高速公路小客車超越鉸接列車實(shí)時(shí)速度的變化特征

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(1. 齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司青臨分公司， 山東 濰坊 262517； 2. 濟(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250022； 3. 山東交通學(xué)院 濟(jì)南北方交通工程咨詢監(jiān)理有限公司， 山東 濟(jì)南 250023)

受鉸接列車逐漸成為公路運(yùn)輸主流車型的影響，高速公路交通流的超車行為也不斷發(fā)生變化。超車是指后方車輛為了達(dá)到預(yù)期的行駛速度，在滿足超車條件的情況下通過(guò)快速車道進(jìn)行左側(cè)超車的過(guò)程，后車應(yīng)安全可靠地完成跟馳、車道變換、加速和并道等操作[1]。在超車的過(guò)程中， 存在側(cè)向刮擦和追尾碰撞等風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)外有研究[2]表明，60%以上的交通事故與超車有關(guān)，因此，針對(duì)超車過(guò)程開展深入研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

換道的主要目的是超車，分析超車過(guò)程中駕駛?cè)说牟僮魈匦砸约败囕v運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能夠?yàn)轳{駛?cè)顺嚹Ｐ偷木_控制提供參考[3]。相關(guān)研究主要集中在用理論分析、仿真軟件等手段建立超車模型[4-6]。關(guān)于超車過(guò)程中的換道模型，如國(guó)外學(xué)者提出了吉普斯跟車換道模型(GIPPS)、麻省理工仿真模型(MITSIM)、斯塔斯跟車換道模型(SITRAS)和通道交通仿真模型(CORISM)等經(jīng)典換道模型[7]，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了換道時(shí)的安全距離[8]、超車過(guò)程的車頭間距[9-10]及利用駕駛模擬器對(duì)超車過(guò)程分析[11]和安全評(píng)估[12]等。此外，文獻(xiàn)[13]中利用高速公路全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(jù)分析識(shí)別駕駛行為，對(duì)超車開始時(shí)的行駛速度分布頻率、超車時(shí)長(zhǎng)、超車距離進(jìn)行了分析。在超車過(guò)程中，駕駛?cè)送ǔ?huì)提高車速，但是往往加速度不大，且低速時(shí)換道的隨意性大。目前，相關(guān)的研究都較少對(duì)超車過(guò)程的速度變化進(jìn)行深入分析，缺乏定量化描述，不利于降低超車過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)及提高行車舒適性[14]。

從全國(guó)公路貨運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，公路貨運(yùn)車輛向重型化方向發(fā)展趨勢(shì)明顯[15]，2017年底，牽引車和半掛車保有量占全國(guó)載貨汽車總量的30.6%。牽引車和半掛車組合而成的鉸接列車逐漸成為公路貨運(yùn)的主流車型之一。鉸接列車的外廓尺寸、載重量相對(duì)較大，而其動(dòng)力性能和制動(dòng)性能[16-17]則偏弱。這種公路交通組成的變化也對(duì)交通流中超車行為產(chǎn)生重要影響。

本文中以當(dāng)前安全問(wèn)題相對(duì)突出的六軸鉸接列車為被超車型，對(duì)小客車超車過(guò)程的速度變化規(guī)律進(jìn)行研究。鑒于鉸接列車的動(dòng)力性能普遍較弱且遠(yuǎn)差于小客車，因此假定在小客車超越鉸接列車的過(guò)程中，小客車能夠與鉸接列車保持穩(wěn)定的速度差，超車時(shí)機(jī)的選擇和超車時(shí)長(zhǎng)不受鉸接列車行駛速度的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)駕駛?cè)说倪x擇。駕駛?cè)说男詣e、經(jīng)驗(yàn)及性格等個(gè)人心、生理因素通常會(huì)影響駕駛行為。為了減小該影響，本試驗(yàn)的駕駛?cè)斯?人，均為男性，具有5年以上實(shí)際駕齡，年齡為30～40周歲，且具有長(zhǎng)期在高速公路行車的經(jīng)驗(yàn)。

2)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集采用VBOX III數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，外接GPS、視頻記錄儀、超車行為記錄儀等。數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz。

3)實(shí)驗(yàn)路段的選擇。選取G25高速公路青臨段，路段全長(zhǎng)203 km，整體線形條件較好。交通組成中，六軸鉸接列車占有較大的比例。

4)實(shí)驗(yàn)車型的選擇。實(shí)驗(yàn)車型為普通小客車。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)車按照高速公路標(biāo)志、標(biāo)線等的要求行駛，駕駛?cè)烁鶕?jù)交通流情況、行駛車速等正常選擇超車時(shí)機(jī)，不施加任何人工干預(yù)。

1.2 試驗(yàn)方法

以六軸鉸接列車為被超車輛，其中包括罐車、廂式貨車和普通欄板貨車等。根據(jù)GB 1589—2016《汽車、 掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值》要求， 鉸接列車的最大長(zhǎng)度限值為17.1 m， 最大寬度限值為2.55 m。 常見鉸接列車長(zhǎng)度一般為16.8 m，寬度為2.5 m，其外廓尺寸一般遠(yuǎn)大于普通貨車或小客車，會(huì)對(duì)超車過(guò)程產(chǎn)生較大的影響。

超車過(guò)程按換道—超車—駛回原車道的程序進(jìn)行。其中，超車開始時(shí)刻按左轉(zhuǎn)燈點(diǎn)亮并車輛開始左轉(zhuǎn)計(jì)，超車結(jié)束時(shí)刻按右轉(zhuǎn)燈熄滅并車輛開始在原車道正常行駛計(jì)。以超車過(guò)程中無(wú)其他車輛干擾，單次超越1輛六軸鉸接列車的情景作為一次有效的超車行為，一次超越多輛汽車或超車后未及時(shí)返回原行駛車道等的情景不在本文的研究范圍之內(nèi)。本試驗(yàn)共得到小客車超越六軸鉸接列車的有效超車樣本27個(gè)。

2 速度特性分析

2.1 整體特性分析

對(duì)數(shù)據(jù)樣本中小客車超車行為開始時(shí)刻的初速度和超車平均速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出：超車初速度主要分布在70～110 km/h，其中占比最大的是速度為90～100 km/h，共有8次超車行為，占所有超車樣本的29.6%；其次，在速度為80～90、100～110 km/h時(shí)，分別有7次超車行為發(fā)生。

從超車平均速度的分布來(lái)看，有進(jìn)一步向80～100 km/h范圍的區(qū)段集中的趨勢(shì)。其中平均速度在80 ～<90 km/h共發(fā)生8次超車行為，90～100 km/h段共發(fā)生10次超車行為，因此，分段統(tǒng)計(jì)得到的小客車超車初速度與超車平均速度均呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布特征，符合交通流理論中速度分布的基本特性，相關(guān)樣本對(duì)描述小客車的超車行為具有一定的代表性。

圖1 小客車超車時(shí)的初速度和超車平均速度的分布

小客車超車初速度與超車平均速度的關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，樣本中共有17次超車行為的超車平均速度大于超車初速度，占樣本總量的63%，與文獻(xiàn)[3]中對(duì)超車過(guò)程中車輛行駛速度通常增大，但加速度不大的論述具有一致性。

圖2 超車初速度與超車平均速度的關(guān)系

對(duì)17次超車行為進(jìn)行單獨(dú)提取，得到各次超車在各超車時(shí)刻的速度變化情況，如圖3所示。圖中各條速度曲線右側(cè)的數(shù)字表示實(shí)驗(yàn)中該次超車行為對(duì)應(yīng)的編號(hào)。其中，9、53、52、34號(hào)等超車過(guò)程中，小客車的行駛速度持續(xù)增大，其他超車過(guò)程小客車的行駛速度基本上保持先增大、后有一定程度減小的變化規(guī)律。

圖中數(shù)字為樣本編號(hào)。圖3 超車過(guò)程中小客車速度的變化

2.2 超車速度變化規(guī)律

為了進(jìn)一步研究超車過(guò)程的速度分布特征，以超車初速度為0對(duì)樣本小客車的超車速度進(jìn)行歸集化處理，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，超車過(guò)程中小客車速度整體上呈現(xiàn)先增大后減小的波峰式的變化趨勢(shì)。

圖中數(shù)字為樣本編號(hào)。圖4 歸集化處理后的超車過(guò)程速度分布

提取各超車時(shí)刻小客車的速度樣本構(gòu)建小客車行駛速度集。分析該速度集，統(tǒng)計(jì)各超車時(shí)刻小客車的速度均值，得到各時(shí)刻小客車速度均值的分布散點(diǎn)圖，如圖5所示。從圖中可以看出：小客車的超車初速度一般快于超車完成后返回原車道繼續(xù)行駛的速度(即超車完成速度)；同時(shí)，隨著超車時(shí)間的延長(zhǎng)，超車完成速度的降低也越加明顯，但是相應(yīng)的樣本量也越少，超車時(shí)長(zhǎng)大于25 s的樣本僅占總樣本的18.5%。

圖5 各超車時(shí)刻速度均值的變化趨勢(shì)

對(duì)各超車時(shí)刻速度均值的變化趨勢(shì)進(jìn)行曲線擬合，并考慮超車初速度v0，得到小客車超越六軸鉸接列車時(shí)超車時(shí)刻t與超車速度v之間的函數(shù)關(guān)系，

v=v0-0.002t3+0.047 8t2-0.111 3t+0.459 5，

(1)

式中：v0為超車開始時(shí)的初速度，km/h；t為超車時(shí)刻，以開始超車時(shí)刻為0，s；v為某超車時(shí)刻t對(duì)應(yīng)的小客車可能的實(shí)時(shí)速度，km/h。

該模型相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.936 5，表明各超車時(shí)刻t與樣本對(duì)應(yīng)時(shí)刻的速度數(shù)據(jù)均值存在較強(qiáng)的相關(guān)性，可以在一定程度上預(yù)測(cè)超車時(shí)刻t時(shí)小客車的實(shí)時(shí)速度。

3 超車速度模型的驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證式(1)的可靠性，以建模數(shù)據(jù)樣本所在的高速公路為例，在相同的試驗(yàn)設(shè)備和道路環(huán)境條件下再次對(duì)小客車超越鉸接列車過(guò)程的速度進(jìn)行實(shí)測(cè)，取小客車超越鉸接列車前5個(gè)有效樣本為模型驗(yàn)證的實(shí)例，其速度變化如圖6所示。

圖中數(shù)字為樣本編號(hào)。圖6 驗(yàn)證試驗(yàn)中前5個(gè)超車樣本的速度分布

樣本中共有2次超車行為的超車平均速度大于超車初速度，符合式(1)的適用條件，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)速度對(duì)比如圖7所示。

圖中數(shù)字為樣本編號(hào)。圖7 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)速度對(duì)比

利用相對(duì)誤差指標(biāo)對(duì)驗(yàn)證樣本的式(1)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見圖8。從圖中可以看出，驗(yàn)證樣本的模型計(jì)算值最大相對(duì)誤差為4.5%，能夠滿足小客車行車速度估算的要求。

圖中數(shù)字為樣本編號(hào)。圖8 模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差分析

4 結(jié)論

鉸接列車已經(jīng)成為高速公路貨物運(yùn)輸?shù)闹髁鬈囆椭?。本文中通過(guò)研究小客車超越六軸鉸接列車過(guò)程的速度變化特征，建立了超車時(shí)刻與小客車實(shí)時(shí)速度的函數(shù)關(guān)系，基本實(shí)現(xiàn)了超越鉸接列車過(guò)程的小客車速度的定量化描述，可以為高速公路其他超車過(guò)程研究提供參考。通過(guò)對(duì)超車過(guò)程的定量分析，能夠?yàn)槌囘^(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供決策支持。