冰雪条件下高速公路通行能力衰减仿真研究

何永明，丁柏群

(东北林业大学交通学院，哈尔滨150040)

在我国北方地区，低气温、多雪天气，造成大多数路面冬季经常处于积雪或结冰状态，因此高速公路通行能力大大降低。而我国现行道路工程设计标准中，各等级道路设计通行能力指标，并未考虑寒冷地区这一特殊条件。致使道路未达到设计年限便无法满足冬季交通需求，造成交通拥堵和交通事故频发。解决上述问题，必须首先正确确定冰雪道路的实际通行能力。

1 通行能力理论计算

高速公路基本路段单车道的的通行能力可用最小车头间距或最小车头时距计算，见公式 (1)［1］。

式中:C为通行能力，pcu/h;V为车速，km/h;hs为最小车头间距，m;ht为最小车头时距，s。

最小车头间距计算较为方便，因此这里用最小车头间距进行计算。

1.1 最小车头间距

最小车头间距一般要求必须满足大于紧急情况下的停车视距和车辆长度之和。停车视距由三部分组成:驾驶员反应时间内行驶的距离S1，开始制动汽车到汽车完全停止所行驶距离S2(制动距离)，再加上安全距离S0(一般取5～10m)［2］，按公式 (2)计算。

式中:Smin为最小车头间距，m;St为停车视距，m;L为车辆长度，m;v为行驶速度，km/h;t为驾驶员知觉反应时间，取2.5s;u为路面与轮胎之间的纵向摩阻系数;i为道路纵坡，%。

1.2 反应时间行驶距离

驾驶员发现情况并紧急制动反应可分为以下几个阶段［3］:

(1)从发现情况到大脑进行判断再支配手脚进行操作，这段时间称为反射时间，约需0.38 s。

(2)脚离开加速踏板转移到制动踏板上的时间约为0.23 s。

(3)脚踩下制动踏板到制动器起作用达到制动效果，即制动传递延迟时间，又称制动系统反应时间，约需0.8 s。

考虑到客观环境和驾驶员自身情况，适当留有余地，一般取1.0 s。因此，紧急制动的总反应时间一般取2.5 s。

美国各州公路工作者协会也规定，判断时间为1.5 s，作用时间为1 s，故从感知、判断、开始制动到制动生效全部时间为2.5 s。反应时间取t=2.5 s，由S1=vt，则可计算反应时间行驶距离。见表1。

表1 反应时间行驶距离Tab.1 Travel distance in reaction time

1.3 路面制动距离

根据中华人民共和国公共安全行业标准《典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定》 (GA/T643－2006)提供的参考值［4］，被冰覆盖路面 u值取0.1，被雪覆盖路面u值取0.30，正常路面取u值取0.75。选取水平路段进行研究，i值取0。由S2=v2/(254(u±i))计算制动距离见表2。

表2 不同条件下汽车制动距离 单位:mTab.2 Braking distance in different conditions unit:m

1.4 最小车头间距

最小安全距离S0一般取5～10 m，冰雪路面计算行车速度较低，取最低限5 m，车辆长度L按标准小汽车计算，取5 m，则根据公式 (2)计算冰雪路面最小车头间距见表3表。

表3 不同条件下最小车头间距 单位:mTab.3 Minimum headway in different conditions unit:m

1.5 通行能力计算

根据公式 (1)计算冰雪条件下基本路段一条车道通行能力见表4。

表4 不同条件下通行能力计算值 单位:pcu·h－1Tab.4 Calculated capacity value in different conditions unit:pcu·h－1

根据表4绘制折线图。如图1所示。

图1 不同条件下计算通行能力Fig.1 Calculated capacity in different conditions

通过表4和图1可知，相同速度下通行能力随附着系数增大而增大;当速度较小时，不同路面通行能力差异较小，通行能力衰减幅度随速度的增加而增大;不同路面状况下最大通行能力不同，最大通行能力对应的最佳车速也不相同，路面附着系数越大，最大通行能力越大，对应最佳车速越高。

2 通行能力仿真

2.1 建模与仿真

利用交通仿真软件Vissim，建立冰雪条件下双向4车道高速公路通行能力衰减仿真模型。仿真路段对模型基础数据进行设置，不同路面状况下模型参数设置见表5。

表5 不同路面状况仿真参数设置Tab.5 Simulation parameter settings in different road conditions

2.2 仿真结果

仿真时间取3 600 s，仿真路段长度1 000 m，仿真结果整理见表6。

表6 不同条件下通行能力仿真值 单位:pcu·h－1Tab.6 Simulated capacity values in different conditions unit:pcu·h－1

比较表4、表6和图1、图2可知，相同路面状况和车速条件下，仿真结果与理论计算基本一致。

3 结论

通过理论计算和交通仿真可以得出以下结论:

(1)相同路面状况下，高速公路通行能力随车速增加而增大，达到最大通行能力后逐渐减小。

(2)不同路面状况下，高速公路最大通行能力不同，最大通行能力对应的最佳车速也不相同，路面附着系数越大，最大通行能力越大，对应最佳车速越高。

图2 不同条件下仿真通行能力Fig.2 Simulated capacity in different conditions

(3)不同路面状况下，低速时通行能力差异较小，高速时通行能力随附着系数降低衰减明显。

基于以上结论，冰雪条件下高速公路通行能力大幅降低，而《公路通行能力手册》等相应规范没有充分考虑到冰雪的路面的影响，因此，相当部分道路不能满足冰雪时期通行能力的要求，因此，建议在道路规划时应充分考虑冰雪路面对道路通行能力的影响，适当提高道路规划设计的等级。

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