互通立交迂回式匝道縱向加速度特性

張 玉, 劉 俊, 林 偉, 徐 進,4*

(1.重慶交通大學交通運輸學院， 重慶 400074； 2.重慶軌道交通(集團)有限公司， 重慶 400000； 3.重慶城市交通開發(fā)投資(集團)有限公司， 重慶 401121； 4.重慶交通大學山區(qū)復雜道路環(huán)境“人-車-路”協(xié)同與安全重慶市重點實驗室， 重慶 400074)

互通式立交是高速公路網系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠連接不同方向的道路，減少了平面交叉中的沖突點，保證交通的安全的同時，提高道路的通行能力?？v向加速度是車輛在行駛方向上的加速度分量，主要控制車輛的加速行駛和減速制動，直接反映了車輛的動力性能。車輛在互通立交區(qū)域行駛的過程中，匝道平面線形會影響其橫向和縱向加速度，若匝道平面線形不合理，會影響駕駛員的判斷與正常駕駛，駕駛員頻繁的采取變速操作，直接影響了車輛的行駛安全性和行車舒適性，導致交通安全事故的發(fā)生。而現有設計規(guī)范多是強調車輛運行速度或設計速度，較少考慮汽車縱向加速度，所以需要對立交匝道上車輛行駛的縱向加速度進行研究。

學者們開展了對山路、高速公路等道路的縱向加速度的相關研究工作。Wang等[1]提出駕駛員在停車狀態(tài)下的直線和轉彎動作的加速度關系模型。Da等[2]發(fā)現了車輛的縱向與橫向加速度均與車輛速度有關，縱向加速度隨速度的變化主要有兩個階段，首先是縱向加速度與速度保持穩(wěn)定，然后縱向加速度隨著速度的增加而減小。Mahapatra等[3]得到橫向加速度和縱向加減速度分別與速度呈二項指數和線性關系的結論。徐進等[4-5]將環(huán)形匝道劃分為5個階段，析了立交進/出口區(qū)域的縱向駕駛行為特征，確定了加速長度和減速長度的起/止點分布，還提出車輛在匝道運行過程中的加速度變化模式、駕駛員的車道使用特性等。趙曉翠等[6]提出駕駛員在進入立交減速車道前的分流區(qū)就已經有了減速的行為，且將駕駛員的駕駛行為分為三類。胡江碧等[7]從人車路與環(huán)境的互動關系角度，分析高速公路立交區(qū)車輛的行駛速度、行駛軌跡以及駕駛員的眼動特性。還有很多學者對互通立交的結構進行了深入的研究。劉軍等[8]、史靜等[9]、馬香娟等[10]、余曉東[11]、林雨等[12]分別從設計規(guī)范、行車安全理論、駕駛行為、運行特性、效益成本等研究了立交匝道變速車道長度問題。王海君等[13]分析了減速車道長度取值的合理性，并對不同匝道設計速度的減速車道長度給出建議值。吳國雄等[14]通過對高速公路車輛行駛各軸向加速度的峰值累積頻率曲線、特征分位值和均方根值進行分析，提出道路和車況條件會導致軸向加(減)速度出現差別，即縱向行駛舒適性會受到影響。喬建剛等[15]通過模擬駕駛實驗得到高速公路雙車道匝道出口處小客車運行速度、橫縱向加速度與出口匝道里程關系。

現有的汽車縱向加速度研究主要是對山區(qū)和高速公路行駛過程中的車輛進行研究，在實車試驗過程中大多沒有對駕駛員進行分類，較少分析不同駕駛員的駕駛行為對汽車縱向加速度的影響。基于此，現將駕駛員進行分類，具體為冒險型駕駛員、焦慮型駕駛員和憤怒型駕駛員，并加以性格區(qū)分。試驗結果可明確駕駛員個體差異與縱向加速度之間的關系，以期為不同駕駛風格下的行車安全提供理論支持。

1 試驗設計

1.1 試驗立交

對重慶市南山立交和江南立交進行研究，分別采集了4條迂回式匝道上車輛行駛的速度和加速度值。以上兩條立交的道路線型圖如圖1所示，圖1中標示出了迂回式匝道L1～L4，以上匝道均為城市快速路和城市道路的交叉。其中南山立交的匝道L1、L2內環(huán)快速路與南山茶園片區(qū)道路的連接，江南立交匝道L3、L4為海峽路與向黃路連接，4條匝道的主要技術特性如表1所示。

圖1 試驗立交示意圖Fig.1 Schematic diagram of test interchange

表1 試驗匝道的主要技術參數Table 1 Main technical parameters of experimental ramps

由圖1可以看出，南山立交的L1由匝道進入主線一端的出彎距離較短，且離開匝道L1后進入一段交織區(qū)，即在很短一段路程有輕微加速后開始減速。這導致出彎加速階段不明顯，所以在出彎加速段縱向加速度的研究中不對匝道L1進行討論。

1.2 試驗駕駛員與車輛

本次試驗駕駛員共有33人，其中男性駕駛員17名，女性駕駛員16名，表2為本試驗駕駛員的特征數據。本次選取的車輛為北京現代全新勝達車型。

表2 駕駛員特性Table 2 Driver characteristics

1.3 實驗儀器與數據處理

采用Speedbox車載測試系統(tǒng)、Mobileye駕駛輔助系統(tǒng)和行車記錄儀。Speedbox可以輸出速度、三軸加速度及經緯度等數據， Mobileye駕駛輔助系統(tǒng)可輸出車輛速度、車道線位置、障礙物信息等數據；行車記錄儀可以對實車試驗全程錄像，為后續(xù)試驗數據分析提供依據。前兩套儀器可以采集車輛速度和加速度等數據，能夠有效避免單一儀器缺陷導致數據的缺失或失真，還可以在后續(xù)的數據處理過程中將對不同的數據進行相互對比驗證，選擇最優(yōu)數據。對儀器采集到的原始數據進行有效數據截取和濾波等處理后，得到不同駕駛風格及不同性格駕駛員的加速度數據。

2 迂回式匝道縱向加速度特性

所研究的4條迂回式匝道分別是南山立交的L1、L2匝道和江南立交的L3、L4匝道。經過對4條匝道的速度曲線進行分析可見，發(fā)現車輛在迂回式匝道的行駛過程分為三個階段，分別為入彎減速階段(階段Ⅰ)、穩(wěn)定行駛階段(階段Ⅱ)和出彎加速階段(階段Ⅲ)，以江南立交匝道L4為例，如圖2、圖3所示。

圖2 匝道行駛過程分段示意圖Fig.2 Section diagram of ramp driving process

圖3 匝道L4車輛行駛速度圖Fig.3 Speed chart of vehicles on ramp L4

階段Ⅰ：入彎減速階段指的是車輛經由直線段過渡到曲線段的減速行駛過程；階段Ⅱ：穩(wěn)定行駛階段指的是車輛減速駛入圓曲線后保持一種相對恒定的行駛狀態(tài)，車輛行駛速度維持穩(wěn)定；階段Ⅲ：出彎加速階段指的是在將要完成圓曲線行駛時，駕駛員會采取加速的操作來駛出彎道，恢復直線行駛的狀態(tài)。由于行駛速度三個階段中穩(wěn)定行駛階段加速度特征不明顯，因此對縱向加速度的特征分析只考慮階段Ⅰ、Ⅲ。

2.1 縱向加速度累計頻率特性

對每一位駕駛員縱向加速度ax數據濾波去掉毛刺后，提取每條縱向加速度曲線各波形的最大值和最小值，得到峰值縱向加速度和峰值縱向減速度，按降序排列后得到加速度累計頻率圖。原始數據濾波處理如圖4所示，不同駕駛風格和不同性別駕駛員在迂回式匝道上駕駛的縱向加速度累計頻率如圖5和圖6所示，當車輛加速時縱向加速度ax>0，車輛制動時ax<0。

圖4 原始數據濾波圖Fig.4 Raw data filter graph

圖5 不同駕駛風格縱向加速度累計頻率分布Fig.5 Cumulative frequency distribution of longitudinal acceleration in different driving styles

圖6 不同性別縱向加速度累計頻率分布Fig.6 Cumulative frequency distribution of longitudinal acceleration in different genders

圖5中可以看出同一個匝道上三種類型駕駛員的累計頻率曲線重合度較高，這表明同一匝道上不同駕駛風格駕駛員的駕駛行為有較高的趨同性。另外匝道L1、L3減速度分布區(qū)間比加速度分布區(qū)間占比大，而匝道L2、L4的減速度分布區(qū)間比加速度分布區(qū)間占比小。這是由于匝道L1、L3為下行匝道，駕駛員為了維持穩(wěn)定的行駛速度會采取制動措施；匝道L2、L4匝道為上行匝道，所以駕駛員會采取加速措施。迂回式匝道上兩種截然不同的加速度分布反映了兩種不同的縱向運行狀態(tài)，這說明了駕駛員在匝道行駛過程中，采取加速/制動措施受匝道線形影響較大。

圖6中可以看出男性駕駛員在上行匝道的加速幅值略高于女性駕駛員，下行匝道兩者的制動減速度之間的差異更為顯著。這是由于女性駕駛員比男性駕駛員謹慎，在行駛過程中其行駛速度往往低于男性駕駛員，在相同限速要求下，女性駕駛員的變速過程沒有男性駕駛員激烈。

2.2 入彎減速段縱向加速度特征分析

圖7為入彎減速階段(階段Ⅰ)示意圖，從圖7中可以看出，駕駛員在駛入彎道的過程中速度逐漸降低，過了階段Ⅰ后速度相對穩(wěn)定，然后加速駛出彎道。提取匝道階段Ⅰ內的縱向加速度數據，將不同匝道及不同駕駛風格駕駛員分別歸類統(tǒng)計， 階段Ⅰ中不同匝道、性別與駕駛風格的駕駛員減速度累計頻率曲線圖與典型百分位縱向加速度，以及汽車行駛的減速度特征分位值[16]，如圖8和表3所示。

圖7 迂回式匝道入彎減速度階段Fig.7 Roundabout ramp deceleration stage at enter the curve

圖8 不同匝道、性別與駕駛風格(階段Ⅰ)減速度累計頻率曲線圖Fig.8 Cumulative deceleration frequency curve of different ramp, gender and driving style (stage I)

表3 不同匝道、性別與駕駛風格(階段Ⅰ)典型百分位縱向減速度Table 3 Typical percentile longitudinal deceleration values for different ramps, genders and driving styles (stage I)

結合表3和圖8(a)可以看出在50%分位前駕駛員在匝道L3的制動減速度高于其他三條匝道，50%分位后匝道L1的制動減速度高于其余匝道。這是由于匝道L3連接的兩條路線高程相差較大，駕駛員在入彎減速階段制動減速操作更為頻繁，且匝道L1連接內環(huán)快速路主線，部分車輛駛入匝道L1時車速仍較快，為保證安全入彎駕駛員會采取更激烈的制動措施。另外，在15%分位后匝道L2、L4的百分位制動減速度值小于匝道L1、L3，且匝道L2、L4最大制動減速度值小于1 m/s。這是由于匝道L2、L4為上行匝道，而匝道L1、L3為下行匝道，在下行匝道中車輛自身重力做功會促進速度的增加，所以需要采取更大的減速度才能減到期望速度。

從圖8(b)可以看出，男性駕駛員在迂回式匝道入彎減速段制動的激烈程度高于女性駕駛員，男女性駕駛員制動減速度差距在10～65th百分位之間逐漸加大，65%分位后兩者差距逐漸減小。圖8(c)可以看出，三種駕駛風格的駕駛員在第10%分位前累計頻率曲線相互重疊，第10%分位后冒險型駕駛員制動速度更高；還能看出憤怒型與焦慮型駕駛員的典型百分位縱向加速度差距均小于0.2 m/s，冒險型駕駛員在迂回式匝道階段Ⅰ制動激烈程度高于憤怒型和焦慮型駕駛員。

2.3 出彎加速段縱向加速度特征分析

圖9為出彎加速階段(階段Ⅲ)示意圖，提取匝道階段Ⅲ內的縱向加速度數據，將不同匝道及不同駕駛風格駕駛員分別歸類統(tǒng)計，文獻[16]的加速度特征分位值，以及迂回式匝道階段Ⅲ中不同匝道、性別與駕駛風格的駕駛員減速度累計頻率曲線圖與典型百分位縱向加速度如圖10和表4所示。

圖9 迂回式匝道出彎加速度階段Fig.9 Roundabout ramp deceleration stageat out of the curve

圖10 不同匝道、性別與駕駛風格(階段Ⅲ)加速度累計頻率曲線圖Fig.10 Acceleration cumulative frequency curve of different ramp, gender and driving style (stage III)

表4 不同匝道、性別與駕駛風格(階段Ⅲ)典型百分位縱向加速度Table 4 Typical percentile longitudinal acceleration values for different ramps, genders and driving styles (stage III)

由圖10(a)可以看出，匝道L3車輛加速度累計頻率曲線與匝道L2、L4差距較大，其中匝道L3行車加速度均小于1 m/s，這是由于匝道L3為下行匝道，出彎行駛過程中車輛自身重力做功會促進速度的增加，從而導致其出彎段加速幅度較小。匝道L2、L4累計頻率曲線變化相似，且典型百分位加速度之差小于0.2 m/s，累計頻率曲線在第35%分位處交叉，35%分位之后匝道L4加速度略高于匝道L2。

從圖10還可以看出，不同性別駕駛員累計頻率曲線變化相似，且其典型百分位值差異不大；不同駕駛風格駕駛員的累計頻率曲線變化也相似，但冒險型駕駛員的典型百分位加速度值略高于憤怒型與焦慮型駕駛員，三種類型駕駛員的縱向加速度在第15%分位后加速度均高于1 m/s。

中國《公路項目安全性評價規(guī)范》(JTG B05—2015)[17]中推薦的縱向加速度取值范圍是0.15 ～ 0.5 m/s，但該規(guī)范并沒有對加速度和減速度進行區(qū)分。根據本文研究的結果，4條匝道的入彎減速段的縱向減速度值在第85%分位值的分布范圍是0.75～1.425 m/s，出彎加速段的縱向加速度值在85%分位值的分布范圍是0.557～1.597 m/s，遠大于規(guī)范推薦的縱向加速度取值范圍，根據本文研究的結果，取整后的第85%分位加、減速度值應分別為1.5、1.6 m/s。文獻[16]分別對7條山區(qū)公路進行實車試驗后得到的結果為第85%分位的加、減速度值應該分別為0.6、0.85 m/s。經分析可知，文獻[16]與本文研究中進行實車試驗后縱向加速度值范圍相差較大的原因為本次試驗道路為高速公路匝道，且以上匝道與城市快速路相連，所以行車速度相對山區(qū)道路行車速度快，所以加/減速度的幅值都更大。

3 縱向行駛舒適性

乘坐車輛時感到不適會導致乘客和司機的出行體驗，加劇司機的疲勞，增加交通意外的風險。所以需要對匝道的行駛舒適性進行分析。表5為文獻[16]中修訂的縱向加速度閾值的具體范圍。為統(tǒng)計匝道各階段對應舒適性閾值所在百分位表7為區(qū)分駕駛員性別和駕駛風格等因素后迂回式匝道縱向加速度的行駛舒適閾值百分位。

表5 縱向加速度舒適性評價閾值Table 5 Comfort evaluation threshold of longitudinal acceleration

表6中匝道L1的出彎加速階段受匝道線形的限制，出彎加速度特征不明顯所以不做統(tǒng)計。匝道L1的入彎減速階段行駛舒適性較差。原因是匝道L1連接的道路為內環(huán)快速路主線，車輛從主線駛入匝道時，速度往往較快，所以會采取更加激烈的制動措施，導致舒適感較差；匝道L3出彎加速階段的行車加速度舒適性優(yōu)于匝道L2和匝道L4，原因是匝道L3為下行匝道，行車視距更好，所以出彎加速度的幅值較低；總體來說，匝道L1、L3整體行駛舒適性較好，匝道L2、L4出現了行駛不舒適的現象。

表6 不同匝道行駛舒適性閾值百分位Table 6 Percentile of comfort threshold for different ramps

從表7可以看出，女性駕駛員行駛舒適性略高于男性駕駛員；入彎減速段行駛舒適性優(yōu)于出彎加速段，出彎加速階段行駛條件的改善并未帶來良好的行車體驗，原因是出彎加速階段行駛條件改善會給駕駛員更大的空間發(fā)揮，更開放的駕駛行為導致了行駛舒適性的下降；冒險型和焦慮型駕駛員在出彎加速階段行駛不舒適占比接近50%，原因是兩種類型駕駛員在加速出彎階段表現出更強的加速欲望從而導致了行駛舒適性的下降。

表7 不同類型駕駛員匝道行駛舒適度Table 7 Driving comfort of different types of drivers

4 結論

(1)駕駛員在匝道行駛的入彎減速過程中，下行匝道的制動減速度高于上行匝道的制動減速度；其中男性駕駛員制動減速激烈程度高于女性駕駛員，冒險型駕駛員制動減速的激烈程度高于其他類型的駕駛員。

(2)下行匝道縱向加速度較小，不同類型駕駛員的出彎加速度累計頻率曲線相似，其中冒險型駕駛員的加速幅度略高于憤怒型與焦慮型駕駛員。

(3)對于匝道行駛舒適性，下行匝道的行駛舒適性大于上行匝道的行駛舒適性，女性駕駛員行駛舒適性略高于男性駕駛員，入彎減速段行駛舒適性優(yōu)于出彎加速段，冒險型和焦慮型駕駛員出彎加速階段行駛不舒適占比接近50%。

(4)根據本試驗的結果，江南立交和南山立交四條匝道入彎減速段的縱向減速度在第85%分位值的分布范圍是0.75～1.425 m/s2，出彎加速段的縱向減速度在第85%分位值的分布范圍是0.557～1.597 m/s2，遠大于《公路項目安全性評價規(guī)范》中推薦的0.15～0.5 m/s2，所以江南立交和南山立交匝道的行駛舒適性有待提高。