作者简介:马 捷(1990—),男(汉族),江苏省无锡市人,东南大学博士研究生.E-mail:majie9001@163.com
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1)东南大学交通学院,南京 210096; 2)吉林大学交通学院,长春 130022
1)School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, P.R.China2)College of Transportation, Jilin University, Changchun 130022, P.R.China
traffic control; separating trucks from passenger vehicles; vehicle classification; evaluation methods; traffic capacity; road safety; road transportation
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2015.05524
提出一种适用于客货分离道路系统的客货车辆分类法,仿真验证表明,其与传统车辆分类法相比,在客货分离道路上采用该分类法具有优势,为实施高速公路客货分离改造提供了有依据的车辆分类标准.通过比较平均车速、延误、车速离散系数和换道次数等指标,评价高速公路客货分离改造效果的方法,为客货分离道路系统的评价研究提供了思路.
A vehicle classification for separating trucks from passenger vehicles is presented. The advantages of the method are verified by simulation experiments in comparison with the traditional classification of freeways, and a scientific basis for vehicle classification criteria is provided. A method for evaluating the system of separating trucks and passenger vehicles by comparing the indicators of average speed, delay, speed dispersion coefficient and lane changing time is proposed. The method might provide an idea for evaluation of the system of separating trucks and passenger vehicles.
客货分离道路系统是指在道路运输中实施客车和货车分道行驶的道路系统,即根据车辆类型和行车速度建设相对独立的交通设施,改变客、货车混行的模式,实现道路上客货车分道行驶的一种道路系统.在客货分离相关领域的研究中,中国国内研究虽起步较晚,但公路交通的快速发展近年也取得了一些研究成果,某些省份高速公路的部分路段也陆续出现了客货分离的应用实例.
目前国内尚无适用于客货分离的高速公路车辆分类统一标准.传统的客货车分类标准基于客货车的使用功能,即所有载客的车辆属于客车范畴,所有载货的车辆属于货车范畴.这种分类方式没有考虑车辆的外观尺寸、性能特性以及心理安全压力等直接因素,不适用于客货分离道路系统.
早期的客货分离研究曾出现过车辆分类标准的争论.在美国的研究项目0- 4364中,德克萨斯州交通研究所将货车定义为所有3级标准以上的车辆[1],但在研究项目0- 4663中,该项目的研究重点最终将货车的定义修改为5级标准以上的车辆[2],即拥有3轴以上的所有车辆.
明确适用于客货分离道路系统的车辆分类标准是我国客货分离研究的基础,同时也直接影响工程应用中客货分离改造的实际效果.为此,提出适用于客货分离道路系统的车辆分类标准可以为客货分离道路系统的研究提供依据。
由于不同类型的车辆具有不同的车型尺寸和动力性能等,导致客货车辆在高速公路上表现出不同的交通特性,体现在不同类型车辆在通行能力、安全性和道路建设等方面具有不同特点和要求.
在客货车混行的交通方式下,由于大型车和小型车速度差异较大,大型车的加速、减速和保持上坡速度的能力比小客车差,且大型车辆在操作灵活性和机动性等方面明显劣于小型车辆,客货车混行交通流中动力性能较好的小型车辆需要超越大型车辆,产生了超车需求,而超车行为需要占用更多的道路资源,因此大车和小车之间互相干扰,严重影响了公路的通行能力.
国内相关研究表明,客货车混行道路的通行能力降低主要是由于客车和货车的动力性能差异,在客货混行交通流中形成了较大的间隙,这种间隙很难被超车车辆所用,从而导致道路空间的低效利用[3].当货车后的车流量达到一定值时,造成后面车辆排队,增加队列延误,导致道路实际通行能力降低[4].
这种通行能力降低的根本原因,与车辆的使用功能没有必然联系,是大车和小车动力性能和车型尺寸等差异造成的,因此有必要从动力性能和车型尺寸等方面对大车和小车进行分类.
高速公路在世界范围被认为是安全程度最高的公路,然而在中国,高速公路交通事故百公里发生率却为普通公路的4倍[5],远高于发达国家同等级公路的百公里事故率.
高速公路上大车和小车之间的速度差异造成了客货混行交通的安全隐患.Garber等[6]研究表明,事故率随着高速公路上车辆速度方差增大而增大.Lassarre[7]研究发现,道路事故死亡率受车辆间速度方差的影响比受平均速度的影响要大,通过对人身伤害事故与平均速度、速度梯度之间关系的研究分析认为:平均速度和速度梯度两者对事故都有影响,当平均速度增大时,事故数也增大,但尽管平均速度增加,如果此时速度梯度减小,事故数也会降低[8].相关研究表明,大车和小车的速度差异是引起交通事故的重要原因之一[9].
基于以上研究分析认为,大车和小车之间存在的速度差异是影响高速公路安全性的重要因素之一,而这一因素显然与客货车的使用功能无关,只与大车和小车的设计动力性能有关.
在我国高速公路上,重型车辆多以运输建材、煤和钢材等重货为主[10],其超载行为频繁,这些重型车辆对路面造成的损害极为严重.
研究表明,在道路上通行的运输车辆轴载质量的增加会导致路面破坏的显著增加.如36 t的5轴重型载货卡车与0.9 t的小客车相比,两者的破坏率之比为384.422:1[11].丹麦调查资料显示,高速公路上通过次数仅占14%的5 t以上轴载的车辆造成了道路上97%的路面损坏[11].不同轴载质量的车辆对路面的破坏系数见表1和图1.
表1 汽车轴载质量对路面的破坏系数[12]1)
Table 1 Pavement damage coefficients under different vehicle axle loads[12]
由图1可见,当车辆轴载质量增加时,其对路面的破坏将显著增加.从道路运输需求的角度来说,小型车辆要求行驶速度快、交通密度大,而重型车辆要求载重大,对道路承载力的要求高.
在成熟的客货车分离道路系统中,不同车道在建设和养护方面的标准也不尽相同.将大车和小车辆按载重进行分类,可对重型车辆所在车道单独定制建造标准和养护方案,并可以降低高速公路的总体建设和养护成本.
根据高速公路上大型车辆和小型车辆对通行能力、安全性和道路建设与养护等方面的不同需求和标准,将各种类型的车辆按车型尺寸、动力性能、心理安全压力和载重等方面进行分类.
从外观尺寸方面考虑,对高速公路上车辆行驶最直观的影响因素应是车辆的宽度和长度,车辆过宽使得车辆多占用了车道空间,与相邻车道的车辆距离更近,车身过长则转向困难、超车时间长.由于高速公路上车速较快,如果车辆间“紧贴着”快速驶过,会对驾驶员造成很大的心理压力,因此,将车身宽度作为外观尺寸方面的首要影响因素,而将车身长度作为次要因素.
王维利等[13]对高速公路的超车行为进行研究后得出了高速公路超车行为的安全侧向间距与车速之间的关系为
c1=0.001(v2-v1)2-
0.002(v2-v1)+1.621(1)
其中, c1为侧向间距(单位:m); v1和v2分别为超车和被超车辆运行速度(单位:km/h).
由于高速公路超车行为中两车车速相差不大,因此,假设两车车速之差不超过15 km/h,则侧向间距不超过1.816 m,我国高速公路的车道宽度通常为3.60~3.75 m,应急车道通常为2.5 m,根据公路通行能力手册要求,左侧净空应大于0.6 m,右侧净空应大于1.8 m,由此可以计算出当车身宽度超过2.4 m时会对超车行为的安全性造成影响.
同时,小客车的车身宽度不会超过1.8 m,中小型客车(如依维柯或金杯客车等)车身宽度不超过2.2 m,重型货车、挂车、牵引车及铰接客车等车身宽度通常达到3.0~3.5 m,小型车辆和大型车辆的车身宽度在2.4 m左右存在明显界限,因此,可以规定将车身宽度超过2.4 m的车辆分类为大型车辆.
从动力性能方面考虑,中国许多高速公路的车速限制标准为:高速公路上行驶的小型载客汽车最高车速不得超过120 km/h,其他机动车不得超过100 km/h,摩托车不得超过80 km/h(中华人民共和国国务院令第405号《道路交通安全法实施条例》第七十八条).小客车的设计车速大多在150 km/h以上,中小型客车、微型货车和皮卡等车型的设计车速大多也都在120 km/h以上,两者的设计车速均在我国高速公路规定的最高限速标准之上,且这两类车辆的百公里加速时间大多集中在5~20 s,属于动力性能充足的车辆类型; 重型货车、大型客车及铰接客车等车辆的设计车速一般在90~100 km/h以下,最高很少超过110 km/h,低于我国高速公路对小客车的最高限速标准.此外在加速能力方面此类车辆也有所欠缺,属于动力性能相对不足的类型.我国高速公路常见车型的动力性能见表2.
由于重型货车、大型客车及铰接客车等车辆的设计车速低于高速公路对小客车的限速标准,因此,这些车辆在高速公路上行驶时会对高速行驶的小客车造成阻挡,当此类车辆比例过大时,小客车的超车需求也随之增大.
基于以上原因,可以将高速公路对小客车的最高限速标准作为车辆分类标准的动力性能依据,因此可以规定将最高设计车速低于110 km/h的车辆归类为大型车辆.
从对驾驶员造成的心理安全压力方面考虑,在高速公路上行驶的带有货箱(包括箱型货箱和斗型货箱等)的车辆、挂车、带铰接车厢的货车、大型客车、长途汽车和牵引车等车型的尺寸较大,所载货物和人员较多,会对周围车辆的驾驶员造成较大心理安全压力,通常驾驶员在高速公路上行驶时会有意识地避让此类车辆,尽量不与此类车辆并行或跟驰,也会尽量与这些车辆保持较长的横向和纵向车距.同时,其他车辆避让此类车辆的驾驶行为也会造成道路使用率的降低,影响运行效率.
基于这类车辆对道路上其他驾驶人员造成的心理安全压力较大,因此,可将带有货箱(包括箱型货箱和斗型货箱等)的车辆、挂车、带铰接车厢的货车、大型客车、长途汽车、牵引车、具有特殊功能设计的工程作业车辆及装载危险物品的特殊车辆等类型车辆归类为大型车辆的范畴.
从道路建设与养护的角度考虑,车辆的轴载质量从2~3 t时路面破坏系数上升最快,轴载质量在3 t以上的车辆对路面的破坏系数要远远大于2 t以下轴载质量的车辆,道路破坏系数之比达到6:1.因此,可考虑将轴载质量在3 t以上的车辆归类为大型车辆,使此类车辆在高载重设计的货车车道上行驶,禁止其进入客车车道.实施这样的措施可以有效保护客车车道,减少客车车道的养护负担,保证道路设施的使用寿命.
综合上述几方面因素,可制定出适用于客货车分离的车辆分类标准.凡符合以下1项或多项条件的车辆归类为客货车分离道路系统中的大型车辆:
1)车身宽度达到2.4 m及以上的车辆,车身总长度超过8 m的视车辆实际情况而定;
2)设计车速低于110 km/h的车辆;
3)轴载质量在3 t以上的车辆;
4)带有货箱(包括箱型货箱和斗型货箱等)的车辆、挂车、带铰接车厢的货车、大型客车、长途汽车、牵引车、具有特殊功能设计的工程作业车辆及装载危险物品的特殊车辆等.
根据国外客货车分离道路的相关应用实例,选取我国相应道路等级的高速公路路段作为仿真模型的背景路段,提出客货车分离改造效果的评价指标,在该路段上进行客货车分离改造的仿真模拟时,分别对传统的车辆分类方案和本研究提出的车辆分类方案运用该评价指标对改造效果进行评价.
模型假设:
1)由于表2中所列某些车型的动力性能、车型尺寸、载重和使用功能等因素相同或相近,为便于统计和分析,将这些相同或相近的车型归为同类车型.归类后的车型为:小型客车、大型客车、轻型货车和重型货车4类,见表3.
2)由于本研究提出的分类标准按照车辆的性能特性、车型尺寸、载重和心理安全压力进行分类,因此,根据以上标准的测算,可以将表3中的小型客车和轻型货车作为客货车分离道路系统中的客车,将大型客车和重型货车作为货车.
3)根据客货分离的改造要求,被改造的路段应是车流量较大,大型车比例较大的路段,因此假设该路段的输入流量为1 500 辆/h,小型客车比例40%,大型客车比例20%,轻型货车比例20%,重型货车比例20%.
对已有公路路段进行客货分离改造,一般每个方向上客车与货车车道应不少于2条,将其中一条车道作为超车道或紧急车道,且在客、货车使用的车道之间实行相对分离或强制隔离的规划方式[14].因此,适合实施客货车分离改造的道路应当至少是双向8车道公路.这里选取的模型背景为沪宁高速公路苏州至上海路段,该路段客货车比例适当、交通流量较大,具有一定的客货车分离需求.
沪宁高速公路是全封闭、全立交的现代化高速公路,主线高速公路路基26 m,双向8车道,车道宽3.75 m,公路中央设置3 m宽的中央分隔带,主路外部设置2.5 m宽的紧急停车道,设计车速为120 km/h,设计通行能力达到6万辆/d,其中,苏州至上海路段全长85 km.仿真时对该路段采用货车专用道(exclusive truck lanes)进行客货车分离改造,图2为沪宁高速公路苏州至上海路段的卫星摄影照片.
按照该路段设计资料中行车道宽度、纵坡设计、平曲线和限速标志等参数,建立沪宁高速公路苏州至上海路段的VISSIM仿真模型,将双向内侧的4条车道作为客车车道,外侧4条车道作为货车车道; 在仿真参数方面,根据我国交通法规(中华人民共和国国务院令第405号《道路交通安全法实施条例》第七十八条)对车距的要求以及《交通工程学》[15]对我国驾驶员反应时间的描述,将车头时距和反应时间分别设为2.7 s和-4 s,其余模型参数使用Wiedemann99模型的默认参数.
为降低仿真软件随机性对交通冲突影响,对传统分类方案和新方案各进行50次仿真(每次仿真实验使用不同的随机数).仿真过程截图如图3.
图2 沪宁高速公路苏州至上海路段卫星图
Fig.2 (Color online)Satellite images of Shanghai-Nanjing freeway(from Suzhou to Shanghai)
对现有公路进行客货分离改造不仅能够提高道路的通行能力和服务水平,其更大的优势体现在对道路安全性的极大提升.因此,本研究在选取评价指标时分别从道路的安全性、通行能力和服务水平3个方面进行选择,对采用传统车辆分类方案和本研究提出的车辆分类方案进行客货车分离改造效果的评价.
在通行能力和服务水平方面,平均车速v和延误d可以直观地反映道路的通行状况和道路提供运输服务的质量,因此常用作高速公路改造效果的评价指标,是对改造后道路通行能力和服务水平的直观体现.
在道路安全性方面,由于无法直接对改造后的公路进行事故率数据的采集,但有研究表明,车辆的车速与平均车速的差值越大,即车速分布越离散,事故率就越高.Solomon[16]研究了车速和平均车速的差值与事故率之间的关系,表明交通流中车辆的车速差值越大,则道路事故率越高,模型为
I=100.000 602Δv2-0.006 675Δv+2.23(2)
其中, I为10万车公里事故率(单位:次×10-5/(车·km)); Δv为车速与平均车速之差(单位:km/h).
蒙纳什大学事故研究中心[17]对车速和平均车速的差值与事故率的研究表明,车速与平均车速的差值越大,事故率越高.模型为
I=500+0.8(Δv)2+0.014(Δv)3(3)
Liu等[18]对平均车速以及85%位车速和15%位车速之差与伤亡率之间的研究表明,道路上平均车速每降低1 km/h,则伤亡率将降低7%,其数学模型为
CR=190.7(-overv)-17 126.1(4)
CR=-0.002 98(-overv)+0.040 5diff-3.366(5)
其中,CR为百万车公里伤亡率(单位:次×10-6/(车·km));(-overv)为平均车速(单位:km/h); diff为85%位车速与15%位车速之差(单位:km/h).
英国交通研究实验室的Buruga[19]提出的EURO模型表明,事故率和平均车速与超过平均速度行驶者的比例有很大关系,平均车速和车速差异都会对事故率产生影响,当平均车速为60 km/h时,车速差异每降低1 km/h,事故率将降低2.56%.其数学模型为
ΔlnN=(1.536)/((-overv))Δv(6)
其中, N为年平均事故次数(单位:次/年).
以上研究表明,车速离散程度与事故率之间存在强的相关关系.
此外,客货分离道路系统可以有效减少道路上“移动瓶颈”的产生,从而极大降低超车需求和由此产生的换道行为.由于车道变换是诱发交通事故的一个重要原因[20],车道变换事故占所有类型交通事故总数的30%[21],因此换道次数是反映道路安全性的一个重要指标.
综上所述,在缺乏直接的事故率数据的情况下,本研究选取换道次数c和车速离散系数CV作为客货车分离改造效果的安全性指标.其中,车速离散系数CV为
CV=(((∑ni=1(vi-(-overv))2)/n)1/2)/((-overv))(7)
其中, vi表示第i辆车的行程车速.
用VISSIM软件对两种方案的客车车道和货车车道的平均车速、延误、车速离散系数和换道次数进行检测,结果见表4和表5.
通过表4和表5可见,使用新的车辆分类标准同时降低了客车车道和货车车道上车辆的行程延误时间. 其中,客车车道延误降低54.0%,货车车道降低29.9%; 客车车道平均车速提高16.8%,货车车道平均车速降低5.0%; 客车车道的车速离散系数无明显变化,货车车道的车速离散系数降低了34.3%; 换道次数降低了27.5%.
从实验结果可见,使用新的车辆分类标准之后,客货分离的改造效果得到明显提升,尤其在降低延误、离散系数和换道次数方面效果明显.
在平均车速方面,客车车道的平均车速得到16.8%的提升,而货车车道的平均车速降低了5.0%.对比货车车道的延误降低29.9%,车速离散系数降低34.3%,因此考虑货车车道平均车速的降低可能是由于交通组成的改变而导致的.
通过仿真实验对平均延误和平均车速进一步进行分车型检测.结果见表6和表7.
表6 传统车辆分类分车型的客货分离改造效果
Table 6 Results of reconstruction with the traditional vehicle classification(by simulation experiment)
仿真实验发现,使用新的分类标准后,所有车型的延误均有所降低,其中,小型客车和轻型货车延误降低较明显,分别达到57.8%和58.1%,小型客车和轻型货车的平均车速分别增加14.9%和8.1%,其他车型的平均车速无明显变化.由此可知,使用新的分类标准后各车型的交通特性均有所改善,而货车车道的平均车速降低仅是由于车速相对较低的大型客车和重型货车集中于货车车道导致的.
本研究提出一种适用于客货车分离道路系统的客货车分类法,通过仿真实验,验证了在客货车分离道路上,该分类法相比传统车辆分类方法优势,为高速公路客货车分离改造的实施提供有科学依据的车辆分类标准.通过比较平均车速、延误、车速离散系数和换道次数等指标对高速公路客货车分离改造效果进行评价的方法,为客货车分离道路系统的评价研究提供了思路.
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