安 欣,孫 毅,李 濤,潘兵宏,林宣財
(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司, 陜西 西安 7100751;2.中國交通建設股份有限公司, 北京 100088;3.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)
我國高速公路的建設里程和隧道數(shù)量在國家經(jīng)濟迅猛發(fā)展的背景下持續(xù)增長,特別是隨著山區(qū)高速公路網(wǎng)的進一步完善,出現(xiàn)了一些隧道出口與相鄰主線互通式立交(以下簡稱互通)出口之凈距(以下簡稱隧道互通出口凈距)偏小的情況,影響該路段的行車安全。隧道出口與主線互通出口間路段的交通事故率遠高于主線其他路段,成為山區(qū)高速公路建設和營運管理中急需解決的問題。
我國《公路路線設計規(guī)范》[1](以下簡稱《路線規(guī)范》)規(guī)定:隧道出口與前方互通間的距離,應滿足設置出口預告標志的需要;條件受限時,隧道出口至前方互通出口起點的距離不應小于1 km,小于1 km時應在隧道入口前或隧道內(nèi)設置預告標志。《公路立體交叉設計細則》[2](以下簡稱《立交細則》)規(guī)定:隧道出口與前方主線出口之間的間距宜滿足全部指路標志的需求,當受到現(xiàn)場條件限制時間距可適當減小,但隧道出口與前方主線出口之間的凈距不宜小于規(guī)定值。《日本公路技術(shù)標準的解說與運用》[3]和《日本高速公路設計要領》[4]根據(jù)主線側(cè)出口的預告標志的設置距離的要求規(guī)定高速公路互通式立交的最小間距為3 km,并沒有規(guī)定最小凈距。德國的《聯(lián)邦德國道路設計》[5]綜合考慮駕駛?cè)诵熊囂匦?、出口預告標志設置、匝道幾何設計要素、交通量等因素,對互通式立交的最小間距做了詳細規(guī)定。美國的《公路與城市道路幾何設計》[6]對高速公路互通式立交的間距作了詳細規(guī)定。我國研究隧道互通出口凈距較少,研究者多是從建立換道模型、駕駛?cè)诵袨樘卣鞣矫嫒胧謱λ淼莱隹谂c互通式立體交叉凈距進行討論。趙一飛等[7]考慮明適應、標志認讀完整性、對出口的識別,提出高速公路隧道出口至主線側(cè)出口在2級服務水平下的最小間距大于等于600 m,一般值大于800 m。王少飛等[8]基于換道行為,結(jié)合影響間距的因素,提出3車道高速公路隧道出口與主線側(cè)出入口的最小間距計算模型,并提出建議值。廖君洪等[9]利用VISSIM仿真軟件,從通行能力、駕駛?cè)朔磻獣r間等方面分析,提出了設計速度為80 km/h時隧道出口與主線側(cè)出口、主線側(cè)入口至隧道入口最小凈距的一般值、條件受限值、特殊條件下的值。丁光明[10]通過實車試驗研究駕駛?cè)诵睦?、視覺等變化特征,發(fā)現(xiàn)在駛?cè)胨淼罆r人眼掃視幅度逐漸減小,駛出隧道時瞳孔面積呈指數(shù)增長。Nishiwaki 等[11]根據(jù)隱馬爾科夫模型,考慮駕駛?cè)诵袨榱晳T的不確定性模擬駕駛?cè)诵袨閾Q道軌跡,結(jié)果表明該模型擬合良好。尹露[12]在分析了高速公路出入口事故原因的基礎上,對從視距保證、速度控制、路面抗滑等方面提出了安全保障措施。
綜上所述,我國隧道出口與互通出口凈距的文獻較少,研究中采用換道模型未考慮駕駛?cè)诵睦怼⒙范挝恢玫纫蛩?,適配性不強。對影響隧道互通出口凈距的關鍵參數(shù)缺乏深入研究,存在如明適應時間的選用缺乏研究依據(jù)、駕駛?cè)说却刹迦腴g隙距離計算模型不合理、車輛運行速度直接采用設計速度等問題。本研究綜合考慮車輛運行速度、互通出口形式、大小車型換道最不利情況等因素,根據(jù)實車試驗研究明適應時間,并采用雙曲正切換道模型分別建立隧道出口與互通最小凈距模型,提出凈距充裕及不足條件下的最小凈距值。
隧道出口至互通出口的凈距受到諸多因素的影響,具體分析如下:
(1)互通出口形式
互通出口形式分為不設置輔助車道(車道平衡)和設置輔助車道(車道不平衡)2種情況,不同情況車輛換道有所差異,換道距離結(jié)果不相同,隧道與互通的凈距也不一樣。
(2)主線及匝道的車道數(shù)
隨著車道數(shù)的增加,車輛運行更為自由,可選擇的目標車道也更多,對于不同的車道數(shù)而言,車輛換道的情況、換道次數(shù)也有所差異。不僅主線車道數(shù)影響換道情況及換道次數(shù),匝道為單車道或雙車道時也會影響小型車、大型車的換道次數(shù),從而計算距離不同。
(3)主線車輛的運行速度
在目前的研究中,多數(shù)采用設計速度,未考慮實際行車狀態(tài)及不同車道不同車型的影響,也未考慮車輛在不同車道上和隧道出口的運行速度。而采用運行速度計算出的凈距結(jié)果也更符合實際要求。
(4)主線的行駛車輛
不同車型其動力性能和本身的輪廓尺寸均不相同,運行速度相差較大,而且不同車道的運行管理方式也有所差異,此外不同車型在考慮換道時駕駛?cè)说男睦锞o張程度也不相同,因此也應考慮換道時不同車型駕駛?cè)说男睦恚C合以上因素計算出的針對不同車型的凈距有所差異。
(5)明適應
明適應距離屬于凈距的一部分。明適應時間是指照明開始或由暗處轉(zhuǎn)入亮處時人眼感受性下降的時間過程,它與隧道洞內(nèi)外照度差、車輛運行速度均有關。根據(jù)實車試驗得出不同車輛行駛速度、不同照度差范圍下的明適應時間,從而確定明適應距離。
(6)交通標志的布設
駕駛?cè)嗽诓煌慕煌ㄔO施之間行駛時,需要布設交通預告標志等設施以提醒駕駛?cè)?,讓駕駛?cè)擞凶銐虻臅r間進行反應,以免錯過前方出口。凈距的大小影響著交通標志的布設,而駕駛?cè)苏J讀交通標志需要時間對凈距也有影響。
本研究所選高速公路為單向雙車道、單向3車道、單向4車道公路,選取的路段為直線或大半徑的圓曲線路段,避免半徑等因素造成的附加影響。路段的選取原則均可認為駕駛?cè)俗杂尚旭?,以便更加準確地測量運行速度的大小。試驗人員的位置應盡量隱蔽,避免路段上的駕駛?cè)丝吹皆囼炄藛T而產(chǎn)生緊張心理,以致調(diào)查結(jié)果不準確。調(diào)查路段交通量不應過于擁擠。
考慮車輛在不同車道上的運行速度確定凈距更符合實際要求。第1處選取福銀高速的正常路段,為雙向4車道,設計速度100 km/h;第2處選取西安繞城高速的正常路段,為雙向6車道,設計速度120 km/h;第3處選取連霍高速的正常路段,為雙向8車道,設計速度120 km/h。選取的路段均為直線或大半徑的圓曲線路段。
單向4車道高速公路第1、第2車道為小客車專用車道,第3車道為客貨混行車道,第4車道為大貨車專用車道。單向3車道高速公路第1車道為小客車專用車道,第2車道為客貨混行車道,第3車道為大貨車專用車道;單向雙車道高速公路內(nèi)側(cè)為小客車專用車道,外側(cè)為大客車及貨車專用車道。因篇幅有限,本研究以單向3車道為例說明運行速度的處理過程及結(jié)果,單向雙車道及單向4車道運行速度的處理與單向3車道類似。
由處理結(jié)果得出以下結(jié)論:(1)由于不同測點的車流量不同,第1車道上的實際運行速度略有差異。(2)單向雙車道內(nèi)側(cè)車道的小型車運行速度與外側(cè)車道的大型車運行速度相差約15 km/h。(3)單向3車道小型車相鄰車道的運行速度大約差10 km/h左右;大型車在同一車道上與小型車的運行速度大約差15 km/h左右,與相鄰車道的大型車運行速度也大約差15 km/h 左右。(4)單向4車道相鄰車道的小型車運行速度大約差5 km/h左右;大型車在同一車道上與小型車的運行速度大約差15 km/h左右,與相鄰車道的大型車運行速度大約差10 km/h左右?;谝陨弦?guī)律,考慮車道數(shù)、不同的限速管理,提出基本路段車輛的運行速度推薦值(表1)。
表1 隧道附近基本路段運行速度推薦值(單位:km/h)
以隧道出口運行速度計算凈距更符合實際要求,選取G65包茂高速西安至柞水路段、G5京昆高速西安至漢中路段和G40滬陜高速西安至商洛路段作為調(diào)查路段。因篇幅有限,以隧道限制速度為80 km/h的情況為例說明運行速度的處理過程及結(jié)果,其余在不同限速情況下的處理與之相同。處理數(shù)據(jù)時分別取每個斷面上的V85作為該斷面上的運行速度值。
由處理結(jié)果得出以下結(jié)論:(1)在隧道出口路段,距離隧道出口一定范圍之內(nèi),車輛的速度基本保持不變,之后車輛逐漸加速,這是駕駛?cè)藦乃淼纼?nèi)壓抑的環(huán)境急于過渡至主線開闊的環(huán)境而做出的反應。(2)小型車與大型車的行駛速度有所差異,在隧道出口,大型車比小型車均慢5 ~10 km/h,且小型車的運行速度與隧道限制速度幾乎相同??紤]駕駛最不利情況,同時結(jié)合隧道限制速度,提出隧道出口的運行速度建議值(表2)。
表2 隧道出口運行速度建議值(單位:km/h)
2.3.1 試驗方案設計
(1)試驗地點
選取陜西境內(nèi)的福銀高速作為試驗路段,共經(jīng)過200個長度不等的隧道,最長的隧道為李家河3號隧道,全長共4.3 km。
(2)試驗時間
為了排除額外的因素,本研究均選擇晴天進行試驗,日期為10月16日~10月18日的9:00—18:00。
(3)試驗設備
SMI ETGTM眼動儀、華誼照度計、寶沃甘AC9T96牌試驗用車、手機監(jiān)控設備、大容量直流電源。
(4)試驗人員
(1)被試人員駕齡在3 a以上,具有豐富的高速公路行車經(jīng)驗,駕駛操作熟練。(2)被試人員均無重大疾病、生理缺陷,并主動愿意配合相關試驗。
選取13人作為試驗人員。根據(jù)我國男女比例為7∶3的現(xiàn)狀,取男性9人,女性4人。
2.3.2 試驗數(shù)據(jù)采集
(1)照度數(shù)據(jù)采集
駕駛?cè)搜匦熊嚪较蜃杂尚旭?,照度計放在車?nèi)實時記錄照度數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)時將照度的時間與眼動儀的時間對應起來,即為某時刻的照度。
(2)駕駛?cè)送酌娣e與行車速度
駕駛?cè)说耐酌娣e由眼動儀自帶的數(shù)據(jù)軟件輸出,行車速度由手機監(jiān)測駕駛?cè)说男熊噧x表盤記錄,處理數(shù)據(jù)時將記錄速度的時間與眼動儀錄屏的時間對應起來,即可得到某一時刻的速度值。
首先用眼動儀自帶的分析軟件將數(shù)據(jù)導出,以avi視頻、wav音頻、txt文本研究件保存在筆記本電腦中,其次用Adobe Premiere Pro CC 2018將照度視頻、速度視頻、眼動視頻、音頻對應時間的一致性。由于數(shù)據(jù)量大,在Excel中將數(shù)據(jù)進行初步整理,用KM player將照度、速度、瞳孔面積的對應數(shù)值記錄到相應的表格。
2.3.4 明適應時間變化規(guī)律研究
根據(jù)以上不同行駛速度時明適應時間變化規(guī)律(圖1~圖2),得出以下結(jié)論:(1)明適應時間總體為0.2~1.83 s,由于取值為平均值,也會在該范圍內(nèi)小幅波動。(2)隨著洞內(nèi)外照度差值的增大,明適應時間整體呈上升趨勢。(3)大部分趨勢下為速度越高,明適應時間越小。(4)當洞內(nèi)外的照度差為12 000 lx左右時,較多速度的明適應時間達到最大值,駕駛?cè)藢η胺侥繕宋锏囊曊J不敏感;當洞內(nèi)外的照度差為22 000 lx左右時,較多速度的明適應時間達到最小值,駕駛?cè)藢η胺侥繕宋锏囊曊J最敏感。(5)當行駛速度為50~65 km/h時,波峰最大,與其他速度范圍相比規(guī)律較為明顯,所以50~65 km/h 也是明適應時間的變化閾值。(6)如果明適應的視認距離相差不大,速度越高,所需的明適應時間理應越短,然而發(fā)現(xiàn)行車速度在70 km/h以上時,在照度差為25 000~38 000 lx 范圍內(nèi),明適應時間較66~70 km/h的時間長,則說明在車速為70 km/h以上時,照度差在25 000~38 000 lx范圍時也是該速度范圍駕駛?cè)艘曊J能力下降最快的時段。
圖1 V=50~65 km/h時明適應時間變化規(guī)律及擬合模型
圖2 V=66~70 km/h時明適應時間變化規(guī)律及擬合模型
根據(jù)2.2節(jié)得到的隧道限速建議值,依據(jù)相應速度范圍的明適應時間擬合模型,考慮最不利情況,取在相應速度范圍內(nèi)明適應時間的最大值(表3)。
表3 明適應時間取值
隧道出口至互通出口的凈距為隧道洞口至漸變段起點之間的距離。在凈距充裕條件下的隧道出口至互通出口凈距模型包括明適應距離、車輛加速距離、標志判讀距離、車輛換道總距離,同時考慮輔助車道的影響。L1為明適應距離;L2為車輛加速距離;L3為標志判讀距離;L4為車輛換道距離;L為隧道出口至互通出口凈距。
與互通出口的凈距往往難以滿足要求。將凈距不足的情況分為3種:(1)將洞內(nèi)外的照度差控制在一定范圍時,駕駛?cè)四軌蛑苯涌辞迩胺铰窙r,可不考慮明適應距離;(2)凈距不足條件下,由于駕駛?cè)嗽谶M隧道之前或在隧道內(nèi)已知出隧道后的道路信息,無需加速行駛。(3)凈距不足條件下,可提前于出隧道之前設置和完善分流預告標志,可不考慮標志判讀距離。因此,在凈距不足條件下,隧道出口與互通出口的凈距只需考慮車輛換道總距離。
明暗適應的距離應滿足人眼在一定時間經(jīng)過一定距離能夠恢復到正常狀態(tài),從而做出車輛加速、認讀標志等后續(xù)一系列操作。車輛處于此階段時為勻速行駛。隧道出口處駕駛?cè)说拿鬟m應距離計算式為:
護理前,兩組甲狀腺功能差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05);護理后,B組甲狀腺功能均低于A組,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05),見表 1。
(1)
式中,L1為明適應距離;Vx為隧道出口路段的運行速度,按表2取值;t1為明適應時間,按表3取值。
由于隧道內(nèi)的行駛速度較低,當車輛經(jīng)過明適應之后,當前方出口距離較遠時,駕駛?cè)藢τ趶乃淼纼?nèi)壓抑的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐曇伴_闊環(huán)境的適應性逐漸提高,此時駕駛?cè)艘布庇诟斓剡m應正常路段的行駛環(huán)境,因此會進行加速,2.2節(jié)對于隧道出、入口運行速度的分析也證明了這點。根據(jù)姚晶[13]的研究,車輛經(jīng)過明適應之后小型車的加速度取值為1 m/s2,大型車的加速度取值為0.44 m/s2。車輛的加速距離計算式為:
(2)
式中,L2為車輛加速距離;Vx為車輛運行速度,按表1取值;a為車輛加速度。
標志判讀距離包括駕駛?cè)艘曊J距離和駕駛?cè)伺袛嗑嚯x。駕駛?cè)艘曊J距離指駕駛?cè)送ㄟ^隧道出口后,發(fā)現(xiàn)前方分流預告的標志并進行讀取的距離。計算公式為:
(3)
式中,L3a為駕駛?cè)艘曊J距離;V85為第85百分位的行駛速度;H為為標志牌與車輛的視線高差,小客車視線高取1.2 m,大貨車視線高取2 m,標志牌高度取7.5 m;θ為駕駛?cè)艘曇敖缦?,根?jù)潘兵宏的研究[14],駕駛?cè)嗽谡J讀標志時人眼視線移動的理想角度為5°,因此本研究取5°;B為駕駛?cè)艘朁c至單臂指路標志中間的距離,取10.5 m;t3a為駕駛?cè)艘曊J反應時間,即為駕駛?cè)碎喿x完標志內(nèi)容所需時間,該時間取決于標志牌上的語言種類和字數(shù),計算式為:
t3a=t′3aω1ω2,
(4)
式中,t′3a為駕駛?cè)碎喿x完一定的拉丁文所需時間,取1.5 s;ω1為語言種類修正系數(shù),取2;ω2為漢字復雜性修正系數(shù),取1.1。
駕駛?cè)嗽陂喿x完標志牌的信息后,需對前方是否進行換道進行決策。根據(jù)國外研究結(jié)果[15],得出駕駛?cè)嗽趯η胺降缆酚蓄A期時的判斷決策時間為:
t3b=1.237 554e0.258 913x,
(5)
式中,t3b為對前方道路有預期時駕駛?cè)伺袛鄾Q策時間;x為信息容量。
駕駛?cè)伺袛鄾Q策距離計算式為:
(6)
式中L3b駕駛?cè)伺袛鄾Q策距離。
車輛換道的距離分為等待可插入間隙的距離L4a、實施車輛換道的距離L4b。為了分析方便,認為雙車道匝道上小型車在2個車道均有分布,大型車行駛在外側(cè)車道上。(1)主線為單向雙車道時,若出口不設置輔助車道(車道平衡時),車輛換道的最不利行為是主線內(nèi)側(cè)的小型車換道1次至最外側(cè)車道;若出口處設置輔助車道(車道不平衡時),車輛換道的最不利情況為主線內(nèi)側(cè)的小型車換道1次至最外側(cè)車道或外側(cè)大型車換道1次至輔助車道。(2)主線為單向3車道時,車道平衡時車輛換道的最不利行為是最內(nèi)側(cè)車道的小車換道2次至最外側(cè)車道或中間車道的大車換道1次至最外側(cè)車道;車道不平衡時車輛換道的最不利行為是最內(nèi)側(cè)的小車換道2次至最外側(cè)車道或中間車道的大車換道2次至輔助車道。(3)主線為單向4車道時,若出口處車道平衡,車輛換道的最不利行為是最內(nèi)側(cè)的小車換道3次至最外側(cè)車道或次外側(cè)車道的大車換道1次至最外側(cè)車道;車道不平衡時,車輛換道的最不利行為是最內(nèi)側(cè)的小車換道3次至最外側(cè)車道或次外側(cè)車道的大車換道2次至輔助車道。
3.5.1 等待可插入間隙的距離
當車輛準備進行換道時,一般情況下會在原車道上維持原車道的速度,并等待目標車道上的可插入間隙。目前國內(nèi)外學者一般采用愛爾朗分布模型來描述不同情況下的車頭時距分布情況。根據(jù)周錫湞的研究結(jié)果[16]得出等待可插入間隙時間為:
(7)
式中,tw為等待可插入間隙時間;tc為車輛可插入的臨界最小時距,按照車輛的橫移率為1 m/s取值;H為車頭時距;P(H>tc)為車頭時距大于臨界最小視距的概率;τ為目標車道上車頭時距的最小值;λ為臨近車道單位時間車輛平均達到率,λ=Q/3 600;Q為單車道最大服務交通量;V為車輛在不同車道的運行速度,按表1取值。
等待可插入間隙時間計算結(jié)果見表4。
表4 模型參數(shù)值及等待可插入間隙時間
在等待1個可插入間隙時車輛的前進距離為:
(8)
式中,V0為等待可插入間隙時運行速度,按表1取值;L4a為等待可插入間隙時的前進距離。
3.5.2 車輛換道距離
目前國內(nèi)外采用的換道模型包括直線型、圓弧型、緩和曲線型換道軌跡模型等。這些模型均存在曲率不連續(xù)或發(fā)生突變、行駛軌跡起終點曲率不為0的情況,根據(jù)王燁的研究[17],采用雙曲正切函數(shù)來描述車輛的實際行駛軌跡。模型中的τ用來表征駕駛?cè)藫Q道時的緊急程度,能夠更好地匹配不同換道情境下的車輛行駛軌跡。其表達式為:
(9)
式中,y(t)為換道段車輛任意時刻t橫向行駛的寬度,即目標車道距離原車道的相對橫向距離;γ為換道寬度,根據(jù)《路線規(guī)范》,取3.75 m;τ為緊急系數(shù),是用來表征換道緊急情況的參數(shù),值越大代表車輛換道過程越緊急;L4b為車輛完成換道所需距離;Vd為換道過程中車輛在原車道上的運行速度,按表1取值;δ為表示換道軌跡中心位置相對于車道線位置的實際橫向偏差。
對式(9)進行二階求導,得到橫向加速度:
(10)
同時,車輛在換道時的加速度還應該滿足:
(11)
從而可以計算出車輛換道所需的最小長度:
(12)
式中,τmin為緊急系數(shù)的最小值,不同車型在不同路段位置、不同換道方向時取值均不同(表5);amax為車輛在運行中的最大橫向加速度。根據(jù)劉斌[18]的研究,按表6取值。
表5 不同位置處不同車型的τmin取值
表6 車輛最大橫向加速度取值(單位:m/s2)
3.5.3 車輛換道總距離
根據(jù)以上論述,車輛換道總距離由等待可插入間隙的距離、車輛換道距離組成,計算結(jié)果見表7、表8。
表7 車道平衡時的車輛換道總距離 (單位: m)
表8 車道不平衡時的車輛換道總距離(單位: m)
當匝道為雙車道時需設置輔助車道,由于車輛換道可在輔助車道上進行,因此應取換道距離、輔助車道長度、漸變段長度之和的較大值。主線出口設置輔助車道的長度及漸變段長度可按照《立交細則》中的規(guī)定進行取值(表9)。
表9 主線出口輔助車道長度及漸變段長度(單位: m)
根據(jù)3.1節(jié)討論的凈距充裕條件下的凈距計算模型,及3.5.1節(jié)討論的車輛換道的最不利情況,在計算不同車道的需求凈距時,只需比較進行最不利換道所需凈距即可,在同一設計速度下取最大值作為不同主線類型的凈距建議值,且最終結(jié)果取整為10 m(表10、表11)。
表10 凈距充裕條件下車道平衡時隧道出口至互通出口凈距值(單位: m)
表11 凈距充裕條件下車道不平衡時隧道出口至互通出口凈距值(單位: m)
根據(jù)3.1節(jié)討論的凈距不足條件下的凈距計算模型和表6、表7,在同一設計速度下,將不同主線類型下針對不同車型的計算凈距值做對比,取最大值作為不同主線類型的凈距建議值,同時考慮輔助車道的影響,且最終結(jié)果取整為10 m(表12)。
表12 凈距不足條件下隧道出口至互通出口凈距建議值(單位: m)
(1)根據(jù)實測數(shù)據(jù),得到了基本路段不同車道車輛運行速度分布、隧道出口附近不同車型的運行速度規(guī)律,并提出了運行速度建議值。
(2)在分析凈距影響因素的基礎上,根據(jù)互通出口不同車型換道的最不利情況、不同車道的運行速度、隧道出口運行速度、駕駛?cè)说男袨樘卣鞯纫蛩兀捎秒p曲正切換道模型建立了隧道互通出口最小凈距計算模型,并采用實車調(diào)查和試驗的方法深入分析并標定了模型中的關鍵參數(shù),提出了凈距充裕和不足2種情況下的凈距建議值。