吴明先，曹骏驹，林宣财，张江洪，王 松

(1. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710075；2. 江苏省交通工程建设局, 江苏 南京 210001)

0 引言

高速公路的交通管理方式影响道路交通的运行特性，目前，我国大部分高速公路均已实施车道限制的管理方式，规定小型车行驶在内侧车道，大型车行驶在外侧车道。在车道限制管理方式下，道路交通运行形成新的交通流特点，由于客货车的限制，各车道不同车型混行的现象有所改善，尤其是在最内侧车道，仅有小型车行驶，故车型间的相互干扰减小，车辆的运行速度明显提升。随着运行速度的提高，对道路几何设计相关指标的要求更高，尤其是与运行速度相关的指标，如停车视距、加减速车道长度等指标。设计时该类指标的运用若不能根据多车道高速公路运行速度的特点进行调整，将造成安全隐患。因此，作为几何设计的重要基础参数之一，需研究高速公路不同车道的运行速度特点和分布规律。

国外研究者们针对道路运行速度的研究多集中于运行速度的预测。Praticò 等人[1]提出一种考虑几何线形特点及各线形要素长度的运行速度预测模型；Gibreel 等人[2]将道路平面圆曲线和纵断面竖曲线综合考虑，建立三维运行速度预测模型，并基于实测数据证明了三维预测模型比二维模型更符合实际交通运行状况；Zuriaga 等人[3]则采用全球定位系统收集处理速度数据，通过校准得到了更加精确的运行速度预测模型；Montella 等人[4]使用高保真动态驾驶模拟器进行了连续速度剖面的试验研究，基于平滑的速度剖面，建立了预测曲线和切线运行速度、运行速度剖面所需的减速率和加速率以及曲线恒速运行起始点和结束点的模型；Hashim等人[5]基于实测数据建立了双车道公路水平曲线和切线的运行速度剖面模型，研究水平曲线前后加减速率的变化特性和与速度之间关系。Fitzpatrick[6]提出当路段运行速度高于道路设计速度时，应采用运行速度分布曲线的第85分位速度进行道路限速。Panagiotis 等[7]研究表明除道路几何条件外，驾驶人因素同样会对车辆运行速度产生影响。Park等人[8]综合考虑了运行速度、道路特征和碰撞特点，结合路径分析方法和相关变量，研究了城市道路运行速度与交通事故之间的联系。

国内研究者们对道路运行速度的研究主要通过大量实测数据分析车辆运行速度的分布规律。裴玉龙等[9]基于大量实测数据对平直路段、曲线路段及纵坡路段85%位车速V85进行统计分析，提出不同路段V85与曲线半径、坡度的关系式；周宏敏等[10]在进行速度数据采集时，将车型纳入统计变量，分析了不同线形组合情况下车辆运行速度的分布特点，并通过统计检验证明断面运行速度符合正态分布；阎莹等[11]基于实测数据对高速公路断面运行车速分布特征展开研究，并提出由车速的累计分布求解特征指标的运行速度求解方法；王晓华等[12]分析了平曲线起中讫三个断面的速度特征，建立了与曲线半径、长度和运行速度相关的回归模型；杨文臣等[13]通过分析车头时距与车速的关系，界定自由流状态的车头时距，建立了小型车与大型车的运行速度预测模型；陈铭等[14]通过实地调查建立了关于多元线性回归模型，研究了道路与环境特征对运行速度的影响；李长城等[15]分析各国道路限速方式，提出以运行速度第85分位值作为基准值，并根据交通状态对基准值修正；付晓宇[16]调查了弯坡组合路段小型车的运行速度，分析了平、纵、横线形组合对运行速度的影响。张驰等[17]在分析高速公路互通式立交单车道出口小客车运行速度实测数据的基础上,得出车辆在出口处的运行规律。

尽管国内外研究者对高速公路的运行速度展开了广泛的研究，但随着我国多车道高速公路的建成与交通管理方式的改进，不同车型、不同车道的运行速度呈现明显差异，以往的研究并未充分考虑这些特点，无论是设计中设计指标的取值还是安全性评价都需要考虑不同车道运行速度的特点，采取合适的指标，保障高速公路的运行安全。本文基于多车道高速车道管理方式，采用实测并分析高速公路不同车道车辆运行速度数据的方法，对不同车型、不同车道的运行速度展开研究，分析现行按车型的车道管理措施下车道限速遵从度，研究限速措施的合理性。此外，寻找不同车道的运行速度分布特点和规律，提出不同车道运行速度推荐值，为相关几何指标的应用和检验提供参考。

1 多车道高速公路车道管理方式调查

多车道高速公路不同车型混合行驶时，由于车型外观尺寸与动力性能的差异及变道行为的存在，增加了车辆间的干扰，存在较高的交通事故风险，且道路通行效率和服务水平低下。根据车型不同实施必要的车道管理，能够减少车辆间的干扰，提高道路通行能力、降低交通事故的发生。早期建设的单向双车道高速公路采用内侧超车，外侧混合行驶的管理方式，目前已不适用于多车道高速公路。现有多车道高速公路的车道管理方式大致按4个方面进行划分：行驶速度、车型大小、客货管理以及出口顺序。根据车道数不同，车道管理方式有所差异，具体如下：

(1)双向6车道

与双向4车道相比，由于双向6车道增加了车道数，提高了车辆行驶的自由度，采用按车型分车道限速的管理方式，第1车道为小客车专行道，第2车道和第3车道为混行车道，客车和货车共同行驶。(图1为示意图，在实施时跟实际情况调整)。

图1 双向六车道高速公路管理方式示意图

(2)双向八车道

与双向六车道相比，车辆行驶自由度更高。双向八车道高速公路的管理方式为第1车道为小客车专用车道，第2车道为大小客车行驶车道，第3车道和第4车道均为客货混行车道，车辆行驶自由度更高。

(3)双向十车道

随着交通量的逐渐增加，目前我国多处道路改建成或拟建成双向十车道(图3)。综合国内双向十车道高速公路的特点，其车道划分为最内侧两车道为小客车专用车道，禁止大型车辆行驶，大型车辆可以在其他车道行驶。

图3 双向十车道高速公路管理方式示意图

综上所述，我国目前实行的车道管理方式为根据交通量以及车型将行车道从左到右依次划分为小客车、中型车、大型车专用车道，以此来限制不同类型车辆在各个车道上的通行权。道路不进行管制时，行驶自由度高，驾驶人可以自由变道来选择较为空闲的车道。理论上无限制的管理方式会使各车道中的交通量趋于一致，但由于客车与货车在车辆尺寸与车辆性能方面存在较大的差异，导致车辆混行的管理方式会对通行效率与交通安全带来负面影响。一方面客车与货车速差较大，客车的行驶速度受到混行货车的限制，无法发挥自身高速行驶的优势。另一方面客车机动性高，为了超越速度较低的货车进行频繁换道；而货车重量大，加减速性能差，紧急制动时减速距离长，容易与客车发生碰撞。因此，多车道高速公路有必要采取上述车道管理方式，以车型为标准划分交通流结构，规范交通流秩序，提高通行效率。通过将行驶速度较低的货车限制在外侧车道，而车速较高的客车行驶在内侧车道，以此减少车道内的速差冲突次数，降低车辆加减速操作频率，保证车辆行驶的畅通，提高了不同车型车辆的运行速度。

2 多车道高速公路运行速度数据采集

2.1 数据采集目的

行车速度是道路规划设计中的重要控制指标。设计速度是道路几何设计的基本依据，而车辆运行速度则体现了车辆在实际路况条件下行驶情况。现阶段，有学者研究时直接采用设计速度的85%作为车辆的运行速度。例如我国《规范》[18]在计算小客车停车视距时，认为车辆在干燥路面上行驶速度高于潮湿路面，因此选取的运行速度为设计速度的85%。但有研究指出，路面的干湿状态不是影响车辆行驶速度的主要因素[19]。此外，在研究设计指标时直接采用折减的速度，有可能导致大多数车辆无法满足安全要求，造成较大隐患。因此，在计算小客车停车视距时运行速度选取值等于设计速度的85%有待进一步验证，需要对多车道高速公路实际运行速度进行调查。

如今新建和改建的高速公路车道数不断增加，多车道实施的车道管理方式不尽相同，根据车型进行分车道限速将使各车道的车速分布存在差异。为了研究多车道高速公路不同车道车辆行驶速度特征，本文将结合实测数据对多车道高速公路的车辆速度特性进行分析，研究现行车道限速的遵从度及合理性，并为视距等指标的计算提供参考。

2.2 数据采集

(1)数据采集地点

所选高速公路单向车道数不应小于2，且采集点应选取在线形指标良好的路段，宜于划分车道位置。进行数据采集时，尽量将测量仪器设置在隐蔽处，如跨线天桥或护栏外侧，保证驾驶人正常的驾驶心态，预防驾驶人出现减速行为，提高数据的真实性[20]。

本文最终选择的采集对象为包茂高速、西安绕城高速以及连霍高速公路，并在两处不同的测量点进行数据采集，分别命名为测点1和测点2。

包茂高速两个测点的断面分别为双向6车道及双向8车道，设计速度120 km/h，其交通管理方式为：3车道最内侧专供小客车行驶，2、3车道为客货混行道；4车道最内侧为小客车专用道，第2车道为大小客车专用道，3、4车道为客货混行道。西安绕城高速为双向5车道高速公路，设计速度120 km/h，其交通管理方式为最内侧专供小客车行驶，2、3车道供客货车行驶。连霍高速断面为双向8车道，设计速度120 km/h，其交通管理方式为：最内侧车道为小客车专用道，第2车道为大小客车专用道，3、4车道为客货混行道。

(2)数据采集设备

数据采集主要采用的测量设备为链式雷达测速仪和测速枪。雷达测速仪利用电波反射原理追踪并记录车辆数据，测量车辆距雷达的位置、速度和长度。雷达放置的位置记为坐标原点，并通过ID来标定不同车辆，每隔50 ms实时反馈测量数据。其检测范围呈扇形，有效范围400 m，设置定位角不超过±15°，保证测量质量[21]。雷达采集数据情况如图4所示。

图4 雷达采集数据

雷达测速枪用来辅助验证链式雷达数据的准确性，通过随机抽取不同车道上的样本数据与链式雷达采集的样本数据进行对比，调整雷达假设角度，实时监测雷达测量准确度。

(3)最小样本量

《交通调查与分析》提供了最小样本量的计算方法(式(1))，数据精确度是决定样本量的首要因素[22]。

(1)

式中,E为车速估计精确度，取1.6 km/h；S为样本标准离差，取6.8；U为统计类型常数，第85分位车速取1.04；K为置信度系数，取值取决于置信度的选择，如表1所示，因实际交通状况的影响导致测量路段样本量较少时，置信度可选取90%计算最小样本量[23]。

表1 置信度系数

(4)数据采集流程

选定数据测量地点后，按要求架设链式雷达并与电脑连接，检查雷达和测速枪能否正常采集数据。进行正式测量前，开启雷达进行仪器调试，根据测速枪测量与雷达测量速度吻合度，调整雷达测量高度和测量角度。与此同时，检查无人机拍摄时间与测量仪器时间是否吻合，调整后将无人机飞至测量路段上空。正式测量开始后，工作人员不定时抽取车辆使用测速枪测量通过速度，对比雷达测量数据保证仪器正常工作。

本研究采集时间为10月至11月，均在每日10:00—17:00内进行，每个测量点最少测量1 h，测量时段选择在主线无拥堵、无事故、交通流为自由流的时段进行[24]。

3 多车道高速公路运行速度分布

3.1 采集数据预处理

链式雷达采集的样本包含时间和位置属性，时间间隔为50 ms。当车辆距离雷达较远时，返回的电波信号微弱，将产生测量误差，表现出的结果为车辆轨迹在较远距离处偏离车道明显，该距离可定义为雷达测量有效长度，超出该长度的数据需要剔除。借助链式雷达数据处理程序剔除错误数据并形成交通流轨迹线。最终得到西安绕城高速测点2测量长度为125 m，包茂高速测点1测量长度为120 m，其余测点的测量长度均为200 m。每个路段最少选取70个车辆的连续测量数据，进行统计学分析。

将雷达测量的车辆位置数据用python进行坐标转换，将驶离雷达架设断面的方向作为X轴，以车辆在横断面的位置作为Y轴，将处理好的数据以散点图的形式绘制在图中(图5)，并按散点分布特性和车道宽度进行车道线的划分。通过车辆轨迹划分图对所测路段提取不同车道的数据，有利于分析多车道高速公路不同车道的交通特性。

图5 车辆轨迹划分示意图

3.2 运行速度数据提取

根据实测数据，将车辆位置属性和速度属性进行匹配，并将其绘制成为轨迹-速度图(图6)。由于篇幅原因，本文仅展示西安绕城高速上测点1和测点2的轨迹-速度图。

从图6中车辆速度分布情况，可得出不同高速公路每条车道上的运行速度范围和车速稳定情况。如图6所示，两个测点的速度变化情况相似，车速按车道分布稳定，第1车道车速分布在70～120 km/h，第2车道车速分布在60～110 km/h，第3车道车速分布在50～80 km/h。因此，该组测量数据可以用来分析该该段绕城高速上不同车道车辆的运行速度分布特征。包茂高速和连霍高速的采集数据分析趋势与绕城高速相同。

图6 分车道车辆行驶速度

3.3 运行速度分布特征

根据上述分析，6处采集点的速度数据可以用来进行运行速度分布特征分析。在每个测点选取一确定断面(固定X值)，提取此断面中的速度数据，6处采集点最终样本量如表2所示。

表2 不同测点断面样本量

使用Origin检验调查的速度样本是否服从正态分布，当样本的离散程度较好且符合大样本条件时可进行最小样本量的计算。对数据进行K-S正态分布检验和行驶速度单样本K-S检验的结果如表3所示[17]。

表3 行驶速度单样本K-S检验结果

检验结果表明除连霍高速测点2以外，其余测点的数据均满足95%置信度下的最小样本量。将连霍高速测点2的置信水平取为90%，P值均大于0.1，即数值在0.1的水平下，数据显著地来自正态分布总体。因此将不同测点的数据绘制为频率分布直方图，并拟合正态分布曲线，绘制累计频率曲线，进而对不同车道的车辆行驶速度V85进行分析。

(1)包茂高速

包茂高速两个测点的不同车道的车辆运行速度分布图如图7、图8所示。

图7 包茂高速测点1断面运行速度分布图

图8 包茂高速测点2断面运行速度分布图

从图7、图8可以看出，包茂高速各车道的实测车辆运行速度分布特点为中间高两边低。总体上看，内侧车道的速度分布比外侧车道更加接近正态分布，速度分布更加集中，可见外侧车道车辆混行造车的速度差异对行驶速度稳定性造成一定的影响。各车道的速度上限与下限均超过规定速度区间，且车道从内到外，速度区间的上限与下限逐渐减小。第1车道的速度频率峰值在110～120 km/h，低于车道最高限速；第2车道的速度频率峰值在110～120 km/h，高于车道最高限速；第3车道的速度频率峰值在80～90 km/h，低于车道最高限速；第4车道的速度频率峰值在80～90 km/h，高于车道最高限速。

将包茂高速2个测点中不同车道的第85分为速度作为V85速度汇总至表4，总体上看包茂高速的V85由内向外依次递减。按车道分析：第1、2车道的V85速度接近或超过车道的最高限速值；第3车道的V85速度略低于最高限速；第4车道的V85速度大于车道的最高限速。按车道数分析：测点2(4车道)内侧第1、2车道的V85速度明显高于测点1(3车道)，可见增加车道数对提高车辆运行速度有一定的正面影响。

表4 包茂高速各车道车辆的V85(单位:km/h)

(2)西安绕城高速

西安绕城高速中测点1和测点2的不同车道的车辆运行速度分布图如下。

从图9、图10可以看出绕城高速两个测点的第1、第3车道的车辆运行速度分布更加接近于正态分布。第2车道中位速度区间频率较低，相比其他两条车道整体上速度分布均匀，表明该车道车速差异明显，说明车辆混行使该车道的行驶速度并不稳定。整体上，各车道的速度上下限同样超过规定的速度区间，并且由内向外逐渐减小。

图9 绕城高速测点1断面运行速度分布图

图10 绕城高速测点2断面运行速度分布图

将西安绕城高速2个测点中不同车道的第85分位速度作为V85速度汇总至表5，总体上看绕城高速不同车道的V85由内向外依次递减。按车道分析：第1车道的V85速度接近或低于车道的最高限速值；第2车道的V85速度超过最高限速；第3车道的V85速度处于最高和最低限速之间。此外，从表5中看出侧点2的V85整体上低于测点1，根据轨迹—速度图分析可知，测点1和测点2的第1、2车道的速度分布区间类似，但测点2的第1、2车道交通量要高于测点1，车辆行驶速度受到影响。

表5 绕城高速各车道V85(单位:km/h)

(3)连霍高速

连霍高速两个测点的不同车道的车辆运行速度分布图如下。

从图11、图12可以看出在连霍高速两个测点的4个车道中，车道越靠近内侧其车速分布就越接近正态分布，同样表明内侧车道的车辆速度分布相比外侧混行车道更加集中。以上6处测点的车速分布情况均说明按车型进行车道管理是保证高速车辆稳定行驶的一种有效控制方式。

图11 连霍高速测点1断面运行速度分布图

图12 连霍高速测点2断面运行速度分布图

将连霍高速2个测点中不同车道的第85分位速度作为V85速度汇总至表6，总体上看连霍高速不同车道的V85由内向外依次递减。按车道分析：第1、2车道的V85速度接近或低于车道的最高限速值；第2车道的V85速度略微超过最高限速；第4车道的V85速度大于最高限速。

表6 连霍高速各车道V85(单位:km/h)

3.4 多车道高速公路运行速度V85推荐值

将上述6个测点不同车道的运行速度V85汇总至表7，从中可以看出3车道高速公路第1车道的运行速度远大于设计速度的85%，接近车道限速120 km/h；第2车道的运行速度虽然低于第一车道的运行速度，但大于设计速度的85%，甚至超过车道限速100 km/h；第3车道的运行速度均未超过设计速度的85%和道路限速100 km/h。对于4车道高速公路，第1、第2车道的运行速度均大于设计速度的85%，在包茂测点2达到车道最高限速；第3车道连霍高速两个测点的运行速度超过了车道最高限速和设计速度的85%；第4车道的运行速度大于车道的最高限速，但未超过设计速度的85%。总体上，运行速度根据车道所在位置，由内向外呈递减趋势，最内侧车道车辆行驶速度最高，最外侧车辆行驶速度最低。

表7 6处测点各车道的V85(单位:km/h)

根据本次调查结果，无论是3车道高速公路还是4车道高速公路，第1、第2车道的运行速度都均超过设计速度的85%，因此当道路运行速度作为控制参数进行取值时，直接取设计速度的85%是不合适的，以此为基础计算得到的设计指标在实际应用中存在一定的安全隐患。根据上文分析，3车道高速公路第1车道的运行速度接近设计速度120 km/h；第2车道的运行速度超过车道限速，速度在110 km/h左右；第3车道的运行速度接近道路限速100 km/h。4车道高速公路的第1、第2车道运行速度均能达到设计速度120 km/h；第3车道的同样达到车道限速100 km/h；第4车道的运行速度超过车道限速，速度在90 km/h左右。综上所述，根据上述分析将多车道高速公路的V85归纳如表8所示(取为整5 km/h)。

表8 设计速度为120 km/h时的V85推荐值(单位:km/h)

此外，根据上述结果分析对车道限速的遵从度进行验证。当高速公路为单向3车道时，第1车道采用120 km/h的限速合适，大多数小客车以限速值附近的速度运行，能够保证车道通行效率；第2车道采用100 km/h的限速偏低，在本次调查中第2车道的车辆运行速度在110 km/h左右，超过车道限速，表明在实际道路条件中限速100 km/h限制了车道的通行能力；第3道限速100 km/h合适，由于车辆混行的影响，大货车行驶速度较低，大多数车辆以限速区间内的速度行驶。对于4车道高速公路，第1、2车道采用120 km/h限速合适，大部分车辆以不超过120 km/h的速度运行，限速120 km/h一方面根据线形条件保证了车辆的行驶安全，另一方面保证车道的通行效率；第3车道采用100 km/h限速偏低，虽然客货运行降低了该车道的车辆行驶速度，但在本次调查中，车辆运行速度大多超过100 km/h；第4车道限速80 km/h偏低，除高速公路出入口之外，第4车道只有大货车行驶，交通组成单一，大货车动力性能较好时，能以较高速度运行，本次调查第4车道第85分位特征值均超过车道限速，但出于对大货车减速性能的考虑，为保证道路行驶安全，可对该车道限速不做调整，甚至进一步加强车道限速措施。

4 结论

随着交通需求的增长，多车道高速公路的建设逐渐成为趋势。然而车道数的增加使道路的交通流特性有别于传统双车道高速公路。为了分析多车道高速公路在车道管理方式下的运行速度分布特性，本文首先对我国现阶段多车道高速公路的交通管理方式进行调查，随后基于西安市6处多车道高速公路的实测数据，对不同车道的车辆运行分布特性进行分析，并给出120 km/h设计速度下的不同车道的运行速度推荐值。研究结论如下：

(1)通过K-S正态分布检验，实测的每条车道的车辆速度服从正态分布，并将实测速度数据累计分布曲线的第85分位速度作为车辆运行速度V85。

(2)车道由内而外，其运行速度由内向外递减。第1、第2车道的运行速度都均超过设计速度的85%，第1车道的运行速度甚至超过道路设计速度。所有车道的运行速度均能达到或超过自身车道限速。

(3)调查结果表明分车型的车道管理方式是保证高速车辆稳定行驶的有效措施；增加车道数对提高内侧车道的运行速度具有正面影响；外侧车道车辆混行导致行驶速度并不稳定。此外，基于本次调查结果，当设计速度为120 km/h时，3车道高速公路第2车道与4车道高速公路第3车道限速偏低，该结论可供车道限速措施参考。

(4)基于实测数据分析，提出多车道高速公路不同车道合理的运行速度建议值，为相关几何指标的计算提供依据。

(5)本文实测数据仅调查了西安周边交通情况，下一步研究将扩大调查范围，并将道路的交通量状况纳入分析条件。此外，不同设计速度下的高速公路由于线形指标存在差异，对于车辆的运行速度也存在一定的影响，在接下来的研究中，研究重点将包括不同设计速度高速公路运行速度对比分析，进一步研究多车道高速公路的运行速度特点。