混合车流对公路速度分布的影响规律研究

张晓丽，林丽芳，孙艳杰

(中科路恒工程设计有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

二级公路的主要功能是连接具体的行政中心、交通枢纽、商业地带、住宅社区、工业矿区或旅游景点等，综合运用范围最广。截至2019年底，全省公路通车总里程达到14.4万km，其中二级及以上公路占比为16.9%。在国省道规划布局方案中，二级公路占据主体地位[1-2]。目前山西省国省道规模及通达程度仍有待提高，且现有的国省道服务品质不高，还需进一步强化，但近期公路建养资金保障不够充足，土地约束不断缩紧，由此可见，对工程可行性方面的研究，及新建、改扩建公路的合理设计尤为重要。道路的服务对象是车辆，需要根据车辆的特性进行规划设计，速度是驾驶员、交通管控人员、公路设计人员、规划人员、决策者对公路运行水平评价的基础，本文以混合车型比例为研究变量，以速度分布规律为研究目标，以对新建、改扩建公路的规划、工程可行性研究、设计产生的影响为落脚点进行研究。

2 二级公路车辆行驶速度影响因素

2.1 道路对行驶速度的影响

道路条件是行驶速度重要的影响因素之一。道路的线形、车道数、车道宽度及交通管制方式对速度都有着一定的影响。按JTG B05—2015公路项目安全性评价规范规定，公路分析单元可划分为平直路段、平曲线路段、弯坡组合路段以及纵坡路段等，本文以平直路段为研究对象[3]；若在不可超车路段，慢速车辆对其他车辆的影响是显而易见的，为了研究车速与路段长度的关系，本文以可超车路段为研究对象，如表1所示。

表1 道路条件设置

2.2 车辆对行驶速度的影响

各级公路的设计速度应根据公路的功能与技术等级，结合地形、工程经济和沿线土地利用性质综合确定，根据JTG B1—2014公路工程技术标准，二级公路的年平均日设计交通量宜为5 000辆～15 000辆小客车，换算为小时交通量208 pcu/h～625 pcu/h，设计速度80 km/h。

二级公路连接政治、经济中心或大型工矿区以及运输繁重的城郊地区，公路的运输功能对社会的发展具有重要作用，因此货车比例相对较大，货车行驶速度相对较慢，实际约为30 km/h～45 km/h，对小型客车的行驶造成影响，当前方有慢速车辆阻碍行驶时，需要超车后继续行驶。根据JTG B1—2014公路工程技术标准规定，座位不大于19座的客车和载质量不大于2 t的货车为小型车，座位大于19座的客车和载质量不大于7 t的货车为中型车[4]，为了探索车型比例对速度产生的影响，本文设置中型车占比最高为50%，具体设置如表2所示。

表2 设计小时交通量 veh/h

3 VISSIM仿真模型构建

3.1 VISSIM理论原理及模型构建流程

VISSIM利用数学模型模拟复杂的道路、车辆以及行人的状态及相互交互现象的微观仿真软件，将直观演示与动静态评估相结合，是还原现实场景、预测交通状态、选取优化方案、制定评价指标等的重要工具。VISSIM以Wiedenann建立的生理-心理跟车模型为基础，如图1所示；车道变换采用了Rule-based算法。其原理为：后车驾驶员发现与前车距离大于安全距离时以期望速度行驶，小于心理安全距离时开始减速；若存在多车道，被阻碍的车辆将判断其余车道的行车间距，进行变道超车，仿真模型构建流程如图2所示。

3.2 车辆参数设置

小型客车基本模型采用长度为4.2 m～6 m、宽度为1.8 m～2.1 m的车型，例如Audi A4，Volkswagen Golf等，如图3所示；小型货车基本模型采用长度为5 m～8 m、宽度为2 m～2.3 m的车型，例如Chevrolet Silverado，Ford F150等，如图4所示；大型客车基本模型采用长度为10 m～14 m、宽度为2.8 m～3.2 m的车型，例如EU Bendy，EU Standard等，如图5所示；中型货车基本模型采用长度为大于10 m、宽度为大于3 m的车型，例如EU 04等，如图6所示；本模型不考虑汽车列车对其他车辆造成的影响。

根据二级公路设计速度及实际速度的测量，将中型车的期望速度设置为35 km/h～45 km/h，如图7所示；小型车的期望速度设置为70 km/h～100 km/h，如图8所示。

3.3 道路参数设置

道路长度分别设置为500 m，600 m，700 m，800 m及900 m，设置为车道宽度为3.75 m的双车道道路。跟车模型采用Wiedemann74理论模型，设置最大前视距为250 m，最大后视距离为150 m，最小安全距离为2 m，跟车车辆采用平滑的靠近行为；车道变换控制采用自由的车道选择，当速度小于期望速度时，车辆可以自由超车，准备超车时以4 m/s2先减速再以3 m/s2加速进行超车。

3.4 模型验证

本文需对建立的5种长度、6组交通量以及6种车型比例，180条路段进行模型验证。采用的方法为将中型车与小型车比例为0∶1的模型作为标准模型，将行驶速度与期望速度进行对比分析，若速度达到期望速度，则模型具有有效性。以500 m，400 pcu/h条件下的运行结果为例，其仿真车辆速度与期望速度近乎相等，则其模型具有有效性，如表3所示。

表3 速度分布对比 km/h

4 仿真运行结果分析

4.1 不同长度路段受车型比例的影响分析

1)总体趋势。

通过对相同流量下，不同长度公路路段进行分析，可知中型车占比最大，小型车的行驶速度越低。如图以400 pcu/h的交通流量条件为例，在中型车与小型车比例为0.5∶0.5时，车辆行驶速度在55 km/h～82 km/h；比例为0∶1时，车辆行驶速度在75 km/h～82 km/h，速度整体呈上升趋势，如图9所示。

2)速度区间范围分析。

随着长度的增加，由车型比例变化造成的小型车行驶速度分布范围更加大。在不同长度的条件下，小型车占比达到100%，行驶速度差异性不大；但不同长度的平直公路段对中型车占比的提升敏感程度不同，长度越长的路段，车型比例变化对小型车的速度影响越大，如表4所示。

表4 不同长度路段车速受车型变化的影响 km/h

3)重点分析。

在相同流量的条件下，中型车与小型车比例达到一半时，交通运行处于不稳定状态，驾驶员对周围环境、车辆及道路条件的判断差异性明显，对道路交通的管理更加困难，需要较为完善的道路管控设施，以及时的道路监管手段对交通进行全方位的把控，如图10所示。

4)交通量分布分析。

不同平直公路段长度条件下，速度分布具有相同规律。以期望速度为中心，一定分段为半径，在第一梯度速度分布区间内，交通量占比逐渐增加，如图11所示；在第二梯度速度分布区间内，交通量占比先增加后减少，如图12所示。

4.2 不同交通量受车型比例的影响分析

1)总体分析。

通过对相同长度，不同长度公路路段进行分析，可知整体呈上升趋势，且增速由快到慢，且拐点均在中型车占比30%处(见图13)。

2)速度分布区间分布分析。

在相同路段长度条件下，当中型车比例高于30%时，速度分布区间受流量变化影响较大，路段运行稳定性较差；当中型车比例低于30%时，路段运行较为稳定，对路段流量监控的要求较低。

5 结论

本文以不同长度、不同流量作为控制条件，研究了车辆类型分布变化对运行速度产生的影响，对其变化进行规律总结与分析，得出以下结论：

1)平直路段达到一定长度以后，需要考虑不同车型的期望速度，对路段进行相应的渠化管理，相应则需增加路段设计宽度。

2)当中型车占比达到50%时，要重新考虑路线规划，或对该路段进行着重管理。

3)若路段上大部分车辆行驶速度达不到标准设计速度时，以达到第二梯度速度分布峰值为目标，是较为经济的改扩建道路的标准。

4)当中型车占比大于30%时，要考虑预测流量对设计、改扩建公路设计速度及服务水平产生的影响。