

非物理隔離式分離道路入口匝道與普通道路車(chē)輛換道行為不同。普通道路客車(chē)通常先換到最外車(chē)道，再根據(jù)行車(chē)需要適當(dāng)換到其他車(chē)道上行駛，這種換道行為不要求在指定范圍內(nèi)完成；而分離道路客車(chē)需要在指定的路段范圍內(nèi)由外側(cè)行車(chē)道轉(zhuǎn)換到內(nèi)側(cè)客車(chē)專(zhuān)用車(chē)道上。見(jiàn)圖1。

與入口匝道相似，出口匝道同樣存在差異。普通道路在前方有出口匝道提示之前就可以變換車(chē)道，一直在外側(cè)車(chē)道行駛，直至駛?cè)氤隹谠训溃欢蛛x道路需在指定的開(kāi)口位置由內(nèi)側(cè)專(zhuān)用車(chē)道變換駛?cè)胪鈧?cè)專(zhuān)用車(chē)道，并保證在外側(cè)專(zhuān)用車(chē)道上有足夠的距離駛出主線(xiàn)，進(jìn)入出口匝道。見(jiàn)圖2。

無(wú)論是出口匝道或是入口匝道處，均需要設(shè)置一定長(zhǎng)度的交織段。主線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度為專(zhuān)用道路上，在混行出入口處設(shè)置的交織段長(zhǎng)度。入口開(kāi)口重點(diǎn)在于終點(diǎn)位置設(shè)置；出口開(kāi)口重點(diǎn)在于開(kāi)口起點(diǎn)設(shè)置。開(kāi)口長(zhǎng)度需根據(jù)主線(xiàn)車(chē)流速度進(jìn)行計(jì)算且長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)則外側(cè)車(chē)道混行較長(zhǎng)，失去專(zhuān)用車(chē)道的意義，而開(kāi)口過(guò)短造成到達(dá)內(nèi)側(cè)車(chē)道車(chē)輛集中，對(duì)進(jìn)出口處通行影響較大[6]；因此，需要找到適宜的開(kāi)口長(zhǎng)度，使分離道路的通行效率最高。不同車(chē)道數(shù)對(duì)確定開(kāi)口長(zhǎng)度存在影響；因此，需根據(jù)車(chē)道數(shù)來(lái)計(jì)算開(kāi)口長(zhǎng)度。

2 最短開(kāi)口長(zhǎng)度確定模型

所謂最短開(kāi)口長(zhǎng)度即為關(guān)鍵換道車(chē)型無(wú)障礙完成所有換道行為，恰好能夠駛離或駛?cè)肽康能?chē)道所行駛的距離[7]。關(guān)鍵車(chē)型即為混行路段交織過(guò)程中最長(zhǎng)的車(chē)型，入口匝道處關(guān)鍵車(chē)型為駛?cè)雰?nèi)側(cè)專(zhuān)用車(chē)道的車(chē)型；出口匝道處為內(nèi)側(cè)專(zhuān)用車(chē)道上駛離主線(xiàn)的車(chē)型。無(wú)障礙情況即為車(chē)輛換道時(shí)恰好存在可插間隙。

2.1 假設(shè)條件

1）主線(xiàn)及匝道車(chē)輛車(chē)速離散不連續(xù)。

2）換道時(shí)所有車(chē)輛均為勻速行駛，忽略車(chē)輛加速過(guò)程。

3）車(chē)輛跟馳行駛過(guò)程中后車(chē)與前車(chē)行駛速度相同。

2.2 模型的建立

入口和出口匝道主線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度計(jì)算有區(qū)別，分別對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析，建立適合的模型。不同分離道路對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵換道車(chē)輛及換道次數(shù)不同，這些不同主要體現(xiàn)在交織車(chē)輛之間的速度差，不同車(chē)速、車(chē)輛條件下對(duì)應(yīng)的安全距離上的差異；但是，模型的計(jì)算邏輯是不變的。開(kāi)口長(zhǎng)度取決于關(guān)鍵車(chē)輛換道次數(shù)及每次換道長(zhǎng)度。

2.2.1 單向四車(chē)道

1）入口處主線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度。入口開(kāi)口處換道情況見(jiàn)圖3。

換道小客車(chē)進(jìn)入車(chē)道1行駛的距離為L(zhǎng)1，進(jìn)入車(chē)道2行駛的距離為L(zhǎng)2，進(jìn)入車(chē)道3行駛的距離為L(zhǎng)3，三者之和滿(mǎn)足

[L≥L1+L2+L3] （1）

式中：L為入口處主線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度。

本模型內(nèi)，主線(xiàn)外側(cè)兩車(chē)道為大貨車(chē)專(zhuān)用道、內(nèi)側(cè)兩車(chē)道為小客車(chē)專(zhuān)用道，故在駛?cè)胄】蛙?chē)通過(guò)外側(cè)兩條大貨車(chē)專(zhuān)用道所需時(shí)間t一致的前提下，根據(jù)建模的基本假設(shè)可知[L1=L2]，那么只需計(jì)算出[L1]、[L3]值。對(duì)[L1]、[L3]的計(jì)算進(jìn)行模型環(huán)境搭建。

假設(shè)換道小汽車(chē)在匝道入口處開(kāi)始進(jìn)行換道，S、s分別為進(jìn)去外側(cè)車(chē)道和進(jìn)入內(nèi)側(cè)專(zhuān)用車(chē)道時(shí)前后兩車(chē)之間的最小安全距離，換道車(chē)輛、貨車(chē)及客車(chē)速度分別為[v1、v2、v3]，由貨車(chē)車(chē)道到客車(chē)車(chē)道的客車(chē)的換道速度為[v′1]，開(kāi)始換道時(shí)換道車(chē)輛與主線(xiàn)上貨車(chē)之間間距為[l]，最后一次換道時(shí)換道車(chē)道與內(nèi)側(cè)主線(xiàn)上車(chē)輛之間的距離為[l]，那么進(jìn)入小汽車(chē)第一次換道所需的安全距離要滿(mǎn)足

[v2t+l-v1t≥2S] （2）

[若v2≥v1， t≥（2S-l）（v2-v1）] （3）

[若v1≥v2，t≤（2S+l）（v1-v2）] （4）

則第一次換道行駛的距離

[L1=v1t] （5）

由貨車(chē)車(chē)道到客車(chē)車(chē)道應(yīng)滿(mǎn)足

[v3t+l-v′1t≥2s] （6）

[（2s-l）（v3-v′1）≤t≤（2s+l）（v′1-v3）] （7）

則第三次換道需要的安全距離

[L3=v′1t+s] （8）

那么，開(kāi)口長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足

[L≥2L1+L3] （9）

2）出口處主線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度。出口開(kāi)口處換道情況見(jiàn)圖4。

開(kāi)口最短長(zhǎng)度是三次換道所需要的安全距離之和，即

[L≥L1+L2+L3或L≥L1+L2] （10）

第一次換道需要的距離應(yīng)滿(mǎn)足

[v2t+l-v1t≥2S] （11）

[（2S-l）（v2-v1）≤t≤（2S+l）（v1-v2）] （12）

那么，第一次換道行駛距離

[L1=v1t] （13）

第三次換道由內(nèi)側(cè)貨車(chē)車(chē)道到外側(cè)貨車(chē)車(chē)道，需要滿(mǎn)足

[v3t+l-v′1t≥2s] （14）

[（2s-l）（v3-v′1）≤t≤（2s+l）（v′1-v3）] （15）

第三次換道所需距離

L3=[v′1] t+s （16）

2.2.2 單向五車(chē)道

單向五條車(chē)道出入口處主線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度需要根據(jù)不同分離道路橫斷面形式來(lái)確定，不同橫斷面形式對(duì)應(yīng)的有效換道次數(shù)不同，其開(kāi)口長(zhǎng)度也不同。有效換道即為對(duì)開(kāi)口長(zhǎng)度有影響的換道行為，如兩類(lèi)專(zhuān)用車(chē)道之間的換道。

1）3+2模式（內(nèi)側(cè)3條客車(chē)車(chē)道、外側(cè)2條貨車(chē)車(chē)道）開(kāi)口長(zhǎng)度。

入口開(kāi)口長(zhǎng)度[L≥2L1+L3] （17）

出口開(kāi)口長(zhǎng)度[L≥L1+L2+L3或L≥L1+L2] （18）

2）2+3模式（內(nèi)側(cè)2條客車(chē)車(chē)道、外側(cè)3條貨車(chē)車(chē)道）開(kāi)口長(zhǎng)度確定模型。

入口開(kāi)口長(zhǎng)度[L≥3L1+L3] （19）

出口開(kāi)口長(zhǎng)度[L≥L1+2L2+L3或L≥L1+2L2] （20）

2.3 模型結(jié)果驗(yàn)證

結(jié)合具體的車(chē)速、安全距離等條件對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以單向四車(chē)道分離道路出入口模型為例。

2.3.1 入口匝道開(kāi)口最短長(zhǎng)度

根據(jù)所建立模型，采用Matlab軟件計(jì)算不同條件下的開(kāi)口長(zhǎng)度，以速度差為10 km/h為例。

第一次換道時(shí)換道車(chē)輛與主線(xiàn)上貨車(chē)之間間距[l]為10 m，換道目標(biāo)車(chē)輛與外側(cè)專(zhuān)用車(chē)道行駛車(chē)輛之間的行駛安全距離[s]為8 m且兩車(chē)之間的速度差為10 km/h；根據(jù)模型計(jì)算可知，目標(biāo)車(chē)輛完成換道所需的時(shí)間在2～9 s。第三次換道目標(biāo)車(chē)輛與內(nèi)側(cè)車(chē)道之間的速度差仍為10 km/h，兩車(chē)的安全距離為10 m，換道開(kāi)始時(shí)，目標(biāo)車(chē)輛與前車(chē)或后車(chē)之間的距離為10 m，換道所需時(shí)間范圍為4～11 s。第一、三次換道所需行駛的距離見(jiàn)圖5。

總開(kāi)口長(zhǎng)度為每次換道的交織長(zhǎng)度之和，單向四車(chē)道共換道3次；單向五車(chē)道3+2模式目標(biāo)車(chē)輛需要3次換道行駛到內(nèi)側(cè)客車(chē)車(chē)道上，而2+3模式目標(biāo)車(chē)輛需要4次換道行駛到內(nèi)側(cè)客車(chē)車(chē)道上。單向四車(chē)道和單向五車(chē)道3+2模型換道次數(shù)相同，因此，開(kāi)口長(zhǎng)度相同。見(jiàn)圖6。

2.3.2 出口匝道主線(xiàn)開(kāi)口長(zhǎng)度

第一次換道時(shí)換道車(chē)輛與主線(xiàn)車(chē)輛速度差取10 km/h，安全車(chē)距S為8 m，換道車(chē)輛與主線(xiàn)車(chē)輛之間的距離為10 m，目標(biāo)車(chē)輛換道需要所需的時(shí)間范圍為3～10 s；第三次換道時(shí)換道車(chē)輛與主線(xiàn)車(chē)輛速度差取10 km/h，安全車(chē)距S為8 m，目標(biāo)車(chē)輛與主線(xiàn)車(chē)輛之間的距離8 m，目標(biāo)換道車(chē)輛換道需要所需的時(shí)間范圍為3～9 s，兩次換道交織長(zhǎng)度見(jiàn)圖7。

總的開(kāi)口長(zhǎng)度為每次換道行駛距離之和。單向四車(chē)道、單向五車(chē)道3+2模式經(jīng)過(guò)兩次換道行為行駛到最外側(cè)車(chē)道上，并直接駛?cè)氤隹谠训礼傠x主線(xiàn)；單向五車(chē)道2+3模式經(jīng)過(guò)三次換道行駛到最外側(cè)車(chē)道，并直接駛?cè)氤隹谠训礼傠x主線(xiàn)。見(jiàn)圖8。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果推薦速度差為10 km/h時(shí)，出入口開(kāi)口長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

3 結(jié)論

1）入口與出口處主線(xiàn)開(kāi)口最短長(zhǎng)度與速度、車(chē)道數(shù)、車(chē)輛間速度差、安全車(chē)距等因素相關(guān)。其中，速度越快，車(chē)道數(shù)越多，需要的匝道開(kāi)口長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

2）合理的出入口匝道開(kāi)口長(zhǎng)度設(shè)置對(duì)客貨分離道路的設(shè)計(jì)十分重要，可以在一定程度上避免由于客貨車(chē)輛行駛速度、車(chē)輛特性等方面差異導(dǎo)致的換道及出入匝道行為過(guò)程的交通隱患，對(duì)道路交通安全性、道路利用率、道路交通量有積極影響。

本文開(kāi)口長(zhǎng)度確定模型所設(shè)定的假設(shè)條件及計(jì)算時(shí)所設(shè)的行駛安全距離、兩車(chē)間行駛速度差等參數(shù)與現(xiàn)實(shí)中的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)及復(fù)雜條件間的差異會(huì)對(duì)出入匝道行為產(chǎn)生相應(yīng)影響；因此，未來(lái)需結(jié)合更多實(shí)際情況中的因素對(duì)道路出入口最短開(kāi)口長(zhǎng)度進(jìn)行更深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]練象平. 客貨分離道路系統(tǒng)研究[J]. 城市道橋與防洪，2011，（7）：44-46+7.

[2]徐灝. 對(duì)城市道路客貨分離的思考[J]. 建筑·建材·裝飾，2018，（18）：56-57.

[3]付春輝. 國(guó)內(nèi)外高速公路客貨分離進(jìn)展研究[J]. 遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2017，19（2）：8-13.

[4]萬(wàn)兵. 基于VISSIM交通仿真的客貨分離條件研究[J]. 青海交通科技，2018，（3）：45-49+57.

[5]潘兵宏，任卉，單慧敏，等. 客貨分離整體式路基互通出口同分帶開(kāi)口長(zhǎng)度研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（4）：83-90.

[6]項(xiàng)昀，邢璐，王昊，等. 客貨分離式高速公路主線(xiàn)與匝道協(xié)同控制算法研究[J]. 江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，39（6）：631-636.

[7]高獎(jiǎng)，過(guò)秀成. 城市高架道路匝道與平面交叉口銜接空間優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 道路交通與安全，2006，6（10）：4-7.

課題項(xiàng)目：天津市交通運(yùn)輸科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2021-04）

作者簡(jiǎn)介：張紫程（1995 - ）， 男， 碩士， 天津市人， 工程師， 從事公路與城市道路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究工作。