二級公路“2+1”車道超車段長度設置及仿真

摘要：二級公路在中國公路網中占有重要地位，一般采用雙向兩車道布局。然而，當交通流量達到一定水平時，二級公路的雙車道布局模式很難滿足車輛在行駛過程中的超車需求。“2+1”車道布局為上述問題提供了很好的解決方案，但如何確定最佳超車段長度已成為一個新問題。以“2+1”車道二級公路為研究對象，通過采用微觀交通仿真技術，以延誤和速度為評價指標，針對不同的流量和車型組合對超車段長度開展了仿真分析和評價，結果表明：在“2+1”車道布局模式下，超車段的通行效率有顯著提高，超車段的最佳長度為1.2km。

關鍵詞：“2+1”車道二級公路超車段長度交通仿真

中圖分類號：U492.8

LengthSettingandSimulationof“2+1”LanesOvertakingSectionforSecond-ClassHighway

YINZhihaoKUANGAiwuWANGJie

SchoolofTrafficandTransportationEngineering，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，Changsha，HunanProvince，410114China

Abstract：Second-classhighwayoccupuiesanimportantpositioninChina'shighwaynetwork，whichgenerallyadoptsatwo-laneslayoutinbothdirections.However， whenthetrafficflowreachesacertainlevel，thetwo-laneslayoutmodeofsecond-classhighwayisdifficulttomeettheovertakingdemandofvehiclesinthedrivingprocess.The“2+1”laneslayoutprovidesagoodsolutiontotheaboveproblems，buthowtodeterminetheoptimal?;overtakingsectionlengthhasbecomeanewproblem.Thispapertakesthe“2+1”lanessecond-classhighwayastheresearchobject，byusingmicroscopictrafficsimulationtechnologyandtakingdelayandvelocityastheevaluationindices，simulationanalysisandevaluationarecarriedoutonthelengthofovertakingsectionfordifferentflowandvehicletypecombinations.Theresultsshow：Underthe“2+1”laneslayoutmode，thetrafficefficiencyofovertakingsectionhasbeensignificantlyimproved，andtheoptimallengthofovertakingsectionis1.2km.

KeyWords：“2+1”lanes;Second-classhighway;Lengthofovertakingsection;Trafficsimulation

目前，作為我國公路網重要組成部分的干線公路其技術等級大多為二級，一般采用雙向兩車道布局，該布局模式難以滿足車輛行駛過程中的超車需求。當交通量達到一定水平，尤其是在重型車輛占比大的情況下，容易產生排隊，此時車輛很可能利用對向車道強行超車，容易導致正面碰撞，交通安全隱患大[1]。針對路基寬度在12.75m以上的雙車道二級公路，“2+1”車道布局模式為上述問題提供了一個有效的解決方案。“2+1”車道是介于雙向兩車道與四車道之間的布局形式，包括一條可變車道和兩條基本車道，可變車道作為超車車道，超車車道的方向交替變換。相比雙向四車道，“2+1”車道可以節約用地、降低公路建設成本，同時又能滿足超車需求。“2+1”車道布局模式如圖1所示。

近年來，法國、德國、美國等國家相繼進行了“2+1”車道公路的研究與實踐[2]，國外實踐證明這種公路設計形式對改善安全、提升效率均是有效的。然而，“2+1”車道公路的實際運行效果會受到公路幾何布局、交通安全設施設計、分合流區駕駛人行為、交通組成及交通量、行駛速度等多方面因素的影響。“2+1”車道公路如果設計不當，容易出現車輛合流和超車的混亂，在影響交通效率的同時可能誘發嚴重的交通安全問題，其中最為關鍵的是超車段長度的合理設置。目前，國內外在超車方面的研究多集中于雙向兩車道公路如何安全超車，例如：任煒[3]從超車視距的安全性角度出發研究了如何借用對向車道超車，并對滿足超車視距的超車路段長度進行了分析；余姝源等人[4]對雙向兩車道的車輛自主超車軌跡進行了規劃與跟蹤控制研究；岳全勝等人[5]對雙向兩車道公路的超車行為演化博弈開展了分析；戢曉峰等人[6]構建了基于生存分析的山區雙車道公路超車持續時間模型；AMIRHG等人[7]建立了基于臨界碰撞時間的超車距離接受模型，并利用視頻數據驗證了該模型的可行性。

上述研究為超車段長度的設置奠定了一定理論基礎，但仍存在如下兩方面的不足：一是研究對象局限于傳統雙車道公路，未能與“2+1”車道公路有效結合；二是關于超車的研究中對交通效率甚少關注。為此，本文結合國內外實踐成果和我國相關技術標準，選擇車速和延誤作為效率評價指標，采用微觀交通仿真技術模擬了不同交通量和車型占比下各種超車段長度的運行效果，并將其與普通雙車道公路的通行效率進行了比較，進而確定能夠確保安全與效率的“2+1”車道公路最佳超車段長度。

1二級公路“2+1”車道方案設計

在開展超車段長度仿真分析之前，需要對二級公路“2+1”車道布局進行方案設計，涉及設計速度、設計交通量、斷面組成、超車段與漸變段長度分析等內容。

1.1設計速度

國外“2+1”車道公路的設計速度一般為80～100km/h。根據《公路路線設計規范》（JTGD20—2017），作為干線的二級公路，設計速度宜采用80km/h；作為集散的二級公路，設計速度宜采用60km/h。綜合考慮我國二級公路的設計速度以及我國干線公路上平面交叉口多、部分路段街道化嚴重等情況，確定“2+1”車道二級公路的設計速度采用80km/h和60km/h兩種。

1.2設計交通量

根據《公路工程技術標準》（JTGB01—2014），二級公路的年平均日設計交通量宜為5000～15000輛小客車。國外經驗表明：“2+1”車道公路的通行能力通常會超過雙向兩車道公路，其適應交通量能夠達到10000～20000pcu/d。考慮到我國標準是面向雙向雙車道公路布局制定的，綜合國內外情況，確定“2+1”車道二級公路的適用交通量為10000～20000pcu/d。

1.3橫斷面設計

與普通公路類似，“2+1”車道公路的路基橫斷面同樣由行車道、超車道、中間帶、路肩等部分組成。在國外實踐中，“2+1”車道公路的單車道寬度通常為3.25～3.75m，橫斷面總寬度在13～16.95m之間。我國《公路工程技術標準》（JTGB01—2014）對不同設計速度條件下的車道寬度、路肩寬度取值都有明確規定，“2+1”車道公路在斷面組成設計中也要遵循標準的相關規定。此外，“2+1”車道公路采用護欄或標線進行雙向行車的分隔時，其所需要的寬度也有所差異，當采用雙黃實線隔離時，中間帶寬度不應小于0.5m；當采用柔性護欄或物理隔離形式時，中間帶寬度一般不小于1.5m。綜合考慮國外實踐和我國標準，“2+1”車道公路其路基橫斷面總寬度一般不宜小于12.75m。

1.4超車段長度設計

超車段長度會對“2+1”車道公路的運行產生顯著影響，超車段越長，則車輛超車的機會就越多，從而能提高雙車道路段上的通行效率，但過長的超車段意味著對向單車道因超車受限而排隊行駛的車輛就越多，進而影響單車道路段上的效率和安全。因此，超車段長度的選擇應平衡好雙車道路段的超車需求和單車道路段的行車安全。國外實踐中，“2+1”車道公路的超車段長度通常在0.8～2.0km之間，極限最小長度為0.6km，極限最大長度為3km。

根據美國《道路通行能力手冊》和《公路與街道幾何設計手冊》，超車路段的長度與交通量有關，如果單向小時交通量越大，則需要的超車段就越長[8]。根據1.2節，“2+1”車道二級公路的適應交通量宜為10000～20000pcu/d，折算后的單向小時交通量約為401～700pcu/h，為此，建議“2+1”車道二級公路的超車段長度取值為1.2～1.6km。

1.5分合流段長度設計

合流段總長度Lh應包括2倍的合流漸變段長度LHj和1倍的緩沖段長度LHh，其中緩沖段長度應不小于15m。依據《公路與街道幾何設計手冊》，“2+1”車道公路合流漸變段長度LHj宜采用以下公式計算：

式（1）中，V為設計速度，單位為km/h；W為變化寬度，單位為m。

當設計速度為60km/h時，變化寬度W取值為3.5m；當設計速度為80km/h時，變化寬度W取值為3.75m。根據式（1）可以計算得到：“2+1”車道公路在不同設計速度下的合流段最小長度，其中，V=60km/h時，Lh=175m；V=80km/h時，Lh=375m。

與合流段相類似，分流段長度Lf也包含了分流漸變段長度LFj和緩沖段長度LFh，其中分流漸變段長度LFj取值宜為合流漸變段長度LHj的1/2～2/3倍，且應不小于30m。類似地可以獲得兩種設計速度條件下的分流段最小長度，當V=60km/h時，Lf=95～135m，中間值為115m；當V=80km/h時，Lf=195～255m，中間值為225m。

2二級公路“2+1”車道超車段長度仿真分析

2.1仿真方案設定

仿真模型是在主線雙向雙車道中間增設一條可以交替超車的超車路段，其中，行車道寬為3.75m，超車道寬為3.5m，分合流段長度按1.4節確定，仿真路段總長度約為5km。在開展仿真分析時，以超車段長度作為道路幾何參數影響變量，環境參數默認為良好的天氣條件，交通參數以單向交通量和車輛組成為影響變量。其中，超車段選擇0.6km、0.8km、1.2km、1.6km和不設超車段共5種類型；小型車與大型車的比例設定9∶1和7∶3共2種方案；輸入流量選擇單向400pcu/h、600pcu/h、800pcu/h和1000pcu/h共4種。

2.2仿真結果分析

在仿真開始之前，首先根據我國規范推薦值對期望速度分布、期望加速度分布、跟馳模型、換道模型進行標定。仿真操作中，仿真時間設置為3600s，仿真精度設置為10個時間步長/仿真秒。仿真實驗主要是考察在不同的輸入流量和車型占比下，各種超車段長度設置方案對延誤和速度等效率指標的影響。當小型車和大型車的比例分別為7∶3和9∶1時，在不同的超車段長度設置方案下，平均延誤隨輸入流量的變化關系如圖2和圖3所示，平均速度隨輸入流量的變化關系如圖4和圖5所示。

從圖2和圖3可以看出，在各種不同的超車段長度設置方案下，平均延誤均隨輸入交通量的增加而增加，但總體上看，“2+1”車道設計方案的平均延誤小于兩車道方案的平均延誤。在各種不同的車型組成下，當超車段長度設置為0.8km、1.2km和1.6km時，相同輸入交通量下的平均延誤沒有顯著變化，但當超車段長度設置為0.6km時，平均延誤顯著增加，尤其是當大型車輛比例較大時。在兩種不同車型組成下，1.2km長的超車段設置方案平均延誤最小。

從圖4和圖5可以看出，在不同輸入流量下，4種不同超車段長度的“2+1”車道設計方案其平均速度均高于兩車道方案。當超車段長度設置為0.8km、1.2km和1.6km時，不同交通量下的平均速度沒有顯著變化，但當超車段長度為0.6km時，隨著輸入流量的增加，平均速度有較明顯的下降。在兩種不同車型組成下，超車段長度為1.2km時的平均車速最高。

3結論

本文針對我國現狀二級公路超車效率低、超車安全保障不足等困局，提出了“2+1”車道布局模式，與雙車道二級公路相比較，“2+1”車道布局模式減少了平均延誤，提高了車輛運行的平均速度。根據國外工程實踐及仿真分析，“2+1”車道超車段長度的推薦值為1.2～1.6km，最小為0.8km。當超車段長度為1.2km時，平均延誤最小，平均速度最大，因此1.2km是超車段長度的最優值。本文研究成果表明，針對二級公路實施“2+1”車道布局并通過設置適宜的超車段長度，在保障交通安全的同時有助于提升交通運行效率，建議我國在有實施條件的二級公路上可逐步開展“2+1”車道布局模式的應用示范。

參考文獻

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