直接式高速公路出口匝道功能区范围确定方法

摘要

直接式高速公路出口匝道功能区范围确定方法，在高速公路出口匝道设置出口匝道功能区，所述功能区指匝道和主线交通流的相互影响区域，分为三部分：主线上游段、主线下游段及匝道内段，本发明提出了各功能区范围的确定方法：主线上游段功能区范围由驾驶员安全识别距离与减速距离之和确定；下游段功能区范围由85%的主线速度加速至正常速度所行驶的距离确定；匝道内段功能区范围需保证大型车安全通过缓和区。本发明可确定出直接式高速公路单、双车道出口匝道功能区范围，为匝道间距的合理设置提供计算依据，同时有助于确定合理的交通安全保障工程的防控范围。

说明书

技术领域

本发明属于交通技术领域，涉及高速公路出口匝道功能区范围的确定，为一种直接 式高速公路出口匝道功能区范围确定方法。

背景技术

研究发现，高速公路上20%-30%的卡车事故发生在匝道上或匝道附近，而匝道的路 线长度不到整个高速公路长度的5%。产生这种现象的原因是，在高速公路出口匝道上， 机动车驾驶员的操作复杂性会显著增加，机动车的行驶速度变化率以及车辆之间的速度 差都会增加，从而导致交通流不稳定和机动车之间的交通冲突量增加，增大交通拥堵和 非安全交通行为发生的可能性。因此，匝道的出口是交通事故的多发地段。

功能区的概念最早见于公路平交口，交叉口的每一个进出口道根据车辆的驶入和驶 出分为功能区上游和功能区下游，其范围与土地利用、出入口管理、设计速度、交通控 制方式、信号相位设计和交通量等因素密切相关，是公路平交口几何安全设计的重点问 题之一。国外有关交叉口功能区的研究多是围绕出入口管理、土地利用模式开发、交通 标志标牌设置、道路交通安全保障等内容开展，并大都制定了符合国情的功能区标准。

对于高速公路出口匝道，国内外学者均认识到其事故多发问题的严重性，并且从标 志标牌设置、安全防护设施设置、出口匝道几何设计等方面开展了研究，并取得了丰富 的成果。然而，对于高速公路出口匝道交通影响区范围如何界定，国内外既有成果均未 给予明确的回答。因此，借鉴道路交叉口功能区范围的概念，提出并界定高速公路出口 匝道功能区范围，对于改善匝道上或匝道附近交通安全状况，具有积极意义。

由于高速公路出口匝道设计规范、控制方式、交通量因素等与公路平交口的相关因 素差别较大，需要根据高速公路自身特点划定和计算高速公路功能区的范围。因此，本 发明以我国最常见的直接式减速车道为研究对象，设计了一种直接式高速公路出口匝道 功能区及其范围的确定方法。

发明内容

本发明要解决的问题是：高速公路的匝道易发交通事故，现有的出口匝道道路结构 有待改进。

本发明的技术方案为：直接式高速公路出口匝道功能区范围确定方法，在高速公路 出口匝道设置出口匝道功能区，所述出口匝道功能区包括主线上游段、主线下游段及匝 道内段，在主线上游段，车辆完成减速、车道变换等驾驶行为，交通流特征由稳定状态 过渡至紊乱状态；在主线下游段，车辆完成车道变换、加速驾驶行为，交通流特征由紊 乱状态恢复至稳定状态；在匝道内段上，驶入出口匝道的车辆完成持续减速的驾驶行为， 出口匝道功能区范围L={L_上,L_下,L_匝}为：

L_上为主线上游段长度包括驾驶员安全识别距离和减速距离，其中驾驶员安全识别 距离为出口识别视距和标志识认距离两者之中的最大值，减速距离由减速车道长度和渐 变段长度组成；

L_下为主线下游段长度，指外侧车道经过分流点后，主线车辆由紊乱过渡到平稳运 行所需的距离；

L_匝为匝道内段长度，指将车辆由匝道鼻端车速减速至匝道最小曲线半径处速度时 所需的距离；

出口匝道功能区长度L_上，L_下，L_匝的确定包括以下步骤，所有计算结果均精确到 5m：

1）由高速公路主线设计速度与驾驶员预先操纵时间，计算出口识别视距d₁，其计算公 式为：

d₁=0.278V_Dt    (1)

其中：V_D，主线设计速度，km/h；

t，预先操纵时间，指驾驶员处理相关危险信息所需的时间，包括发觉识别 危险点的时间和判断相应开始的时间，单位s，t的取值范围为(14.0-14.5)；

2）由车辆行近路口时的车速，驾驶员反应时间，车辆平均变更车道次数以及变换车道 时间，计算标志识认距离d₂，其计算公式为：

$d_2=\frac{{\mathrm{vt}}_1+{\mathrm{nvt}}_2}{3.6}---\left(2\right)$

其中：v，行近路口时的车速，单位km/h，为路口处的85%位车速；

t₁，驾驶员反应时间，单位s，t₁取4.5s；

n，车辆平均变换车道次数；

t₂，变更车道时间，单位s，t₂取10s

3）由出口识别视距d₁与标志识认距离d₂，确定驾驶员的安全识别距离L₁：

L₁=max{d₁,d₂}    (3)

其中：d₁，出口识别视距，单位m；

d₂，标志识认距离，单位m；

4）根据车辆在减速车道与匝道上的制动减速情况，计算单车道减速车道长度d₃，双车 道减速车道的长度为单车道减速车道长度的1.5倍：

$d_3=l_e+l_b=\frac{v_0{t}_3}{3.6}-\frac{1}{2}{a}_1{t}_3^2+\frac{1}{25.92a_2}[{(v_0-3.6a_1{t}_3)}^2-v_1^2]---\left(4\right)$

其中：l_e，发动机减速距离，单位m；

L_b，制动器减速距离，单位m；

t₃，发动机减速持续时间，单位s，取值为3s；

a₁，用发动机减速的减速度，单位m/s²，a₁的取值范围为(0.6-1.0)；

a₂，用制动器制动的减速度，单位m/s²，a₂的取值范围为(1.2-2.0)；

v₀，主线平均运行车速，单位km/h，为主线85%位车速；

v₁，匝道平均运行车速，单位km/h，为匝道处的85%位车速；

5）由匝道宽度与变速车道出入口渐变率，计算渐变段长度d₄：

$d_4=\frac{B}{P}---\left(5\right)$

其中：B，单车道匝道或双车道匝道宽度，单位m，单车道B取3.5m，双车道B取7m；

P，变速车道出入口的渐变率；

6）由减速车道长度d₃与渐变段长度d₄，确定减速距离L₂：

L₂=d₃+d₄    (6)

其中：d₃，减速车道长度，单位m；

d₄，渐变段长度，单位m；

7）由安全识别距离L₁与减速距离L₂，计算出口匝道功能区主线上游段长度L_上：

L_上=L₁+L₂    (7)

8）由主线上车辆的正常运行速度，车辆在鼻端断面的平均运行速度以及加速度，计算 出口匝道功能区主线下游段长度L_下：

其中：L_下，出口匝道功能区主线下游段长度，单位m；

v_m，主线上车辆的正常运行速度，单位km/h，为主线85%位车速；

v_mg，主线车辆在鼻端断面的平均运行速度，单位km/h，为在鼻端断面的85%位 车速；

a，加速度，指主线车辆受驶出匝道车辆的影响，加速至正常速度时的所用的加 速度，单位m/s²，a取1m/s²；

9）由车辆通过分流点端点的车速，通过匝道最小曲线半径时的车速以及加速度，计算 出口匝道功能区的匝道内段长度L_匝，双车道匝道内段长度取单车道匝道内段的1.2倍：

其中：L_匝，出口匝道功能区单车道匝道内段长度，单位m；

v_rdg，通过分流点端点的车速，单位km/h，取主线设计车速的60%；

v_r，通过匝道最小曲线半径时的车速，单位km/h，取主线设计车速的45%；

a，加速度，单位m/s²，同减速车道计算时减速度取值；

10）得到出口匝道功能区长度包括L_上，L_下，L_匝。

本发明探讨了匝道影响区及功能区的区别，论述了匝道功能区的意义，主要是从安 全保障角度考虑，在高速公路与匝道相交的一定范围内，保证驾驶员的视距良好，以减 少驾驶员不必要的操作，设计了出口匝道功能区；此外，功能区的界定将为匝道间距的 设置提供研究基础。在此基础上，借鉴已有的理论计算方法，通过计算出口识别视距， 标志识别距离，减速车道长度，渐变段长度，用于确定口匝道功能区的主线上游段长度； 通过研究出口匝道不同断面：主线、鼻端及匝道曲线半径最小处的速度关系，确定出口 匝道功能区的主线下游段及匝道内段长度。综合三部分，界定了出口匝道功能区范围。 相应地，通过计算标志识别距离，为匝道间距的设置提供研究基础，可缓解出口匝道影 响区的瓶颈，提高出口匝道的交通安全性。

本发明提出在高速功能出口匝道设置功能区，并公开了出口匝道功能区范围的确定 方法，使得在主线上游段，车辆将完成减速、车道变换等驾驶行为，交通流特征由稳定 状态过渡至紊乱状态；在主线下游段，车辆完成车道变换、加速驾驶行为，交通流特征 由紊乱状态恢复至稳定状态；在匝道内段上，驶入出口匝道的车辆将完成持续减速的驾 驶行为，确保驾驶员在合适的位置做出合适的驾驶行为，从而交通流通畅、安全的驶离 或经过出口匝道。同时，本发明为匝道间距的合理设置提供计算依据，同时有助于确定 合理的交通安全保障工程的防控范围。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明直接式出口匝道功能区示意图。

图3为本发明直接式出口匝道功能区实施实例图。

具体实施方式

本发明在高速公路出口匝道设置出口匝道功能区，所述出口匝道功能区包括主线上 游段、主线下游段及匝道内段，如图2所示，车辆在主线上游段完成减速和换车道驾驶 行为；主线下游段完成交织、加速驾驶行为；匝道内段完成分流等驾驶行为，出口匝道 功能区范围L={L_上,L_下,L_匝}，图1为本发明的流程图：

1）由高速公路主线设计速度与驾驶员预先操纵时间，计算出口识别视距d₁：

d₁=0.278V_Dt    (1)

其中：V_D，主线设计速度，km/h；

t，预先操纵时间，指驾驶员处理相关危险信息所需的时间，包括发觉识别 危险点的时间和判断相应开始的时间，单位s，t的取值范围为(14.0-14.5)；

2）由车辆行近路口时的车速，驾驶员反应时间，车辆平均变更车道次数以及变换车道 时间，计算标志识认距离d₂：

$d_2=\frac{{\mathrm{vt}}_1+{\mathrm{nvt}}_2}{3.6}---\left(2\right)$

其中：v，行近路口时的车速，单位km/h，为路口处的85%位车速；

t₁，驾驶员反应时间，单位s，t₁取4.5s；

n，车辆平均变换车道次数；

t₂，变更车道时间，单位s，t₂取10s；

3）由出口识别视距d₁与标志识认距离d₂，确定驾驶员的安全识别距离L₁：

L₁=max{d₁,d₂}    (3)

其中：d₁，出口识别视距，单位m；

d₂，标志识认距离，单位m；

4）根据车辆在减速车道与匝道上的制动减速情况，计算单车道减速车道长度d₃，双车 道减速车道的长度为单车道减速车道长度的1.5倍：

$d_3=l_e+l_b=\frac{v_0{t}_3}{3.6}-\frac{1}{2}{a}_1{t}_3^2+\frac{1}{25.92a_2}[{(v_0-3.6a_1{t}_3)}^2-v_1^2]---\left(4\right)$

其中：l_e，发动机减速距离，单位m；

L_b，制动器减速距离，单位m；

t₃，发动机减速持续时间，单位s，取值为3s；

a₁，用发动机减速的减速度，单位m/s²，a₁的取值范围为(0.6-1.0)；

a₂，用制动器制动的减速度，单位m/s²，a₂的取值范围为(1.2-2.0)；

v₀，主线平均运行车速，单位km/h，为主线85%位车速；

v₁，匝道平均运行车速，单位km/h，为匝道处的85%位车速；

5）由匝道宽度与变速车道出入口渐变率，计算渐变段长度d₄：

$d_4=\frac{B}{P}---\left(5\right)$

其中：B，单车道匝道或双车道匝道宽度，单位m，单车道B取3.5m，双车道B取7m；

P，变速车道出入口的渐变率；

6）由减速车道长度d₃与渐变段长度d₄，确定减速距离L₂：

L₂=d₃+d₄    (6)

其中：d₃，减速车道长度，单位m；

d₄，渐变段长度，单位m；

7）由安全识别距离L₁与减速距离L₂，计算出口匝道功能区主线上游段长度L_上：

L_上=L₁+L₂    (7)

8）由主线上车辆的正常运行速度，车辆在鼻端断面的平均运行速度以及加速度，计算 出口匝道功能区主线下游段长度L_下：

其中：L_下，出口匝道功能区主线下游段长度，单位m；

v_m，主线上车辆的正常运行速度，单位km/h，为主线85%位车速；

v_mg，主线车辆在鼻端断面的平均运行速度，单位km/h，为在鼻端断面的85%位 车速；

a，加速度，指主线车辆受驶出匝道车辆的影响，加速至正常速度时的所用的加 速度，单位m/s²，a取1m/s²；

9）由车辆通过分流点端点的车速，通过匝道最小曲线半径时的车速以及加速度，计算 出口匝道功能区的匝道内段长度L_匝，双车道匝道内段长度取单车道匝道内段的1.2倍：

其中：L_匝，出口匝道功能区单车道匝道内段长度，单位m；

v_rdg，通过分流点端点的车速，单位km/h，取主线设计车速的60%；

v_r，通过匝道最小曲线半径时的车速，单位km/h，取主线设计车速的45%；

a，加速度，单位m/s²，同减速车道计算时减速度取值；

10）得到出口匝道功能区长度包括L_上，L_下，L_匝，由此设置高速公路出口匝道功能 区。

下面通过具体实施例来说明本发明的实施，选择某高速某出口为例，设置并确定出 口匝道功能区。实施高速主线双向四车道，设计车速为120km/h，实施出口位于该高速 中段，为单车道直接式匝道，设计车速为40km/h。具体实施步骤如下，以下计算结果均 精确到5m：

1、计算出口识别距离。实施高速主线设计车速V为120km/h，预先操纵时间t取 保守值14.5s，根据公式（1）得到出口识别距离d₁：

d₁=0.278Vt=0.278×120×14.5=485m

2、计算标志识认距离。经过现场调查，实施出口处车辆85%位车速102km/h，车 辆平均变换一个车道驶入匝道，即n=1，根据公式（2）得到标志识认距离d₂：

$d_2=\frac{{\mathrm{vt}}_1+{\mathrm{nvt}}_2}{3.6}=\frac{102\times 4.5+1\times 102\times 10}{3.6}=415m$

考虑到计算的简便及驾驶行为的一致性，将标志的识认距离分成两部分：知觉-反 应时间（包含认读时间及理解-反应时间）内行驶的距离；行动距离（变车道或减速等）； 认读标志的时间一般为1~2s，理解-反应时间一般为2.0~2.5s，即知觉-反应时间为 3.0~4.5s，鉴于我国道路上车型种类繁多，车辆性能的差异，保守起见，知觉-反应时间 t₁取4.5s，

驾驶员认读结束，需要寻找目标车道间隙，然后变换车道，从内侧车道变换到外 侧车道，日本规定整个换车道过程需10s的时间；事实上，在交通流较大且高速行驶状 态下，驾驶员寻找间隙至少需4s的时间，车辆横移一个车道的时间为3~4s，即变车道 时间至少为7s，为了避免上文所说的强迫变车道行为，借鉴日本变更车道的时间，即t₂为10s，

3、计算驾驶员安全识别距离。根据d₁与d₂的计算结果，利用公式（3）得到驾驶 员安全识别距离L₁：

L₁=max{d₁,d₂}＝485m

4、计算减速车道长度。主线平均运行车速为v₀=90km/h，匝道平均运行车速 v₁=40km/h，发动机减速的减速度a₁=1.0m/s²，制动器制动的减速度a₂=2.0m/s²，发动机 减速持续时间t₃取值为3s，根据公式（4）得到减速车道长度d₃：

$d_3=\frac{v_0{t}_3}{3.6}-\frac{1}{2}{a}_1{t}_3^2+\frac{1}{25.92\times a_2}[{(v_0-3.6a_1{t}_3)}^2-v_1^2]=\frac{90\times 3}{3.6}-\frac{1}{2}\times 1\times 3^2+\frac{1}{25.92\times 2}[{(90-3.6\times 1\times 3)}^2-{40}^2]=165m$

5、计算渐变段长度。单车道匝道宽度B为3.5m；出口渐变率P取值为1/25，根 据公式（5）得到渐变段长度d₄：

$d_4=\frac{B}{P}=\frac{3.5}{1/25}=90m$

6、计算减速距离。根据d₃与d₄的计算结果，利用公式（6）得到减速距离L₂：

L₂=d₃+d₄=165+90=255m

7、计算出口匝道功能区主线上游段长度。根据L₁与L₂的计算结果，利用公式（7） 得到主线上游段长度L_上：

L_上=L₁+L₂=485+255=740m

8、计算出口匝道功能区主线下游段长度。主线上车辆的正常运行速度v_m=120km/h； 主线车辆在鼻端断面的平均运行速度为主线运行速度的85%，即v_mg＝102km/h，加速度 a=1m/s²，根据公式（8）得到主线下游段长度L_下：

9、计算出口匝道功能区匝道段长度。根据公式（9），通过分流点端点的车速取主 线设计车速的60%，即v_rdg的计算值为120*60%=72km/h；通过匝道最小曲线半径时的 车速取主线设计车速的45%，即v_r的计算值为120*45%=54km/h；加速度同减速车道计 算时减速度取值，取值a=2.0m/s²。分流点的行驶速度取比计算值更大的整数值，即 v_rdg=80km/h；匝道最小曲线半径处的速度取比计算值小的整数值，即v_r=50km/h，利用 公式（9）得到匝道段长度：

10、通过以上步骤得到实例高速出口匝道功能区主线上游段长度为740m，主线下 游段长度为155m，匝道段长度为80m，设置的出口匝道功能区范围如图3所示。

出口匝道功能区与主线设计车速、减速车道数、匝道的设计车速均有关，将匝道设 计车速与主线设计车速结合考虑，应用本发明方法设置的出口匝道功能区范围见下表：

表1出口匝道功能区范围

注：数值精确到5m。