“二十四道拐”盤山公路車輛行駛軌跡研究

陳柳曉, 唐伯明, 張 勃, 向 浩

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 馬蒂亞斯國際設(shè)計(jì)學(xué)院，重慶 400074)

“二十四道拐”盤山公路憑借其特殊的時(shí)代背景及巧奪天工的線形設(shè)計(jì)享譽(yù)國內(nèi)外。二戰(zhàn)時(shí)其與滇緬公路、中印公路及“駝峰航線”共同組成了中國抗戰(zhàn)的交通運(yùn)輸生命線。學(xué)者們通過對“二十四道拐”盤山公路的歷史底蘊(yùn)、文化內(nèi)涵、人文情懷進(jìn)行研究[1-9]，賦予了這條抗戰(zhàn)公路以鮮明的形象。其別具一格的展線方式及確保車輛行駛安全的能力同樣值得學(xué)界深入研究。

筆者基于對“二十四道拐”盤山公路線形數(shù)據(jù)勘察和研究的背景，應(yīng)用UC-win/Road仿真軟件模擬了“二十四道拐”盤山公路真實(shí)場景。通過駕駛模擬分析車輛在“二十四道拐”盤山公路彎道路段的行車軌跡變化規(guī)律和行駛沖突區(qū)域，以驗(yàn)證“二十四道拐”盤山公路的行車安全性。

1 行駛軌跡對行車安全影響

車輛行駛軌跡是探究行車安全性的重要參數(shù)，該參數(shù)可用于表征車輛行駛過程中的駕駛行為和運(yùn)行狀態(tài)[10-12]。行駛過程中，駕駛員根據(jù)不同道路條件、交通狀況、身體特性及車體性能，采取不同的行駛路線。在各類因素的綜合作用下，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際行駛軌跡與公路設(shè)計(jì)者所期望的線形軌跡不協(xié)調(diào)等情況出現(xiàn)。因此，駕駛員通常采用減速或者占據(jù)對向車道行駛以彌補(bǔ)車輛在轉(zhuǎn)彎過程中產(chǎn)生的離心加速度，達(dá)到將車輛調(diào)整至駕駛員所期望的軌跡。

“二十四道拐”盤山公路受地形地質(zhì)等因素限制，各彎道線形指標(biāo)采用極限值甚至超出極限值情況，全線存在多處急彎陡坡、視距受限等安全隱患。我國公路線形設(shè)計(jì)指標(biāo)是根據(jù)設(shè)計(jì)速度計(jì)算而得。針對盤山公路這一特殊案例，當(dāng)超限指標(biāo)若無法滿足行車安全性，或駕駛員期望行駛特征無法與公路線形相一致時(shí)，容易誘發(fā)車輛碰撞、側(cè)翻、翻落懸崖等惡性交通事故[13-14]。因此，筆者分析了“二十四道拐”盤山公路線形設(shè)計(jì)能否滿足駕駛員所期望的行駛軌跡展線，連續(xù)彎坡組合能否有效引導(dǎo)車輛通行，這是評價(jià)“二十四道拐”行車安全性重要的依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 UC-win/Road軟件

UC-win/Road是一款實(shí)時(shí)虛擬顯示軟件。通過電腦操作，能制作出如同身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)場景(Virtual-Real)，從而為工程設(shè)計(jì)、施工和道路安全評估提供有力的技術(shù)支持[15]。

UC-win/Road的基本功能是利用簡單操作生成公路、隧道、橋梁、河流、海洋、飛行路徑等多種現(xiàn)實(shí)交通場景。通過輸入道路平面線形、縱斷面線形、定義斷面形式、設(shè)置挖填方及材質(zhì)、設(shè)置交通流及天氣、模擬信號(hào)燈及道路障礙物等操作，可有效地實(shí)現(xiàn)道路仿真。

筆者利用UC-win/Road中的“LogPlugin.bpl”插件獲得仿真數(shù)據(jù)。該插件主要功能是將駕駛車輛、駕駛車輛前方車輛和其他移動(dòng)對象的信息通過csv文件、UDP流文件形式輸出LOG數(shù)據(jù)表。LOG輸出的開始和結(jié)束可手動(dòng)或與場景同步，在完成駕駛模擬后，LOG數(shù)據(jù)表自動(dòng)保存至安裝文件夾，所得文件可以通過Excel表格打開。

2.2 GMC十輪大卡

“二戰(zhàn)”時(shí)期，“二十四道拐”盤山公路上運(yùn)輸援華戰(zhàn)略物資的載重貨車為美式GMC十輪大卡(圖1)。GMC十輪大卡基本參數(shù)為：GMC軍方編號(hào)為CCKW-353，長度為6.93 m，寬度為2.32 m，高度為2.24～2.80 m，驅(qū)動(dòng)引擎采用GMC270型4.4 L 6缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出功率最大為76.5 kW，最高行駛速度可達(dá)71 km/h，最大行駛里程為385 km。該車型爬坡性能良好，載重標(biāo)準(zhǔn)為2.5 t，即使托載兩倍載重能力的大炮和8 t重炮彈時(shí)，仍能飛馳向前。

圖1 GMC十輪大卡Fig. 1 GMC truck

筆者在仿真模擬時(shí)，依據(jù)GMC十輪大卡的性能參數(shù)設(shè)計(jì)了仿真車輛，用以還原“二戰(zhàn)”時(shí)期援華物資在“二十四道拐”盤山公路上的行駛場景，如圖2。

圖2 GMC十輪大卡仿真車型Fig. 2 Simulation model of GMC truck

2.3 仿真場景建立

筆者多次前往貴州晴隆縣對“二十四道拐”盤山公路線形參數(shù)及所處地形地貌進(jìn)行勘察，并獲得全線近4km的線形數(shù)據(jù)，共克服高差265 m，包括24個(gè)回頭曲線，最小圓曲線半徑8.125 m(第11拐)、最大縱坡14.7%(第6拐)。將獲得的“二十四道拐”盤山公路基本線形參數(shù)輸入到UC-win/Road中，并在對應(yīng)位置處設(shè)立擋土墻、涵洞、排水溝、路標(biāo)及道路附屬物，最終建立的仿真場景如圖3。

圖3 “二十四道拐”盤山公路仿真效果Fig. 3 Simulation renderings of “24-zigs” mountain road

2.4 實(shí)驗(yàn)方案

利用UC-win/Road實(shí)現(xiàn)“二十四道拐”盤山公路3D建模后，筆者通過交通系統(tǒng)仿真研究了GMC十輪大卡在“二十四道拐”上的行駛特性。車型選用重貨車，并設(shè)置其在“二十四道拐”盤山公路上的交通流情況。本實(shí)驗(yàn)所用樣本容量為60，即共記錄60組車輛行駛數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)分為上、下行兩部分，完成60輛仿真車輛上行方向模擬駕駛后，進(jìn)行下行方向模擬駕駛。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖4。

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)流程Fig. 4 Simulation experiment process

為較好地描述整條公路彎道路段行駛軌跡特性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用斷面觀測法，即在完成所有實(shí)驗(yàn)車輛駕駛模擬后所得的LOG報(bào)告中篩選出每個(gè)彎道特定位置的觀測斷面。觀測斷面所截的行駛軌跡點(diǎn)與道路中心線橫向距離反應(yīng)該特征點(diǎn)的空間位置。因“二十四道拐”盤山公路修筑時(shí)并沒有緩和曲線概念，因此選擇斷面不包含傳統(tǒng)的ZH(直緩)、HY(緩圓)等點(diǎn)。為便于實(shí)驗(yàn)研究，筆者結(jié)合“二十四道拐”盤山公路實(shí)際情況在各個(gè)彎道上選取7個(gè)橫斷面數(shù)據(jù)，分別定義為A點(diǎn)(位于直線段駛?cè)雸A曲線前)、ZY點(diǎn)(直線段與圓曲線相接處)、B點(diǎn)(ZY與QZ的中點(diǎn))、QZ點(diǎn)(圓曲線中點(diǎn))、C點(diǎn)(AQ與YZ的中點(diǎn))、YZ點(diǎn)(圓曲線與直線段相接處)、D點(diǎn)(位于圓曲線駛出后所接直線段上)，將道路中心線定為基準(zhǔn)線，各觀測點(diǎn)間距相同，具體觀測斷面布置如 圖5。

圖5 觀測斷面布置Fig. 5 Observation cross-section layout

為簡化數(shù)據(jù)與分析，筆者作如下說明：① 車輛在行車方向右側(cè)車道上行駛，分別對上、下行的觀測斷面進(jìn)行編號(hào)，其順序與行駛方向相一致，如圖6；② 行車軌跡由車輛行駛過程中重心位置連接所得的線形軌跡表征，并觀測重心線形軌跡與基準(zhǔn)線(道路中心線)間的偏移情況；③ 無論上、下行方向，車輛向道路中心線左側(cè)偏移時(shí)，偏移量記為“負(fù)值”，向右側(cè)偏移時(shí)，記為量取“正值”；④ 借鑒道路設(shè)計(jì)一致性評價(jià)中應(yīng)用85%位車速作為特征值這一措施[16]，選取第85%位行駛軌跡偏移量作為特征值，以分析上、下行方向各彎道路段不同觀測點(diǎn)的行車軌跡分布規(guī)律；⑤ 考慮總體數(shù)據(jù)量較大，筆者僅選取半徑為12 m以下的彎道(第7～19拐)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將上、下行方向數(shù)據(jù)再分為左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎兩類。

圖6 觀測斷面編號(hào)示意Fig. 6 Numbering indication of observation cross-sections

3 彎道路段車輛行駛軌跡變化規(guī)律

3.1 上行方向行駛軌跡變化

仿真車輛行駛軌跡變化規(guī)律見圖7，行駛軌跡在各彎道第85%位橫向偏移量見表1。

圖7 上行車輛行駛軌跡第85%位橫向偏移量Fig. 7 85% lateral deviation of upstream vehicle driving trajectory

由圖7可見：試驗(yàn)車輛上行過程中經(jīng)過各彎道時(shí)，行駛軌跡橫向偏移情況基本呈現(xiàn)同一趨勢。車輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)，入彎至出彎過程呈現(xiàn)“左偏-右偏”，即車輛駛?cè)雸A曲線路段后產(chǎn)生橫向偏移，在圓曲線路段內(nèi)由“偏向?qū)ο蜍嚨馈鞭D(zhuǎn)為“偏向自身車道”，出彎時(shí)保持一定橫向偏移，上行車輛左轉(zhuǎn)彎過程中總體偏移量較小，均可在自身車道內(nèi)完成轉(zhuǎn)向；車輛右轉(zhuǎn)彎時(shí)，入彎至出彎過程呈現(xiàn)“右偏-左偏”，入彎段橫向偏移量較小，在圓曲線路段內(nèi)大幅度偏向左側(cè)(對向車道)，其中在第7、9、11、13拐處橫向偏移量較大，駛出彎道后同樣有較大橫向偏移量。

上行車輛轉(zhuǎn)彎過程動(dòng)態(tài)行駛過程總體呈現(xiàn)為由向彎道內(nèi)側(cè)偏移轉(zhuǎn)為向外側(cè)偏移。橫向偏移量與半徑值呈反比，圖7(a)中第11拐橫向偏移幅度顯著大于其余彎道路段，觀測斷面4～5的橫向偏移量差值達(dá)172.29 cm。該處彎道半徑為全線最小值(8.125 m)，最大縱坡可達(dá)13.64%。極限彎坡組合導(dǎo)致駕駛員在轉(zhuǎn)彎過程中離心力加大，需時(shí)刻保持警惕和低速。

3.2 下行方向行駛軌跡變化

仿真車輛行駛軌跡變化規(guī)律見圖8，行駛軌跡在各彎道第85%位橫向偏移量見表2。

圖8 下行車輛行駛軌跡第85%位橫向偏移量Fig. 8 85% lateral deviation of downstream vehicle driving trajectory

由圖8可見：試驗(yàn)車輛下行過程中經(jīng)過各彎道時(shí)，行駛軌跡橫向偏移情況基本呈現(xiàn)同一趨勢。車輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)，入彎至出彎過程呈現(xiàn)“向左偏移”的趨勢，入彎時(shí)橫向偏移量較小，但出彎時(shí)橫向偏移量發(fā)生突變，由“在自身車道內(nèi)行駛”轉(zhuǎn)為“偏向?qū)ο蜍嚨馈?，?、10拐出彎時(shí)該現(xiàn)象顯著；車輛右轉(zhuǎn)彎時(shí)，入彎至出彎過程呈現(xiàn)“左偏-右偏”，即車輛駛?cè)雸A曲線路段后由左偏轉(zhuǎn)為右偏，出彎時(shí)保持一定的橫向偏移，總體偏移量較小，車輛均可在自身車道內(nèi)完成轉(zhuǎn)向。

下行車輛轉(zhuǎn)彎過程的動(dòng)態(tài)行駛過程總體呈現(xiàn)為由向彎道外側(cè)向內(nèi)側(cè)偏移。車輛在第10拐處出彎時(shí)橫向偏移幅度顯著大于其余彎道，觀測斷面4～6的橫向偏移量差值達(dá)157.07 cm。該處彎道半徑為10.40 m，最大縱坡達(dá)13.17%。此外，這一彎道與其垂直方向?qū)?yīng)彎道(第13拐)高差為8.44 m，車輛行駛過程中需通過減速減小離心力、爬坡及上方彎道影響。

4 彎道路段行車沖突區(qū)域分析

“二十四道拐”盤山公路因位處埡口地段，受地形限制存在轉(zhuǎn)彎半徑、行車視距與路段的運(yùn)行速度不匹配情況?；谏鲜鰧Α岸牡拦铡北P山公路行車特性分析可知：車輛通過小半徑彎道路段時(shí)，會(huì)采取占用對向車道實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，由此保證其行車安全和較高運(yùn)行效率。這一行為將導(dǎo)致雙向車道內(nèi)行駛軌跡出現(xiàn)相交區(qū)域，亦即行駛軌跡沖突區(qū)域[17]。對向車輛行駛軌跡相交易誘發(fā)車輛刮擦、碰撞甚至翻車等嚴(yán)重事故。

4.1 上、下行方向行駛軌跡對比

通過分析車輛上、下行過程中各觀測斷面的行駛軌跡規(guī)律，獲得各彎道行車沖突區(qū)域。為表征最不利行車沖突情況，提取各觀測斷面最大偏移值進(jìn)行分析，下行方向各斷面編號(hào)轉(zhuǎn)與上行方向?qū)?yīng)，以下分析過程中斷面編號(hào)以上行方向?yàn)橹鳌?/p>

由彎道路段車輛行駛軌跡變化規(guī)律可知：車輛在第7、8、9、10、11、13拐處上下行駛時(shí)存在較大偏移量。筆者統(tǒng)計(jì)這6拐處的各觀測斷面最大偏移量如表3，通過對比這6拐處上、下行方向各個(gè)斷面行駛軌跡偏移量，得到各拐處上、下行方向的最大偏移量變化曲線如圖9，從而分析行駛軌跡沖突區(qū)域。

表3 各彎道最大橫向偏移量 Table 3 The largest lateral deviation of each curve cm

圖9 各彎道最大橫向偏移量Fig. 9 The largest lateral deviation of each curve

由圖9(a)、(b)可看出：小半徑彎道中，車輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)位于入彎路段的沖突較大，從觀測斷面1開始，對向行駛的車流逐漸相交，通過斷面3后兩車流再次回到自身車道，其中斷面2處上、下行方向車流沖突最大。由圖9(c)～(f)可知：車輛右轉(zhuǎn)彎時(shí)位于出彎路段沖突較大，由斷面4起，雙向車流逐漸相交，通過斷面6后兩車流再次回到自身車道，其中第7、9、11拐斷面5處上、下行方向車流沖突最大，第13拐觀測斷面6處上行方向與下行方向車輛存在的沖突較大。

4.2 “二十四道拐”盤山公路行車沖突區(qū)域分析

基于對“二十四道拐”盤山公路各彎道路段行車軌跡規(guī)律分析，當(dāng)雙向行駛車輛在同一斷面產(chǎn)生橫向偏移時(shí)，第10、11拐兩彎對向車流交織情況最為不利。因此，選取第10、11拐橫向偏移數(shù)據(jù)繪制上、下行方向車輛行駛軌跡線，如圖10。

圖10 彎道路段車輛行駛軌跡示意Fig. 10 Driving trajectory indication of vehicle in curved section

通過雙向車輛行駛軌跡示意，可獲得對向交通流沖突區(qū)域(圖11)。

圖11 彎道行車沖突區(qū)域示意Fig. 11 Indication of conflict zones on curved roads

根據(jù)圖11可知：上、下行方向?qū)?yīng)的行車沖突區(qū)域存在差異。以左轉(zhuǎn)彎為例，上行方向?qū)ο蜍囕v的主要沖突區(qū)域位于斷面1、2，即車輛初始入彎道時(shí)容易與對向車輛產(chǎn)生軌跡交叉；下行方向?qū)ο蜍囕v的主要沖突區(qū)域位于斷面2、3，即部分車輛駛?cè)雸A曲線時(shí)，占用對向車道完成轉(zhuǎn)向。而大部分車輛基本能在自身行駛車道內(nèi)完成轉(zhuǎn)彎。

“二十四道拐”盤山公路修筑于“二戰(zhàn)”時(shí)期，修路過程存在勘測手段有限、筑路器械匱乏、爆破火藥短缺、人力資源不足等問題；再加之該路地處晴隆山與磨盤山之間的埡口地帶，地形復(fù)雜且展線困難。因此，就地選線“二十四道拐”是當(dāng)時(shí)最為妥善的方案。在諸多不利因素作用下，該公路線形設(shè)計(jì)與車輛行駛軌跡實(shí)現(xiàn)最大程度契合，盡可能地為確保戰(zhàn)時(shí)物資及時(shí)運(yùn)至前線，為抗戰(zhàn)勝利爭取了寶貴的時(shí)間。

5 結(jié) 論

1)采用UC-win/Road模擬駕駛行為，分析了車輛在“二十四道拐”盤山公路上的行駛軌跡特性。全線大部分彎道能實(shí)現(xiàn)車輛在自身車道內(nèi)完成轉(zhuǎn)彎。第7～11、13拐處其橫向偏移量相對較大。其中，第10、11拐線形指標(biāo)超出設(shè)計(jì)規(guī)范極限值，其側(cè)向位移分別達(dá)172.29、157.07 cm。

2)由行駛軌跡特性可明確各彎道路段行車沖突區(qū)域。上行行車入彎直線段，下行行車出彎圓曲線段，對向車輛發(fā)生沖突可能性較大。駕駛員在通過這兩處彎道時(shí)，需時(shí)刻保持警惕，注意對向來車并控制自身行駛速度。

3)筆者結(jié)合前期對“二十四道拐”盤山公路線形設(shè)計(jì)一致性分析及事故預(yù)測，證明了當(dāng)線形設(shè)計(jì)采用極限指標(biāo)及超限指標(biāo)時(shí)，“二十四道拐”盤山公路能較好保證戰(zhàn)時(shí)援華物資運(yùn)輸車輛的行車安全，能為現(xiàn)階段山區(qū)高速公路修筑提供設(shè)計(jì)啟示和技術(shù)借鑒。