尚婷 吴鹏 李松凌 夏瑜

重庆交通大学交通运输学院 中交一公局集团有限公司

摘 要：针对我国山区高速公路隧道与互通立交出口小间距路段车辆运行效率低、道路交通事故频发等问题，提出在隧道内设置车辆允许换道区域的方法。首先，对发生在隧道内的交通事故空间分布特征进行分析以确定隧道内可以单向设置变换车道的区域；其次，提出允许换道区域的交通标志版面设置方法和标线设置形式；然后，根据驾驶人行为特性计算得到在不同服务水平下允许换道区域的最小长度，计算结果表明在二级服务水平下，隧道内允许换道区域的最小长度为228 m。最后，通过Vissim仿真验证了在隧道内设置允许换道区域对提高车辆运行效率、提升高速公路安全水平有显著的效果。

关键词：交通工程;隧道;小间距;换道区域;Vissim仿真;

基金：重庆市科技局基础与前沿面上项目，项目编号csts2019jcyj-msxmX0695;重庆市教委青年科技项目，项目编号KJQN201900722;重庆市中小学创新人才培养工程项目计划，项目编号CY200704;

受地形、地质等因素的影响，山区高速公路隧道与前方主线出口之间的净距偏小的情况越来越多。在这种特殊情况下，欲驶离主线的车辆需在隧道外有限的换道区域内经历明适应、诱导标志判读、换道条件判断、执行换道等复杂的过程。实践表明，并不是所有车辆都能在有限的换道区域内安全、顺利、高效地执行换道操作，错过互通出口、换道过程中发生交通事故的情况时有发生。

如何提升隧道和互通出口路段的道路安全水平、提高车辆运行效率成为行业内一直探讨的热点。众多学者从不同角度对此进行深入研究并取得了一定的成果。例如：Hoeksma等[1]基于风险理论建立了隧道出口与分流点之间的最小间距。Meng Qiang等[2]在分析隧道出口路段追尾事故交通特性的基础上建立了追尾事故预测模型。孙明玲、廖军洪等[3,4,5,6]从车速、交通量、驾驶人驾驶特性、交通冲突等角度对隧道与互通出口的间距值进行了理论计算。尚婷、刘唐志等[7,8]基于熵权物元模型对隧道至互通出口路段的交通安全水平进行了评价，并提出了相应的改善措施。邹云等[9]提出在隧道与互通出口间距偏小的情况下，在隧道出洞口设置变速车道。王婷[10]利用色彩理论在隧道至互通出口路段构建了多色彩交通诱导信息系统，实验结果表明该系统可以有效地提升驾驶员对诱导标志的识认效果。纵观目前相关研究成果，大多从不同角度对隧道至互通出口的最小间距、交通安全评价方法进行了深入研究，但很少有学者研究在隧道与主线出口净距偏小的情况下，如何在隧道内对即将驶离高速公路主线的车辆进行交通组织与诱导。

因此，本文提出当隧道至互通出口净距偏小时，在保证交通运行安全、有序的前提下避开隧道内事故集中和线形不良的路段，选择一定的换道区域。通过标志和标线明确换道起终点位置，使欲驶离主线的车辆有机会在隧道内提前变换至右侧车道，从而提高车辆的运行效率、提升互通出口路段的交通安全水平，以期为高速公路设计人员和管理部门提供参考借鉴。

1 隧道内允许换道区域位置选取

出于行车安全性考虑，在确定隧道内允许换道区域时应避开交通事故集中以及道路线形不良等路段，短隧道(L≤500 m)和中隧道(500 m<L≤1 000 m)很难满足允许换道区域设置要求，因此本文只考虑在长隧道(1 000 m<L≤3 000 m)和特长隧道(L>3 000 m)内设置允许换道区域。并且允许换道区域必须对车型进行限制，只允许有换道需求的小型车辆在此区域提前变换车道。

为保证车辆在隧道内换道的安全性，在设置允许换道区域时应规避交通事故集中和道路线形不良的路段。本文以渝湘高速公路重庆段沿线19座长隧道和12座特长隧道为研究对象，对其2014年～2016年发生的414起交通事故数据进行统计分析。本研究将隧道出入口前后200 m各作为一个评价单元，隧道内部按纵深的10%作为一个评价单元，统计各评价单元内发生交通事故占比，统计结果如图1所示。分析发现，隧道路段发生的交通事故在入口段、出口路段具有明显地空间聚集特性。在长隧道入口段交通事故占比高达25.5%、在特长隧道出口路段的事故占比达16.2%,隧道内部第2～4个评价单元也有较为明显的空间聚集特征。究其原因，是由于驾驶人受到“黑洞”、“白洞”效应的影响而产生视觉振荡，导致驾驶人操作失误引发交通事故；在隧道中间区域发生交通事故的致因是部分车辆超速行驶导致车辆之间纵向间距不足。因此，在隧道内设置允许换道区域时应充分考虑驾驶人的交通行为特性，规避出入口“黑洞”、“白洞”效应的影响区域，综合考虑与隧道进出口的间距，选择在隧道内部线形良好、视距通畅和距隧道出口间距合适的路段设置允许换道区域。

图1 交通事故占比统计

2 允许换道区域交通标志和标线设计

2.1标志版面设计

目前我国大多数高速公路隧道全路段禁止车辆换道，本文提出在隧道内变换车道对于广大驾驶人而言相对陌生。为了兼顾运营过程的安全性应配合标志加以说明。为了提高隧道内交通标志的识认性和标志信息的有效性，便于管理部门对隧道内允许换道区域管理，本文拟在允许换道区域起点、终点设置LED可变信息标志。可变信息标志版面符合《高速公路LED可变信息标志》(GB/T 23828-2009)和《道路交通标志和标线》(GB 5768.2-2009)的规定。

山区高速公路隧道内限速大多为80 km/h,因此本研究取汉字高度为50 cm, LED可变标志板面尺寸为2.6 m×1.6 m,文字间隔、笔画粗、字行距、距标志边缘最小距离按相关规范规定取值[11,12],标志位于隧道顶部并符合净空标准[13]。在允许换道区域起点设置的标志如图2所示，版面文字分两行布设，版面内容为“前方区域允许换道”,用于提示驾驶人前方为互通出口，欲驶离主线的车辆可在前方允许换道区域提前换道。在允许换道区域终点设置如图3所示的标志，版面文字分两行布设，版面内容为“前方区域禁止换道”,用于警示驾驶人隧道前方路段禁止变换车道。

图2 允许换道标志 下载原图

图3 禁止换道标志

2.2隧道内标志最小识认距离

根据驾驶人在隧道内识认交通标志的行为特性可将标志识读过程划分为以下4个过程：行驶至A点发现前方隧道顶部设置的交通标志，经一定的反应时间后在B点开始识读交通标志中的信息，在C点读完并理解标志中的信息，到达D点时受视域范围影响，交通标志从驾驶人的视野中消失。标志识认过程示意图如图4所示。

图4 标志识认过程示意

为保证驾驶人能够完整、清晰地识读交通标志中的信息，则必须保证驾驶人在标志消失前读完交通标志中的信息，即驾驶人在隧道内标志最小识认距离Smin为：

Smin=L1 L2 (1)

式中：L1为标志识读距离；L2为标志消失距离。

2.2.1标志识读距离L1

驾驶人识读交通标志的过程分为发现、识认2个过程，交通标志作用于人眼的最小时间t1一般为1 s;本文基于UC-winRoad搭建了隧道交通场景，然后通过E-prime软件采集了不同驾驶人在隧道内识认隧道顶部交通标志平均反应时间为2 472 ms,为方便计算本文取t2为2.5 s,标志识读距离L1如式(2)所示：

L1=V3.6(t1 t2)         (2)L1=V3.6(t1 t2)         (2)

式中：V为车辆运行速度(km/h);t1为标志作用于人眼的时间(s);t2为识认反应时间(s)。

2.2.2标志消失距离L2

当悬挂在隧道顶部标志消失时，标志与驾驶人视点的夹角α约为7°,小汽车驾驶人的视点高度一般为1.2 m,故交通标志消失距离L2如式(3)所示：

L2=dtanα         (3)L2=dtanα         (3)

式中：d为交通标志与视点的垂直距离(m);α为视点与隧道顶部交通标志间的夹角。

根据式(2)、式(3)可得，当V=80 km/h时，标志识认距离L1=78 m,标志消失距离L2=39 m,标志识认最小距离Smin=117 m。为保证驾驶人对交通标志的识认效果，在允许换道区域起点前至少117 m范围内保证驾驶员视距通畅。

2.3允许换道区域交通标线设计

在隧道内允许换道区域的路面上施划的可跨越同向车道分隔线一般分为白色虚线和白色虚实结合标线。同向车道分隔线采用白色虚线时，驾驶人看到路面划有白色虚线时可以从容地变换车道，但是在没有分车道、分车型管控的隧道中，右侧车道行驶的车辆也有可能进行换道或者超车，此时会产生交通冲突，不仅降低了驶离主线车辆的换道效率也会给隧道运营安全带来隐患。同向车道分隔线采用白色虚实结合标线时，虚线侧允许车辆跨越，实线侧禁止车辆跨越，在允许换道的区域该方式可以将冲突点转换为合流点，有效提高车辆在允许换道的区域内的换道效率。

目前山区高速公路隧道大多为单洞双车道，未实行分车型、分车道管理，因此本研究中同向车道分隔线拟采用白色虚实结合标线分隔，标线样式如图5所示。标线布设示意图如图6所示。

图5 白色虚实线

单位：cm

3 换道区域最小长度计算

在本文中，换道区域最小长度按照驾驶人识读设置在允许换道区域前端的诱导标志后，进行一次车换道操作所需的距离进行计算。驾驶人换道的过程主要包括等待可插入间隙、判断可插入间隙、调整车辆、向右侧车道横移等4个过程[14]14],换道示意图如图7所示。

图6 标线设计示意

图7 车辆换道示意

3.1等待可插入间隙距离L31

车辆在寻找等待可插入间隙过程中，需要与目标车道上的车辆保持一定的速度差。在换道时，车辆需要先减速至较低速度以等待可插入间隙出现，研究表明，此时车速约为基本路段运行速度的0.76倍[15]。车辆在等待可插入间隙时所行驶的距离L31如式(4)所示：

L31=V313.6t31         (4)L31=V313.6t31         (4)

式中：V31为车辆等待可插入间隙时的运行速度(km/h);t31为等待可插入间隙所需时间(s)。

根据可插入间隙理论可知[16],当驾驶人在确定要变换车道后会继续向前行驶等待可插入间隙，本文选用M3分布描述车辆等待可插入间隙距离。车辆平均等待可插入间隙时间t31为被拒绝的间隙平均长度h与被拒绝的间隙平均个数n¯¯¯n¯的乘积，如式(5)所示：

t31=h¯¯×n¯¯¯=−(tc 1λ)αe−λ(tc−τ) α(τ 1λ)αe−λ(tc−τ)         (5)t31=h¯×n¯=-(tc 1λ)αe-λ(tc-τ) α(τ 1λ)αe-λ(tc-τ)         (5)

式中：tc为车辆临界间隙(s),取值为3.5～4.0 s;τ为车辆处于车队状态行驶时，车辆之间保持的最小车头时距(s),取值为1.0～1.5 s,本研究τ取1.2 s;α为按自由流状态行驶车辆所占的比例，如式(6);λ为特征参数，λ=αq/(1-τq);q为平均到达率(veh/s),q=Q/3 600;Q为不同高速公路服务水平对应的最大服务交通量(veh/h)。

α={1.25−1.13τq, τq>0.221,      其他         (6)α={1.25-1.13τq, τq>0.221,      其他         (6)

3.2驾驶人判断可插入间隙的行驶距离L32

驾驶人等待到插入间隙时需要判断其是否为可插入间隙，其反应时间也约为0.5～4.0 s[16],一般取t32为2.5 s。驾驶人判断可插入间隙过程中，车辆行驶的距离L32如式(7)所示：

L32=V323.6t32         (7)L32=V323.6t32         (7)

式中：V32为判断时的运行速度(km/h);t32为判断是否为可插入间隙所需时间(s)。

3.3驾驶人调整距离L33

当驾驶人确定可插入间隙后，自身车速与目标车道车辆车速有速度差，车辆换道时需与可插入间隙并行，因此车辆需要调整车速与目标车道上的车辆车速一致。假设驾驶人调整过程中车速呈均匀变化，且持续时间大约为2.5 s,驾驶人调整距离L33如式(8)所示：

L33=V0 Vt3.6×2t33         (8)L33=V0 Vt3.6×2t33         (8)

式中：L33为驾驶人调整所需距离(m);V0为调整车位前的运行速度(km/h);Vt为调整完成后的运行速度(km/h);t33为驾驶人调整所需时间(s)。

3.4侧向横移距离L34

当车辆以80 km/h的速度执行换道操作时，汽车转向为5°左右，为简化计算将假设车辆在换道时车辆与车道边缘线所呈夹角为5°,因此车辆侧向横移所需的距离L34如式(9)所示：

L34=Bcot5° (9)

式中：L34为车道向内侧横移所需距离(m);B为车道宽度，取3.75 m。

根据上述公式，取车辆运行速度V=80 km/h,计算得到不同服务水平下车辆的换道距离，如表1所示。

表1 换道行驶距离

允许换道区域的最小长度L3=L31 L32 L33 L34。因此，为保证驾驶人在隧道内能够顺利地变换车道，分别在一、二、三级服务水平下允许换道区域的最小长度分别为164 m、228 m、285 m。

4 交通仿真分析

为分析在隧道洞内设置允许换道区域对隧道至互通路段车辆运行效率、路段交通安全水平的影响，本文以山区某在建高速公路的蓼子隧道至蓼子互通为例建立了Vissim交通仿真模型。蓼子隧道设计速度为80 km/h, 独立双洞，双向4车道，隧道右线全长2 033 m, 隧道出口至互通出口匝道的间距为495 m。本研究充分考虑蓼子隧道线形、明暗适应影响范围等因素后，距隧道出口580 m的路段设置长度为228 m的允许换道区域，通过设置对比实验采集隧道内设置允许换道区域前后驶离主线车辆的行程时间、占有率、延误、排队长度、交通冲突等数据进行分析评价。

4.1构建仿真模型

根据该高速公路各特征年的高峰小时交通量和交通组成等基础数据在Vissim仿真平台上建立仿真模型，仿真模型如图8所示。实验组车辆可以在隧道外以及隧道内允许换道区域进行换道，对照组按照目前隧道管理规定车辆在隧道内不允许换道，只能驶出隧道后进行换道操作。

图8 仿真模型

4.2允许换道区车辆换道效率分析

通过Vissim仿真实验，设置了相应的检测器采集了驶离主线车辆的行程时间、延误、互通路段最大排队长度以及排队车辆停车次数等数据，结果如表2所示。

表2 仿真实验数据

(1)行程时间反映了驶离高速公路主线进入互通出口匝道所需时间的长短，行程时间越短则说明车辆在驶离高速公路主线的过程中效率越高，道路更加通畅。在仿真实验中，隧道进口至互通出口匝道的距离为3 200 m, 从表2中可以看出，在各特征年里实验组的行程时间都小于对照组，因此在隧道内设置换道区域对提高车辆的运行效率，提升高速公路的通行能力有着积极作用。

(2)延误反映了车辆的在实际运行状态下与理想运行状态下行程时间之间的差值，延误时间越长表示车辆在此路段上运行得越不顺畅。在各特征年中，实验组的延误时间均小于对照组，总体而言随着交通量的增加，在隧道内设置换道区域使驶离主线的车辆可以提前变换至右侧车道，对减小车辆延误效果更为明显。

(3)互通出口路段的最大排队长度和排队车辆的停车次数反映了在互通出口路段道路的拥堵水平，平均排队长度越长，排队车辆次数越多则表明在此路段道路拥堵程度越高，交通流运行状态越不稳定。从表2中可以看出，如果只允许车辆在隧道外有限的道路范围内变换车道，随着交通量的增加车辆在互通出口路段排队长度逐渐增加，严重影响高速公路的运行效率。若在隧道内合适的位置设置允许换道区域则可以大幅地减少车辆的排队长度，提高车辆的运行效率。

4.3允许换道区车辆换道安全性分析

为探究隧道内设置允许换道区域前后对高速公路互通出口路段交通安全水平的影响，本文基于交通冲突技术采用Vissim仿真软件对其进行分析。交通冲突是指多个道路使用者在一定时间和空间上接近到一定程度，如果不改变其运行状态就会有发生碰撞危险的现象，在互通路段存在较为集中的换道、合流、分流、交织等驾驶行为，会产生较为密集的交通冲突，因此交通冲突理论可以应用于互通路段交通安全评价。

为客观评价互通出口路段交通安全水平，本文选择交通冲突数TC与路段交通量和互通出口路段长度L的比值即冲突率f作为互通出口路段安全性的评价指标，计算公式如式(10)所示：

f=TCQ×L         (10)f=ΤCQ×L         (10)

式中：TC为交通冲突数(次/(vel·km));Q为交通量(pcu/h);L为互通出口路段长度(km)。

相关研究表明[17],交通冲突率可以很好地反映在实际交通状态下事故率大小，冲突率越高则事故率也越高，因此采用冲突率作为评价互通出口路段的安全水平是科学合理的。通过Vissim仿真实验采集各特征年在隧道洞内设置换道区域前后路段上发生的交通冲突次数，按公式(10)计算得到如表3所示相关实验数据。

表3 交通冲突数据

通过分析表3可以发现，在2022年～2031年，在隧道内设置允许换道区域使部分驶离主线的车辆提前变换至右侧车道不会大幅提高隧道至互通路段的交通冲突率；在2041年交通量较大的情况下，该方案还可以有效地减小交通冲突率，在一定程度上提升路段交通安全水平。

综上所述，在一定的安全水平下，在隧道内设置允许换道区域使驶离高速公路主线的车辆在隧道内提前变换至左侧车道对提升车辆的运行效率、提高高速公路的服务水平有显著的效果。

5 结语

(1)对发生在隧道路段的交通事故进行统计分析发现，在隧道出入口路段交通事故有明显的空间聚集效应，长隧道在入口路段、特长隧道在出口路段交通事故聚集效应最为明显。

(2)基于驾驶员换道特性计算得到在不同服务水平下隧道内设置单向允许换道区域的最小长度。结果表明，在二级服务水平下，预告标志前置距离为117 m, 允许换道区域最小长度为228 m。

(3)以蓼子隧道为例，通过Vissim仿真实验得到在隧道内设置单向允许换道区域能够在一定程度上提高车辆运行效率，减少隧道-互通出口路段的交通冲突。

(4)在工程实践中，本文提出在隧道内设置允许换道区域的方法还需结合每个隧道的自身特性具体分析，并且在隧道内设置允许换道区域对于广大驾驶员来说属于新事物需要进行宣传教育。

参考文献

[1] Hoeksma H,Broeren P T T W,Hennink H,et al.Tunnel Road Design Junction and Near Tunnels in Freeways[C].International Symposium on Highway Geometric Design,Valencia:ISHGD,2010.

[2] Meng Qiang,QU X B.Estimation of Rear-end Vehicle Crash Frequencies in Urban Road Tunnels[ J ].Accidet Analysis & Prevention,2012,48:254:263.

[3] 孙明玲，赵源，葛书芳.双车道高速公路隧道与互通式立交出口最小间距分析[ J ].公路，2014,(7):274-278.

[4] 廖军洪，王芳，邬洪波，等.高速公路互通立交与隧道最小间距研究[ J ].公路，2012,(1):1-7.

[5] 白浩晨，柳银芳.互通式立交出口匝道运行速度过渡段长度研究[ J ].中外公路，2020,40(1):262-267.

[6] 程学庆，罗韧，赖宏智，等.隧道与互通立交安全间距的交通冲突仿真研究[ J ].计算机仿真，2019,36(8):129-132.

[7] 尚婷，盛启锦，白婧荣.基于熵权物元模型的隧道-互通路段安全评价[ J ].科学技术与工程，2019,19(12):333-338.

[8] 刘唐志，白婧荣，聂舒磊，等.基于熵权物元的互通立交出口匝道安全评价研究[ J ].重庆交通大学学报：自然科学版，2019,38(10):95-101.

[9] 邹云，李浩.特殊条件下隧道内设置拓宽变速车道长度研究[ J ].公路交通科技，2013,(1):97-101.

[10] 王婷.城市隧道-互通立交连接段交通诱导信息系统设计[D].武汉：武汉理工大学，2017.

[11] GBT 23828-2009 高速公路LED可变信息标志[S].北京：人民交通出版社，2009.

[12] GB 5768.2-2009 道路交通标志和标线[S].北京：人民交通出版社，2009.

[13] JTG D70-2014 公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[14] Balal E ,Cheu R L .Comparative Evaluation of Fuzzy Inference System,Support Vector Machine and Multilayer Feed-forward Neural Network in Making Discretionary Lane Changing Decisions [ J ].Neural Network World,2018,28(4):361-378.

[15] 马新卫.高速公路出匝车辆车道变换模型及应用[D].天津：河北工业大学，2015

[16] 姚晶，王海君，潘兵宏，等.基于换道模型的高速公路隧道出口与主线分流点最小净距研究[ J ].中外公路，2017,37(4):298-302.

[17] 沈强儒，杨少伟，赵一飞，等.基于交通冲突小间距互通式立交区域安全性评价方法[J].系统工程理论与实践，2015,35(1):160-167.