二级公路“2+1”车道超车段长度设置及仿真

摘要：二级公路在中国公路网中占有重要地位，一般采用双向两车道布局。然而，当交通流量达到一定水平时，二级公路的双车道布局模式很难满足车辆在行驶过程中的超车需求。“2+1”车道布局为上述问题提供了很好的解决方案，但如何确定最佳超车段长度已成为一个新问题。以“2+1”车道二级公路为研究对象，通过采用微观交通仿真技术，以延误和速度为评价指标，针对不同的流量和车型组合对超车段长度开展了仿真分析和评价，结果表明：在“2+1”车道布局模式下，超车段的通行效率有显著提高，超车段的最佳长度为1.2km。

关键词：“2+1”车道二级公路超车段长度交通仿真

中图分类号：U492.8

LengthSettingandSimulationof“2+1”LanesOvertakingSectionforSecond-ClassHighway

YINZhihaoKUANGAiwuWANGJie

SchoolofTrafficandTransportationEngineering，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，Changsha，HunanProvince，410114China

Abstract：Second-classhighwayoccupuiesanimportantpositioninChina'shighwaynetwork，whichgenerallyadoptsatwo-laneslayoutinbothdirections.However， whenthetrafficflowreachesacertainlevel，thetwo-laneslayoutmodeofsecond-classhighwayisdifficulttomeettheovertakingdemandofvehiclesinthedrivingprocess.The“2+1”laneslayoutprovidesagoodsolutiontotheaboveproblems，buthowtodeterminetheoptimal ;overtakingsectionlengthhasbecomeanewproblem.Thispapertakesthe“2+1”lanessecond-classhighwayastheresearchobject，byusingmicroscopictrafficsimulationtechnologyandtakingdelayandvelocityastheevaluationindices，simulationanalysisandevaluationarecarriedoutonthelengthofovertakingsectionfordifferentflowandvehicletypecombinations.Theresultsshow：Underthe“2+1”laneslayoutmode，thetrafficefficiencyofovertakingsectionhasbeensignificantlyimproved，andtheoptimallengthofovertakingsectionis1.2km.

KeyWords：“2+1”lanes;Second-classhighway;Lengthofovertakingsection;Trafficsimulation

目前，作为我国公路网重要组成部分的干线公路其技术等级大多为二级，一般采用双向两车道布局，该布局模式难以满足车辆行驶过程中的超车需求。当交通量达到一定水平，尤其是在重型车辆占比大的情况下，容易产生排队，此时车辆很可能利用对向车道强行超车，容易导致正面碰撞，交通安全隐患大[1]。针对路基宽度在12.75m以上的双车道二级公路，“2+1”车道布局模式为上述问题提供了一个有效的解决方案。“2+1”车道是介于双向两车道与四车道之间的布局形式，包括一条可变车道和两条基本车道，可变车道作为超车车道，超车车道的方向交替变换。相比双向四车道，“2+1”车道可以节约用地、降低公路建设成本，同时又能满足超车需求。“2+1”车道布局模式如图1所示。

近年来，法国、德国、美国等国家相继进行了“2+1”车道公路的研究与实践[2]，国外实践证明这种公路设计形式对改善安全、提升效率均是有效的。然而，“2+1”车道公路的实际运行效果会受到公路几何布局、交通安全设施设计、分合流区驾驶人行为、交通组成及交通量、行驶速度等多方面因素的影响。“2+1”车道公路如果设计不当，容易出现车辆合流和超车的混乱，在影响交通效率的同时可能诱发严重的交通安全问题，其中最为关键的是超车段长度的合理设置。目前，国内外在超车方面的研究多集中于双向两车道公路如何安全超车，例如：任炜[3]从超车视距的安全性角度出发研究了如何借用对向车道超车，并对满足超车视距的超车路段长度进行了分析；余姝源等人[4]对双向两车道的车辆自主超车轨迹进行了规划与跟踪控制研究；岳全胜等人[5]对双向两车道公路的超车行为演化博弈开展了分析；戢晓峰等人[6]构建了基于生存分析的山区双车道公路超车持续时间模型；AMIRHG等人[7]建立了基于临界碰撞时间的超车距离接受模型，并利用视频数据验证了该模型的可行性。

上述研究为超车段长度的设置奠定了一定理论基础，但仍存在如下两方面的不足：一是研究对象局限于传统双车道公路，未能与“2+1”车道公路有效结合；二是关于超车的研究中对交通效率甚少关注。为此，本文结合国内外实践成果和我国相关技术标准，选择车速和延误作为效率评价指标，采用微观交通仿真技术模拟了不同交通量和车型占比下各种超车段长度的运行效果，并将其与普通双车道公路的通行效率进行了比较，进而确定能够确保安全与效率的“2+1”车道公路最佳超车段长度。

1二级公路“2+1”车道方案设计

在开展超车段长度仿真分析之前，需要对二级公路“2+1”车道布局进行方案设计，涉及设计速度、设计交通量、断面组成、超车段与渐变段长度分析等内容。

1.1设计速度

国外“2+1”车道公路的设计速度一般为80～100km/h。根据《公路路线设计规范》（JTGD20—2017），作为干线的二级公路，设计速度宜采用80km/h；作为集散的二级公路，设计速度宜采用60km/h。综合考虑我国二级公路的设计速度以及我国干线公路上平面交叉口多、部分路段街道化严重等情况，确定“2+1”车道二级公路的设计速度采用80km/h和60km/h两种。

1.2设计交通量

根据《公路工程技术标准》（JTGB01—2014），二级公路的年平均日设计交通量宜为5000～15000辆小客车。国外经验表明：“2+1”车道公路的通行能力通常会超过双向两车道公路，其适应交通量能够达到10000～20000pcu/d。考虑到我国标准是面向双向双车道公路布局制定的，综合国内外情况，确定“2+1”车道二级公路的适用交通量为10000～20000pcu/d。

1.3横断面设计

与普通公路类似，“2+1”车道公路的路基横断面同样由行车道、超车道、中间带、路肩等部分组成。在国外实践中，“2+1”车道公路的单车道宽度通常为3.25～3.75m，横断面总宽度在13～16.95m之间。我国《公路工程技术标准》（JTGB01—2014）对不同设计速度条件下的车道宽度、路肩宽度取值都有明确规定，“2+1”车道公路在断面组成设计中也要遵循标准的相关规定。此外，“2+1”车道公路采用护栏或标线进行双向行车的分隔时，其所需要的宽度也有所差异，当采用双黄实线隔离时，中间带宽度不应小于0.5m；当采用柔性护栏或物理隔离形式时，中间带宽度一般不小于1.5m。综合考虑国外实践和我国标准，“2+1”车道公路其路基横断面总宽度一般不宜小于12.75m。

1.4超车段长度设计

超车段长度会对“2+1”车道公路的运行产生显著影响，超车段越长，则车辆超车的机会就越多，从而能提高双车道路段上的通行效率，但过长的超车段意味着对向单车道因超车受限而排队行驶的车辆就越多，进而影响单车道路段上的效率和安全。因此，超车段长度的选择应平衡好双车道路段的超车需求和单车道路段的行车安全。国外实践中，“2+1”车道公路的超车段长度通常在0.8～2.0km之间，极限最小长度为0.6km，极限最大长度为3km。

根据美国《道路通行能力手册》和《公路与街道几何设计手册》，超车路段的长度与交通量有关，如果单向小时交通量越大，则需要的超车段就越长[8]。根据1.2节，“2+1”车道二级公路的适应交通量宜为10000～20000pcu/d，折算后的单向小时交通量约为401～700pcu/h，为此，建议“2+1”车道二级公路的超车段长度取值为1.2～1.6km。

1.5分合流段长度设计

合流段总长度Lh应包括2倍的合流渐变段长度LHj和1倍的缓冲段长度LHh，其中缓冲段长度应不小于15m。依据《公路与街道几何设计手册》，“2+1”车道公路合流渐变段长度LHj宜采用以下公式计算：

式（1）中，V为设计速度，单位为km/h；W为变化宽度，单位为m。

当设计速度为60km/h时，变化宽度W取值为3.5m；当设计速度为80km/h时，变化宽度W取值为3.75m。根据式（1）可以计算得到：“2+1”车道公路在不同设计速度下的合流段最小长度，其中，V=60km/h时，Lh=175m；V=80km/h时，Lh=375m。

与合流段相类似，分流段长度Lf也包含了分流渐变段长度LFj和缓冲段长度LFh，其中分流渐变段长度LFj取值宜为合流渐变段长度LHj的1/2～2/3倍，且应不小于30m。类似地可以获得两种设计速度条件下的分流段最小长度，当V=60km/h时，Lf=95～135m，中间值为115m；当V=80km/h时，Lf=195～255m，中间值为225m。

2二级公路“2+1”车道超车段长度仿真分析

2.1仿真方案设定

仿真模型是在主线双向双车道中间增设一条可以交替超车的超车路段，其中，行车道宽为3.75m，超车道宽为3.5m，分合流段长度按1.4节确定，仿真路段总长度约为5km。在开展仿真分析时，以超车段长度作为道路几何参数影响变量，环境参数默认为良好的天气条件，交通参数以单向交通量和车辆组成为影响变量。其中，超车段选择0.6km、0.8km、1.2km、1.6km和不设超车段共5种类型；小型车与大型车的比例设定9∶1和7∶3共2种方案；输入流量选择单向400pcu/h、600pcu/h、800pcu/h和1000pcu/h共4种。

2.2仿真结果分析

在仿真开始之前，首先根据我国规范推荐值对期望速度分布、期望加速度分布、跟驰模型、换道模型进行标定。仿真操作中，仿真时间设置为3600s，仿真精度设置为10个时间步长/仿真秒。仿真实验主要是考察在不同的输入流量和车型占比下，各种超车段长度设置方案对延误和速度等效率指标的影响。当小型车和大型车的比例分别为7∶3和9∶1时，在不同的超车段长度设置方案下，平均延误随输入流量的变化关系如图2和图3所示，平均速度随输入流量的变化关系如图4和图5所示。

从图2和图3可以看出，在各种不同的超车段长度设置方案下，平均延误均随输入交通量的增加而增加，但总体上看，“2+1”车道设计方案的平均延误小于两车道方案的平均延误。在各种不同的车型组成下，当超车段长度设置为0.8km、1.2km和1.6km时，相同输入交通量下的平均延误没有显著变化，但当超车段长度设置为0.6km时，平均延误显著增加，尤其是当大型车辆比例较大时。在两种不同车型组成下，1.2km长的超车段设置方案平均延误最小。

从图4和图5可以看出，在不同输入流量下，4种不同超车段长度的“2+1”车道设计方案其平均速度均高于两车道方案。当超车段长度设置为0.8km、1.2km和1.6km时，不同交通量下的平均速度没有显著变化，但当超车段长度为0.6km时，随着输入流量的增加，平均速度有较明显的下降。在两种不同车型组成下，超车段长度为1.2km时的平均车速最高。

3结论

本文针对我国现状二级公路超车效率低、超车安全保障不足等困局，提出了“2+1”车道布局模式，与双车道二级公路相比较，“2+1”车道布局模式减少了平均延误，提高了车辆运行的平均速度。根据国外工程实践及仿真分析，“2+1”车道超车段长度的推荐值为1.2～1.6km，最小为0.8km。当超车段长度为1.2km时，平均延误最小，平均速度最大，因此1.2km是超车段长度的最优值。本文研究成果表明，针对二级公路实施“2+1”车道布局并通过设置适宜的超车段长度，在保障交通安全的同时有助于提升交通运行效率，建议我国在有实施条件的二级公路上可逐步开展“2+1”车道布局模式的应用示范。

参考文献

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