基于运行速度的高速公路限速方法研究

胡圣魁， 王武生， 陆 超

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司 长沙分公司， 湖南 长沙 410000)

0 引言

国内外大量研究数据[1-2]表明，交通事故率与速度呈现U型分布关系，过大的运行速度差是导致交通事故的主要原因之一。因此，制定合适的限速方法对提升高速公路运行效率和交通安全水平尤为重要。

1 约束指标

经对文献归纳总结[3-4]，高速公路运行速度的主要约束指标可概括为几何要素、运行环境、驾驶人技术水平、交通安全设施等，上述约束指标都会对限速方法和限速值的选择产生影响。高速公路限速方法的确定是对主要约束指标进行逐一分析、层层递进的解析过程。

本文结合我国现行交通安全评价体系，在保证交通安全、运行速度协调性的基础上，从运行速度的角度出发，提出了适合我国高速公路限速方法的主要约束指标。

1.1 几何要素

高速公路的平、纵、横等几何要素对其运行速度起决定性作用。我国现行规范对各等级速度的几何要素极限值做了明确规定，在保证交通安全的前提下，各种限速方法均应满足对应速度几何要素的极限值要求。

影响运行速度的几何要素主要有圆曲线半径、平曲线长度、最大纵坡及对应的坡长等[5]；同时，路侧净宽、交通安全设施等也是影响车辆运行速度的因素。因此，在制定高速公路限速方法前，应综合考虑各影响因素并确定其是否具有改善的空间,再综合分析各几何要素所能满足的最大运行速度。

1.2 限速区间及过渡段长度

限速区间是指长里程高速公路，受地形、地貌、交通量等限制，无法采用相同运行速度时，而设置的不同运行速度区间段。限速区过渡段则是为保证相邻限速区之间车辆的安全、平稳运行而需要的最小路段长度。

为避免驾驶员在同一限速区间内进行频繁操作，限速区间段应具有一定的长度，以满足车辆的平稳运行。限速区间最小长度由驾驶员对交通标志的识别距离、驾驶员反应时间段车辆的行驶距离、车流平稳行驶距离3部分组成[6]；其取值可参照表1执行。

表1 限速区间最小长度推荐取值运行速度/(km·h-1)对应限速区最小长度/km12010.01002.0800.8600.6

限速区间过渡段长度由车速调整反应时间内车辆运行的距离、车辆稳定行驶的距离组成(见图1)。根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[7]相关要求，相邻路段运行速度之差不应大于20 km/h；因此，对相邻限速区间最小长度分析时，只考虑相邻速度相差不超过20 km/h的情况，其取值可参照表2执行。

图1 限速区间及过渡段分布示意图

表2 限速区间过渡段最小长度推荐取值限速区间运行速度/(km·h-1)限速区间速度(km·h-1)对应的最小长度/m1008060120510——100—500—80——380

1.3 运行速度梯度绝对值

根据《公路项目安全性评价规范》(JTG B05—2015)的有关要求，相邻路段运行速度的协调性采用相邻路段的运行速度差的绝对值|V85|及运行速度梯度的绝对值|ΔvIv|进行评价标准，如表3所示。

表3 相邻路段运行速度协调性评价标准相邻路段运行速度协调性评价标准对策及建议好V85<10 km/h且ΔIv≤10 km/(h·m)/较好10 km/h≤V85<20 km/h且ΔIv≤10 km/(h·m)相邻路段为减速时,宜对相邻路段平纵面设计进行优化,或采取安全改善措施不良V85≥20 km/h或V85>10 km/(h·m)相邻路段为减速时,应调整相邻路段平纵面设计;当调整困难时,应采取安全改善措施

1.4 特殊路段

特殊路段指根据区域内高速公路事故分布规律、交通流向分析得出的影响车辆运行速度和交通安全问题突出的路段，比如互通区间段的分、合流区间段，特长、长隧道路段。特殊路段的限速方法应考虑路段远期的交通量、车型比例以及路侧环境，其限速值禁止超过正常路段的运行速度，且一般情况下不能大于设计速度。

2 迭代法分析过程

限速方法的优化过程就是运行速度分布曲线的构建过程。其优化过程可以分为以下步骤。

2.1 确定运行速度的极值

运行速度的极值包括最大值和最小值。根据《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第七十八条相关规定：高速公路最高车速不得超过120 km/h，最低车速不得低于60 km/h。在确定高速公路限速时必须遵守上述条例,即:

Vmax=Vmax(L)=120 km/h

(1)

Vmin=Vmin(L)=60 km/h

(2)

式中：Vmax为运行速度的最大值；Vmin为运行速度的最小值；L为路线长度。

2.2 确定初始运行速度曲线

利用纬地安全分析软件(V 4.0)初步确定高速公路在自由流状态下85%的行驶车辆不超过的速度(V85)。根据路线的平、纵面等几何参数对V85进行修正，得到中等技术水平的驾驶人员根据实际道路条件、交通条件、良好气候条件等能保持的运行速度V1；则初始运行速度V1可采用式(3)、式(4)表示。

(3)

V=V(V85,a1,a2,…)

(4)

式中：V1为分析单元运行速度；V为经修正后运行速度；a1、a2为高速公路几何参数等约束因素。

2.3 优化初始运行速度曲线

在初始运行曲线确定的情况下，结合限速区段长度、运行速度协调性等对初始运行速度曲线进行优化。限速区间段的划分应保证全线运行速度的平稳过渡，相邻路段运行速度之差应小于20 km/h；同时，结合高速公路的功能定位、车道数、交通量分布及小型车、大型车的比例等确定限速方法。根据限速区间段调整后的运行速度V2可采用式(5)表示。

V2=V2(L1,V1,b1,b2,…)

(5)

式中：L1为限速区间段长度；b1、b2为限速区段运行速度约束指标。

2.4 确定特殊路段的运行速度曲线

高速公路线性指标较高，采用全封闭、分方向的交通组织形式,多分布有隧道、服务区、互通等构造物，因此，针对上述特殊路段，应结合空间视距[8-9]、项目区域内交通事故分布规律等进一步优化运行速度曲线,得到特殊路段的运行速度曲线V3。

V3=V3(L1,V2,c1,c2,…)

(6)

式中：c1、c2为特殊路段运行速度约束指标。

2.5 确定最终运行速度曲线

结合V2、V3分析过程，根据运行速度协调性、限速区段长度划分原则等，对V2、V3进行多次迭代反算；确定最终的运行速度曲线V4。

计算过程如下所示：

(7)

(8)

V(L)=V4(n)(L…)

(9)

2.6 综合效益分析

高速公路限速方案的优劣采用车道的通行能力和车辆平均运行时间来评价。

一条车道通行能力的评价根据运行速度曲线V(L)，结合区间段划分长度，采用加权平均法确定。高速公路通行能力的计算参照《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)[10]，按式(10)表示：

(10)

(11)

式中：Pj为第i区间车型j的交通量占总交通量的百分比；Ej为车型j的车辆折减系数，参照《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)选取。

全线车辆的通行能力则可采用式(12)表示。

(12)

车辆平均运行时间根据运行速度曲线V(L)，结合区间段长度确定。可采用式(13)表示。

(13)

3 工程应用

湖南省永州至新宁清江桥高速公路(下称“永新高速”)连接永州市区、东安县和新宁县，规划路线走廊整体呈东南西北走向，东起永零高速，西至白新高速公路，横跨东安县和新宁县。路线全长64.382 km，采用双向四车道高速公路标准，设计速度100 km/h，整体式路基宽26 m，分离式路基宽13.0 m，桥涵与路基同宽。

以永新高速为例，采用迭代法对其限速方案进行分析，结果如表3所示。

从表3计算结果可以看出，采用基于运行速度迭代法优化后的限速方法能有效提升高速公路的通行能力，并能较大幅度地降低车辆平均通行时间，具有较好的经济效益。

表3 永新高速公路限速方案分析过程(以小型车为例)序号步骤约束指标限速分布曲线特征值1根据行业法规确定限制速度极值《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第七十八条Vmax=120 km/hVmin=60 km/hL=64.382 km2确定初始运行速度曲线V1(L)① a1最小圆曲线半径=1 100 m② a2平曲线长度=543.64 m③ a3最大纵坡=4%④ a4最大纵坡对应坡长=539.84 4m……① V1(L)=120 km/h② V1(L)=100 km/h③ V1(L)=100 km/h④ V1(L)=100 km/h3优化初始运行速度曲线V2(L)① 相邻路段运行速度之差应小于20 km/h;② b1=(115 km/h, 0.985 km), L1=21.9 km, 绝大多数路段L2(L1)=120 km/h, 局部路段受几何要素限制V2(L1)=115 km/h;③ b2=(113.6 km/h, 0.795 km), L2=12.6 km, 绝大多数路段V2(L2)=120 km/h, 局部路段受几何要素限制V2(L2)=113.6～117.1 km/h;④ b3=(114.1 km/h, 0.763 km), L3=29.882 km, 绝大多数路段V2(L3)=120 km/h, 局部路段受几何要素限制V2(L3)=114.1～116.5 km/h。……① 采用分车道限速, 小型车与大型车运行速度之差大于20 km/h② V2(L)=112 km/h③ V2(L)=100 m/h④ V2(L)=112 km/h4确定特殊路段的运行速度曲线V3(L)① c1永州西枢纽互通, 位于V2(L1)路段② c2山口铺互通, 位于V2(L1)路段③ c3东安服务区, 位于V2(L1)路段④ c4东安互通, 位于V2(L1)路段⑤ c5对江互通, 位于V2(L2)路段⑥ c6渡水停车区, 位于V2(L3)路段⑦ c7一渡水互通, 位于V2(L3)路段⑧ c8巡田服务区, 位于V2(L3)路段⑨ c9回龙寺枢纽互通, 位于V2(L3)路段① V3(L1)=112 km/h② V3(L2)=100 km/h③ V3(L3)=112 km/h5确定最终运行速度曲线V2(L)、V3(L)① V4(L1)=120 km/h; L1=21.9 km② V4(L2)=100 km/h; L2=12.6 km③ V4(L3)=120 km/h; L3=29.882 km6综合效益分析经计算, 一条车道通行能力CLd=1 217 veh/(h·ln); 车辆平均运行时间tL=0.557 5 h;按设计速度100 km/h限速时, 其通行能力Cd=1 139 veh/(h·ln); 车辆平均运行时间t=0.642 8 h经计算, 一条车道通行能力能提高6.85%; 车辆平均运行时间降低13.27%7限速方案① V4(L1)=120 km/h; L1=21.9 km; 立交路段限速110 km/h② V4(L2)=100 km/h; L2=12.6 km③ V4(L3)=120 km/h; L3=29.882 km; 立交路段限速110 km/h

4 结语

高速公路限速方法是交通安全管理的重中之重。合适的限速方法不仅能较大幅度地提高高速公路的通行能力、降低驾驶员的平均通行时间，而且能有效地减少交通事故发生。

1) 通过多次迭代优化后的限速方法，充分考虑了影响车辆运行速度的各种因素，能较好地反映高速公路车辆实际运行情况，有利于提高车辆运行安全，能为高速公路管理部门的决策提供参考依据。

2)通过对永新高速公路限速方案的分析，采用迭代法确定的限速方法能较好地提高高速公路通行能力，并能较大幅度地降低车辆的平均通行时间，具有较好的经济效益。