超高速公路及其通行能力研究

何永明,斐玉龙

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

超高速公路及其通行能力研究

何永明,斐玉龙

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为了适应未来设计车速高于120 km/h的高速公路发展需求，首先提出超高速公路的概念，并对超高速公路技术等级进行划分，然后分析超高速公路的驾驶特性，最后对超高速公路通行能力进行深入研究。研究表明：通过提高超高速公路设计车速并不能提高超高速公路的通行能力，而建设基于自动驾驶技术的汽车列车专用高速公路，既可以提高超高速公路的设计车速，又能够提高超高速公路的通行能力。

超高速公路；设计车速；通行能力；专用公路；汽车列车

我国公路最高设计车速120 km/h，最早出现在1956年版《公路工程设计准则(修订草案)》中，60多年来车辆性能和道路设计施工技术都得到了极大地提高。随着汽车新技术和智能交通技术的发展，设计车速超过120 km/h的高速公路将成为可能。

目前，我国高速公路最高设计车速一般选用120 km/h[1]。但是，市场销售的普通汽车设计车速大多在180 km/h以上，甚至部分赛车设计车速达到400 km/h(见表1)，现行高速公路限速已经影响汽车性能的发挥，因此，提出了超高速公路的概念。

1 超高速公路

1.1 超高速公路定义

目前，国内已有“超高速公路”的表述，但是均指“信息”超高速公路，与交通无关。国外仅有与“超高速公路”看似相近，实则相去甚远的美国得克萨斯州“超级大马路”， 该“超级大马路”总里程达6 400 km，路宽400 m，建成后可通汽车、卡车、火车。水、油、天然气、电的供应管道以及光缆等通讯管道都可沿路布置，并未涉及“车速”这一关键指标。世界各国高速公路最高限速一般依照高速公路的设计车速，大多在130 km/h以下。各国高速公路限速值见表2[2]。

表1 部分汽车最高设计车速

表2 各国高速公路限速

注：德国部分地区不限速。

我国普通高速公路设计车速为120 km/h，因此，本文作者在《超高速公路发展可行性论证与必要性研究》中将超高速公路定义为：设计车速超过120 km/h的高速公路，超高速公路也属于高速公路，且采用比《公路工程技术标准(JTG B01-2014)》更高的技术指标[2]。

超高速公路符合高速公路的4个条件：

1)只供汽车高速行驶；

2)设有多车道、中央分隔带，将往返交通完全隔开；

3)设有立体交叉口；

4)全线封闭，出入口控制，只准汽车在规定的一些立体交叉口进出公路。

1.2 超高速公路等级划分

根据公路的使用功能、设计车速以及超高速公路定义，将公路分为高速公路和普通公路，高速公路又分为超高速公路和普通高速公路。其中，普通高速公路和普通公路分别对应《公路工程技术标准(JTG B01-2014)》的高速公路和一、二、三、四级公路，设计车速不变，超高速公路根据设计车速分为超一级、超二级和超三级高速公路。

因此，新公路等级划分标准如表3、表4所示。

表3 新公路等级划分

表4 高速公路等级划分

1.3 各级超高速公路比较

通过以上分类，各级超高速公路服务对象、建设方式和预计实施年限见表5。

表5 各级超高速公路比较

2 超高速公路驾驶特性分析

2.1 超一级高速公路

1)驾驶员。超一级高速公路由驾驶员控制车辆，驾驶员视野、注意力更加集中，反应时间约为1.5 s。其他驾驶特性与普通高速公路基本相同。

2)车辆。超一级高速公路服务车辆主要是乘用车，允许混入少量设计车速超过130 km/h的货车。车辆普遍具有制动防抱死系统(ABS)、动态稳定控制系统(ESP/DSC/VSC/ESC等)、紧急制动辅助系统(EBA/BAS/BA/EVA等)、电子制动力分配系统(EBD/CBC/EBV等)、牵引力控制系统(ASR/TCS/TRC/ATC等)、定速巡航等功能。

3)道路。超一级高速公路设计车速为160 km/h，我国平原地区既有高速公路大部分平曲线半径能够满足160 km/h设计车速要求，只需进行少量平纵曲线改造，增加车速指导系统等电子设施即可。

2.2 超二级高速公路

1)驾驶员。超二级高速公路采用辅助驾驶或自动驾驶技术，驾驶员能够随意切换自动驾驶模式和人工驾驶模式，以避免驾驶疲劳，提高驾驶乐趣。紧急情况下，车载电脑可以干预人工驾驶，控制车辆，避免操作失误，提高安全性能。由于采取辅助驾驶和自动驾驶技术，驾驶员反应时间可取1.0 s。

2)车辆。超二级高速公路服务车辆是具有辅助驾驶或自动驾驶功能的小汽车，这些车辆广泛使用车间通讯技术、自动驾驶技术。车间通讯技术基于GPS全球定位系统和无线网络技术，在无线网络中，两辆车以特定的频率进行通讯。当两车建立连接后，两车间可以共享相互的参数信息，如两车的相对位置、各自的速度、巡航轨迹等。自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。

3)道路。超二级高速公路设计车速为200 km/h，是乘用小汽车专用高速公路，将禁止货车和大客车通行。超二级高速公路将广泛使用人车路协同技术[4]，人车路协同技术通过出行者、智能车载单元和智能路侧单元之间实时、高效和双向的信息交互，有效地提升道路交通系统的安全性和通行效率。

2.3 超三级高速公路

1)驾驶员。超三级高速公路没有真正意义的驾驶员，出行者只需通过触屏输入出发地和目的地等参数，即可安全到达。因此，计算超三级高速公路通行能力时，驾驶员反应时间为0 s。

2)车辆。超三级高速公路服务车辆是高度智能化的自动驾驶小汽车，无需安装方向盘，通过触屏和按键操作，也可通过手机触屏或语音操作。高度智能化的自动驾驶小汽车不但使用车间通讯技术、自动驾驶技术，还将运用车路协同技术和虚拟导轨技术。

车队一体无人驾驶行车系统(汽车列车系统)的开发，将使超三级高速公路通行能力得到爆炸式提升，可提高到原来的20倍。车队一体无人驾驶行车系统将高度智能化的汽车排成一排，以固定间距、同样车速行使在路上。每辆智能汽车之间利用无线通信以及红外线连接，所有智能车辆能够保持一定车距、按照一定的速度稳定行驶，形成虚拟列车。

3 通行能力分析

3.1 计算方法

超高速公路一条车道的通行能力可根据式(1)，利用设计车速V和最小车头间距hs计算得到。

C=1 000V/hs.

(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。

3.2 参数确定

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)，及安全距离S0(5～10 m)，即式(2)。

Smin=St+L=S1+S2+S0+L=

vt+v2/254(u±i)+S0+L.

(2)

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，s；u为路面与轮胎之间的纵向摩阻系数；i为道路纵坡，%。

1)反应时间行驶距离。超高速公路设计车速较高，驾驶员注意力随设计车速的提高而更加集中，反应更为迅速，结合以上超高速公路驾驶特性的分析，超高速公路驾驶员反应时间见表6。

表6 反应时间行驶距离

2)路面制动距离。制动距离的长短与行驶的速度、制动力、附着系数有关，而附着系数因轮胎、路面、制动等条件不同而异。根据《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(见表7)，假设新铺装的沥青路面上，超高速公路上车辆行驶车速均大于48 km/h时，附着系数取0.65[5]。在水平路段上i=0。由S2=v2/254(u±i)计算制动距离得表8。

3)最小车头间距。最小安全距离S0一般取5～10 m[6]，超高速公路设计车速较高，取最高限10 m，车辆长度L按标准小汽车计算，取5 m，则根据式(2)计算冰雪路面最小车头间距见表9。

表7 附着系数取值

表8 不同计算车速制动距离

表9 最小车头间距 m

超三级高速公路采用高度智能化的自动驾驶小汽车，没有真正意义的驾驶员，汽车由电脑操控，反应时间为0 s。若采用车队一体无人驾驶行车系统(汽车列车系统)，则组成汽车列车各车的加速、减速和停车均由头车统一控制，其制动距离由各车制动距离之差决定，取15 m。

4)通行能力计算。最小安全距离S0一般取5～10 m，超高速公路设计车速较高，S0取10 m，则通行能力计算结果见表10。

表10 超高速公路通行能力

3.3 通行能力分析

根据式(1)，公路通行能力与设计车速和车头间距有关，而根据式(2)，车头间距由设计车速、附着系数等参数决定。按照各级超高速公路通行能力计算参数取值，得到各级超高速公路通行能力曲线见图1。

图1 超高速公路通行能力曲线

从图1可以看出，按照常规方法计算超高速公路通行能力，通行能力的最大值出现在60～80 km/h，随着设计车速的提高，通行能力逐渐下降。而采用汽车列车方式计算超高速公路通行能力，则通行能力与车速成正比，在设计车速为240 km/h时，采用汽车列车的通行能力达到单车通行能力的15倍以上。

4 结 论

汽车技术的发展要求有更高等级的高速公路与之相适应，高速公路限速120 km/h的天花板终究会被突破。

随着设计车速的提高，超高速公路驾驶特性与传统高速公路差异越来越大，而为汽车列车服务的超高速公路驾驶特性更是发生颠覆性的变化。

对超高速公路通行能力的研究表明:为传统单个汽车服务的超高速公路通行能力，随着车速的增加而增加，在60～80 km/h时达到最高值，随着车速的继续提高，通行能力逐渐下降。而采用汽车列车方式计算超高速公路通行能力，则通行能力与车速成正比，在设计车速为240 km/h时，其通行能力达到传统通行能力的15倍以上。

因此，建设基于自动驾驶技术的汽车列车专用高速公路，既可以提高超高速公路的设计车速，又能够提高超高速公路的通行能力。基于自动驾驶技术的汽车列车专用高速公路将可能成为超高速公路发展的终极目标。

[1] 中华人民共和国交通部公路司，中国工程建设标准化协会公路工程委员会.公路工程技术标准：JTG B01-2014[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 程国柱.高速道路车速限制方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007:23-27.

[3] 何永明, 裴玉龙.超高速公路发展可行性论证与必要性研究[J].公路，2016(1):158-162.

[4] 何永明,裴玉龙.高速公路车速指导系统实验仿真研究[J].公路, 2014(6):179-181.

[5] 中华人民共和国交通部.典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定：GA/T643-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[6] 张家铭.车路协同仿真系统测试及其验证方法研究[D] .北京:北京交通大学，2014:3-4.

[7] 陈宽民, 严宝杰. 道路通行能力分析[M]. 北京：人民交通出版社, 2011.

[8] 刘路, 毛保华, 梁肖,等. 定点停靠公交站的路段通行能力计算方法[J]. 交通运输系统工程与信息, 2015, 15(4):123-128.

[9] 成卫, 李冰, 雷建明,等. 远引调头对下游交叉口通行能力的影响[J]. 公路交通科技, 2015, 32(11):107-112.

[10] 汪晓红, 苏清华, 武珂缦. 高速公路大中修施工区通行能力分析[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2015(9).

[11] 程锦, 张银. 基于通行数据分析的高速公路收费站通行能力评价研究[J]. 公路, 2014(8):27-31.

[责任编辑：郝丽英]

Research on super highway and its capacity

HE Yongming, PEI Yulong

(College of Traffic Engineering，Northeast Forestry University, Harbin150040, China)

In order to meet the demand of highway development design speed higher than 120km/h, this paper proposes a concept of super highway, by dividing the technical grade，then analyzing the driving characteristics of super highway, finally studying the traffic capacity of super highway. The result shows that, improving the design speed of super highway can not improve the traffic capacity, but special highway for automatic driving vehicle can improve the design speed, and improve the traffic capacity.

superhighway; design speed; traffic capacity; special highway；auto train

2017-03-23

中央高校基本科研业务基金项目(2572016CB16)；国家自然基金重点项目(51638004)

何永明 ( 1979-) ，男， 讲师,博士,研究方向：交通规划.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.003

U491.1

A

1671-4679(2017)04-0008-04