跟馳行為對道路通行能力的影響分析

摘 要：駕駛?cè)说鸟{駛經(jīng)驗(yàn)差異不僅導(dǎo)致跟馳行為的差異，也對道路通行能力產(chǎn)生影響。將試驗(yàn)車采集的跟馳數(shù)據(jù)按非專業(yè)、專業(yè)駕駛?cè)撕投嚨?、三車道車道?shù)分為四類，將觀測數(shù)據(jù)按相關(guān)公式轉(zhuǎn)換成所需數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)的速度分布情況發(fā)現(xiàn)車道數(shù)的增加削弱了兩類駕駛?cè)说牟町?，對兩種車道數(shù)情況下的車輛間距進(jìn)行雙樣本K-S檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩類駕駛?cè)说能囕v間距在0.05水平下具有顯著差異，進(jìn)一步提出基于速度的駕駛?cè)诵拚蜃觙并標(biāo)定。得出以下結(jié)論：基于速度的駕駛?cè)诵拚蜃涌梢杂行У膶⒂?jì)算得到的道路通行能力進(jìn)行合理修正;車道數(shù)相同情況下，駕駛?cè)说鸟{駛經(jīng)驗(yàn)與影響通行能力的程度成負(fù)相關(guān)，但車道數(shù)的增加會增加駕駛經(jīng)驗(yàn)的影響程度。

關(guān)鍵詞：跟馳行為;駕駛經(jīng)驗(yàn);道路通行能力;修正因子

中圖分類號：U491

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著社會的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的迅速增長，汽車保有量不斷增加，使道路交通流開始變得復(fù)雜，而駕駛?cè)说鸟{駛行為直接影響到交通流，對駕駛行為的研究在交通流分析和模擬的多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[1]。

建立模擬私人汽車駕駛員的駕駛行為模型[2-5]有助于證實(shí)駕駛行為對交通流的影響，但需要建立在已知關(guān)系的基礎(chǔ)上才有建模意義。許多學(xué)者對影響駕駛行為的因素進(jìn)行研究[6-8]，認(rèn)為駕駛經(jīng)驗(yàn)、駕駛?cè)饲榫w、道路情況等都會對駕駛行為起到一定的影響。CHRISTINA等[9]認(rèn)為與駕駛經(jīng)驗(yàn)不足的司機(jī)相比，經(jīng)驗(yàn)更為豐富的司機(jī)更能適應(yīng)復(fù)雜的道路環(huán)境，并采取降低車速的方式調(diào)整駕駛行為以增加駕駛安全性;朱興林等[10]的研究表明穩(wěn)定跟車狀態(tài)下，駕駛員累計(jì)駕駛里程對跟車行為是有影響的。研究表明，駕駛?cè)说念愋涂赡軙绊懙缆吠ㄐ心芰?。RONG等[11]為了研究駕駛行為對通行能力的影響，開發(fā)了一種將駕駛模擬器與交通仿真相結(jié)合的方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)更激進(jìn)的駕駛員的交通流更加不穩(wěn)定。

道路通行能力代表道路的最大容量，對道路規(guī)劃和管理中起到了重要作用，也是交通流特征參數(shù)中研究和應(yīng)用最頻繁的參數(shù)之一，受到許多專家學(xué)者的關(guān)注。各國研究專家們對道路通行能力進(jìn)行研究的目的是根據(jù)各國實(shí)際情況因地制宜，制定出適合本國的通行能力的計(jì)算方法和規(guī)范要求，為路網(wǎng)規(guī)劃、道路建設(shè)和交通管理中的相關(guān)內(nèi)容提供幫助。

最早對道路通行能力進(jìn)行了系統(tǒng)研究的國家是美國，1950年美國道路運(yùn)輸研究委員會（transportation research board）出版的第一版《公路通行能力手冊》（the highway capacity manual， HCM）是第一本對公路交通設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)行制定標(biāo)準(zhǔn)的手冊，書中提出通行能力這一概念并提供了計(jì)算方法。受道路實(shí)際情況的發(fā)展和改變，之后在1965、1985、2000和2010年分別修訂出版了第二版、第三版、第四版和第五版。在美國之后，其他發(fā)達(dá)國家也陸續(xù)開始相關(guān)方面的研究[1]，并相繼出版了類似的手冊和規(guī)范：1984年，加拿大出版了《加拿大信號交叉口通行能力規(guī)程》;1984年，日本出版了《高速公路容量》;1994年，德國出版了《德國公路通行能力手冊》。1991年，我國交通部頒布的《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》對我國城市道路的基本通行能力做出了規(guī)定。

分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，直接對駕駛行為和道路通行能力之間關(guān)系進(jìn)行的研究卻較少。本文考慮了直接影響駕駛行為的駕駛?cè)丝陀^因素——駕駛經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析駕駛?cè)说鸟{駛經(jīng)驗(yàn)與道路通行能力之間的關(guān)系，以及車道數(shù)對兩者關(guān)系的影響。提出基于速度的駕駛?cè)诵拚蜃觙，將非專業(yè)駕駛參數(shù)計(jì)算的道路通行能力折算成專業(yè)駕駛計(jì)算值，使用f修正產(chǎn)生的折算誤差在可接受范圍內(nèi)。

1 數(shù)據(jù)觀測和處理

試驗(yàn)需要用到的儀器包括全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位儀和脈沖法激光測距儀，試驗(yàn)車輛為手動擋操作的北京現(xiàn)代索納塔，車身長4.8 m，最大加速度為2.78 m/s2，試驗(yàn)時(shí)間選擇早上8點(diǎn)到11點(diǎn)，下午1點(diǎn)到6點(diǎn)。根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)的豐富程度和駕駛年限，將參與試驗(yàn)的駕駛?cè)朔譃閮深悾簩I(yè)駕駛?cè)撕头菍I(yè)駕駛?cè)薣12];根據(jù)路線中的四條道路的車道數(shù)，將道路分為兩類：二車道道路和三車道道路。

本文研究對象是從行駛軌跡中提取出的跟馳數(shù)據(jù)，其中非專業(yè)二車道的有效數(shù)據(jù)為13 445個(gè)，專業(yè)二車道的有效數(shù)據(jù)為11 511個(gè)，非專業(yè)三車道的有效數(shù)據(jù)為15 157個(gè)，專業(yè)三車道的有效數(shù)據(jù)為16 686個(gè)。

2 駕駛?cè)说母Y行為特性

2.1 跟馳特性

跟馳理論中一般認(rèn)為，跟馳狀態(tài)是車輛隊(duì)列中車輛的行駛會受到前車的制約時(shí)的車輛非自由行駛狀態(tài)，跟馳狀態(tài)的車輛隊(duì)列都具有以下三個(gè)跟馳特性。

2.1.1 制約性

跟馳狀態(tài)的制約性體現(xiàn)在車速條件、間距條件和緊隨要求三個(gè)方面。車速條件是指車輛處于跟馳狀態(tài)時(shí)，速度不是始終等于一個(gè)數(shù)值，而是和前車的速度有關(guān)，在前車速度一定范圍內(nèi)來回浮動;而且處于跟馳狀態(tài)的車輛隊(duì)列中連續(xù)兩輛車之間一定保持著安全車距，這是間距條件;緊隨要求表達(dá)了跟馳狀態(tài)的車輛隊(duì)列中車輛駕駛?cè)嗽跓o法超車的情況下會緊跟前車的特點(diǎn)。

2.1.2 延遲性

延遲性又稱滯后性。延遲性是指處于跟馳狀態(tài)的后車在前車影響下改變速度的時(shí)間要晚于前車改變速度的時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間的差值叫做延遲時(shí)間，是后車駕駛?cè)藢η败嚑顟B(tài)改變這一事實(shí)做出接收-反應(yīng)-動作所需的反應(yīng)時(shí)間和車輛實(shí)現(xiàn)速度改變的反應(yīng)時(shí)間之和。

2.1.3 傳遞性

傳遞性是指跟馳狀態(tài)的車輛隊(duì)列中前車會對后車的行駛狀態(tài)產(chǎn)生制約，而且會沿車隊(duì)一直向后傳遞。但這種制約性的傳遞類似脈沖信號，具有不連續(xù)的特性，兩次傳遞之間會有間隔的存在。

2.2 跟馳行為特性參數(shù)

本文根據(jù)駕駛?cè)说鸟{駛經(jīng)驗(yàn)的差距將駕駛?cè)朔譃榉菍I(yè)駕駛?cè)撕蛯I(yè)駕駛?cè)?，其中非專業(yè)駕駛?cè)耸邱{駛年齡小于7年或者累積駕駛里程小于10萬千米的短期駕駛經(jīng)驗(yàn)人員;專業(yè)駕駛?cè)耸邱{駛年齡不小于7年并且累積駕駛里程大于等于10萬千米的長期駕駛?cè)藛T。選取的駕駛?cè)藛T包括了多種職業(yè)，多種年齡段和平衡的性別比例。文中對駕駛?cè)说牟町愋匝芯恐饕峭ㄟ^駕齡和累計(jì)行程體現(xiàn)出來的駕駛經(jīng)驗(yàn)是否豐富，沒有駕駛?cè)说男愿癫町惖南嚓P(guān)研究，對駕駛?cè)说男愿窈婉{駛行為的研究可以參考吳超仲等[13]和MACHIN等[14]的相關(guān)研究成果。

速度、車輛間距和加速度是直觀展現(xiàn)駕駛?cè)烁Y行為的特性參數(shù)，其中速度和車輛間距的分布規(guī)律直接影響道路通行能力的變化[15]。表 1中可以看出，兩類駕駛?cè)嗽谌嚨赖乃俣确秶员榷嚨栏鼜V，與實(shí)際情況相符;同等車道數(shù)情況下，非專業(yè)駕駛?cè)怂俣确植嫉碾x散偏離程度高于專業(yè)駕駛?cè)恕?/p>

車輛間距有別于車頭間距，是指試驗(yàn)車車頭與前車車尾之間的距離。對不同車道數(shù)的車輛間距進(jìn)行雙樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，表2為檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出在0.05水平下，兩類駕駛?cè)说能囕v間距的分布顯著不同。

2.3 跟馳行為特性對通行能力的影響

根據(jù)車頭間距和車頭時(shí)距的定義可以發(fā)現(xiàn)，交通流中的車流密度和車流流量可以由此求得。車頭時(shí)距和車流流量的關(guān)系為，

Q=3 600ht （1）

下文中流量的計(jì)算公式為，

Qv=3 600×vhs（2）

式中：Q表示車流流量，輛/h;ht表示車頭時(shí)距，s/輛;Qv表示特定速度下的車流流量，輛/h;hs表示特定速度下的平均車頭間距，m/輛。

觀測到的數(shù)據(jù)是車輛間距，即前車車尾到后車車頭的距離。車頭間距是指在某一時(shí)刻道路上行駛的一列車隊(duì)中前后相鄰兩輛車前端之間的距離。進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測的路段在觀測時(shí)間禁止大型貨車通行，公交線路也較少，排除了大型車的干擾。查閱了一些現(xiàn)在比較常見的兩廂車、三廂車和城市SUV車型的車身長度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩廂車的車長大多在4～4.6 m，三廂車的車長大多在4.5～5 m，城市SUV的車長大多在5～5.7 m，這里規(guī)定所有的車輛長度都為5 m方便車頭間距的計(jì)算，即，

hs=hd+5（3）

式中：hs表示車頭間距，m/輛;hd表示車輛間距，m/輛。

連續(xù)交通流在飽和狀態(tài)時(shí)的平均車頭時(shí)距的倒數(shù)就是此時(shí)道路的通行能力，車頭時(shí)距的大小直接影響通行能力。本文中交通流量根據(jù)式（2）計(jì)算得出，根據(jù)通行能力的定義可以總結(jié)出“車頭時(shí)距相同的情況下，最大的流量值就是該車頭時(shí)距對應(yīng)的通行能力”這一結(jié)論。

2.3.1 跟馳速度

數(shù)據(jù)采集是在城市道路進(jìn)行的，城市道路的限速為60 km/h，這里主要關(guān)注跟馳速度小于60 km/h的部分。由式（2）可知，通行能力受車輛速度和車頭間距兩個(gè)因素影響。

圖1為通行能力隨速度變化散點(diǎn)圖，當(dāng)跟馳速度大于50 km/h時(shí)，此時(shí)隨速度減小而減小的車頭間距占主導(dǎo)因素，通行能力隨跟馳速度的減小而上升;跟馳速度在25～50 km/h時(shí)，此時(shí)跟馳速度和車頭間距的減小對通行能力的影響作用可以互相抵消，通行能力維持一個(gè)較大的數(shù)值，在3 000～3 500 輛/h的范圍內(nèi)波動;跟馳速度小于25 km/h后，此時(shí)道路已達(dá)到飽和臨界狀態(tài)，跟馳速度占主導(dǎo)因素，通行能力隨跟馳速度的減小而下降。隨著車輛的跟馳速度的減小，通行能力先上升，之后在一定值域間波動，最后下降。此結(jié)果與已有的研究[16]結(jié)論相符。

2.3.2 車頭間距

圖2為通行能力隨車頭間距變化散點(diǎn)圖，隨車頭間距的增加，通行能力整體呈先增大后減小的變化趨勢。車頭間距過小的時(shí)候，雖然道路上的車輛密度大，但此時(shí)交通流的整體速度偏小，單位小時(shí)通過的車輛數(shù)較少;車頭間距過大的時(shí)候，雖然交通流的整體速度較大，但車輛行駛需要保持的安全車距也大，此時(shí)道路上的車輛密度小，通行能力也有所下降。

3 通行能力駕駛?cè)诵拚禂?shù)

3.1 相關(guān)概念

3.1.1 通行能力

交通運(yùn)行服務(wù)水平一定的時(shí)候，道路能承擔(dān)交通流量的上限就是通行能力，即當(dāng)?shù)缆奋囕v呈飽和程度時(shí)，通行能力等于此時(shí)的交通流量。

通行能力按照運(yùn)行條件可以分為：基本通行能力、可能通行能力和設(shè)計(jì)通行能力。滿足理想的道路條件假設(shè)和不考慮道路的服務(wù)質(zhì)量的前提時(shí)，一條車道的橫截面在單位小時(shí)可以通過的最大標(biāo)準(zhǔn)車輛數(shù)叫做基本通行能力;滿足實(shí)際或預(yù)測的道路條件設(shè)定和不考慮道路的服務(wù)質(zhì)量的前提時(shí)，一條車道的橫截面在單位小時(shí)可以通過的最大標(biāo)準(zhǔn)車輛數(shù)叫做可能通行能力;滿足實(shí)際或預(yù)測的道路條件設(shè)定和考慮道路的服務(wù)質(zhì)量的前提時(shí)，一條車道的橫截面在單位小時(shí)可以通過的最大標(biāo)準(zhǔn)車輛數(shù)叫做設(shè)計(jì)通行能力。其中基本通行能力和設(shè)計(jì)通行能力在通行能力計(jì)算中經(jīng)常使用，行業(yè)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)對公路的基本通行能力有明確規(guī)定，在選擇對應(yīng)公路的基本通行能力后進(jìn)行一系列系數(shù)修正得到設(shè)計(jì)通行能力。

根據(jù)是否與駕駛?cè)擞嘘P(guān)，交通運(yùn)行條件可以分為硬性和軟性條件兩類。常見的硬性條件包括：路面條件、交通設(shè)施、車道數(shù)、車輛組成等;軟性條件包括：速度、車頭間距等。

3.1.2 跟馳行為和通行能力的關(guān)系

車輛跟馳行為是微觀駕駛行為的重要組成，可以體現(xiàn)沒有超車和換道行為的連續(xù)車輛隊(duì)列中相鄰車輛間前車對后車的作用。微觀跟馳行為的特性參數(shù)可以表現(xiàn)宏觀的道路通行能力，飽和車流的車頭時(shí)距的倒數(shù)即為該服務(wù)水平下的通行能力，其他跟馳行為的特性參數(shù)對通行能力也有不同水平的影響。跟馳行為和通行能力之間關(guān)系密切：微觀的跟馳行為會影響宏觀的通行能力大小，宏觀的通行能力可以解釋微觀的整體跟馳行為特征。

3.2 通行能力模型

3.2.1 城市道路設(shè)計(jì)通行能力計(jì)算

已知城市道路的單車道道路的理論通行能力，可以使用修正系數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)通行能力，即，

Na=N0·γ·η·n·C=3 600×vhs·γ·η·n·C （4）

式中：N0表示一條車道的理論通行能力，pcu/h;Na表示一條車道的實(shí)際通行能力，pcu/h;γ表示非機(jī)動車影響修正系數(shù);η表示車道寬度修正系數(shù);n表示車道數(shù)修正系數(shù);C表示交叉口影響修正系數(shù)。

一條車道的理論通行能力N0的取值按《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》中建議的車輛速度對應(yīng)的一條車道理論通行能力[17]，如表3。

3.2.2 考慮駕駛?cè)瞬町惖某鞘械缆穼?shí)際通行能力計(jì)算

車頭時(shí)距代表著前后兩輛車的前端通過同一地點(diǎn)的時(shí)間差，可以用車頭間距除以后車速度計(jì)算得到，即，

ht=hsv×3.6（5）

式中：v表示后車速度，km/h。

本文數(shù)據(jù)的觀測是在有機(jī)非分隔帶的城市道路上進(jìn)行的，不需要考慮非機(jī)動車對通行能力的影響;本文使用的實(shí)際通行能力是由單輛車的跟馳特性推算得到，不需要考慮交叉口對通行能力的影響。將修正系數(shù)η和n用一個(gè)系數(shù)——車道修正系數(shù)n′代替，考慮駕駛?cè)瞬町惖某鞘械缆仿范瓮ㄐ心芰τ?jì)算公式為，

N0=3 600ht=3 600×vhs（6）

Nb=N0·n′·f=3 600×vhs·n′·f（7）

式中：Nb表示一條車道的考慮駕駛?cè)瞬町惖膶?shí)際通行能力，pcu/h;n′表示車道修正系數(shù);f表示駕駛?cè)瞬町愋拚禂?shù)。

3.3 駕駛?cè)诵拚禂?shù)f標(biāo)定

按跟馳速度劃分，計(jì)算不考慮駕駛?cè)瞬町惖脑O(shè)計(jì)通行能力Na，沒有標(biāo)出的速度對應(yīng)的理論通行能力用線性插值法求解，考慮駕駛?cè)瞬町悤r(shí)，按駕駛?cè)朔N類和車道數(shù)劃分，即在交通流處于跟馳狀態(tài)時(shí)，已知二車道或三車道道路上全為非專業(yè)駕駛?cè)嘶驅(qū)I(yè)駕駛?cè)?，不同速度水平下的?shí)際通行能力Nb，計(jì)算考慮駕駛?cè)瞬町惖膶?shí)際通行能力N和不考慮駕駛?cè)瞬町惖膶?shí)際通行能力Nb的比值Z=NbN，繪制的散點(diǎn)圖如圖3所示。

從表4可以看出，駕駛?cè)诵拚禂?shù)和道路車道數(shù)、駕駛員類型以及車輛平均速度有關(guān)。道路車道數(shù)的增加，會使駕駛員修正系數(shù)減小;同時(shí)，隨車輛平均速度的增加，駕駛員修正系數(shù)逐漸增大;而且非專業(yè)駕駛?cè)说男拚禂?shù)比專業(yè)駕駛?cè)说男拚禂?shù)要小?？偨Y(jié)可以得出：車道數(shù)的增加會增強(qiáng)駕駛?cè)藢νㄐ心芰Φ挠绊懀囕v平均速度增加會減弱駕駛?cè)藢νㄐ心芰Φ挠绊?，非專業(yè)駕駛?cè)吮葘I(yè)駕駛?cè)藢νㄐ心芰Φ挠绊懜蟆?/p>

其中專業(yè)駕駛?cè)嗽谒俣葹?5 km/h時(shí)的取值具有明顯偏差，可能是由于此處樣本量的不足引起的誤差。

4 結(jié)語

本文考慮了車輛駕駛?cè)笋{駛經(jīng)驗(yàn)的差異，分析在不同車道數(shù)的道路情況下兩類駕駛?cè)烁Y行為特性，結(jié)合不同駕駛?cè)嘶谒俣鹊牧髁糠植?，在此基礎(chǔ)上提出的基于速度的駕駛?cè)诵拚蜃觙可以用于減小道路通行能力計(jì)算值中駕駛?cè)瞬町悗淼挠绊懻`差。該修正因子既為合理估計(jì)道路通行能力提供了依據(jù)，又可以為針對駕駛經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)研究提供參考。

本文的結(jié)論主要有以下兩點(diǎn)：1）速度和車頭間距對通行能力的影響與現(xiàn)有研究結(jié)論一致;2）交通流中駕駛?cè)说鸟{駛經(jīng)驗(yàn)會對道路通行能力產(chǎn)生影響，車道數(shù)不同時(shí)，影響的程度也不同。車道數(shù)相同情況下，駕駛?cè)说鸟{駛經(jīng)驗(yàn)越豐富，對通行能力的影響越小;但車道數(shù)的增加會增加駕駛經(jīng)驗(yàn)的影響程度。

本文在分析駕駛?cè)私?jīng)驗(yàn)差異對道路通行能力的影響時(shí)，沒有考慮不同類型駕駛?cè)说膿Q道行為對道路通行能力產(chǎn)生的影響。在今后的研究中，應(yīng)全面考慮駕駛?cè)擞绊懴碌亩喾N行為對道路通行能力的綜合影響。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract：

The difference of driving experience not only leads to the difference of car-following behavior， but also has an influence on the size of road capacity. The car following data collected by the experimental vehicle are divided into four categories according to the number of inexperienced or experienced drivers， and the number of two or three lanes. Although it is found from the speed distribution of the data that the increase of the number of lanes weakens the driving experience difference， the two sample K-S test shows that there is a significant difference in the vehicle spacing between the two types of drivers at the level of 0.05. Furthermore， the driver correction factor f based on speed is proposed and calibrated. The conclusions are as follows： the driver correction factor based on speed can effectively correct the calculated road capacity; under the same number of lanes， the driving experience of drivers is negatively correlated with the degree of influence on traffic capacity， but the increase of the number of lanes will increase the degree of influence of driving experience.

Key words：

car-following behavior; driving experience; road capacity; correction factor