技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 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。
[0007] 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：
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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：
[0012] 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：
[0013] d1=0.278VDt (1)
[0014] 其中：VD，主线设计速度，km/h；
[0015] 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)；
[0016] 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：
[0017]
[0018] 其中：v，行近路口时的车速，单位km/h，为路口处的85%位车速；
[0019] t1，驾驶员反应时间，单位s，t1取4.5s；
[0020] n，车辆平均变换车道次数；
[0021] t2，变更车道时间，单位s，t2取10s
[0022] 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：
[0023] L1=max{d1,d2} (3)
[0024] 其中：d1，出口识别视距，单位m；
[0025] d2，标志识认距离，单位m；
[0026] 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：
[0027]
[0028] 其中：le，
发动机减速距离，单位m；
[0029] Lb，制动器减速距离，单位m；
[0030] t3，发动机减速持续时间，单位s，取值为3s；
[0031] 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)；
[0032] 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)；
[0033] v0，主线平均运行车速，单位km/h，为主线85%位车速；
[0034] v1，匝道平均运行车速，单位km/h，为匝道处的85%位车速；
[0035] 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：
[0036]
[0037] 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；
[0038] P，变速车道出入口的渐变率；
[0039] 6）由减速车道长度d3与渐变段长度d4，确定减速距离L2：
[0040] L2=d3+d4 (6)
[0041] 其中：d3，减速车道长度，单位m；
[0042] d4，渐变段长度，单位m；
[0043] 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：
[0044] L上=L1+L2 (7)
[0045] 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：
[0046]
[0047] 其中：L下，出口匝道功能区主线下游段长度，单位m；
[0048] vm，主线上车辆的正常运行速度，单位km/h，为主线85%位车速；
[0049] vmg，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；
[0050] 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2 2
度，单位m/s，a取1m/s ；
[0051] 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：
[0052]
[0053] 其中：L匝，出口匝道功能区单车道匝道内段长度，单位m；
[0054] vrdg，通过分流点端点的车速，单位km/h，取主线设计车速的60%；
[0055] vr，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%；
[0056] a，加速度，单位m/s2，同减速车道计算时减速度取值；
[0057] 10）得到出口匝道功能区长度包括L上，L下，L匝。
[0058] 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。
[0059] 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
[0061] 图2为本发明直接式出口匝道功能区示意图。
[0062] 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
[0063] 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：
[0064] 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：
[0065] d1=0.278VDt (1)
[0066] 其中：VD，主线设计速度，km/h；
[0067] 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)；
[0068] 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：
[0069]
[0070] 其中：v，行近路口时的车速，单位km/h，为路口处的85%位车速；
[0071] t1，驾驶员反应时间，单位s，t1取4.5s；
[0072] n，车辆平均变换车道次数；
[0073] t2，变更车道时间，单位s，t2取10s；
[0074] 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：
[0075] L1=max{d1,d2} (3)
[0076] 其中：d1，出口识别视距，单位m；
[0077] d2，标志识认距离，单位m；
[0078] 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：
[0079]
[0080] 其中：le，发动机减速距离，单位m；
[0081] Lb，制动器减速距离，单位m；
[0082] t3，发动机减速持续时间，单位s，取值为3s；
[0083] 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)；
[0084] 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)；
[0085] v0，主线平均运行车速，单位km/h，为主线85%位车速；
[0086] v1，匝道平均运行车速，单位km/h，为匝道处的85%位车速；
[0087] 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：
[0088]
[0089] 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；
[0090] P，变速车道出入口的渐变率；
[0091] 6）由减速车道长度d3与渐变段长度d4，确定减速距离L2：
[0092] L2=d3+d4 (6)
[0093] 其中：d3，减速车道长度，单位m；
[0094] d4，渐变段长度，单位m；
[0095] 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：
[0096] L上=L1+L2 (7)
[0097] 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：
[0098]
[0099] 其中：L下，出口匝道功能区主线下游段长度，单位m；
[0100] vm，主线上车辆的正常运行速度，单位km/h，为主线85%位车速；
[0101] vmg，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；
[0102] 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2 2
度，单位m/s，a取1m/s ；
[0103] 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：
[0104]
[0105] 其中：L匝，出口匝道功能区单车道匝道内段长度，单位m；
[0106] vrdg，通过分流点端点的车速，单位km/h，取主线设计车速的60%；
[0107] vr，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%；
[0108] a，加速度，单位m/s2，同减速车道计算时减速度取值；
[0109] 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。
[0110] 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：
[0111] 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：
[0112] d1=0.278Vt=0.278×120×14.5=485m
[0113] 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：
[0114]
[0115] 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，
[0116] 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，[0117] 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：
[0118] L1=max{d1,d2}＝485m
[0119] 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2 2
v1=40km/h，发动机减速的减速度a1=1.0m/s，制动器制动的减速度a2=2.0m/s，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：
[0120]
[0121] 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：
[0122]
[0123] 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：
[0124] L2=d3+d4=165+90=255m
[0125] 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：
[0126] L上=L1+L2=485+255=740m
[0127] 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vm=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vmg＝102km/h，加速度a=1m/s2，根据公式（8）得到主线下游段长度L下：
[0128]
[0129] 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vrdg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vr的计算值为120*45%=54km/h；加速度同减速车道计算时减速度取2
值，取值a=2.0m/s。分流点的行驶速度取比计算值更大的整数值，即vrdg=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vr=50km/h，利用公式（9）得到匝道段长度：
[0130]
[0131] 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。
[0132] 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：
[0133] 表1出口匝道功能区范围
[0134]
[0135] 注：数值精确到5m。
