基于實(shí)車路試的迂回式立交匝道小客車行駛速度特征研究

陳正歡，劉俊，張河山，林偉，徐進(jìn),4*

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；2.重慶軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶 401120；3.重慶城市交通開發(fā)投資(集團(tuán))有限公司，重慶 404100；4.重慶交通大學(xué)山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車-路”協(xié)同與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

立交匝道是不同方向的車流在互通式立體交叉實(shí)現(xiàn)路徑轉(zhuǎn)換的設(shè)施載體，受制于地形條件、占地規(guī)模和工程造價(jià)等因素，立交匝道具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、曲線半徑小的特點(diǎn)，導(dǎo)致匝道線形指標(biāo)與主線不一致，在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)駕駛?cè)笋側(cè)朐训乐笥捎谒俣冗^快導(dǎo)致的車輛側(cè)翻/側(cè)滑事故。迂回式匝道通過延長展線來減緩坡度，能在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大高差相交道路之間的相互轉(zhuǎn)換，是城市立交和公路立交的常用匝道形式之一。車輛在迂回式匝道上行駛的過程中，行駛速度直接影響行車安全。然而，不同的駕駛行為將會影響匝道內(nèi)車輛的行駛速度以及匝道整體的通行狀況。所以需要對迂回式匝道速度特性進(jìn)行探究。

目前，眾多學(xué)者圍繞互通立交的運(yùn)營安全開展了大量研究，如出口匝道安全性分析[1]、交通流特性以及速度預(yù)測[2]等。徐一崗等[3]通過建立模型計(jì)算小客車行駛速度，并用于評價(jià)匝道設(shè)計(jì)的一致性與協(xié)調(diào)性。臧曉冬[4-5]根據(jù)匝道半徑、超高確定環(huán)形匝道自由流速度，建立了立交交織區(qū)與非交織區(qū)的速度預(yù)測模型。張馳等[6]利用自由流狀態(tài)下匝道出口特征點(diǎn)的速度，建立了小客車在漸變段起點(diǎn)、分流點(diǎn)、小鼻點(diǎn)3個(gè)特征點(diǎn)處的速度預(yù)測模型。袁愈鋒等[7]使用雷達(dá)測速儀采集的數(shù)據(jù)，分析了苜蓿葉立交集散車道車輛運(yùn)行速度特性。孫平等[8]以“佳榆高速互通立交”為例，通過對比分析設(shè)計(jì)速度與運(yùn)行速度，探討了車輛的安全性問題。徐進(jìn)等[9-12]通過實(shí)車試驗(yàn)，分析了苜蓿葉形立交進(jìn)、出口區(qū)域的縱向駕駛行為特征以及匝道內(nèi)部的運(yùn)行特征；研究了螺旋匝道范圍內(nèi)小汽車的速度變化模式、幅值特性以及影響因素。張曉波等[13]基于自然駕駛數(shù)據(jù)分析了環(huán)形立交匝道上汽車的橫向加速度特征，得到了橫向加速度的7種變化模式。Ahammed等[14]基于立交合流點(diǎn)速度和交通數(shù)據(jù)，建立了速度、加速度以及加速距離模型。Perco等[15]使用雷達(dá)測速槍測量行駛速度，對環(huán)形立交進(jìn)出口建立了速度模型。

綜上所述，目前中外學(xué)者對立交匝道的研究內(nèi)容涉及苜蓿葉形、環(huán)形立交的運(yùn)行特征以及速度預(yù)測等方面，但尚未見針對迂回式立交匝道內(nèi)車輛運(yùn)行特征以及影響因素等方面的相關(guān)研究，以至于現(xiàn)有研究無法為迂回式匝道的安全性設(shè)計(jì)提供理論支撐。為此，通過開展實(shí)車自然駕駛試驗(yàn)，基于自然駕駛數(shù)據(jù)研究小客車在迂回式匝道內(nèi)的行駛速度特性，分析駕駛員性別以及駕駛風(fēng)格對行駛速度產(chǎn)生的影響，研究成果可以為迂回式匝道的幾何線形設(shè)計(jì)和交通運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)對象

本次試驗(yàn)選擇重慶市南岸區(qū)江南立交與南山立交的4條迂回式匝道，其中江南立交A、B匝道連接海峽路與向黃路，為單向雙車道；南山立交C、D匝道連接內(nèi)環(huán)快速路與南山茶園片區(qū)道路，為單向單車道，圖1為試驗(yàn)立交匝道以及周邊路網(wǎng)情況。表1為4條匝道的主要技術(shù)參數(shù)和限速值情況。

圖1 江南立交和南山立交匝道平面圖

表1 試驗(yàn)對象主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器和車輛

本次試驗(yàn)采用Mobileye630(前向碰撞預(yù)警系統(tǒng))連續(xù)采集車輛行駛速度。Mobileye通過CAN總線讀取車輛速度、車道線-車輪橫向距離、障礙物信息等數(shù)據(jù)，采樣頻率為10 Hz。為便于后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析，在試驗(yàn)車輛前后擋風(fēng)玻璃各安裝一臺高清數(shù)字行車記錄儀，對實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行全程錄像。試驗(yàn)車輛為北京現(xiàn)代全新勝達(dá)車型，試驗(yàn)儀器和車輛如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)儀器和車輛

1.3 被試人員

共有33位駕駛員參與本次試驗(yàn)，其中男性17名，女性16名。年齡分布為28～51歲，平均年齡38.4歲；駕齡分布為4～24年，平均駕齡為10.6年。被試人員均熟悉車輛狀況和駕駛操作。試驗(yàn)前告知所有被試人員本次試驗(yàn)無任何駕駛要求以及注意事項(xiàng)，試驗(yàn)過程中對被試不做任何暗示，最大程度維持駕駛員的自然駕駛習(xí)慣。所有被試人員在試驗(yàn)之前，填寫一份關(guān)于駕駛風(fēng)格的問卷，參照中文修訂版多維度駕駛風(fēng)格量表(MDSI-C)[16]，將被試人員分為憤怒型、冒險(xiǎn)型、焦慮型三種風(fēng)格，其中憤怒型駕駛員有7人，冒險(xiǎn)型駕駛員有19人，焦慮型駕駛員有7人。被試人員基本信息如表2所示。

表2 被試人員基本信息

1.4 試驗(yàn)流程和數(shù)據(jù)處理

在試驗(yàn)開始前設(shè)定好行駛路線，包括記錄數(shù)據(jù)的起止點(diǎn)位置、車輛掉頭地點(diǎn)等，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)中，每位被試按照試驗(yàn)路線行駛2～3次，避免單次行駛因突發(fā)情況導(dǎo)致該被試行駛數(shù)據(jù)無法采集的情況。本次試驗(yàn)時(shí)間段為9：00—18：00，避免早晚高峰對被試產(chǎn)生的駕駛影響，同時(shí)避開濃霧、雷雨等極端天氣。

在將收集到的原始數(shù)據(jù)使用MATLAB軟件中的Smooth函數(shù)進(jìn)行濾波處理后，針對每位被試人員，對照行車記錄儀的影像，按照數(shù)據(jù)截取起止點(diǎn)，截取迂回式匝道內(nèi)的連續(xù)行駛數(shù)據(jù)，截取有效數(shù)據(jù)之后每次行駛對應(yīng)一條速度曲線。數(shù)據(jù)截取起止點(diǎn)如圖1所示。

2 迂回式匝道整體速度特征

2.1 迂回式匝道的速度模式

將各條匝道的速度實(shí)測數(shù)據(jù)疊加到一起，并分別提取5th、15th、25th、50th、75th、85th、95th的速度值(th表示分位值的意思，如5th表示第5百分位)，如圖3所示。圖3中標(biāo)注了出現(xiàn)速度異常的位置，各處速度異常的原因。

從圖3可以看出，4條匝道的實(shí)測速度均呈現(xiàn)出兩端較高中間較低的現(xiàn)象，表明汽車在迂回式匝道上的行駛過程會經(jīng)過入彎減速、穩(wěn)定行駛、出彎加速3個(gè)階段。在圖3(a)中，駕駛員進(jìn)入A匝道后的加速現(xiàn)象是因?yàn)锳匝道為下行匝道，為確保駕駛員行駛安全，在A匝道起點(diǎn)前設(shè)置了減速帶，駕駛員通過減速帶后的加速操作持續(xù)到A匝道的直線段，以達(dá)到期望速度。在圖3(c)中，駕駛員駛出C匝道彎道后的加速階段極短是因?yàn)镃匝道曲線段后緊接著進(jìn)入交織區(qū)，駕駛員選擇降低速度以確保安全匯入車流。

從圖3中4條匝道的特征分位速度值曲線可以看出，小客車在迂回式匝道圓曲線穩(wěn)定行駛階段的變化特征可以分為3類。第1類是入彎減速持續(xù)到圓曲線內(nèi)，在圓曲線內(nèi)經(jīng)歷一個(gè)近似恒速行駛后，并在未到達(dá)圓曲線末端就開始加速駛出匝道，如圖3(a)中50th、75th、85th、95th速度曲線和圖3(b)中85th、95th速度曲線。入彎時(shí)速度越大，恒速行駛的距離越短。第2類是小客車的速度在圓曲線段內(nèi)持續(xù)增加，如圖3(c)中50th、75th、85th、95th速度曲線。第3類是小客車的速度在圓曲線范圍內(nèi)保持恒定，如圖3(d)中25th、50th、75th速度曲線。

綜上，迂回式匝道的車輛行駛速度呈現(xiàn)出兩端高、中間低的“U”形特征，將車輛在迂回式匝道上行駛的過程分為入彎減速、穩(wěn)定行駛、出彎加速3個(gè)階段，具體如下。

階段Ⅰ入彎減速，此階段是車輛由直線路段行駛至曲線階段的減速過程，駕駛員進(jìn)入匝道彎道前需進(jìn)行減速操作，使汽車速度逐漸減小至圓曲線彎道行駛的安全速度。

階段Ⅱ穩(wěn)定行駛，此階段是車輛減速行駛到圓曲線彎道后保持相對恒定的狀態(tài)，行駛速度在一定范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定，在此范圍內(nèi)的速度變化特征分為3類，一是先減速，再勻速，后加速；二是速度持續(xù)增加；三是速度保持恒定。

階段Ⅲ出彎加速，此階段是車輛由曲線彎道行駛至直線路段的加速過程，在駛出彎道時(shí)，隨著駕駛員視線以及行車條件都逐漸變好，駕駛員會采取加速操作盡快駛出彎道，恢復(fù)直線行駛狀態(tài)。

2.2 行駛速度離散性

運(yùn)行速度的離散性可以反映各線形路段條件對駕駛行為的約束性，離散性越低，表明道路條件對駕駛員行為的約束性越強(qiáng)。采用速度分布帶寬值刻畫運(yùn)行速度的離散性，計(jì)算公式為

dv95-5=v95-v5

(1)

dv85-15=v85-v15

(2)

式中：dv95-5為5th～95th的速度差;dv85-15為15th～85th的速度差；vi為第i百分位的速度值。

4條迂回式匝道的速度帶寬值隨行駛里程的變化曲線如圖4所示，車輛在迂回式匝道圓曲線路段的dv85-15值與dv95-5值低于兩端緩和曲線與直線段，達(dá)到最低值。在匝道圓曲線段，匝道A(半徑R=100 m)的dv85-15值分布范圍為11.30～15.8 km/h，匝道B(R=50 m)的分布范圍為6.51～9.52 km/h，匝道C(R=78 m)的分布范圍為7.95～14.91 km/h，匝道D(R=40 m)的分布范圍為5.73～11.41 km/h。由此可見，道路曲率半徑是影響駕駛?cè)怂俣瓤刂菩袨榈闹饕蛩?，曲率半徑越大，行駛速度的離散性越大，道路條件對駕駛員行為的約束性越弱。

圖4 速度分布帶寬曲線

3 迂回式匝道的加減速行為

根據(jù)車輛在迂回式匝道上的運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，可以對應(yīng)提取被試在匝道上的減速起點(diǎn)、減速終點(diǎn)(加速起點(diǎn))、加速終點(diǎn)以及減/加速距離等信息，從而分析車輛運(yùn)行速度特征點(diǎn)的位置分布、特征位置的行駛速度區(qū)間分布等特性,以及減速距離長度與減速終點(diǎn)關(guān)系。減速起止點(diǎn)、加速終點(diǎn)提取示意圖如圖5所示。

圖5 特征點(diǎn)提取示意圖

3.1 變速起、終點(diǎn)分布

圖6給出了4條迂回式匝道的線形參數(shù)，并繪制了匝道上減速起點(diǎn)、減速終點(diǎn)、加速終點(diǎn)的分布路段?？梢钥闯觯训繡以外，其他3條匝道的減速終點(diǎn)分布在匝道的整個(gè)圓曲線段。匝道C在圓曲線前半段的線形變化較大，轉(zhuǎn)彎時(shí)路旁樹木遮擋嚴(yán)重，駕駛員視野較差，行駛速度更低，故減速終點(diǎn)集中出現(xiàn)在此路段。

圖6 特征點(diǎn)位置分布

3.2 最低速度特征分析

根據(jù)4條匝道的車輛運(yùn)行狀況，將車輛在緩和曲線和圓曲線行駛過程中的車輛運(yùn)行速度最小值作為關(guān)鍵位置特征參數(shù)，繪制駕駛員在關(guān)鍵位置車輛運(yùn)行速度最小值的累計(jì)頻率分布曲線，如圖7所示，并將特征分位值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)，以此研究典型百分位速度的分布情況。可以看出，匝道半徑越大，最低速度值越大。小半徑匝道B和匝道D上的最低速度分布高度重合。曲線在15th和85th存在突變點(diǎn)，突變點(diǎn)的速度分布較為集中，75th～85th運(yùn)行速度差僅為0.7～1.7 km/h。

圖7 最低速度累計(jì)頻率

表3 迂回式匝道減速終點(diǎn)典型分位運(yùn)行速度

3.3 車輛減速長度模型

由于駕駛員個(gè)體的差異性，駕駛員在匝道上會產(chǎn)生不同的駕駛行為，導(dǎo)致進(jìn)入匝道時(shí)的減速起點(diǎn)與減速終點(diǎn)分布在一定路段區(qū)間內(nèi)。為進(jìn)一步明確減速行為，建立減速長度關(guān)于減速終點(diǎn)位置坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。

將每條匝道的減速終點(diǎn)所在區(qū)域以10 m為間隔進(jìn)行分組，取中間值作為本組的樣本值，統(tǒng)計(jì)330條速度曲線數(shù)據(jù)的車輛減速長度和減速終點(diǎn)位置坐標(biāo)，各條匝道上的減速長度與減速終點(diǎn)坐標(biāo)的散點(diǎn)曲線如圖8所示。采用線性函數(shù)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到4條匝道的減速長度模型(圖8)，4個(gè)模型的R2分別為0.916 2、0.966 3、0.926 7、0.749 2，擬合效果較好。結(jié)合上述分析可知，隨著駕駛員減速操作的持續(xù)，減速終點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，減速長度越長，減速長度與減速終點(diǎn)距離存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果可以為匝道半徑設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

y為減速長度；x為減速終點(diǎn)距離坐標(biāo)

4 行駛速度的影響因素分析

4.1 駕駛?cè)诵詣e的影響

對各條匝道圓曲線路段的每條速度曲線數(shù)據(jù)取均值，每位駕駛員每次行駛得到速度均值Vai(i=1，2，…，N)，其中，N為每位被試的行駛次數(shù)，N取2～3，33位駕駛員最終得到M個(gè)均值。將各條匝道上平均速度按照駕駛員性別分開統(tǒng)計(jì)，得到圖9。圖9中散點(diǎn)從下到上依次為最小值、25th、75th、最大值。由圖9可知，男性駕駛員的行駛速度大于女性駕駛員。

圖9 不同性別駕駛員均值速度分布

將行駛速度按照駕駛員性別進(jìn)行分組后，以行駛速度作為檢驗(yàn)變量進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，雖然4條匝道上男性駕駛員行駛速度略大于女性駕駛員，但不同性別駕駛員的行駛速度在A匝道和C匝道上沒有顯著性差異(P>0.05)，在D匝道上有顯著性差異(0.01

表4 方差分析結(jié)果

為更好地分析在小半徑匝道上不同性別駕駛員之間行駛速度的差異性，以江南立交B匝道為例，選取駛?cè)雸A曲線斷面(+110 m)、圓曲線中點(diǎn)斷面(+160 m)、駛出圓曲線斷面(+210 m)處的速度，斷面選取位置如圖10所示。通過Origin軟件獲得以行駛距離為橫坐標(biāo)，以行駛速度為縱坐標(biāo)的箱型圖(圖11)。在駛?cè)雸A曲線及圓曲線中點(diǎn)處，男性駕駛員的最低車速、25th車速、50th車速、75th車速以及最高車速均大于女性駕駛員，在駛出圓曲線處男性駕駛員的50th車速、75th車速均大于女性駕駛員，結(jié)果表明男性駕駛員更傾向以較高的速度通過匝道。

圖10 斷面位置示意圖

圖11 不同性別駕駛?cè)说男旭偹俣炔町愋?/p>

4.2 駕駛風(fēng)格的影響

圖12為4條匝道不同駕駛風(fēng)格駕駛員運(yùn)行速度分布圖，并標(biāo)注出每條匝道上各類駕駛風(fēng)格駕駛員的超速率。可以看出，只有冒險(xiǎn)型駕駛員在4條匝道上都出現(xiàn)超速行為，每條匝道的最大速度均來自于冒險(xiǎn)型駕駛員。與憤怒型以及焦慮型駕駛員相比，冒險(xiǎn)型駕駛員的超速率最高，在匝道C上的超速率已高達(dá)97.30%。

圖12 不同駕駛風(fēng)格的運(yùn)行速度分布

將行駛速度按照駕駛風(fēng)格進(jìn)行分組后，以行駛速度作為檢驗(yàn)變量進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。在此次試驗(yàn)中，雖然四條匝道上冒險(xiǎn)型駕駛員行駛速度略大于憤怒型以及焦慮型駕駛員，但不同風(fēng)格駕駛員的行駛速度在C匝道和D匝道上沒有顯著性差異(P>0.05)，在A匝道和B匝道上有顯著性差異(P<0.05)。不同駕駛風(fēng)格駕駛員之間行駛速度的差異性受到匝道線形設(shè)置的影響，在線形較為標(biāo)準(zhǔn)(包含“直線-緩和曲線-圓曲線-緩和曲線-直線”線形組合)的迂回式匝道表現(xiàn)明顯。

表5 方差分析結(jié)果

4.3 行駛速度與匝道半徑相關(guān)性

通過Origin軟件分析得到每條迂回式匝道速度均值點(diǎn)的箱型圖，同時(shí)，根據(jù)徐進(jìn)等[12]對環(huán)形匝道中段速度的研究成果，在圖13中標(biāo)注出不同半徑環(huán)形匝道的中位行駛速度值。除匝道B以外，其他3條匝道行駛均值速度的幅值隨著匝道半徑的增大而增加，此結(jié)果說明匝道半徑越大，駕駛員的駕駛條件更好，選擇的速度范圍越大。匝道B的半徑大于匝道D，行駛速度幅值卻略小于匝道D，通過觀察行車記錄儀發(fā)現(xiàn)，匝道B入口處有一處測速點(diǎn)(圖14)，且兩側(cè)樹木較為茂盛，嚴(yán)重影響了駕駛員視線，導(dǎo)致駕駛員選擇低速行駛。

圖13 行駛速度與匝道半徑

圖14 匝道B入口處測速點(diǎn)

通過對比相同半徑的環(huán)形匝道以及迂回式匝道中位行駛速度值發(fā)現(xiàn)，迂回式匝道圓曲線段的中位速度值略大于環(huán)形匝道，結(jié)果表明環(huán)形匝道線形對駕駛員的約束性更強(qiáng)，駕駛員在環(huán)形匝道上行駛更為謹(jǐn)慎。

5 結(jié)論

基于小客車在迂回式匝道上的自然駕駛數(shù)據(jù)，研究了行駛速度的特性，分析了駕駛員性別、駕駛風(fēng)格對行駛速度的影響，并探討了行駛速度與匝道半徑的相關(guān)性，得出如下結(jié)論。

(1)在迂回式匝道上，汽車以迂回繞行的方式完成轉(zhuǎn)彎的過程中會經(jīng)過入彎減速、穩(wěn)定行駛、出彎加速三個(gè)階段，行駛速度曲線呈現(xiàn)“U”形。匝道曲線半徑越小，行駛速度的離散性越小，道路條件對駕駛行為的約束性越強(qiáng)。

(2)在迂回式匝道上，減速終點(diǎn)分布在圓曲線路段，減速長度隨著減速終點(diǎn)距離的增加而增加。

(3)在圓曲線路段，男性駕駛員的行駛速度高于女性，不同性別駕駛員的行駛速度差異性與匝道半徑的大小相關(guān)，在小半徑迂回式匝道表現(xiàn)顯著。

(4)與憤怒型以及焦慮型駕駛員相比，冒險(xiǎn)型駕駛員傾向于以更高的速度通過匝道。不同駕駛風(fēng)格駕駛員的行駛速度差異性受到迂回式匝道線形設(shè)置的影響，在線形較為標(biāo)準(zhǔn)的迂回式匝道上表現(xiàn)顯著。

(5)駕駛員的行駛速度值隨著匝道半徑的增大而增加。與環(huán)形匝道相比，駕駛員在相同半徑條件下的迂回式匝道圓曲線路段的行駛速度更大。