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超高速公路合流区加速车道长度可靠性研究

何永明 王繁 吴佳璇 邢婉钰

何永明, 王繁, 吴佳璇, 邢婉钰. 超高速公路合流区加速车道长度可靠性研究[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(6): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.007
引用本文: 何永明, 王繁, 吴佳璇, 邢婉钰. 超高速公路合流区加速车道长度可靠性研究[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(6): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.007
HE Yongming, WANG Fan, WU Jiaxuan, XING Wanyu. Reliability of Acceleration Lane Length in Confluence Area of Superhighway[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(6): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.007
Citation: HE Yongming, WANG Fan, WU Jiaxuan, XING Wanyu. Reliability of Acceleration Lane Length in Confluence Area of Superhighway[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(6): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.007

超高速公路合流区加速车道长度可靠性研究

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.06.007
基金项目: 

黑龙江省自然科学基金项目 LH2023E011

东北林业大学碳中和专项科学基金项目 HFW221600015

详细信息
    通讯作者:

    何永明(1979—),博士,副教授. 研究方向:超高速公路及交通规划与管理.E-mail:hymjob@nefu.edu.cn

  • 中图分类号: U412.36

Reliability of Acceleration Lane Length in Confluence Area of Superhighway

  • 摘要: 为克服现行规范采用确定性模型设计加速车道长度的缺点,考虑不同匝道设计速度,对满足行车安全和效率的加速车道合理长度进行研究。运用基于车辆汇入理论的长度计算模型,引入可靠度理论,构建加速车道长度的功能函数。对功能函数中的最低合流速度等相关参数统计推导,生成变量随机数代入蒙特卡洛法求解,估计不同主线和匝道设计速度下加速车道长度可靠概率。结合结构可靠性设计标准,以可靠概率大于95%为基准,得到了对应主线设计速度140 km/h与匝道设计速度30,40,50,60 km/h的加速车道长度推荐值。利用城市交通仿真(Simulation of Urban Mobility,SUMO)验证了推荐值的合理性,结果表明:加速车道可靠概率随加速车道长度增加而增加,且达到一定值后趋于稳定。给定的服务水平和目标可靠指标下,加速车道长度受主线及匝道设计速度影响,与匝道设计速度负相关。相较于确定性模型,基于可靠度理论和交通仿真模型的加速车道长度设计更灵活、可靠。

     

  • 图  1  加速车道组成

    Figure  1.  Composition of acceleration lane

    图  2  不同N值下可靠概率分布曲线

    Figure  2.  Reliability probability distribution curves for different N values

    图  3  主线设计速度140 km/h下可靠概率分布曲线

    Figure  3.  Reliability probability distribution curves for mainline design speed of 140 km/h

    图  4  SUMO仿真验证框架

    Figure  4.  SUMO simulation verification framework

    图  5  主线设计速度100 km/h和120 km/h评价指标数值统计

    Figure  5.  Numerical statistics of evaluation indicators for main line design speed of 100 km/h and 120 km/h

    图  6  主线设计速度140 km/h评价指标数值统计

    Figure  6.  Evaluation index of numerical statistics for main line design speed of 140 km /h

    表  1  超高速公路分级及相关参数取值

    Table  1.   Superhighway classification and related parameter values

    公路等级 服务对象 设计速度/(km/h)
    超一级 普通客货车 100 120 140
    具有定速巡航功能
    超二级 乘用汽车专用 120 140 160
    具有辅助驾驶功能
    超三级 自动驾驶汽车专用 140 160 180
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    表  2  平均等待时间

    Table  2.   Average waiting time

    主线设计速度/(km/h) 最小车头间距/m 每车道通行能力/(pcu/h) 最大服务交通量/(pcu/h) 平均等待时间/s
    140 192.05 729 583 0.223 0
    120 152.22 788 631 0.263 0
    100 117.24 853 682 0.304 9
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    表  3  不同加速车道长度可靠度计算结果

    Table  3.   Reliability calculation results of different acceleration lane lengths

    匝道设计速度/(km/h) 加速车道长度/m 可靠概率/% 失效概率/% 可靠指标
    540 93.42 6.58 1.51
    560 95.69 4.31 1.72
    30 580 97.34 2.66 1.93
    600 98.37 1.63 2.14
    620 99.44 0.56 2.54
    640 99.49 0.51 2.57
    480 87.24 12.76 1.14
    500 91.30 8.70 1.36
    40 520 94.30 5.70 1.58
    540 96.34 3.66 1.79
    560 97.71 2.29 2.00
    580 98.67 1.33 2.22
    440 85.73 14.27 1.07
    460 90.14 9.86 1.29
    50 480 93.37 6.63 1.50
    500 95.72 4.28 1.72
    520 97.27 2.73 1.92
    540 98.35 1.65 2.13
    400 86.00 14.00 1.08
    420 90.48 9.52 1.31
    60 440 93.60 6.40 1.52
    460 95.80 4.20 1.73
    480 97.43 2.57 1.95
    500 98.45 1.55 2.16
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    表  4  目标可靠指标

    Table  4.   Target reliability index

    结构安全等级 公路等级 目标可靠指标 目标可靠概率/%
    一级 高速 1.64 95
    一级 1.28 90
    二级 二级 1.04 85
    三级 三级 0.84 80
    四级 0.52 70
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    表  5  合流区平行式加速车道长度取值

    Table  5.   Length value of acceleration lane in confluence area

    主线设计速度/(km/h) 不同匝道设计速度(km/h)下的推荐值/m 规范值/m
    60 50 40 30
    140 460 500 520 560
    120 360 400 420 440 320
    100 260 300 320 360 280
    注:现行规范JTG D20—2017《公路路线设计规范》[30]中未考虑匝道设计速度的影响,主线速度100,120 km/h单车道匝道加速车道长度取值分别为280,320 m,数值取值包括渐变段长度。
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    表  6  仿真场景参数

    Table  6.   Simulation scenario parameters

    仿真场景 设计速度/(km/h) 主线车流量/(pcu/h) 加速车道长度/m
    场景1~2 100 1 749 260:20:280
    场景3~4 120 1 893 320:40:360
    场景5~15 140 2 046 100:60:700
    注:加速车道长度中冒号外侧两端代表取值的起点和终点。260:20:280代表从加速车道长度260 m到280 m,间隔20 m取值;320:40:360代表从加速车道长度320 m到360 m,间隔40 m取值;100:60:700代表从加速车道长度100 m到700 m,间隔60 m取值。为方便后续对工况的描述以VMain表示主线设计速度,VRamp表示匝道设计速度。
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    表  7  主线设计速度140 km/h下各指标性能表现

    Table  7.   Each index performance for mainline design speed of 140 km/h

    加速车道长度/m 平均速度/(km/h) 延误时间/s 长度利用率/% 综合奖励指标
    340 119.16 1.74 42.83 0.23
    400 121.32 1.64 37.75 0.29
    460 122.65 1.62 42.97 0.32
    520 123.73 1.63 40.35 0.31
    580 124.42 1.68 39.54 0.28
    640 125.46 1.57 34.22 0.34
    700 123.80 1.63 33.05 0.29
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  • 收稿日期:  2024-04-11
  • 网络出版日期:  2025-03-08

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