十車道高速公路相鄰互通立交最小凈距研究

摘要 現階段十車道高速公路互通立交間距缺少規范和標準，文章分別分析了出口識別標志牌距離、換道距離和安全行駛距離等方面，對立交凈距的影響，建立了十車道高速公路互通立交最小凈距的計算模型，提出了120 km/h和100 km/h設計速度下的互通立交凈距參考值，并通過VISSIM交通仿真，對凈距參考值進行驗證。研究成果可為十車道高速公路的互通立交設計提供參考。

關鍵詞 十車道高速公路；互通立交；最小凈距；交通仿真

中圖分類號 U411 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0046-05

0 引言

作為高速公路與其他道路連接的重要節點，互通立交在交通組織、通行能力和行車安全方面發揮著至關重要的作用。目前公路相關規范及標準僅對八車道以下高速公路互通立交最小凈距做了具體規定，十車道高速公路仍缺少理論依據。雖然國外的研究提出了一些互通立交間距的規定，如日本的《高速公路設計要領》[1]規定互通立交中心間距最少1 km，Ruediger Lamm等[2]提出相鄰立交之間最小間距為1.5～2.0 km，而在鄉郊地區，則為5.0～8.0 km，但這些規定缺乏對我國基本國情的適用性。

國內的學者主要通過道路交織區通行能力分析和建立交織區車輛換道數學模型推算互通立交間距。例如黃治爐等[3]結合駕駛員對道路信息的反應時間、操作時間下的行駛距離和變換車道的操作距離，建立了六車道高速公路互通立交最小凈距模型，并結合實例分析驗證；趙一飛等[4]從隧道出口駕駛人的“明適應”、駕駛人對立交出口位置的識別、完整認讀標志并操作的需要等方面，對需求距離進行了研究，提出了高速公路隧道與互通式立交出口保障安全需要的最小間距值。然而，目前的研究成果僅適用于雙向六車道高速公路，并且缺乏十車道高速公路的實際數據進行驗證。該文通過建立適用于十車道高速公路的互通立交最小凈距計算模型，填補了現有研究的空白，并通過交通仿真驗證了模型的有效性。

1 互通立交凈距的定義

相鄰互通立交最小凈距是獨立互通式立體交叉的最小控制標準，指相鄰入、出口之間主線基本路段的最小長度，如圖1所示。最小凈距根據車輛駛離主線全過程所需要的距離確定，該過程包括駕駛人認讀標志、行動決策、尋找間隙、變換車道和出口確認等，所需要的距離與運行速度和變換車道的數目等有關[5]。

圖1 相鄰互通式立體交叉的凈距示意圖

2 互通立交最小凈距的影響因素

（1）出口識別標志牌。

根據《道路交通標志和標線第2部分：道路交通標志》（GB 5768.2—2022）9.3.8條文中的規定，樞紐互通立交在距離基準點（匝道漸變段起點）前需設置3 km、2 km、1 km和500 m預告。對于一般互通設置2 km、1 km和500 m預告，若位于城區段可不設2 km出口預告標志[6]。駛離主線的車輛只有在識別并解讀了預告標志后，才啟動變道行為，因此，相鄰互通在考慮間距時應滿足設置預告標志牌的長度。

（2）車道數。

車道數的增加使得駛離高速的車輛需要橫向跨越更多的車道，駛離高速換道的次數更多，需要的時間更長，直接影響互通立交最小凈距長度。

（3）區間交通量。

立交區間交通量越大，服務水平越低，同一車道相鄰車輛間距更小，車頭時距更小，駛離主線車輛變道尋找安全間隙的時間越長，變道所需長度也越長。該文在數學模型計算和交通仿真中，單車道的設計交通量采用三級服務水平交通量。

（4）交通組織策略。

十車道高速公路因車道數多，交通量大，考慮不同車型存在速度差，通常不采用混合行駛策略，一般采用分車道分車型限速的策略，內側車道一般作為通行效率高的小型車車道，而外側車道一般降速作為行駛速度低的大型車車道。小型車在從內側車道駛離高速的過程中，需穿越速度更慢，且主要由大型車組成的“車墻”，行車速度、服務水平和車頭時距在互通立交凈距分析時，應結合交通組織策略，針對每一條車道選取計算參數和仿真參數。

3 相鄰互通立交最小凈距模型

互通立交區間內駕駛員駛離高速過程為識別互通立交出口預告標志、解讀和行動三個過程。考慮最不利情況，從車道最內側到出口前這個過程需要的距離分析如下圖所示。

因此，互通立交間最小凈距如下式：

Lj=L1+N（L2+L3）+L4 （1）

其中，Lj——互通立交間最小凈距（m）；L1——駕駛員對標志的識別和解讀距離（m）；L2——變道行動前等待插入外側車道間隙（m）；L3——橫移至外側車道的距離（m）；L4——到達出口之前的安全距離（m）；N——換道次數，最小凈距分析見圖2.

圖2 多車道高速公路相鄰互通立交最小凈距分析圖

3.1 互通立交凈距計算模型參數分析

（1）L1指駕駛員在看到標志牌后，解讀標志牌信息確認要駛出主線的決策時間下行駛的距離。該文綜合比較了長安大學趙一飛等[4]和呂曉東[7]論文中視認時間T的取值，詳見表1，計算時選擇了判別時間較長的方案二，由發現標志到判斷共需7.5 s。

（2）L2為換道準備時間Δt內行駛的距離，由等待插入間隙的平均時間為tw、tm車輛移動至與插入位置并行時間為tm、橫向移動至外側車道的時間th三部分組成。

在變道等待過程中，車輛是否有可插入機會，主要由相鄰車道的車頭時距決定。若相鄰車道的車頭間距大于可接受間隙，存在換道可能性，否則通過調整加速度，繼續尋找可插入間隙[3]，如下圖3所示。

圖3 車道變換可接受間隙

車頭時距可以用以為負指數分布函數進行計算，平均等待插入間隙時間tw計算公式如下：

（2）

其中：t1——車輛臨界間隙（s），取相對安全行車間距計算；λ——單位時間的平均到達率（輛/秒），λ=Q/3 600，Q為設計通行能力（輛/秒）；τ車頭時距的最小值，取臨界安全行車間距計算，計算結果見表2[8]。

將以上數值代入式中計算，可得雙向十車道下tw的取值，詳見表3。

駕駛員判斷可插入間隙的反應時間為從可接受插入間隙的出現，一直到車輛與可接受插入間隙并行，這個過程就是調整車位的過程，該過程所需的時間即為車位調整時間tw，其計算公式如下：

tw= l Δυ = υhtw Δυ （3）

式中：Vh——等待換車道車輛行車速度（km/h），一般約為設計速度V值的0.76倍[9]；Δυ——等待換車道車輛與主線正常行駛車輛的相對速度（km/h）。

綜上所述，L2的計算公式如下：

L2= V 3.6 ·（tw+tm）= V 3.6 ·（tw+ υh υ?υh·tw） （4）

L2=（ V 3.6 +3.167）·tw （5）

代入數值計算可得120 km/h和100 km/h設計速度下的L2取值分別為79.461 m和75.443 m。

（3）L3為橫移至外側車道的距離，指車輛由車道n移至車道n+1時行駛的水平距離，車輛橫移速度通常取1 m/s，橫移寬度為車道寬3.75 m，橫移時間參考王瑩[10]的研究成果取3.75 s。因此：

L3= υ 3.6 ·th= υ 3.6 ·3.75=1 042u （6）

（4）L4為到達出口之前的安全距離，在該范圍內車輛已在最外側穩定行駛，該距離一般可取100 m，即L4=100 m。

3.2 結果計算

綜上所述，雙向十車道高速公路相鄰互通立交最小凈距Lj的組成為：

Lj=L1+4（L2+L3）+L4 （7）

計算可得設計速度為120 km/h時，雙向十車道高速公路Lj=1 168.07 m，設計速度為100 km/h時Lj=1 026.57 m，取整后分別為1 200 m和1 100 m。

4 驗證模型及交通仿真

4.1 驗證模型

由于已建成十車道高速公路案例較少，難以通過數據調查統計分析驗證計算結果，該文通過交通仿真，并結合《公路通行能力手冊》[11]中關于C型交織區服務水平計算公式，建立互通立交間基本路段長度的驗證計算模型。互通立交間最小凈距的最不利情況為從內側第一車道連續換道至最外側的長度，此類情況與C型交織（b）類情況類似，直行車流無須進行車道變換，而駛出高速的車流需要進行兩次或兩次以上的車道變換才能完成交織運行，如圖4所示。通過設定服務水平目標，計算100 m步長增加的交織區長度對應的車流密度，當車流密度臨界三級服務水平時所對應的交織區長度，即認為是互通立交間最小凈距值，技術路線如下圖5所示。

衡量交織區服務水平及劃分服務水平等級的關鍵性參數是交織區的車流密度，其服務水平標準見下表4。

一級服務水平代表不受限制地行駛，二級服務水平代表交織過程中，分流車輛插入相鄰車道間隙，需調整車速，直行車輛不會受到很大影響，通常行駛時車流穩定順暢。三級、四級服務水平代表交織運動引起紊亂。

因此，該文選取二級服務水平作為目標服務水平，當交織段車流密度每個車道小于18 輛/公里時，認為互通立交凈距不足以滿足交織通行需求。交織區服務水平主要計算公式如下：

（1）車流密度計算公式

（8）

其中：K——交織區內所有車輛的平均車流密度（輛/公里/車道）；N——交織區內車道數；V——交織區平均速度（km/h）。

（2）交織區速度計算公式

（9）

其中：V——交織區內所有車輛的區間平均速度（km/h）；Vw——交織區內交織車輛的區間平均速度（km/h）；Vnw——交織區內非交織車輛的區間平均速度（km/h）；Q——交織區內總流率（pcu/h）； Qw——交織區內交織流率（pcu/h）；Qnw——交織區內非交織流率（pcu/h）。

4.2 交通仿真

該文建立的計算模型及概率統計，難以反映交通組織策略以及小概率事件情況下，對互通立交最小凈距的影響。交通仿真是能夠系統模擬道路綜合因素影響的道路環境，仿真得到驗證模型的關鍵參數Vw和Vnw值，通過驗證模型結果與數學計算模型結果比對驗證是十分必要的。

4.2.1 交通仿真參數

（1）主線交通量

為使仿真結果更加安全可靠，該主線交通量采用下三級服務水平的單車道最大服務交通量，仿真單向車道數為5道，交通量總計1 650×5=8 250 pcu/h（或1 600×5=8 000 pcu/h）。

（2）匝道交通量

為使仿真結果更加安全可靠，該匝道出口交通量采用60 km/h速度下單車道匝道的最大交通量1 300 pcu/h作為交織車流。

（3）車輛組成

根據VISSIM仿真環境，仿真主要車型組成為小客車、大客車和貨車。由于每條高速的車輛組成都不相同，該文采用與換道數學模型一致的車型組成進行仿真，車型比例見表5。

（4）速度分布

該次仿真以各路段設計速度為期望速度，速度分布曲線采用VISSIM自帶的相應期望速度下的速度分布。

（5）交通組織

交通仿真時外側兩車道為客貨車道，期望速度采用100 km/h（或80 km/h）。內側三車道為小車道，運行速度采用120 km/h（或100 km/h），內側1、2車道禁止大貨車駛入。

（6）行程時間采集點設置

行程時間采集點設置于測試路段起點，以及分流路口的主線和匝道小鼻端，通過行程時間和行程距離可計算交織車流和非交織車流的平均速度。

4.2.2 交通仿真結果

路段長度變化由600 m開始累計100 m步長進行仿真，仿真結果如圖6、表6～7所示。

將以上交織流和非交織流平均速度代入驗證模型計算公式，可得到車流密度如表8所示：

驗證模型計算結果見圖7，當設計速度為120 km/h時，單向5車道互通立交間距≥800 m，交織區可滿足二級服務水平。當設計速度為100 km/h時，單向5車道互通立交間距≥700 m，交織區可滿足二級服務水平。驗證模型計算結果均小于互通立交凈距計算模型的計算結果，驗證凈距計算模型的結果可信。

圖7 車流密度K值曲線圖

5 總結

（1）通過分析互通立交最小凈距影響因素，從駕駛員對出口標志的識別解讀、換道等待距離、橫移換道距離等方面，建立了雙向十車道互通立交最小凈距的計算模型。滿足三級服務水平下，設計速度為120 km/h時，互通立交最小凈距一般宜大于1 100 m。設計速度為100 km/h時，互通立交最小凈距一般宜大于1 000 m。

（2）基于目標交織區車流密度建立互通立交凈距驗證模型。利用VISSSIM交通仿真模型模擬高速公路運行狀況，獲取交織車流平均速度和非交織車流平均速度，解決了無實際案47BqblAK/W2KJvxcW7T92w==例收集觀察數據的問題。驗證模型以交織區二級服務水平為目標值，設計速度為120 km/h時，互通立交最小凈距一般宜大于800 m。設計速度為100 km/h時，互通立交最小凈距一般宜大于700 m。驗證了互通立交凈距計算模型結果基本可信。

（3）該文研究成果可為十車道高速公路的互通立交設計提供參考，互通立交凈距計算模型的理論成果還需通過真實觀測數據進一步檢驗。此外，互通立交最小凈距還受交織交通量影響，該文只選取了單車道匝道出口情況，對于雙車道匝道出口還有待進一步研究。

參考文獻

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